전압 강하 계산기 (NEC)

전압 강하 계산기란?

전압 강하 계산기는 회로가 분전반에서 부하까지 가는 동안 몇 볼트를 잃는지 알려줍니다. 완전한 도체는 없습니다. 전선은 1 m마다 저항을 가지며, 그 저항에 전류를 흘리면 공급 전압의 일부가 열로 소모됩니다. 긴 배선의 끝에 전기가 도달할 즈음이면 모터, 조명, 콘센트는 차단기가 내보낸 것보다 눈에 띄게 낮은 전압을 받고 있을 수 있습니다.

이 도구는 전기 기술자들이 현장에서 쓰는 표준 근사식을 적용합니다. 시스템(직류, 단상 교류, 삼상 교류), 도체 재질, AWG 전선 굵기, 편도 회로 길이, 부하 전류, 공급 전압을 고르면 손실된 전압, 그 손실이 공급 전압에서 차지하는 비율, 실제로 부하에 도달하는 전압, 그리고 해당 배선이 권장 한도를 만족하는지에 대한 명확한 판정을 돌려줍니다.

전압 강하가 중요한 이유

과도한 전압 강하는 대부분의 경우 규정 위반이 아닙니다. 성능과 효율의 문제이며, 미국 전기 규정(NEC)도 이를 구속력 있는 조항이 아니라 참고 주석에서 다룹니다. 그럼에도 결과는 분명합니다.

• 모터가 과열됩니다. 전압이 부족한 유도 전동기는 같은 토크를 내기 위해 더 큰 전류를 끌어당기고, 그 결과 권선이 뜨거워져 수명이 짧아집니다.
• 조명이 어두워지고 깜박입니다. 백열등의 광출력은 전압에 따라 가파르게 떨어지고, LED 드라이버도 하한 근처에서는 불안정하게 동작할 수 있습니다.
• 히터의 성능이 떨어집니다. 저항 발열량은 전압의 제곱에 비례하므로, 전압을 5% 잃으면 열은 거의 10%를 잃게 됩니다.
• 에너지가 낭비됩니다. 잃어버린 볼트는 전선 자체에서 열로 흩어집니다. 요금은 내면서, 부하가 아니라 벽을 데우는 셈입니다.

NEC의 지침(210.19(A) 및 **215.2(A)**의 참고 주석)은 전압 강하를 분기 회로에서 3% 이하로, 간선과 분기 회로를 합쳐 총 5% 이하로 유지하라는 것입니다. 이 계산기는 여러분의 배선을 그 3% 목표와 견주어 판정합니다.

계산기는 어떻게 동작하나요?

계산은 NEC 9장 표 8에 실린 도체 특성을 이용한 서큘러 밀 형태의 옴의 법칙에 기초합니다.

도체의 비저항. 상수 $K$는 단면적 1 서큘러 밀, 길이 1피트인 도체의 저항이며, 단위는 피트당 옴·서큘러 밀입니다.

$$K_{\text{copper}} = 12.9 \qquad K_{\text{aluminum}} = 21.2$$

알루미늄의 $K$는 구리보다 약 64% 높습니다. 같은 굵기의 알루미늄 배선에서 전압 강하가 뚜렷하게 커지는 이유가 바로 이것입니다.

도체 단면적. 각 AWG 규격에는 서큘러 밀($CM$) 단위의 고정 단면적이 있고, 이 역시 표 8에서 가져옵니다. 예를 들어 12 AWG는 $6{,}530$ CM, 8 AWG는 $16{,}510$ CM입니다. 값이 클수록 전선이 굵고, 저항이 작으며, 전압 강하도 작습니다.

직류와 단상 교류의 전압 강하. 전류는 부하까지 갔다가 다시 중성선을 통해 돌아와야 하므로, 도체 길이는 두 번 계산됩니다.

$$V_{\text{drop}} = \frac{2 \times K \times I \times L}{CM}$$

삼상 교류의 전압 강하. 평형 삼상 시스템에서는 귀로 전류가 부분적으로 상쇄되므로, 계수는 2가 아니라 $\sqrt{3} \approx 1.732$입니다.

$$V_{\text{drop}} = \frac{1.732 \times K \times I \times L}{CM}$$

여기서 $I$는 부하 전류(A), $L$은 회로의 편도 길이(ft)입니다(원하면 m로 입력해도 됩니다. 계산기가 변환해 줍니다).

