전기기사 실기 2022년 3회 기출유형문제

[해설]

한국전력 특고압 간이수전설비 표준결선도(22.9[kV-Y], 1,000[kVA] 이하)에 붙은 주석 사항을 묻는 문제다.

• 생략 가능한 것 — 피뢰기를 단로기(Disconnector) 붙임형으로 쓰므로 LA용 DS는 생략하며, 지중 인입선이고 보호장치가 있으면 ASS도 생략할 수 있다.
• 회선 수 — 공동주택처럼 정전 피해가 큰 곳은 예비지중선을 포함해 2회선으로 인입하는 것이 바람직하다.
• 케이블 — 물이 스며들지 않게 만든 CNCV-W(수밀형)나, 절연체 속 트리 열화를 억제한 TR CNCV-W(트리억제형)를 쓴다. 난연이 필요한 곳에는 FR CNCO-W를 쓴다.
• ASS 대체품 — 300[kVA] 이하에서는 ASS 대신 인터럽터 스위치(부하전류를 여닫는 기중 개폐기)를 쓸 수 있다.

혼동 주의: 인터럽터 스위치는 ASS를 대신하는 것이고, 같은 300[kVA] 이하 조건에서 COS로 바꿀 수 있는 것은 전력퓨즈(PF)이다.

[해설]

상용전원과 예비전원(발전기)을 동시에 투입하면 위상·전압 차 때문에 사고가 난다. 그래서 두 전원은 병렬운전하지 않는 것이 원칙이다.

• 인터록(interlock) — 한쪽 차단기가 닫혀 있으면 다른 쪽이 닫히지 않도록 전기적·기계적으로 묶어 두는 장치이다.
• 절환개폐기(ATS) — 부하를 상용·예비 중 한쪽 전원에만 연결되도록 옮겨 주는 전환 스위치이다.

인터록은 동시 투입을 막는 역할이고, 절환개폐기는 실제로 전원을 바꿔 주는 역할이다.

[해설]

보호계전기 약호는 Over/Under + 감시 전기량 + Relay의 머리글자로 만든다.

• OCR(과전류계전기) — 전류가 정정값을 넘으면 동작해 과부하·단락을 끊는다.
• OVR(과전압계전기) — 전압이 정정값 이상으로 오르면 동작한다.
• UVR(부족전압계전기) — 정전·전압강하로 전압이 정정값 아래로 떨어지면 동작한다.
• GR(지락계전기) — 지락으로 생긴 영상전류를 검출해 동작한다.

혼동 주의: UVR은 현장에서 저전압계전기라고도 부르지만 답안에는 부족전압계전기로 쓰는 것이 무난하며, 방향성을 가진 지락계전기는 SGR(선택지락계전기)·DGR(방향지락계전기)로 따로 부른다.

[해설]

최대수요전력을 설비용량 합계로 나눈 비는 수용률(demand factor)이다. 설치된 설비 가운데 실제로 동시에 쓰이는 비율을 나타낸다.

$\text{수용률} = \dfrac{\text{최대수요전력[kW]}}{\text{설비용량의 합계[kW]}}\times 100$ [%]

혼동 주의: 부하율은 평균전력÷최대전력, 부등률은 개별 최대전력의 합÷합성 최대전력이다.

[해설]

리액터는 같은 코일이어도 직렬·병렬·중성점 중 어디에 넣느냐에 따라 목적과 이름이 달라진다.

• 한류리액터 — 선로에 직렬로 넣어 리액턴스를 키우고, 단락사고 때 흐르는 단락전류를 제한한다.
• 분로리액터(Shunt Reactor) — 선로에 병렬로 달아 경부하 때 과잉 충전전류를 상쇄한다. 이렇게 수전단 전압이 송전단보다 높아지는 페란티 현상을 막는다.
• 소호리액터 — 중성점과 대지 사이에 넣는다. 1선 지락 때 대지 정전용량과 병렬공진시켜 지락 아크를 끈다(消弧).

혼동 주의: 제5고조파를 없애는 것은 콘덴서와 직렬로 넣는 직렬리액터이며, 단락전류를 제한하는 한류리액터와는 목적이 다르다.

