전기기사 실기 2019년 1회 기출유형문제

[해설]

스폿 네트워크는 여러 배전선에 연결된 변압기의 2차측을 네트워크 프로텍터를 거쳐 하나의 모선에 병렬로 묶는 고신뢰도 수전방식이다.

• 무정전 공급 — 배전선 1회선이나 변압기 1대가 고장 나도 나머지 회선과 변압기가 부하를 넘겨받는다.
• 전압 변동률이 작다 — 변압기가 병렬로 운전되어 합성 임피던스가 작아진다.
• 부하 변동에 대한 탄력성 — 부하가 늘거나 줄어도 병렬로 연결된 변압기들이 나눠 부담한다.

단점으로 설비비가 비싸고 보호장치가 복잡하다. 네트워크 프로텍터는 사고 난 회선 쪽으로 전력이 거꾸로 흐르면 그 회선을 자동으로 분리하는 차단 장치다.

[해설]

태양광 발전은 태양전지가 빛 에너지를 직접 전기로 변환하는 방식이라, 장점과 단점이 모두 이 원리에서 나온다.

• 효율 일정 — 셀을 직렬·병렬로 늘리는 구조라 규모가 커지든 작아지든 효율이 같다.
• 설치·보수 용이 — 회전 기계가 없어 햇빛만 들면 어디든 설치할 수 있고 관리가 간단하다.
• 무한한 에너지원 — 연료가 필요 없고 태양광은 고갈되지 않는다.
• 산란광 활용 — 구름·대기에 흩어진 빛으로도 발전한다.
• 넓은 면적 — 햇빛의 에너지 밀도가 낮아 같은 출력을 내려면 넓은 부지가 필요하다.
• 출력 불안정 — 일사량에 좌우되어 흐리거나 비가 오면 발전량이 줄어든다.

외우는 요령: 장점은 '연료와 기계가 없다', 단점은 '햇빛에 의존한다'로 묶어서 떠올린다.

[해설]

진공차단기는 진공 속에서 아크를 소호하므로 기름이나 가스 같은 소호 매질이 필요 없다.

• 소형·경량이고 화재 위험이 없다 — 절연유를 쓰지 않아 불이 붙을 매질이 없다.
• 소음이 작고 수명이 길다 — 밀폐된 진공 소호실 안에서 차단하므로 소리가 작고 접점이 덜 닳는다.
• 고속 개폐가 가능하고 차단 성능이 우수하다 — 진공은 절연회복이 매우 빨라 아크가 곧바로 꺼진다.

혼동 주의: 전류를 급격히 끊어 개폐 서지가 생기기 쉬우므로 몰드변압기나 전동기 앞에는 서지흡수기(SA)를 둔다.

[해설]

역률 개선은 유도성 부하에 진상 콘덴서를 병렬로 달아 지상 무효전력을 상쇄하는 것이다. 무효전력이 줄면 같은 유효전력을 보내는 데 필요한 피상전력과 전류가 작아진다.

• 전력손실 증가 — 역률이 낮으면 전류가 커져 선로 손실($I^2R$)이 늘어난다.
• 전기요금 증가 — 한전은 기준 역률에 못 미치면 역률요금으로 기본요금을 더 받는다.

$Q_c=P(\tan\theta_1-\tan\theta_2)$
$Q_c=30\left(\dfrac{\sqrt{1-0.65^2}}{0.65}-\dfrac{\sqrt{1-0.9^2}}{0.9}\right)$
$Q_c=20.54$ [kVA]

혼동 주의: 역률(cos) 값을 그대로 빼지 말고 tan으로 바꾼 뒤 차이를 구한다.

[해설]

내선규정의 전압강하 표다. 인입선 접속점(또는 전용 변압기 2차 단자)에서 최원단 부하까지가 60[m]를 넘으면 거리 구간별로 허용치를 완화한다.

• 전기사업자에게 저압으로 공급받는 경우 — 120[m] 이하 4[%], 200[m] 이하 5[%], 200[m] 초과 6[%]로 구간마다 1[%]씩 늘어난다.
• 전용 변압기에서 공급하는 경우 — 120[m] 이하 5[%], 200[m] 이하 6[%], 200[m] 초과 7[%]로 전기사업자 공급보다 늘 1[%] 크다.

