에너지 줄이기
국내 산업이 점점 거대해지고 있다. 이러한 상황에 따라, 전력의 소비가 급속하게 증가하고 있다. 이에 따라 발전소 및 송·배전 계통의 전력공급 증설이 요구되면서, 한편으로는 발전량 증가에 따른 환경오염과 에너지원 고갈에 대한 문제를 함께 해결해야 노력이 시급한 실정이다. 이러한 상황에서 우리가 사용하는 전력의 양을 줄이거나 불필요하게 낭비되는 손실을 줄임으로써 전력을 효과적으로 써야 할 것이다.
전력을 생산하게 되면 실제 쓰이기 전까지 이동하는 과정에서 많은 손실이 발생한다. 그러기에 손실을 최대로 줄이기 위해 고전압으로 송전하고 있는 것이다. 그러나 실제로 전기를 사용하기 위해서는 고전압을 바로 사용할 수 없으므로 저전압으로 변화시켜야 한다. 이 변압의 과정에서 전력의 손실이 일어나게 되는 것이다.
전력손실은 왜?
우리가 사회에서 살아가면서 원리와 원칙을 내세우며 바르게 살아가는 것이 얼마나 힘든 일인가? 모든 자연계 현상과 기계에서도 마찬가지이다. 현실에서는 여러 가지 변수 때문에 모든 기계는 이상적 모델과는 차이가 발생한다. 변압기도 기계의 일부이다. 여러 가지 변수 때문에 이상적인 값과도 조금 다르게 되는 것이다. 변압기에서 여러 가지 손실이 있을 수 있지만, 코어에서 전력손실이 일어나는 원인은 코어 내부에서 시간에 따라 변하는 자기장(Magnetic field) 때문에 일어난다. 코어 손실은 히스테리시스 손실(Hysteresis loss)과 와전류 손실(Eddy current loss)이 있으나 히스테리스 손실이 더 크다.
히스테리시스
코일에 전류가 흐르면 자계가 생긴다. 전류를 많게 하고 자계를 크게 하면, 자속밀도도 점점 커진다. 어떤 크기가 되면 포화하면 더는 증가하지 않게 된다. 이 점으로부터 전류를 줄이고, 자계를 작게 하면 자속 밀도도 작아지지만 사라지지는 않는다. 즉 전류를 원상태로 돌리면 자속이 원래대로 돌아오지 않는 것이다. 이러한 원인으로 손실이 발생하는 것을 히스테리시스(hysteresis)라 한다.
히스테리시스 손실을 줄이려면?
변압기에 쓰이는 코어의 재료를 히스테리시스 손실을 줄이는 재료를 써야 한다. 그러기 위해서 높은 투자율을 가져야 한다. 투자율이란 내가 어떠한 값을 주면 코어에서 받아들이는 비율을 말하는 것이다. 두 번째로는 낮은 보자력과 높은 포화자속밀도를 가져야 한다. 여기서 보자력은 다시 원상태로 되돌아가는 데 필요한 힘을 말한다. 히스테리시스 손실의 원인이 전류가 통하지 않았을 때 자속이 원상태로 돌아가지 않아 발생하는 손실이므로 이 값이 작을수록 손실이 적게 되는 것이다.
무엇을 고를까?
세상에는 많은 물질이 있다. 하지만 모든 물질을 조사할 수는 없으니 여기서는 아몰퍼스 합금과 Ni-Zn 합금의 비교를 통하여 좀 더 우수한 재료를 찾아보자.
아몰퍼스 합금 (Amorphous)
아몰퍼스 합금은 철(Fe), 붕소(B), 규소(Si) 등의 혼합물을 용융 후 급속응고(10℃/sec)시켜 만들어지는 비정질 자성재료이다. 원자의 배열에 규칙성이 없는 랜덤구조이므로 히스테리시스 손실이 적다. 또한, 가공성이 편리하며 경제성이 좋다.
Ni-Zn 페라이트(Ni-Zn Ferrite)
Ni-Zn 페라이트는 높은 투자율과 포화자속밀도의 특징이 있다. 하지만 열 충격과 기계적 충격에 약하며, 다이아몬드 공구를 사용하지 않으면 연마나 절단과 같은 기계가공이 불가능한 결점이 있다.
앞에서 살펴본 두 재료 간의 특징을 살펴보면 아몰퍼스 합금은 우수한 여자성체이며 또한 저보자력, 고투자율, 작은 히스테리시스 손실을 유발한다. 또한, 전기적 비정항도 크며 높은 경도, 강도를 가지고 있다. Ni-Zn 페라이트의 특징은 아몰퍼스 합금과 마찬가지로 높은 투자율을 가지고 있다. Ni-Zn 페라이트에 보다 경제성과 가공성이 좋은 아몰퍼스 합금이 코어의 재료로 쓰일 수 있다.
마무리
우리나라 에너지 사용량은 세계 10위 수준이다. 21세기에서 에너지는 곧 안보란 말까지 나오고 있다. 이러한 상황에서 전력 손실을 줄이는 것은 당연할 것이다. 변압기에서 사용되는 코어 재료의 변화를 통해 이러한 상황에 조금이나마 도움이 되었으면 좋겠다.
