22년 3회차

PN접합 다이오드는 한쪽 방향으로만 전류를 흐르게 하는 정류작용을 대표적인 특성으로 한다.

1차 전지는 한 번 방전하면 충전하여 다시 사용할 수 없는 전지로, 망간 건전지가 대표적이다. 납축전지·니켈카드뮴 전지·리튬 이온 전지는 충전하여 반복 사용할 수 있는 2차 전지이다.

전기 전도도는 은이 가장 크고 구리 → 금 → 알루미늄 순으로 작아진다. 구리는 은보다 전도도가 약간 낮지만 값이 싸서 전선 재료로 가장 널리 쓰인다.

P-N 접합 다이오드는 순방향 전압에서는 전류를 잘 흘리고 역방향 전압에서는 전류를 저지하는 특성이 있어, 교류를 직류로 변환하는 정류 작용을 한다.

패러데이의 전기분해 법칙이다. 전기분해로 석출되는 물질의 양은 통과한 전기량에 비례하고, 같은 전기량이면 그 물질의 화학당량에 비례한다.

• 렌츠의 법칙은 유도 기전력의 방향에 관한 법칙이다.
• 줄의 법칙은 전류의 발열에 관한 법칙이다.

전력량은 에너지(Wh, J)로 표시되며, 와트(W)는 순간적인 일률(전력)의 단위이므로 전력량이 와트로 환산된다는 설명은 틀렸다.

왕복 도체는 서로 반대 방향으로 전류가 흐르는 평행 도체를 말하며, 전류 방향이 반대인 평행 도체 사이에는 반발력이 작용한다. 같은 방향으로 흐를 때는 흡인력이 작용한다.

상호 인덕턴스에 의한 유도 기전력은 $e=M\dfrac{di}{dt}$이다. 따라서 $M=\dfrac{e}{di/dt}=\dfrac{60}{150}=0.4\,\mathrm{H}$이다.

기전력은 단위 전하가 하는 일이므로 $V = \dfrac{W}{Q}$이다. $V = \dfrac{144}{24} = 6\,\mathrm{V}$가 된다.

자극의 세기 단위는 웨버(Wb)이다. 자기에 관한 쿨롱의 법칙 $F=6.33\times10^{4}\times\dfrac{m_1 m_2}{r^2}\,\mathrm{N}$에서, 진공 중 1m 거리에 놓인 같은 크기의 두 자극 사이에 $6.33\times10^{4}\,\mathrm{N}$의 힘이 작용할 때 그 자극의 세기를 1Wb로 정의한다.

콘덴서를 병렬로 접속하면 합성 정전용량은 각 정전용량의 합이 된다. $C=3+4+5=12\,\mathrm{\mu F}$이다. 직렬 접속에서 역수의 합으로 구하는 것과 구별한다.

펠티에 효과는 서로 다른 두 금속의 접합부에 전류를 흘리면 줄열 외에 접점에서 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 현상으로, 전자 냉동에 이용된다. 반대로 두 접점의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상이 제벡 효과이다.

전기장의 세기는 전기장 내의 단위 양전하(1C)가 받는 힘으로 정의하며 단위는 V/m(=N/C)이다.

• AT/m는 자기장의 세기의 단위이다.
• F/m는 유전율의 단위이다.
• H/m는 투자율의 단위이다.

비정현파(왜형파)는 푸리에 분석(푸리에 급수)에 의해 직류분·기본파·고조파 등 여러 개의 정현파의 합으로 분해하여 나타낼 수 있다.

콘덴서에 충전된 에너지는 $W=\dfrac{1}{2}CV^2=\dfrac{1}{2}\times100\times10^{-6}\times1000^2=50\,\mathrm{J}$이다. 방전 시 이 에너지가 전부 저항에서 열로 소비되므로 $H=0.24W=0.24\times50=12\,\mathrm{cal}$이다.

중성 상태의 물질이 전자를 얻거나 잃어 (+) 또는 (-) 전기를 띠게 되는 현상을 대전이라 한다. 전자수가 많아지면 음(-)으로 대전되고, 전자를 잃으면 양(+)으로 대전된다. 충전은 콘덴서 등에 전하를 축적하는 것이고, 분극은 유전체 내부에서 전하가 한쪽으로 치우치는 현상이므로 구분된다.