① 내압(耐壓) 방폭구조
② 압력(壓力) 방폭구조
③ 유입(油入) 방폭구조
④ 안전증 방폭구조
⑤ 본질안전 방폭구조

[해설]

방폭구조는 폭발성 가스가 있는 곳에서 전기설비가 점화원이 되지 않도록 막는 방법에 따라 나뉜다.

• 내압 방폭구조 — 용기 안에서 폭발이 일어나도 용기가 압력을 견디고, 화염이 밖으로 새지 않게 한 구조.
• 압력 방폭구조 — 용기 안에 보호기체(공기·불활성가스)를 넣고 압력을 유지해 가스가 들어오지 못하게 한 구조.
• 유입 방폭구조 — 불꽃·아크가 생기는 부분을 기름 속에 담가 가스와 떼어 놓은 구조.
• 안전증 방폭구조 — 정상 운전 중에 불꽃·과열이 생기지 않도록 전기적·기계적 안전도를 높인 구조.
• 본질안전 방폭구조 — 정상일 때와 사고일 때 생기는 불꽃·열이 점화할 만큼 크지 않음을 시험으로 확인한 구조.

혼동 주의: 내압(耐壓)은 폭발압력을 "견딘다"는 뜻이고, 압력(壓力)은 안쪽 압력을 "높여서 막는다"는 뜻이다.

[해설]

게이트를 차례로 따라가면 첫 AND는 $A\cdot B$, 둘째 AND는 $A\cdot B\cdot C$를 낸다. 이 출력을 D와 OR로 묶으므로 $X = A\cdot B\cdot C + D$이다.

유접점 회로에서는 AND를 접점의 직렬로, OR를 가지의 병렬로 나타낸다. 그래서 A·B·C a접점을 직렬로 이은 가지와 D a접점 가지를 병렬로 묶고, 합류점을 출력 X 코일에 잇는다.

[해설]

이 회로는 자기유지(self-holding) 구조로, 한 번 세트되면 정지 입력이 들어오기 전까지 스스로 동작을 유지한다.

출력식은 $X=A\cdot B+\overline{C}\cdot X$이며, A·B가 동시에 1이 되는 순간 X가 1로 세트된다.

이후에는 되먹임 항 $\overline{C}\cdot X$가 C=0인 동안 X=1을 유지시키고, C가 1이 되면 $\overline{C}=0$이 되어 유지가 풀린다.

유접점 회로에서는 A·B 직렬 가지에 자기유지 접점 X를 병렬로 붙이고, 이 전체를 C의 b접점과 직렬로 연결해 정지 기능을 준다.

[해설]

1선 완전 지락이 나면 지락상 대지전압은 0이 되고, 건전상 대지전압은 상전압의 √3배인 선간전압까지 오른다. 정상 상전압은 1차 $6{,}600/\sqrt{3}\fallingdotseq3{,}810.5$[V], 2차 $110/\sqrt{3}\fallingdotseq63.5$[V]이다.

• B선·C선 대지전압 — 3,810.5[V]의 √3배인 6,600[V]로, 선간전압과 같아진다.
• B상·C상 전구 전압 — 2차도 같은 비율로 63.5[V]의 √3배인 110[V]가 된다(A상 전구는 0[V]).
• 전압계 지시 — 개방델타는 2차 세 상 전압의 합을 잰다. 정상 시에는 0이지만, 완전 지락 시에는 영상전압의 3배가 나타난다.
• 경보벨 전압 — 전압계와 같은 개방델타 단자에 물려 있어 같은 잔류전압을 받는다.

개방델타 잔류전압:
$V=3\times\dfrac{110}{\sqrt{3}}=110\sqrt{3}\fallingdotseq190.5$[V]

혼동 주의: 전구 전압(110[V])은 건전상 한 상의 전압이다. 전압계·경보벨 전압(190.5[V])은 세 상을 합친 잔류전압이라 값이 다르다.

[해설]

하루 발전량은 평균출력(최대출력×부하율)×24[h]이다. 연료량은 열효율 정의식 $\eta = \dfrac{860\,W}{B \cdot H}$을 B에 대해 풀어 구한다.