전압 강하율과 부하 측 전압. 이어서 전압 강하를 공급 전압과 견주고, 공급 전압에서 빼줍니다.

$$\%\ \text{drop} = \frac{V_{\text{drop}}}{V_{\text{source}}} \times 100$$ $$V_{\text{load}} = V_{\text{source}} - V_{\text{drop}}$$

계산 예제

20 A짜리 단상 분기 회로를 12 AWG 구리선으로 시공했고, 120 V 분전반에서 편도 100 ft(30.48 m) 떨어져 있다고 합시다.

• 12 AWG의 단면적은 $6{,}530$ CM이고, 구리의 상수는 $K = 12.9$입니다.
• 단상이므로 계수는 2입니다.

$$V_{\text{drop}} = \frac{2 \times 12.9 \times 20 \times 100}{6{,}530} = 7.90 \text{ V}$$

• 공급 전압 대비 비율:

$$\%\ \text{drop} = \frac{7.90}{120} \times 100 = 6.58\%$$

• 부하에 도달하는 전압:

$$V_{\text{load}} = 120 - 7.90 = 112.10 \text{ V}$$

**6.58%**의 전압 강하는 권장값 3%의 두 배가 넘으므로, 이 배선은 목표를 만족하지 못합니다. 부하는 112.10 V밖에 받지 못합니다.

전선을 굵게 해서 해결하기

나머지 조건은 그대로 두고 8 AWG 구리선($16{,}510$ CM)을 사용해 봅시다.

$$V_{\text{drop}} = \frac{2 \times 12.9 \times 20 \times 100}{16{,}510} = 3.13 \text{ V}$$

이는 120 V의 **2.60%**이며 부하에는 116.87 V가 남습니다. 3% 목표 안에 여유 있게 들어갑니다. 두 단계만 굵게 해도 5 V 가까이를 되찾은 셈입니다.

실무 참고 사항

• 왕복이 아니라 편도 거리를 입력하세요. 직류와 단상 회로에서는 공식이 이미 길이를 두 배로 계산합니다. 분전반과 부하 사이의 직선 거리보다, 벽을 타고 올라가고 장선을 따라가며 장애물을 돌아가는 실제 배선 경로대로 재는 것이 더 중요합니다.
• 시스템 간의 차이는 전부 이 계수에 있습니다. 직류와 단상이 모두 2인 것은 전류가 두 가닥의 도체로 완전한 왕복을 하기 때문입니다. 평형 삼상이 1.732인 것은 세 선전류의 위상이 120°씩 어긋나 귀로에서 부분적으로 상쇄되기 때문입니다.
• 이것은 고전적인 NEC 근사식입니다. 직류 저항만 사용하며 도체의 리액턴스, 온도 상승, 역률은 무시합니다. 대다수의 분기 회로와 짧은 간선에는 충분히 정확합니다. 배선이 길거나, 도체가 굵거나, 역률이 나쁘다면 NEC 9장 표 9의 교류 임피던스 값을 대신 사용하세요. 여기의 결과는 견실한 설계 추정치이지, 공학적 검토를 대신하는 것은 아닙니다.
• 알루미늄이 구리를 따라잡으려면 약 두 단계 굵어져야 합니다. $K$가 12.9가 아니라 21.2이므로, 같은 굵기와 전류에서 알루미늄은 약 64% 더 큰 전압 강하를 냅니다. 비용 절감을 위해 재질을 바꾸기 전에 이 점을 반영하세요.
• 전압 강하와 허용 전류는 서로 다른 문제입니다. 어떤 전선이 흘리는 전류에 대해 완벽히 적법하더라도, 긴 배선에서는 전압을 너무 많이 잃을 수 있습니다. 먼저 옴의 법칙 계산기와 와트에서 암페어 계산기로 허용 전류에 맞춰 굵기를 정하고, 그다음 전압 강하를 확인해 필요하면 굵기를 올리세요. 굵기가 정해지면 전선관 점유율 계산기로 전선이 관에 들어가는지 확인하면 됩니다.

자주 묻는 질문

3%는 법적 한도인가요? 아닙니다. NEC에서는 참고 주석으로 등장합니다. 지침일 뿐 강제할 수 있는 규정이 아닙니다. 지역 조례, 전력회사의 요구 사항, 특정 장비의 사양이 더 엄격한 한도를 요구할 수 있고, 일부 관할 구역은 실제로 이를 구속력 있게 만듭니다. 분기 회로 3%, 전체 5%로 설계하면 거의 모든 요구를 만족할 수 있습니다.

왜 길이를 두 번 세나요? 전류는 회로를 한 바퀴 돌아야 하기 때문입니다. 편도 100 ft 배선에서 전기는 전압선을 따라 100 ft를 가고 중성선을 따라 100 ft를 돌아옵니다. 합쳐서 200 ft 만큼의 저항입니다. 공식의 계수 2가 이를 자동으로 반영하므로, 여러분은 편도 거리만 입력하면 됩니다.

서큘러 밀이란 무엇인가요? 지름이 1밀(1000분의 1인치)인 원의 면적입니다. 전선 표가 이를 쓰는 이유는, 서큘러 밀 단위의 면적이 밀 단위 지름의 제곱 그 자체가 되어 $\pi$가 필요 없고, 그래서 도체끼리 비교하기가 쉬워지기 때문입니다.

과도한 전압 강하는 어떻게 줄이나요? 현실성이 높은 순서대로, 더 굵은 도체를 쓰고(가장 흔한 해법), 배선을 짧게 하고, 부하를 두 회로로 나누거나, 공급 전압을 높이는 방법이 있습니다. 같은 전력을 전달하는 240 V 회로는 전류가 절반이므로 전압 강하도 절반이 됩니다.