전기기사 실기 2022년 2회 기출유형문제

[해설]

22.9[kV-Y] 특고압 수전설비 표준결선도에 나오는 기기 약호를 명칭과 기능으로 짝지어 외우는 문제다.

• DM은 최대수요전력계로, 15분 평균전력 가운데 최댓값을 잰다.
• 단로기 정격전압은 공칭전압 22.9[kV]가 아니라 계통 최고전압에 맞춘 기기 정격전압 25.8[kV]를 쓴다.
• PF(전력퓨즈)는 평소 부하전류는 흘려보내고, 단락 같은 고장전류만 끊어 뒤쪽 기기를 보호한다.
• SC(전력용 콘덴서)는 진상 무효전력을 공급해 역률을 개선한다.
• 22.9[kV] 다중접지 계통의 피뢰기 정격전압은 18[kV]이다.
• ZCT(영상변류기)는 지락이 났을 때 생기는 영상전류를 검출해 지락계전기로 보낸다.
• GR(지락계전기)은 영상전류가 정정값 이상이면 동작해 차단기를 트립시킨다.
• CB(차단기)는 부하전류를 개폐하고, 사고가 나면 단락·지락 같은 고장전류를 차단한다.
• VS(전압계용 전환개폐기)를 쓰면 전압계 1대로 3상 전압을 차례로 바꿔 가며 잴 수 있다.
• AS(전류계용 전환개폐기)를 쓰면 전류계 1대로 각 상 전류를 차례로 바꿔 가며 잴 수 있다.
• OS는 유입개폐기(Oil Switch)로, 기름 속에서 접점을 여닫는 개폐기다.
• MOF(계기용 변성기)는 PT·CT를 한 함에 담고, 변성한 전압·전류를 전력량계에 공급한다.
• 3.3[kV]측 OCB에 적힌 600[A]는 계속 흘릴 수 있는 정격전류다.

혼동 주의: 600[A]는 정격차단전류가 아니며, 차단 능력은 22.9[kV]측 CB의 1000[MVA]처럼 차단용량으로 따로 표기한다.

[해설]

이 회로는 자기유지(self-hold) 회로로, A접점 신호가 사라져도 Y1 자신의 a접점이 병렬로 붙어 있어 한번 여자되면 유지된다.

$Y_1=(A+Y_1)\cdot\overline{B}$에서 B가 동작해 b접점이 열리면 자기유지가 즉시 해제되는 정지 우선 구조이며, $Y_2=Y_1$은 Y1의 a접점을 그대로 받아 동작하는 후속 릴레이다.

채점 포인트는 A와 Y1 a접점을 병렬(OR)로, 그 결과와 B의 b접점을 직렬(AND)로 연결하는 순서이며, Y2는 별도 조건 없이 Y1 a접점 하나로만 여자된다는 점이다.

[해설]

진리표에서 출력이 1인 행을 모아 최소항의 합(SOP)으로 식을 세우고 카르노맵으로 줄인 뒤, 곱은 직렬·합은 병렬 접점(또는 AND·OR 게이트)으로 옮긴다.

• Y₁은 A=1이면서 B나 C 중 하나라도 1인 세 행에서만 1이므로 $Y_1=A(B+C)$로 묶인다.
• Y₂는 곱항 $B\overline{C}$·$\overline{B}C$·$A\overline{B}$ 세 개로 다섯 개의 1을 모두 덮는다.
• 유접점 회로에서 부정 입력($\overline{B}$, $\overline{C}$)은 b접점, 긍정 입력은 a접점으로 그린다.
• 논리회로는 곱항마다 AND 게이트를 두고 그 출력을 OR 게이트로 합친다.

$B\overline{C}+\overline{B}C$는 배타적 논리합(XOR)이므로 $Y_2=(B\oplus C)+A\overline{B}$로 적어도 같은 답이다.

[해설]

한국전기설비규정(KEC) 121.2는 전선의 상(문자)마다 식별 색상을 정해 두었다.

• L1은 갈색이다.
• L2는 흑색이다(문항에 주어진 값).
• L3은 회색이다.
• N(중성선)은 청색이다.
• 보호도체(PE)는 녹색-노란색 두 색을 함께 쓴다.