외우는 요령: 전기사업자 공급은 4·5·6, 전용 변압기 공급은 5·6·7로 한 칸씩 밀려 있다고 기억한다.

혼동 주의: KEC 232.3.9의 수용가 설비 전압강하 표는 거리 구간이 아니라 조명용과 기타 용도로 나눠 정한다.

[해설]

접지저항은 접지저항계(어스 테스터)로 측정한다. 측정 원리는 콜라우시 브리지를 쓰는 3전극법이다.

본 접지 E와 보조접지 P·C 중 두 곳 사이를 잰 값은 그 두 접지저항을 더한 값이다.
$R_{EP}=R_E+R_P,\ R_{EC}=R_E+R_C,\ R_{PC}=R_P+R_C$

E-P 값과 E-C 값을 더한 뒤 P-C 값을 빼면 R_P·R_C가 지워지고 2R_E만 남는다.
$R_E=\dfrac{1}{2}(R_{EP}+R_{EC}-R_{PC})$
$=\dfrac{1}{2}(86+92-160)$
$=9$ [Ω]

혼동 주의: 세 값을 평균 내는 것이 아니다. P-C 값을 빼야 한다.

[해설]

최종단이 3입력 NOR이므로 출력식을 세운 뒤 드모르간 정리로 전개한다.
$X=\overline{\overline{A+B+C}+\overline{D+E+F}+G}$
$X=(A+B+C)\cdot(D+E+F)\cdot\overline{G}$

바깥쪽 부정을 각 항에 나눠 주면 OR로 묶인 합이 AND 곱으로 바뀐다. 앞단 NOR의 부정은 이중부정이 되어 사라진다.

• OR 게이트 2개는 A·B·C와 D·E·F를 각각 묶어 A+B+C, D+E+F를 만든다.
• NOT 게이트 1개는 G를 반전해 $\overline{G}$를 만든다.
• AND 게이트 1개는 세 신호를 3입력으로 받아 X를 낸다.

혼동 주의: G는 NOR를 한 번만 거치므로 반전된 채 남고, A~F는 NOR를 두 번 거쳐 OR 논리로 돌아온다.

[해설]

보호협조에서는 사고 구간에 가장 가까운 계전기·차단기가 주보호를 맡는다. 주보호가 실패하면 한 단계 전원 쪽 조합이 후비보호로 동작하도록 동작시간을 맞춘다.

• F₁ 후비보호는 전력회사 변전소 쪽 OC₁₂+CB₁₂ AND OC₁₃+CB₁₃ 조합이 자가용 설비 사고를 뒤에서 차단하는 것이다.
• F₂ 주보호는 1·2차 CT 전류의 차를 감시하는 비율차동계전기 RDf₁이 주변압기 내부사고를 잡아 CB₃·CB₄를 차단하고, OC₃+CB₃가 이를 백업하는 것이다.
• 상세도 맨 위에서 선로에 끼인 사각형은 교류차단기(CB), 선로에 직렬로 들어간 세로 코일은 변류기(CT), 선로에서 옆으로 분기한 가로 코일은 계기용변압기(PT)다.
• CT·PT와 실선으로 이어지고 차단기로 점선(트립 신호)을 보내는 오른쪽 아래 상자는 과전류계전기(OC)다.
• 상세도 위쪽 칸(차단기)은 동작부, 왼쪽 아래 칸(CT·PT)은 검출부, 오른쪽 아래 칸(OC)은 판정부다.
• F₂ 도면은 변압기 양쪽 CT의 2차를 차동결선해 RDf₁에 넣고, RDf₁이 동작하면 CB₃·CB₄를 트립시키며, OC₃·OC₄는 변압기 1·2차 양쪽에 둔다.
• 발전설비를 갖춘 수용가에는 과전류(OCR), 주파수(OFR/UFR), 부족전압(UVR), 과전압(OVR), 비율차동(RDfR) 계전기를 설치한다.

