전기기사 실기 2021년 2회 기출유형문제

[해설]

절연내력시험전압은 사용전압을 그대로 쓰지 않고, 접지방식과 전압 구간에 따라 정해진 배수를 곱해 정한다는 것이 핵심이다.

7[kV] 이하 비접지식은 사용전압의 1.5배, 7[kV] 초과 25[kV] 이하 중성점 다중접지식은 0.92배가 적용되므로 ①은 6,900[V]에 1.5배, ②·③은 13,800[V]·24,000[V]에 각각 0.92배를 곱해 구한다.

①은 배수가 1보다 커서 시험전압이 사용전압보다 높아지는 반면, ②·③은 다중접지 덕분에 오히려 사용전압보다 낮은 시험전압이 나온다는 점이 이 표의 특징이다. 참고로 1.5배를 적용한 값이 500[V]에 못 미치면 최저 500[V]를 적용한다.

[해설]

KEC 143.3.1에 따라 주접지단자에 접속하는 등전위본딩 도체는 설비 내 가장 큰 보호접지도체 단면적의 1/2 이상이면서 재질별 최소 단면적 이상이어야 한다.

• 구리도체 — 6 mm² 이상.
• 알루미늄 도체 — 도전율이 구리에 못 미쳐 16 mm² 이상.
• 강철 도체 — 도전율이 가장 낮아 50 mm² 이상.

상한은 구리도체 25 mm²(다른 재질은 이와 동등한 단면적)로, 이를 넘겨 굵게 할 필요는 없다.

외우는 요령: 6·16·50, 상한 25로 묶어 기억한다.

(1) 명칭: 자동부하전환개폐기(ALTS, Automatic Load Transfer Switch)

(2) 용도
· 정전이 허용되지 않는 중요 부하에 상용(주)전원과 예비전원의 이중전원을 확보하는 개폐기
· 주전원이 정전되거나 전압이 일정값 이하로 떨어지면 예비전원(비상발전기)으로 자동 절환하여 무정전에 가깝게 전원을 공급함

[해설]

ALTS는 Automatic Load Transfer Switch의 약자이며, 우리말로 자동부하전환개폐기라고 한다.

• 이중전원 확보 — 정전이 허용되지 않는 중요 부하에 상용(주)전원과 예비전원 두 회선을 연결해 둔다.
• 자동 절환 — 주전원이 정전되거나 전압이 일정값 이하로 떨어지면 예비전원(비상발전기)으로 자동 전환해 거의 끊김 없이 전원을 공급한다.

혼동 주의: ASS(자동고장구분개폐기)는 수용가 구내의 고장을 배전선로에서 분리하는 용도라 목적이 다르다.

[해설]

KS C IEC 62305-3(피뢰시스템 표준)은 설계 데이터를 보호등급(LPL Ⅰ~Ⅳ)에 따라 값이 달라지는 것과 등급과 상관없이 똑같이 적용되는 것으로 나눈다. 등급이 높을수록 더 엄격해지는 것은 뇌격을 막는 성능과 직접 관련된 설계값이다.

• 회전구체 반경·메시 크기·보호각은 수뢰부가 뇌격을 받아내는 보호범위를 정하므로 등급과 관계 있다.
• 인하도선 사이·환상도체 사이 거리는 뇌전류를 나누어 흘리는 간격이라 등급이 높을수록 좁아진다.
• 불꽃방전에 대비한 이격거리는 등급별 계수로 계산하므로 등급과 관계 있다.
• 접지극 최소길이는 뇌전류를 대지로 흘려보내는 능력이라 등급에 따라 달라진다.
• 금속판·금속관 최소두께, 접속도체 최소치수, 재료·사용조건은 기계적·화학적 내구성을 위한 공통 요건이라 등급과 관계 없다.

외우는 요령: 거리·길이·범위를 정하는 값은 등급과 관계 있고, 두께·치수·재료처럼 부품 규격을 정하는 값은 관계 없다.

[해설]

타이머 T1·T2 한시 a접점으로 MC1→MC2→MC3을 순차 기동하고, PBS2로 X·T3·T4를 여자해 MC3→MC2→MC1 역순 정지하는 회로다.