자석은 온도가 높아지면 분자 자석의 배열이 흐트러져 자력이 감소하고, 퀴리 온도 이상이 되면 자성을 잃는다. 따라서 고온이 되면 자력이 증가한다는 설명이 틀렸다.

비오-사바르의 법칙은 전류 $I$가 흐르는 도선의 미소 부분 $\Delta l$이 거리 $r$ 떨어진 점에 만드는 자기장의 세기를 나타내는 법칙으로, $\Delta H=\dfrac{I\,\Delta l\,\sin\theta}{4\pi r^2}\,\mathrm{[AT/m]}$이다.

자기저항 $R_m=\dfrac{l}{\mu A}$이다. $R_m=\dfrac{0.2}{10^{-3}\times 4\times 10^{-4}}=\dfrac{0.2}{4\times 10^{-7}}=5\times 10^{5}[\mathrm{AT/Wb}]$. 검산: $\mu A=4\times 10^{-7}$, $5\times 10^{5}\times 4\times 10^{-7}=0.2$로 자로 길이와 일치한다. $2\times 10^{-6}$은 역수를 취한 값이다.

[근거] 자기저항 Rm=l/(μA)

히스테리시스손은 $P_h=\eta f B_m^{1.6}$으로 주파수, 최대 자속밀도, 재질(히스테리시스 계수 $\eta$)에 따라 달라진다. 강판을 얇게 성층하는 것은 와전류손을 줄이는 대책이며 히스테리시스손과는 관계가 없다.

[근거] 히스테리시스손 Ph=ηfBm^1.6

변압기의 전압변동률은 $\varepsilon=p\cos\theta+q\sin\theta$이며, 역률이 $\cos\theta_m=\dfrac{p}{\sqrt{p^2+q^2}}$일 때 최대가 된다. 이때 최대 전압변동률은 $\varepsilon_{max}=\sqrt{p^2+q^2}$이다.

콘덴서형 전동기는 콘덴서의 진상 전류로 역률이 단상 유도 전동기 중 가장 좋고 효율도 높아 선풍기·세탁기 등 가정용 기기에 널리 쓰인다.

변압기 기름은 절연내력이 크고 냉각 효과가 크며 산화되지 않아야 한다. 또한 인화점은 높고 응고점은 낮아야 하므로, 응고점이 높아야 한다는 설명이 잘못된 것이다.

유도전동기의 토크는 공급 전압의 2승에 비례하고, 2차 유도기전력 $E_2$는 공급 전압에 비례하므로 토크는 $E_2$의 2승에 비례한다.

1차로 환산한 저항과 2차저항의 관계는 $a^2 r_2=360$이므로 권수비는 $a=\sqrt{\dfrac{360}{0.1}}=\sqrt{3600}=60$이다.

변압기의 효율은 무부하손인 철손과 부하손인 동손이 같을 때 최대가 된다. 철손은 부하와 관계없이 일정하고 동손은 부하율의 2승에 비례하므로 두 손실이 같아지는 부하에서 효율이 가장 좋다.

복잡한 회로의 소자들을 등가 임피던스로 묶어 해석하기 쉽게 바꾼 회로를 등가회로라 한다. 등가회로는 단자에서 본 전압·전류 관계가 원래 회로와 같아야 성립한다.

동기속도는 $N_s=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times60}{4}=1800\,\mathrm{rpm}$이다. 슬립이 3%이므로 회전수는 $N=(1-s)N_s=(1-0.03)\times1800=1746\,\mathrm{rpm}$이다.

전압이 일정한 상태에서 주파수가 낮아지면 자속($\Phi\propto V/f$)이 커져 히스테리시스손이 증가하고, 부하전류·전압이 일정하므로 동손은 변화가 없다. 따라서 철손이 증가한다.

TRIAC은 SCR 2개를 역병렬로 접속한 것과 등가인 쌍방향 3단자 사이리스터로, 기호는 서로 반대 방향의 삼각형 두 개를 겹치고 게이트 단자를 붙인 형태이다. 양방향으로 도통되므로 교류 전력 제어에 사용된다.

배전선로는 위치에 따라 전압강하가 달라 수용가 전압이 규정 범위를 벗어날 수 있으므로, 주상변압기 1차(고압)측에 여러 개의 탭을 두어 권수비를 바꿔 2차 전압을 규정값으로 맞춘다. 즉 탭 절환의 목적은 선로 전압 조정이며, 역률 개선은 전력용 콘덴서가 담당한다.