하루 발전전력량
$W = 400 \times 0.4 \times 24 = 3{,}840$ [kWh]

연료소비량
$B = \dfrac{860\,W}{\eta \cdot H}$
$= \dfrac{860 \times 3{,}840}{0.36 \times 9{,}600}$
$\fallingdotseq 955.56$ [ℓ]

860은 1[kWh]=860[kcal] 환산값이다. 부하율을 곱하지 않고 최대출력을 그대로 쓰면 오답이다.

[해설]

2전력계법에서는 두 전력계 지시값의 합이 곧 3상 유효전력이다. 역률은 이 유효전력을 피상전력으로 나눈 값이다.

유효전력
$P=W_1+W_2=2.6+5.4=8$[kW]=8,000[W]

피상전력
$S=\sqrt{3}\,V I=\sqrt{3}\times220\times25\fallingdotseq9{,}526.28$[VA]

역률
$\cos\theta=\dfrac{P}{S}\times100=\dfrac{8{,}000}{9{,}526.28}\times100\fallingdotseq83.98$[%]

혼동 주의: 피상전력은 선간전압과 선전류로 구하므로 √3을 곱한다. 두 지시값의 합은 유효전력이고, 차 W₂−W₁에 √3을 곱하면 무효전력이다.

[해설]

부하전압과 유효전력이 일정하면 선전류 $I = \dfrac{P}{\sqrt{3}V\cos\theta}$는 역률에 반비례하므로, 역률을 개선하면 전류가 줄어든다.

1선당 R = 1.5[Ω], X = 2.0[Ω]이며, 전압강하 식에서 R 항은 그대로이고 X tanθ 항만 줄어든다.
$e = \dfrac{P}{V}(R + X\tan\theta)$
$e_1 = \dfrac{1{,}000\times10^3}{6{,}000}(1.5 + 2.0\times0.75) = 500$ [V]
$e_2 = \dfrac{1{,}000\times10^3}{6{,}000}(1.5 + 2.0\times0.3287) \fallingdotseq 359.56$ [V]
$\dfrac{e_2}{e_1} = \dfrac{359.56}{500}\times100 \fallingdotseq$ 71.91[%]

전력손실은 전류의 제곱에 비례한다.
$\dfrac{P_{\ell 2}}{P_{\ell 1}} = \left(\dfrac{\cos\theta_1}{\cos\theta_2}\right)^2 = \left(\dfrac{0.8}{0.95}\right)^2\times100 \fallingdotseq$ 70.91[%]

혼동 주의: 전압강하는 R 항이 그대로 남아서 덜 줄고, 전력손실은 1/cos²θ에 비례해 더 줄어든다. 그래서 두 비율은 서로 다르게 나온다.

[해설]

광원에서 점 P까지의 실제 거리와 입사각을 구한 뒤, 조도의 정의식에 대입하는 문제다.

거리는 $r=\sqrt{5^2+7.5^2}\fallingdotseq9.01$[m]이고, 연직선 기준 입사각은 $\cos\theta=5/r,\ \sin\theta=7.5/r$로 구한다.

수평면 조도는 $E_h=\dfrac{I}{r^2}\cos\theta$, 수직면 조도는 $E_v=\dfrac{I}{r^2}\sin\theta$로, 같은 광도·거리에서 입사각의 코사인·사인만 다르게 곱한다는 점이 핵심이다.

[해설]

등수는 광속법 $N=\dfrac{EAD}{FU}$로 구하며, D는 광속 감소를 미리 보정하는 감광보상률이다. 균등 배치에서는 벽~최외각 등 간격을 등간격의 절반으로 둔다.

등수
$N=\dfrac{200\times(20\times10)\times1.2}{2{,}500\times0.6}=32$[등] → 가로 8열 × 세로 4열

등간격
$C=\dfrac{20}{8}=2.5$[m], $D=\dfrac{10}{4}=2.5$[m]
벽 간격 $A=B=\dfrac{2.5}{2}=1.25$[m]

60[Hz]용을 50[Hz]에서 쓰면 안정기 리액턴스($X=2\pi fL$)가 줄어 전류가 늘어난다. 그래서 광속은 증가하고 점등시간은 길어지며, 온도 상승으로 수명은 짧아진다.