• MC1 회로 — PBS1에 자기유지 MC1-a를 병렬로, 정지용 T4 한시 b접점을 직렬로 넣는다.
• 순차기동 — T1 한시 a접점(T1-Ta)으로 MC2·T2가, T2 한시 a접점(T2-Ta)으로 MC3가 여자된다.
• X 회로 — PBS2에 X-a를 병렬로 넣어 자기유지하고, T4 한시 b접점으로 복귀시킨다.
• 정지 접점 — X-b가 MC3를 즉시, T3 한시 b접점이 MC2를, T4 한시 b접점이 MC1을 끊는다.
• 표시등 — PL1은 MC1-a에 MC2-b를, PL2는 MC2-a에 MC3-b를 직렬로 넣어 다음 단이 켜지면 앞 등이 꺼지고, PL3는 MC3-a만 둔다.

타임차트는 PBS1을 누르는 순간 MC1이 켜지고, t1에 MC2, t2에 MC3가 차례로 켜진다. PBS2를 누르는 순간 X가 켜지며 MC3가 꺼지고, t3에 MC2, t4에 MC1이 꺼진다.

X는 PBS2부터 T4가 동작하는 t4까지 유지되고, 모든 코일회로 앞에 직렬로 있는 PBS3-b를 누르면 전체가 Reset된다.

[해설]

LA는 피뢰기로, 뇌·개폐 이상전압(서지)이 들어오면 대지로 방전해 기기 절연을 보호한다. 방전 뒤 이어 흐르려는 속류를 끊어 계통을 정상 상태로 되돌린다.

• 충격방전 개시전압이 낮아야 서지가 들어오자마자 방전을 시작한다.
• 제한전압(방전 중 단자에 남는 전압)이 낮아야 기기에 걸리는 전압이 작다.
• 속류 차단능력이 커야 방전이 끝난 뒤 곧바로 정상 운전으로 돌아온다.
• 방전내량이 커야 큰 서지 전류에도 피뢰기가 손상되지 않는다.

입력환산은 출력을 효율과 역률로 나눠 계통이 실제로 부담하는 kVA로 바꾸는 계산이다.
$P_a = \dfrac{P}{\eta \cos\theta}$
일반동력 $\dfrac{635}{0.85 \times 0.9} = 830.1$ [kVA], 비상동력 소계 $19.6 + 14.4 + 19.6 + 8.9 = 62.5$ [kVA]

결선도에서 TR-2는 ACB로 일반동력을, ATS로 비상동력을 함께 공급하므로 두 수요를 더해 부등률 1.3으로 나누고 15 % 여유를 준다.
$\dfrac{830.1 \times 0.45 + 62.5 \times 1.0}{1.3} \times 1.15 = 385.73$ [kVA] → 표준규격 400 kVA

접지선 굵기는 고장전류가 흐르는 동안 도체가 견딜 단면적을 구하는 단열식으로 구한다.
$I = 20 \times \dfrac{400 \times 10^3}{\sqrt{3} \times 380} = 12{,}154.74$ [A]
$A = \dfrac{I\sqrt{t}}{K} = \dfrac{12{,}154.74 \times \sqrt{0.1}}{143} = 26.88$ [mm²] → 표준굵기 35 mm²

[해설]

직렬승압기는 분로권선(1차)을 선간에 병렬로, 직렬권선(2차)을 선로에 직렬로 넣어 입력전압에 2차 전압분을 더한다.

승압 후 전압은 입력전압에 정격전압비만큼의 증분을 더해 구한다.
$V_2 = V_1\left(1+\dfrac{e_2}{e_1}\right)$
$= 6300\times\left(1+\dfrac{210}{6600}\right)$
$= 6500.45$ [V]

결선도는 Tr1·Tr2의 분로권선(6600V)을 V결선으로 선간에 걸고, 각 직렬권선(210V)을 입력 R·S·T와 출력 R′·S′·T′ 사이 선로 도중에 직렬로 삽입한다.

혼동 주의: 증분은 6300V에 210/6600을 곱한 약 200V이며, 210V를 그대로 더하는 것이 아니다.

[해설]

이 문제는 적산전력계가 표시한 측정전력을 먼저 구한 뒤, 계기 자체의 +2[%] 오차를 거꾸로 보정해 실제 부하전력(참값)을 구하는 2단계 문제다.

측정전력은 $P_M=\dfrac{3600n}{tk}$[kW](n=원판 회전수, t=측정시간[s], k=계기정수[Rev/kWh])로 계산하며, 계기정수의 단위(Rev/kWh)를 초 단위 시간과 맞추기 위해 3600을 곱하는 구조임을 이해해야 한다.