변압기의 자속은 $\Phi=\dfrac{V}{4.44fN}$이므로 전압에는 비례하고 주파수에는 반비례한다.

B종 절연물의 최고 허용온도는 130℃이므로, 기준 주위온도 40℃를 빼면 허용 온도상승 한도는 90℃가 된다. 참고로 절연 종별 최고 허용온도는 Y종 90, A종 105, E종 120, B종 130, F종 155, H종 180℃이다.

단상 유도 전동기의 기동 토크는 반발 기동형이 가장 크다. 크기 순서는 반발 기동형 > 반발 유도형 > 콘덴서 기동형 > 분상 기동형 > 셰이딩 코일형이다.

변압기를 Δ-Y로 결선하면 1차와 2차 사이에 30°의 위상차가 발생한다.

직류 발전기의 유기기전력은 $E=\dfrac{pZ\phi n}{60a}\,[\mathrm{V}]$(p: 극수, Z: 전기자 도체수, a: 병렬 회로수)로, 자속 $\phi$와 회전속도 $n$의 곱에 비례한다($E=k\phi n$).

사이리스터를 이용해 주파수를 가변시켜 속도를 제어하는 방식은 인버터 제어이다.

유도형 계전기는 입력된 전기량이 만드는 이동 자기장과 회전 원판에 유도된 와전류 사이의 전자력으로 원판을 회전시켜 동작하는 계전기이다. 정지형·디지털형은 가동부 없이 전자회로로 판정하는 방식이다.

병렬운전 시 부하분담은 정격용량에 비례하고 %임피던스에 반비례한다. 정격용량이 같으므로 $P_A : P_B = \dfrac{1}{3} : \dfrac{1}{6} = 2 : 1$이다. 검산: 두 변압기의 단자는 공통이므로 전압강하가 같아야 하고, A가 정격의 $x$배, B가 $y$배를 분담하면 $3x = 6y$에서 $x = 2y$가 되어 A가 B의 2배를 분담함이 확인된다. (근거: 변압기 병렬운전 부하분담 — %임피던스에 반비례)

몰드변압기는 절연유를 사용하지 않고 에폭시 수지로 권선을 몰딩한 건식 변압기의 일종이므로 절연유 열화 점검·보수가 필요 없다(무보수화). 난연성·자기소화성이 우수하고 소형·경량이며, 화재 위험이 적어 빌딩·병원 등 옥내 수전설비에 널리 쓰인다.

[근거] 몰드변압기의 구조·특징(무절연유·난연성)

부하의 역률이 낮을 때 역률개선을 위해 진상용(전력용) 콘덴서를 설치한다.

금속관을 절단한 후 관 끝의 날카로운 부분을 다듬는 공구는 리머이다.

동전선의 직선 접속에는 직선맞대기용 슬리브(B형)에 의한 압착 접속, 트위스트 직선 접속 등이 있다. 종단겹침용 슬리브(E형), 비틀어 꽂는 형 전선접속기, 동선압착단자에 의한 접속은 모두 종단 접속에 해당한다.

간선에 접속되는 전동기 정격전류의 합계가 50A를 초과하면 그 합계의 1.1배 이상의 허용전류를 갖는 전선을 선정한다. $100\times1.1 = 110\,\mathrm{A}$ 이상이 되며, 합계가 50A 이하일 때는 1.25배를 적용한다.

인터록 회로는 두 전자접촉기의 b접점을 상대편 코일 회로에 직렬로 넣어, 한쪽이 여자되면 다른 쪽은 여자될 수 없도록 하는 회로이다. 정·역운전 회로에서 두 접촉기가 동시에 투입되어 상간 단락이 일어나는 것을 방지한다.

가공전선로 지지물의 기초 안전율은 주체에 가해지는 곡하중에 대하여 2 이상이어야 한다(KEC 331.7). 다만 이상 시 상정하중에 대한 철탑의 기초는 1.33 이상으로 한다.

박스에 금속관을 고정할 때는 관 양쪽에서 로크너트(locknut)를 조여 고정한다. 부싱은 전선 피복 보호, 커플링은 관 상호 접속에 쓰이는 부속품이다.

성냥·석유류·셀룰로이드 등 가연성 위험물질을 제조하거나 저장하는 장소의 배선은 금속관 공사, 케이블 공사, 합성수지관 공사(두께 2mm 이상)로 시설하여야 한다(KEC 242.4). 방습형 플렉시블 배선 공사는 허용되지 않는다.