L1부터 L3까지 갈·흑·회 순서로 외워 두면 된다. 혼동 주의: 중성선은 백색이 아니라 청색이다.

[해설]

KEC(한국전기설비규정) 용어 정의에서 PEM·PEL은 PEN처럼 보호도체(PE)가 다른 도체의 기능을 함께 맡는 겸용 도체로 정의되며, 주로 직류회로에서 쓰인다.

• PEM — 보호도체와 중간선(M, 중간점 도체)을 한 전선으로 겸한 것.
• PEL — 보호도체와 선도체(L, 상도체)를 한 전선으로 겸한 것.

외우는 요령: PE 뒤 글자가 겸하는 도체로, N=중성선, M=중간선, L=선도체다.

[해설]

안전관리업무를 대행하는 전기안전관리자의 점검 횟수는 전기안전관리자의 직무에 관한 고시에서 용량 구간별로 정한다. 고압 이상은 용량이 커질수록 횟수가 늘고 간격은 짧아진다.

• 300[kW] 초과~500[kW] 이하는 월 2회, 10일 이상 간격이다.
• 500[kW] 초과~700[kW] 이하는 월 3회, 7일 이상 간격이다.
• 700[kW] 초과~1,500[kW] 이하는 월 4회, 5일 이상 간격이다.
• 1,500[kW] 초과~2,000[kW] 이하는 월 5회, 4일 이상 간격이다.
• 2,000[kW] 초과는 월 6회, 3일 이상 간격이다.

외우는 요령: 횟수는 2→3→4→5→6회로 하나씩 늘고, 간격은 10→7→5→4→3일로 줄어든다.

[해설]

전력시설물 공사감리업무 수행지침은 변경설계도서의 날인 역할을 설계자란과 심사자란으로 나눠 정해 두었다.

현장에서 설계변경을 직접 검토·작성하는 책임감리원이 설계자란에 날인한다. 감리업자 소속으로 이를 다시 검토·확인하는 비상주감리원이 심사자란에 날인해 이중 확인이 되게 한다.

혼동 주의: 대규모 통합감리는 설계자란에 실제 설계담당 감리원과 책임감리원이 연명 날인한다.

[해설]

3전류계법에서는 저항전류 A₂와 부하전류 A₁의 벡터합이 전체전류 A₃이다. 그래서 제2코사인법칙으로 역률각을 구한다.

벡터 관계와 부하 전압은 다음과 같다.
$A_3^{2} = A_1^{2} + A_2^{2} + 2A_1A_2\cos\theta$
$V = A_2R$

부하전력은 $P = VA_1\cos\theta$에 위 두 식을 대입해 구한다.
$P = \dfrac{R}{2}\left(A_3^{2} - A_1^{2} - A_2^{2}\right)$
$= \dfrac{25}{2}\left(100 - 49 - 16\right) = \dfrac{25}{2}\times 35$
$= 437.5$ [W]

부하역률은 코사인법칙 식을 cosθ에 대해 정리해 구한다.
$\cos\theta = \dfrac{A_3^{2} - A_1^{2} - A_2^{2}}{2A_1A_2} = \dfrac{35}{2\times 7\times 4}$
$= 0.625$ (62.5[%])

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 전압강하 근사식 e = √3 I(Rcosθ + Xsinθ)로 허용 전류를 구한 뒤, 수전단 전압으로 부하전력을 계산한다. 역률 0.8이므로 sinθ = 0.6이다.

$e = 6{,}600 - 6{,}000 = 600$ [V]
$I = \dfrac{600}{\sqrt{3}\times(1.4\times0.8 + 1.8\times0.6)} = \dfrac{600}{\sqrt{3}\times 2.2} = 157.46$ [A]
$P = \sqrt{3}\times 6{,}000\times 157.46\times 0.8\times 10^{-3} \fallingdotseq 1{,}309.09$ [kW]

혼동 주의: 전력 계산의 기준 전압은 송전단 6,600[V]가 아니라 수전단 6,000[V]이다.

