[전기 특집] 전기의 기초 지식 2부: 일본의 지역별 주파수의 차이

[전기 특집] 전기의 기초 지식 2부: 일본의 지역별 주파수의 차이

 

전기의 구조, 발전소로부터 가정에 보내지는 전기의 흐름, 직류와 교류의 차이 등 전기의 기초 지식에 대해 소개합니다.

 

전기는 어디에서 만들어져, 어떻게 옮겨져 오는가 하는 기본적인 전기의 구조로부터, 전기를 흘려 보내기 위한 도체와 반도체, 절연체의 차이 등, 전기의 기초 지식을 배울 수 있습니다.

 

전기의 잡학 지식 외에, 오일 히터나 전기 주전자, 공기 청정기 등, 가정용의 백색 가전에 대한 해설과 함께 소비 전력을 적게 억제해 전기 요금을 절약하는 똑똑한 사용법이나, 가전의 구조 및 동작 원리와 같은 기술적인 내용도 소개합니다.

 

이 시리즈에서는 전기설비의 전문 설계에 관한 기술 소개를 최소화하고, 읽기 쉽고 알기 쉬운 형식으로 정보를 제공하고자 합니다.

 

우리나라 전력의 주파수는 60Hz로 통일하여 사용하고 있어 지역별 차이에 대한 개념이 없지만, 일본의 경우를 살펴보면 전력 품질과 주파수의 관계에 대해 이해할 수 있습니다.

 

전기와 주파수

 

 

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일본의 지역별 전원 주파수와 전압의 차이

 

전원 주파수는 동일본에서 50Hz, 서일본에서 60Hz로 나누어져 있으며, 니가타·군마·사이타마·야마나시를 경계로 하고, 시즈오카를 분단하는 형태로 동일본과 서일본에서 주파수가 다릅니다.

 

주파수의 차이가 일상 생활에 어떤 영향을 미칠까요? 일본의 경우를 살펴보겠습니다. 주파수의 차이는 교류 전동기의 회전 속도에 그대로 영향을 미칩니다. 주택용의 가전제품에서는 인버터 등에 의해 입력 주파수를 변환해 어느 지역에서도 사용할 수 있도록 하고 있지만 일본의 구식 세탁기에서는 주파수 전환 스위치를 설치한 지역에 맞출 필요가 있습니다. 범용 팬이나 변압기에 전환 스위치 등 존재하지 않고, 주파수가 다른 지역에서 전기 기기를 사용해서는 안 된다는 제한이 마련되어 있습니다.

 

전동기나 팬은 설치하는 지역의 주파수에 맞춘 제품이 만들어지고 있습니다. 환기팬이나 펌프 등 간단한 회전기계에서는 현재도 50[Hz]용과 60[Hz]용이 별도로 제작되고 있습니다.

 

변압기는 마찬가지로 지역에 따라 주파수를 변경하여 설계됩니다. 전동기류는 주파수에 따라 회전속도가 달라지기 때문에 설치하는 지역을 착각하면 능력이 10%~20% 가량 변동하므로 소정의 성능을 발휘할 수 없습니다.

 

형광등 등 인버터를 내장하고 있는 전기 기기라면 전원의 헤르츠 프리나 볼트 프리가 일반화되고 있어 신축 건물에서의 기구 선정에서는 어느 주파수에서도 지장 없습니다. 인버터 장치를 갖지 않는 구형 형광등은 설계 주파수와 다른 전원을 공급하면 발열이나 점등 불량의 원인이 됩니다. 기구의 재이용이나 이설하는 경우, 주의가 필요합니다.

 

 

일본 주파수 차이의 유래

 

동일본과 서일본에서 50[Hz] 및 60[Hz]의 차이가 있는 것은 관할하는 전력회사의 발전 장치가 어느 나라에서 구입하여 운용했는가에 따릅니다. 동일본지구에서는 도쿄전등(현재 도쿄전력)의 전신회사가 독일에서 50[Hz]의 발전 장치를 구입하여 운용했기 때문에 50[Hz]가 주파수로 정착했습니다.

 

서일본에서는, 오사카 전등(현재의 간사이 전력)이, 미국으로부터 60[Hz]의 발전 장치를 구입했던 것이 60[Hz]의 정착의 유래입니다. 현재까지도 전원 주파수는 통일되어 있지 않습니다.