자가 발전기는 계통과 병렬로 운전하므로 과전류뿐 아니라 주파수·전압 이상까지 감시해야 사고가 계통으로 번지지 않는다.

[해설]

계통도는 인입 → DS → PF → CB → CT 순서로 주회로를 잇고, LA는 DS 2차에서 분기해 E₁ 접지하며 PT는 PF 2차에서 분기한다. PT 2차에는 전압계 V·표시등 PL을 달고 2차 한 단자를 E₁ 접지하며, CT 2차에는 전류계 A를 단다.

CB 2차 모선 R·S·T에서 전등용 단상변압기(1차 2선, 2차 중성점 E₁ 접지)와 동력용 변압기 3대(Δ-Δ 결선)로 나간다.

통전 중 CT 2차 기기를 바꿀 때는 먼저 CT 2차를 단락한다. 2차가 개방되면 1차 전류가 모두 여자전류가 되어 2차에 고전압이 유기되고, 절연 파괴와 감전으로 이어진다.

DS 대신 LBS(고압부하개폐기)를 쓸 수 있다. DS는 무부하 상태에서만 개폐할 수 있지만, LBS는 부하전류를 개폐하고 한류퓨즈와 조합하면 단락보호도 한다.

VCB는 개폐할 때 급준한 개폐서지를 내는데, 몰드변압기는 절연내력이 낮아 이 서지에 약하다. 그래서 서지흡수기(SA)를 VCB 2차측과 몰드변압기 1차측 사이에 설치한다.

[해설]

PB₁과 출력 M을 OR로 묶고 이를 PB₂의 NOT과 AND하는 회로는 전형적인 자기유지 회로다.
$M = (PB_1 + M)\cdot\overline{PB_2}$

• 주회로는 3상 전원이 MCCB와 MC 주접점을 거쳐 전동기에 공급되는 구성이다.
• PB₁(a접점)을 누르면 MC 코일이 여자되고, PB₁과 병렬로 연결된 MC a접점이 자기유지를 해서 손을 떼도 운전이 계속된다.
• MC 코일과 직렬로 연결된 PB₂(b접점)를 누르면 AND 조건이 끊겨 자기유지가 풀리고 정지한다.
• $RL = M$이므로 RL은 MC a접점으로 켜지는 운전표시등이다.
• $GL = \overline{M}$이므로 GL은 MC b접점으로 켜지는 정지표시등이다.

외우는 요령: 무접점 회로를 유접점으로 바꿀 때 OR는 병렬, AND는 직렬, NOT은 b접점으로 옮기면 된다.

[해설]

저압 수전 3상 3선식은 설비불평형률 30[%] 이하(내선규정)를 기준으로 한다. 전동기 부하는 kW를 역률 0.8로 나눠 입력으로 환산해 더한다.

그림에서 선간별 부하는 a–b 2+3+0.5/0.8=5.625[kW], b–c 3+1.5+1/0.8=5.75[kW], a–c 3+1=4[kW]이다.
불평형률 = (5.75−4) ÷ (15.375×1/3) × 100 = 34.15[%]

Q가 끊기면 a–c의 1[kW] 전열부하가, P가 끊기면 b–c의 1[kW] 전동기가 빠져 남은 선간 부하는 5.625·4.5·3[kW]가 된다.
불평형률 = (5.625−3) ÷ (13.125×1/3) × 100 = 60[%]

혼동 주의: 저압 수전 단상 3선식은 40[%] 이하가 기준이다.

[해설]

변압기 용량은 부하군별 최대수요전력(설비용량×수용률)을 모두 더한 뒤 부등률과 부하율로 나누고 여유도를 곱해 구한다. 하절기 동력과 동절기 동력은 계절이 달라 동시에 쓰지 않으므로 큰 쪽만 넣는다.

하절기 140×0.8=112[kW] > 동절기 60×0.6=36[kW]
$P=\dfrac{70+125+112}{1.35\times0.9}\times1.15=290.58$ [kVA]

계산값 이상인 표준용량 가운데 가장 작은 300[kVA]를 고른다. 250[kVA]를 고르면 최대부하 때 과부하가 된다.