[해설]

변압기 효율은 철손은 부하율과 무관하게 일정하고 동손은 부하율의 제곱에 비례한다는 점을 이용해 구한다.
$\eta=\dfrac{mVI\cos\theta}{mVI\cos\theta+P_i+m^{2}P_c}\times100$

전부하 동손은 $P_c=43.5^{2}\times0.66=1248.9$[W], 철손은 $P_i=1000$[W]이다.
전부하 역률 100%: $\dfrac{100050}{100050+1000+1248.9}\times100=97.80$[%]
전부하 역률 80%: $\dfrac{80040}{80040+1000+1248.9}\times100=97.27$[%]

반부하 동손은 $0.5^{2}\times1248.9=312.2$[W]이다.
반부하 역률 100%: $\dfrac{50025}{50025+1000+312.2}\times100=97.44$[%]
반부하 역률 80%: $\dfrac{40020}{40020+1000+312.2}\times100=96.83$[%]

혼동 주의: 반부하에서 출력은 절반이지만 동손은 1/4로 줄고, 철손 1000[W]는 그대로 둔다.

[해설]

펌프 소요동력은 P = 9.8QH/η × (1+α)로 구한다. 역률 100%이므로 kW 값을 그대로 kVA로 보고 V결선 출력식에 넣는다.

(1) 소요동력
$P = \dfrac{9.8\times 1\times 10}{0.7}\times 1.2 = 168$ [kW]

(2) 변압기 1대 용량 — V결선 3상 출력은 1대 용량의 √3배이다.
$P_1 = \dfrac{168}{\sqrt{3}} \fallingdotseq 96.99$ [kVA] ≒ 97[kVA]

혼동 주의: Δ결선 3대 출력(3P₁)과 헷갈려 168/3으로 나누면 안 된다.

[해설]

차단기 a의 단락용량은 a에서 본 전체 합성 %임피던스로 구한다. a 지점에서는 G₁측과 나머지 계통측이 병렬로 단락전류를 흘려 넣는다.

• G₁측 — 발전기 5%와 변압기 4%가 직렬이라 9%이다.
• 선로 — 차단기 f가 우측 모선과 중간 모선을 묶으므로 두 선로는 2% ∥ 2% = 1%이다.
• G₂·G₃측 — 9%짜리 두 개가 병렬이라 4.5%이고, 여기에 선로 1%를 직렬로 더하면 계통측은 5.5%이다.

$\%Z=\dfrac{9\times5.5}{9+5.5}=3.414$[%]
$P_s=\dfrac{100}{\%Z}\times P_n=\dfrac{100}{3.414}\times10=292.93$[MVA]

따라서 차단기 a의 단락용량은 약 293[MVA]이다.

[해설]

합성최대전력은 각 부하의 최대수요전력(설비용량×수용률)을 모두 더한 뒤 부등률로 나눠 구한다.

각 수용가 최대수요전력의 합은 8+16+12+18=54[kW]이며, 부등률은 개별 최대수요전력이 동시에 나타나지 않는 정도를 반영해 나눠주는 값이다.

$P=\dfrac{54}{1.3}\fallingdotseq41.54$[kW] — 부등률이 1보다 큰 값이므로 합성최대전력이 개별 최대수요전력의 합보다 작아진다는 방향성이 채점 포인트다.

(1) 영상분 $V_0=\dfrac{1}{3}(V_a+V_b+V_c)\fallingdotseq 1.47\angle 45.11^\circ$ [V]
(2) 정상분 $V_1=\dfrac{1}{3}(V_a+aV_b+a^2V_c)\fallingdotseq 3.97\angle 20.54^\circ$ [V]
(3) 역상분 $V_2=\dfrac{1}{3}(V_a+a^2V_b+aV_c)\fallingdotseq 2.52\angle -19.7^\circ$ [V]

[해설]

대칭좌표법에서 상순이 a-b-c이면 연산자는 $a = 1\angle 120^\circ$, $a^2 = 1\angle 240^\circ$이다. 세 대칭분 모두 합을 1/3로 나눈다.