 

 

일본 전압 설정의 유래

 

일본 주파수는 동서에서 다르지만 전압은 100V로 통일되어 있습니다. 외국은 200V의 전원이 보급되고 있는 가운데 100V로 설정된 것은 전압이 결정된 1910년대 민간에 보급되고 있던 전기 기기의 대부분이 100V의 조명용 전구이며 전구에 100V 이상의 전압을 인가하면 수명이 현저하게 감소해 버리기 때문에 100V로 통일했다고 합니다.

 

 

전기 기기의 주파수 차이와 사용 가능 여부

 

50[Hz]와 60[Hz] 모두 사용할 수 있는 헤르츠 프리 인버터식 형광등 기구를 제외하고, 글로우식 형광등, 래피드식 형광등은 각각 기기에 정해진 주파수의 지역에서 사용하지 않으면 안됩니다. 설계 주파수와 다른 전원을 공급하면 기기의 이상 발열에 의한 소손으로 이어집니다.

 

 

글로우식 형광등의 주파수에 따른 차이

 

글로우식 형광등은, 60[Hz] 전용 안정기를 50[Hz] 전원으로 사용했을 경우, 밝기는 증가하지만 램프 수명이 짧아져, 안정기의 이상 과열을 일으킵니다.

 

50[Hz] 전용 안정기를 60[Hz] 전원으로 사용하면 밝기가 저하되고 램프 수명이 짧아집니다. 안정기의 이상 과열은 발생하지 않지만 시동 불량이 되어 점등하지 않는 경우가 있습니다.

 

둘 다 정상적인 운용이 아니라 고장의 원인이 되므로 피해야 합니다.

 

 

신속한 형광등의 주파수에 따른 차이

 

래피드식 형광등의 60[Hz] 전용 안정기를 50[Hz] 전원으로 사용했을 경우, 밝기가 저하되어 램프 수명이 짧아집니다.

 

50[Hz] 전용 안정기를 60[Hz] 전원으로 사용하면 밝기가 증가하지만 램프 수명이 짧아집니다. 안정기가 이상 과열되어 입력 전류도 증가하기 때문에 발열·발화의 위험성이 높아집니다.

 

주파수의 차이에 의해 형광등 안정기에 과도한 부담이 발생하여 이상 발열이나 소손 사고의 원인이 됩니다. 램프의 수명이 현저하게 변화하여 기대 수명을 만족할 수 없습니다. 신속한 형광등과 글로우 형 형광등은 주파수에 따라 역 현상이되지만 두 경우 모두 안정기를 손상시킬 수 있으므로 주의가 필요합니다.

 

 

HID 조명의 주파수에 따른 차이

 

60[Hz]용 HID 안정기를 50[Hz]로 사용하면 안정기의 온도 상승으로 연결되어 수명이 짧아집니다.

 

50[Hz]용 HID 안정기를 60[Hz]로 사용하면 램프의 안정 점등까지의 시간이 길고, 램프는 어두워지고 수명이 짧아집니다.

 

둘 다 수명 저하를 유발하므로 적절한 주파수에서의 사용이 원칙입니다.

 

 

변압기의 주파수 차이로 인한 사용 가능 여부

 

변압기는 60[Hz]용 변압기와 50[Hz]용 변압기를 별도로 제작하고 있어 일본에서는 지역에 따라 구분이 필요합니다. 변압기의 특성상 동일본용의 50[Hz]대응 변압기는 60[Hz]의 서일본에서 사용할 수 있지만, 60[Hz]용 변압기를 50[Hz]지역에서 사용할 수 없습니다.

 

철심의 자속이 주파수 감소에 의해 커져 변압기의 단면적이 부족하기 때문에, 여자 전류, 여자 돌류 전류가 증대합니다. 무부하 손실이 크게 늘어나 소음이나 진동이 매우 커져 위험합니다.

 

50[Hz]용 변압기를 60[Hz] 지역에서 사용한 경우, 여자 전류나 무부하 손실이 감소하여 효율이 좋아지지만, 단락 임피던스의 증가나 전압 변동률의 증가라는 변화를 일으킵니다. 일본의 지역 특성을 고려하고 설계된 변압기를 사용하는 것이 원칙입니다.

 

 

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