저압·고압 가공전선이 철도 또는 궤도를 횡단하는 경우 전선의 높이는 레일면상 6.5m 이상으로 하여야 한다(KEC 222.7, 332.5). 도로 횡단 시 지표상 6m 이상과 구별하여 기억한다.

후강전선관은 안지름에 가까운 짝수로 호칭하며 16, 22, 28, 36, 42, 54, 70, 82, 92, 104mm 규격이 있으므로 19는 해당되지 않는다. 19는 바깥지름 기준 홀수로 호칭하는 박강전선관(19, 25, 31, 39, 51, 63, 75mm)의 규격이다.

전선로는 시설 장소에 따라 가공 전선로, 옥측 전선로, 옥상 전선로, 지중 전선로, 터널 내 전선로, 수상 전선로, 수저 전선로로 구분한다. 산간 전선로라는 종류는 없다.

전로의 절연체 내부·표면이나 공간을 통해 선간 또는 대지 사이로 새어 흐르는 전류를 누설전류라 한다.

배전반과 분전반은 개폐기 조작과 점검·보수를 수시로 해야 하므로 노출되어 접근이 쉽고, 안정된 장소, 전기회로를 쉽게 조작할 수 있는 장소에 시설해야 한다. 접근이 어려운 장소는 사고 시 신속한 차단과 유지보수가 곤란하므로 설치 장소로 적합하지 않다.

역률을 개선하면 전력손실 감소, 전압강하 감소, 설비 용량의 이용률 증가, 전기요금 절감 등의 효과가 있다. 감전사고 감소는 역률 개선과 관계가 없다.

변압기 중성점 접지저항은 원칙적으로 고압·특고압측 1선 지락전류로 150을 나눈 값 이하로 한다. 150/5 = 30Ω 이하이다. 1초 초과 2초 이내에 자동 차단하는 장치가 있으면 300/I, 1초 이내면 600/I을 적용한다. 구 제2종 접지공사가 현행 KEC 142.5 변압기 중성점접지로 대체되었으며 산식은 동일하다.

[근거] KEC 142.5

저압 가공인입선의 전선은 케이블을 제외하고 인장강도 2.30kN 이상 또는 지름 2.6mm 이상의 인입용 비닐절연전선이 원칙이다. 다만 경간이 15m 이하인 경우에 한하여 인장강도 1.25kN 이상 또는 지름 2.0mm 이상을 사용할 수 있다. 따라서 15m 초과 시 최소 2.6mm이다.

[근거] KEC 221.1.1

폭연성 분진 또는 화약류의 분말이 존재하는 곳의 저압 옥내배선은 금속관 공사 또는 케이블 공사(캡타이어케이블 제외)에 의하여야 한다(KEC 242.2.1). 애자 공사·몰드 공사·덕트 공사는 허용되지 않는다.

[근거] KEC 242.2.1

금속관 공사의 전선은 옥외용 비닐절연전선(OW)을 제외한 절연전선이어야 하고, 관 안에서 접속점을 만들어서는 안 되며, 단선은 구리 단면적 10mm² 이하(알루미늄 16mm² 이하)만 사용할 수 있다. 콘크리트에 매설하는 관의 두께는 1.2mm 이상(기타 1mm 이상)이 맞다. 템플릿의 구 접지공사 종별 보기는 폐지되어 제외하였다.

[근거] KEC 232.12.1, 232.12.2

권상용 전동기 용량은 $P=\dfrac{Wv}{6.12\eta}[\mathrm{kW}]$로 구한다($W$: 권상하중 [t], $v$: 권상속도 [m/min]).
$P=\dfrac{2\times 15}{6.12\times 0.7}=\dfrac{30}{4.284}\fallingdotseq 7[\mathrm{kW}]$이다. 효율을 곱해 버리면 약 3.4kW로 잘못 계산되므로 주의한다.

필요 열량 $Q=cm\theta=1\times 43\times(40-20)=860[\mathrm{kcal}]$이다. $1[\mathrm{kWh}]=860[\mathrm{kcal}]$이므로 필요한 전력량은 $\dfrac{860}{860}=1[\mathrm{kWh}]$이다.

[근거] 전열 계산(1kWh = 860kcal)