03년 1회차

자동장력조정장치는 온도 변화로 생기는 전차선·조가선의 신축을 도르래와 추 등으로 흡수해 장력을 항상 일정하게 유지해 주는 설비다.

다만 도르래의 마찰 등으로 장력이 완전히 일정할 수는 없으므로, 장력의 변화를 표준장력의 5% 이내로 유지하도록 시설하는 것이 좋다.

장력 변동이 이보다 커지면 이도와 전차선 높이가 함께 변해 집전 성능이 떨어지기 때문이다.

우리나라 교류 전철은 3상 전력계통에서 단상 전력을 끌어 쓰면서 3상 부하 불평형을 최소화하기 위해 스코트(Scott) 결선을 주 변압기 결선방식으로 사용한다.

스코트 결선은 위상이 90˚ 차이나는 두 개의 단상 출력(M좌·T좌)을 만들어 인접 급전구간에 공급함으로써 3상 계통의 상불평형을 줄이는 것이 핵심 목적이다.

가공 전차선로에서 집전특성을 좋게 하려면 팬터그래프가 지나가는 동안 전차선의 상태가 어디서나 같아야 한다.

그래서 등고(레일면에서의 전차선 높이가 일정할 것), 등장력(장력이 항상 일정할 것), 등요(전차선의 휨·탄성이 균일해 경점이 없을 것)를 조건으로 꼽는다.

지지점 간격을 똑같이 한다는 뜻의 '등거리'는 이러한 집전특성 향상 조건에 해당하지 않는다.

흡상변압기(BT)를 이용한 흡상 방식은 교류 급전방식에서 통신유도장해를 줄이기 위해 쓰는 개념으로, 직류 급전방식에는 흡상점이라는 개념 자체가 존재하지 않는다.

귀선(레일)에는 전기차가 있는 부하점에서 전류가 유입되어 흡상점 쪽으로 흘러나가므로, 저항 강하로 인해 부하점의 전위가 가장 높게(+) 나타나고 전류가 빠져나가는 흡상점에서는 전위가 낮아진다(-).

따라서 교류 급전방식에서 부하점이 +전위, 흡상점이 -전위가 된다는 설명이 옳다.

조가선, 부급전선, 트롤리선은 모두 가공전차선로(설비)를 이루는 구성 요소다.

반면 집전장치(팬터그래프)는 전차선에서 전력을 받아가는 전기차 쪽의 장치이므로 전차선로 자체의 구성 요소로 보지 않는다.

트롤리선의 '흐름'은 전차선이 선로 방향으로 조금씩 밀려 이동하는 현상으로, 선로의 구배, 가동브래킷의 움직임, 바람의 세기와 방향 같은 선로·설비·환경 조건에 의해 좌우된다.

이에 비해 전기차의 형식(차종)은 트롤리선의 흐름을 좌우하는 직접적인 요인과는 가장 거리가 멀다.

전차선 자체가 갖춰야 할 구비조건으로는 레일면에서의 높이가 일정할 것, 장력이 항상 일정할 것, 굴곡을 따라갈 수 있는 가요성을 가질 것 등이 꼽힌다.

급전선로가 양호해야 한다는 것은 전차선(트롤리선) 자체의 물리적 조건이 아니라 급전계통 전반에 관한 이야기이므로 전차선로의 구비조건으로 보기 어렵다.

직류 급전방식은 교류(25kV)에 비해 공칭전압이 낮아 전기설비의 절연계급을 낮게 설계할 수 있다는 특징이 있다.

• 대용량·장거리 수송에 유리하고 에너지 이용률이 높은 것은 오히려 고전압을 쓰는 교류 급전방식의 장점이다.
• 사고 시 선택차단이 용이한 것도 자연 영점을 갖는 교류 계통의 특징으로, 직류는 상대적으로 차단이 까다롭다.

이선율은 집전장치가 전차선에서 순간적으로 떨어지는 비율을 뜻하며, 일반(재래식) 전철에서는 이 비율을 3% 이하로 제한한다.

고속철도 구간은 이보다 더 엄격한 기준을 적용해 이선율을 1% 이하로 관리한다.

순환전류 사고를 막으려면 도체 간에 충분한 이격거리를 두거나, 불필요한 폐회로가 생기지 않도록 전기적으로 절연하거나, 접속이 필요한 곳은 완전하게 접속시켜야 한다.

반대로 접지선을 추가로 설치하는 것은 오히려 새로운 폐회로(귀로)를 만들어 순환전류가 흐를 경로를 늘리는 결과가 될 수 있어, 순환전류 사고방지 대책으로 보기 어렵다.

직류 변전설비에서 교류를 직류로 바꾸는 실리콘 정류기의 정류소자는 다이오드다.