[해설]

급전선에는 A·B·C 세 부하전류가 모두 흐르므로 유효분·무효분으로 나눈 벡터합으로 구한다.

지상 부하의 무효분은 −j로 두며, sinθ₂=0.6, sinθ₃=√(1−0.9²)=0.436이다.
$I=10+20(0.8-j0.6)+20(0.9-j0.436)=44-j20.717$
$|I|=\sqrt{44^2+20.717^2}=48.63$ [A]

구간별 전류가 다르므로 선로손실은 P=3I²R을 급전선 1.8Ω·A지선 0.5Ω·C지선 1.0Ω(0.5[Ω/km]×길이)에 따로 적용해 더한다.
$P_\ell=3\times48.63^2\times1.8+3\times10^2\times0.5+3\times20^2\times1.0$
$=12{,}770.34+150+1{,}200=14{,}120.34$ [W]

혼동 주의: B점 부하는 지선이 없어 급전선 손실에만 들어가고, 급전선 전류를 산술합 50A로 쓰면 틀린다.

전압강하 $e = V_s - V_r = 6{,}600 - 6{,}000 = 600$ [V]
$R\cos\theta + X\sin\theta = 1.4\times0.8 + 1.8\times0.6 = 2.2$
선전류 $I = \dfrac{e}{\sqrt{3}\,(R\cos\theta + X\sin\theta)} = \dfrac{600}{\sqrt{3}\times 2.2} = 157.46$ [A]
부하전력 $P = \sqrt{3}\,V_r I\cos\theta = \sqrt{3}\times 6{,}000\times 157.46\times 0.8\times 10^{-3} = 1{,}309.1$ [kW]
∴ P ≒ 1,309.09 [kW] (약 1,309 [kW])

[해설]

3상 3선식 전압강하 근사식 $e=\sqrt{3}\,I\,(R\cos\theta+X\sin\theta)$로 선전류를 구한 뒤 부하전력을 계산한다.

허용 전압강하에서 선전류를 구한다.
$e=6{,}600-6{,}000=600$ [V]
$R\cos\theta+X\sin\theta=1.4\times0.8+1.8\times0.6=2.2$
$I=\dfrac{600}{\sqrt{3}\times2.2}=157.46$ [A]

구한 전류로 부하전력을 계산한다.
$P=\sqrt{3}\,V_r I\cos\theta$
$=\sqrt{3}\times6{,}000\times157.46\times0.8\times10^{-3}$
$=1{,}309.1$ [kW]

혼동 주의: 전력 계산에는 송전단 6,600[V]가 아니라 수전단 전압 6,000[V]를 넣는다.

[해설]

V결선 출력은 단상 변압기 1대 용량 VI의 $\sqrt{3}$배이므로, 필요한 전력을 $\sqrt{3}\cos\theta$로 나누면 1대 용량이 나온다. 변압기는 전동기 출력이 아니라 손실까지 포함한 입력을 공급해야 하므로 효율로도 나눈다.

$VI=\dfrac{P}{\sqrt{3}\cos\theta\cdot\eta}$
$VI=\dfrac{11}{\sqrt{3}\times0.8\times0.85}=9.34$ [kVA]

계산값 이상인 표준용량 10[kVA]를 1대 용량으로 고른다. 혼동 주의: V결선 출력 $\sqrt{3}VI$는 Δ결선 출력(3VI)의 57.7[%]다.

[해설]

완전 확산형은 균등 점광원으로 보아 전광속을 전 입체각 4π로 나눠 광도를 구한다.
I = 18,500 ÷ 4π = 1,472.18[cd]

A점 수평면 조도는 거리 역제곱에 입사각의 코사인을 곱하는 입사각 코사인 법칙으로 구한다. 수평면의 법선은 연직이므로 빛과 법선이 이루는 각은 90°−θ이고, cos(90°−θ)=sinθ=6/R이다.

R = √(6²+8²) = 10[cm]
E_h = 1,472.18 ÷ 10² × 6/10 = 8.83[lx]

혼동 주의: 그림의 θ는 수평선과 이루는 각이므로 cosθ(=0.8)를 곱하면 수직면 조도가 된다.