양호한 전반조명이 되려면 등간격을 등 높이의 1.5배 이하(S ≤ 1.5H)로 둔다.

[해설]

실지수는 방의 가로·세로와 등고(작업면에서 등기구까지 높이)의 관계를 나타내며, 조명률 표를 찾을 때 쓴다. 등기구 수는 광속법 $N = \dfrac{E \cdot A}{F \cdot U \cdot M}$으로 구한다.

실지수: 등고 $H = 3.85 - 0.85 = 3$ [m]
$RI = \dfrac{X \cdot Y}{H(X+Y)} = \dfrac{10 \times 16}{3 \times (10+16)}$
$\fallingdotseq 2.05$

등기구 수: F40×2는 한 등기구에 40[W] 램프가 2개 들어 있으므로 $F = 3{,}150 \times 2 = 6{,}300$ [lm]이다.
$N = \dfrac{300 \times (10 \times 16)}{6{,}300 \times 0.61 \times 0.7}$
$\fallingdotseq 17.84$이고, 절상해서 18[등기구]가 된다.

조도를 확보하려면 등 수는 소수점 이하를 절상한다. 반사율은 조명률 61[%]에 이미 반영되어 있으므로 계산에 따로 넣지 않는다.

[해설]

병렬운전하는 변압기는 %임피던스에 반비례하고 용량에 비례해 부하를 나눠 맡는다. 그래서 분담비는 (정격용량/%Z)의 비이며, R/X비가 같아 두 전류의 위상이 같으므로 그대로 더하고 나눌 수 있다.

$\dfrac{20}{4} = 5,\quad \dfrac{75}{5} = 15$ 이므로 A : B = 1 : 3
부하 60[kVA]: A = $60\times\dfrac{5}{20} = 15$ [kVA], B = $60\times\dfrac{15}{20} = 45$ [kVA]
부하 120[kVA]: A = $120\times\dfrac{5}{20} = 30$ [kVA], B = $120\times\dfrac{15}{20} = 90$ [kVA] (B는 정격 75[kVA]를 넘어 과부하)

최대 부하는 먼저 정격에 도달하는 변압기가 정한다.
A가 정격 20[kVA]일 때 총부하 = $20\times\dfrac{20}{5} = 80$ [kVA]
B가 정격 75[kVA]일 때 총부하 = $75\times\dfrac{20}{15} = 100$ [kVA]
둘 중 작은 값인 80[kVA]가 한계다.

혼동 주의: 두 정격의 합(95[kVA])이 최대 부하가 아니다. %Z가 작은 A가 먼저 정격에 찬다.

[해설]

먼저 전압강하 식으로 간선 굵기를 정한다. 그 굵기의 피복 포함 단면적으로 점유율 48[%]에 맞는 관을 고른 뒤 설비불평형률을 확인한다.

간선 굵기: 부하가 큰 A선 기준이며, 전압측선과 중성선 사이 전압은 110[V]
$I = \dfrac{5{,}000}{110} \fallingdotseq 45.45$ [A], $e = 110 \times 0.02 = 2.2$ [V]
$A = \dfrac{17.8\,L\,I}{1{,}000\,e} = \dfrac{17.8 \times 100 \times 45.45}{1{,}000 \times 2.2} \fallingdotseq 36.78$ [mm²]
35[mm²]로는 부족하므로 50[mm²]를 선정한다.

전선관: 50[mm²] 전선의 피복 포함 단면적은 128[mm²]
$3 \times 128 = 384$ [mm²]
$\dfrac{384}{0.48} = 800$ [mm²] 이상을 수용하는 G36을 선정한다.

설비불평형률
$\dfrac{5{,}000 - 4{,}200}{9{,}200 \times \frac{1}{2}} \times 100 \fallingdotseq 17.39$ [%]

단상 3선식 설비불평형률 한도는 40[%] 이하이므로 만족한다. 계수 17.8은 전압측선과 중성선 사이 전압강하용이며, 단상 2선식의 35.6과 혼동하지 않는다.