+2[%] 오차는 측정값이 참값보다 2[%] 크다는 뜻이므로, 참전력은 측정전력을 그대로 쓰지 않고 $1.02$로 나눠 보정한 값이라는 점이 채점 포인트다.

[해설]

Peek식으로 전선 표면에서 공기가 절연파괴되기 시작하는 상전압인 코로나 임계전압을 구한다. 코로나 손실은 운전 상전압이 임계전압을 넘는 만큼의 제곱에 비례한다.

임계전압(d=지름 1.6cm, r=반지름 0.8cm, D=430cm)
$E_0 = 24.3\, m_0 m_1 \delta\, d \log_{10}\dfrac{D}{r}$
$= 24.3 \times 0.83 \times 1 \times 1 \times 1.6 \times \log_{10}\dfrac{430}{0.8}$
$= 88.11$ [kV]

코로나 손실(운전 상전압 $E = 154/\sqrt{3} = 88.91$ kV)
$P = \dfrac{241}{\delta}(f+25)\sqrt{\dfrac{r}{D}}(E-E_0)^2 \times 10^{-5}$
$= 241 \times 85 \times \sqrt{\dfrac{0.8}{430}} \times (88.91-88.11)^2 \times 10^{-5}$
$\approx 0.0057$ [kW/km/선]

혼동 주의: 임계전압식의 d는 지름이지만 로그항과 손실식에는 반지름 r이 들어간다. 운전전압도 선간전압 154kV가 아니라 상전압으로 바꿔 넣어야 한다.

[해설]

3상 선로의 충전용량은 선간전압 기준으로 $Q_c=\omega CV^2$이며, 총 정전용량과 전압의 제곱에 비례한다.

선로 전체 길이로 총 정전용량을 구해 대입한다.
$C=0.01\times50=0.5$ [μF]
$Q_c=2\pi\times60\times0.5\times10^{-6}\times22{,}900^2=98{,}849$ [VA]
→ 98.85 [kVA]

혼동 주의: 상전압 E로 쓰면 $3\omega CE^2$이고, 선간전압 22.9kV를 V에 그대로 넣을 때는 3을 곱하지 않는다.

[해설]

수전단 전압을 3000V 이상으로 지키려면 허용 전압강하는 3300−3000=300V까지다. 이 값을 3상 전압강하 근사식에 넣어 최대 전류를 구하고, 그 전류로 부하전력을 계산한다.

최대 전류(cosθ=0.8, sinθ=0.6)
$e = \sqrt{3}\, I (R\cos\theta + X\sin\theta)$
$I = \dfrac{300}{\sqrt{3}(2 \times 0.8 + 1.8 \times 0.6)} = 64.63$ [A]

부하전력
$P = \sqrt{3}\, V_r I \cos\theta = \sqrt{3} \times 3000 \times 64.63 \times 0.8$
$\approx 268{,}660$ [W] = 268.66 [kW]

혼동 주의: 부하전력은 송전단 3300V가 아니라 부하가 실제로 받는 수전단 전압 3000V로 계산한다.

[해설]

병렬 발전기의 %X는 먼저 같은 기준용량(10 MVA)으로 환산한 뒤 합성한다. 한류리액터는 목표 차단용량에 필요한 전체 %X 중 모자라는 부분을 채워 단락전류를 제한하는 직렬 리액터다.

$\%X' = \%X \times \dfrac{P_n}{P}$ 이므로 G1은 30%, G2와 G3는 15%
$\%X_g = \dfrac{1}{\frac{1}{30}+\frac{1}{15}+\frac{1}{15}} = 6\%$
$\%X_t = \dfrac{P_n}{P_s}\times 100 = \dfrac{10}{100}\times 100 = 10\%$
$\%X_L = 10 - 6 = 4$ [%]

따라서 한류리액터는 4 [%](10 MVA 기준)이다.

혼동 주의: 정격용량이 다른 G1을 환산하지 않고 15%인 채로 합성하면 틀린다. 답에는 기준용량 10 MVA를 함께 적는다.

[해설]

펌프 소요동력은 양수동력식에 여유계수 $K=1.1$을 넣어 구한 뒤 역률로 나눠 kVA로 바꾼다.