(1) 영상분은 세 상 전압을 그대로 더한다.
$V_0 = \dfrac{1}{3}(V_a+V_b+V_c) \fallingdotseq 1.47\angle 45.11^\circ$ [V]

(2) 정상분은 V_b에 a, V_c에 a²를 곱한다.
$V_1 = \dfrac{1}{3}(V_a+aV_b+a^2V_c) \fallingdotseq 3.97\angle 20.54^\circ$ [V]

(3) 역상분은 정상분과 반대로 V_b에 a², V_c에 a를 곱한다.
$V_2 = \dfrac{1}{3}(V_a+a^2V_b+aV_c) \fallingdotseq 2.52\angle -19.7^\circ$ [V]

[해설]

도로 조명은 광속법 $E=\dfrac{FUN}{A}$로 구하며, 양쪽 대칭배열에서는 등 1개가 담당하는 면적이 (간격×도로폭)의 절반이다.

$A=\dfrac{S\times W}{2}=\dfrac{20\times15}{2}=150$[m²]
$E=\dfrac{8000\times0.45\times1}{150}=24$[lx]

혼동 주의: 한쪽배열·지그재그배열은 담당면적이 $S\times W$이고, 보수율(또는 감광보상률)이 주어지면 광속에 곱해(또는 나눠) 보정한다.

(1) $I_n=\dfrac{\%Z}{100}I_s=0.585\times 8{,}000=4{,}680$ [A], 기준용량 $P_n=\sqrt{3}\,V I_n\fallingdotseq 53.5$ [MVA]
(2) 차단용량 $P_s=\sqrt{3}\,V_n I_s\fallingdotseq 99.77$ [MVA] (기준용량 환산식 $P_s=\dfrac{100}{\%Z}P_n=91.45$ [MVA]) → 표준값 100 [MVA] 선정

[해설]

%임피던스와 단락전류의 관계 $I_s = \dfrac{100}{\%Z}I_n$에서 기준전류를 구해 기준용량으로 바꾼다. 차단용량은 차단기 정격전압과 단락전류로 구한다.

(1) 기준용량
$I_n = 0.585\times 8{,}000 = 4{,}680$ [A]
$P_n = \sqrt{3}\times 6.6\times 4.68 \fallingdotseq 53.5$ [MVA]

(2) 차단용량 — 6.6[kV] 계통의 차단기 정격전압은 7.2[kV]이다.
$P_s = \sqrt{3}\times 7.2\times 8 \fallingdotseq 99.77$ [MVA]

기준용량으로 환산해도 $P_s = \dfrac{100}{58.5}\times 53.5 = 91.45$ [MVA]이다. 어느 쪽이든 계산값 바로 위 표준값인 100[MVA]를 선정한다.

[해설]

변류비로 CT 2차전류를 1차 선전류로 바꾼 뒤 3상 전력식에 대입한다. 그림처럼 CT 2개를 R·T상에 두고 2차를 합성하는 결선이면 세 전류계가 각 선전류를 나타낸다.

변류비는 50/5 = 10이므로 1차전류는 다음과 같다.
$I_1 = I_2 \times \dfrac{50}{5} = 4.2 \times 10 = 42$ [A]

역률이 100[%]이므로 cosθ = 1을 넣는다.
$P = \sqrt{3}\,V\,I_1\cos\theta$
$= \sqrt{3}\times 6600 \times 42 \times 1 = 480{,}124$ [W]
≒ 480.12[kW]

[해설]

전력용 콘덴서는 무효전력만 용량만큼 줄이고 유효전력은 그대로 두므로, 피상전력을 다시 구해 역률을 계산한다.

$P_1=5000\times0.75=3750$[kW]
$Q_1=5000\times0.6614=3307.2$[kVar]
$Q_1'=3307.2-1000=2307.2$[kVar]
$S'=\sqrt{3750^{2}+2307.2^{2}}=4402.9$[kVA]
$\cos\theta'=\dfrac{3750}{4402.9}=0.852$ → 약 85.2[%]

역률 80% 부하는 유효전력 ΔP당 무효전력 0.75ΔP가 따라붙으므로, 합성 피상전력이 변압기 용량 5000[kVA]가 되는 조건식을 푼다.

$(3750+\Delta P)^{2}+(2307.2+0.75\Delta P)^{2}=5000^{2}$
$\Delta P\approx479.5$[kW]

종합역률은 총 유효전력을 전용량으로 나눈 값이다.
$\cos\theta=\dfrac{3750+479.5}{5000}=0.846$ → 약 84.6[%]