소요동력은 다음과 같다.
$P=\dfrac{9.8\times0.2\times15\times1.1}{0.65}=49.75$ [kW]
$P_a=\dfrac{49.75}{0.85}=58.53$ [kVA]

V결선의 3상 출력은 변압기 1대 용량의 $\sqrt3$배이므로 소요동력을 $\sqrt3$으로 나눠 1대 용량을 구한다.
$P_1=\dfrac{58.53}{\sqrt3}=33.79$ [kVA]

Δ결선처럼 3으로 나누면 V결선 변압기 1대 용량이 부족하게 산정된다.

[해설]

등가선간거리는 세 상간 거리의 기하평균 $D_e=\sqrt[3]{D_{AB}D_{BC}D_{CA}}$이다.

수직배치 철탑은 상마다 중심축에서 잰 수평거리가 달라서 좌표로 직선거리를 구해야 한다.

C상 높이를 0으로 두고 수직 간격을 누적하면 A(6700, 16300)·B(7300, 7700)·C(8300, 0) [mm]이다.
$D_{AB}=\sqrt{600^2+8600^2}=8620.9$ [mm]
$D_{BC}=\sqrt{1000^2+7700^2}=7764.7$ [mm]
$D_{CA}=\sqrt{1600^2+16300^2}=16378.3$ [mm]
$D_e=\sqrt[3]{8620.9\times7764.7\times16378.3}=10311.3$ [mm] ≈ 10.31 [m]

정사각형 4도체의 기하학적 평균거리는 소선 6쌍, 즉 변 4개(500)와 대각선 2개($500\sqrt{2}$)의 기하평균이다.
$D=\sqrt[6]{500^4\times(500\sqrt{2})^2}=500\sqrt[6]{2}=561.2$ [mm] ≈ 0.561 [m]

혼동 주의: 그림 치수는 mm이므로 답은 m로 환산해 적는다.

[해설]

비정현파의 실효값은 각 고조파 실효값(진폭÷√2)을 제곱해 더한 뒤 제곱근을 씌운 값이다. 직류분이 없으므로 기본파·2고조파·3고조파 세 항만 더한다.

$I = \sqrt{\left(\dfrac{10}{\sqrt{2}}\right)^2 + \left(\dfrac{4}{\sqrt{2}}\right)^2 + \left(\dfrac{3}{\sqrt{2}}\right)^2}$
$= \sqrt{\dfrac{100 + 16 + 9}{2}} = \sqrt{62.5}$
$\approx 7.91$ [A]

혼동 주의: 위상각 30°·60°는 실효값에 영향을 주지 않는다. 주파수가 서로 다른 성분끼리는 곱의 평균이 0이 되기 때문이다.

[해설]

분기회로수는 총 부하의 피상전력[VA]을 분기회로 1회선 용량(전압×전류)으로 나눈 뒤 절상해서 정한다.

형광등은 역률 0.9로 나눠 VA로 환산하고, 백열등은 역률이 1이라 W가 곧 VA이다.
$\dfrac{60}{0.9}\times50+100\times60=9{,}333.3$ [VA]

이를 16A 분기회로 1회선 용량으로 나눈다.
$\dfrac{9{,}333.3}{16\times220}=\dfrac{9{,}333.3}{3{,}520}=2.65$ → 3회로

[해설]

병렬로 연결한 전류계는 양 끝 전압이 같아서 내부저항에 반비례하여 전류가 나뉜다. 내부저항은 최대눈금 전압강하를 최대눈금 전류로 나눠 구한다.

$R_1 = \dfrac{75 \times 10^{-3}}{15} = 5$ [mΩ], $R_2 = \dfrac{50 \times 10^{-3}}{15} = 3.333$ [mΩ]
$I_1 = 20 \times \dfrac{R_2}{R_1 + R_2} = 20 \times \dfrac{3.333}{8.333} = 8$ [A]
$I_2 = 20 \times \dfrac{R_1}{R_1 + R_2} = 20 \times \dfrac{5}{8.333} = 12$ [A]

저항이 작은 A₂에 전류가 더 많이 흘러 A₁ 8 A, A₂ 12 A가 된다. 두 값의 합이 20 A로 총전류와 맞는다.

혼동 주의: 분배식의 분자에는 자기 저항이 아니라 상대편 저항을 넣는다.