반도체 PN 접합의 정류 특성을 이용해 한쪽 방향으로만 전류를 흘려보내는 소자로, TR(트랜지스터)이나 인버터, 사이리스터(SCR)와는 구분되는 소자다.

교류 강체가선방식에서 강체 전차선을 지지하는 브래킷은 설치 조건에 따라 가동형·고정형·단축형으로 구분해 사용한다.

'압축형 브래킷'은 이러한 브래킷 분류에 들어가지 않는 명칭이므로 강체가선방식에 사용하는 브래킷의 종류로 볼 수 없다.

강체전차선의 고정점 장치는 온도 변화로 전차선이 신축할 때 그 기준점이 되도록 잡아 주는 설비로, 중간고정판·앵커로프·종단턴버클 등으로 구성된다.

회전금구는 가동브래킷이 온도 변화에 따라 회전·이동할 수 있도록 해 주는 부품이므로 고정점 장치의 구성 요소로 보기 어렵다.

피뢰기는 이상전압이 침입할 수 있는 급전 계통의 활선 도체 인입·인출부나 케이블 단말에 설치해 기기를 보호한다.

변전소 내 급전선 인출설비, 흡상변압기 1차측, 터널 내 급전 케이블 단말은 모두 이러한 설치 대상에 해당한다.

반면 역구내 비절연보호선(FPW)의 말단은 전압이 걸리는 급전 도체가 아니라 보호용 도체의 끝단이어서 피뢰기 설치장소로 적당하지 않다.

직류 전기철도는 교류 방식에 비해 사용전압이 낮아 전기차에 변압기 같은 별도 설비가 필요 없어 차량 설비가 간단하고, 절연도 쉬우며 절연거리도 짧게 할 수 있다.

이 덕분에 전차선 인근에서의 활선작업도 교류 방식보다 상대적으로 수월하다는 장점을 가진다.

본선의 가공전차선로에는 자동으로 장력을 유지해 주는 활차식 장력조정장치를 주로 사용한다.

턴버클식은 수동으로 장력을 고정하는 방식이라 온도 변화에 따른 신축을 자동으로 흡수하지 못해 측선(구내선)처럼 상대적으로 비중요한 구간에 쓰인다.

콘크리트 기초가 전철주 기초로 가장 널리 쓰인다.

콘크리트 기초는 시공이 비교적 간편하면서도 내구성과 경제성이 우수해 일반적인 지반 조건에서 표준적으로 채택된다.

쇄석기초·근가기초는 하중이 작은 개소에 보조적으로, 특수기초는 연약지반처럼 일반 기초를 쓰기 어려운 조건에서 제한적으로 적용된다.

후강은 단면 형상이 아니라 두께를 기준으로 한 구분이어서, 단면 형상에 따른 분류에는 속하지 않는다.

강판, 평강, 일반 형강(ㄱ형강·H형강 등)은 모두 단면의 모양으로 구분되는 대표적인 구조용 강재 종류다.

부급전선에 작용하는 풍압하중은 전선의 수직투영면적에 단위면적당 풍압하중을 곱해 구한다.

수직투영면적은 지름과 경간의 곱이므로 $0.0165\,\mathrm{m}\times50\,\mathrm{m}=0.825\,\mathrm{m^2}$이다.

여기에 $100\,\mathrm{kgf/m^2}$을 곱하면 $0.825\times100=82.5\,\mathrm{kgf}$이므로, 풍압하중은 약 82.5 kgf이다.

지선을 시설할 수 없는 경우 그 대용으로 지주를 설치한다.

지주는 별도의 버팀 구조물을 세워, 지선이 전주에 가하는 인장력을 지지하던 역할을 대신 수행한다.

구조역학에서 지점의 표준 분류는 회전지점, 이동지점, 고정지점 세 가지이며, 원형지점이라는 명칭은 쓰이지 않는다.

회전지점(힌지)은 이동은 구속하되 회전은 허용하고, 이동지점(롤러)은 한 방향 이동과 회전을 허용하며, 고정지점은 이동과 회전을 모두 구속한다.

전주 길이에 제약이 없다는 설명은 콘크리트 전주의 단점에 해당해 장점으로 볼 수 없다.

콘크리트 전주는 중량이 크고 제작·운반 특성상 긴 전주를 만들기 어려워 길이에 제약을 받는다.

• 수명이 반영구적이라는 점은 실제 장점이다.
• 보수가 거의 필요 없다는 점도 실제 장점이다.
• 강도를 자유롭게 선택할 수 있다는 점도 실제 장점이다.

외력에 대응해 구조물 내부에 생기는, 크기가 같고 방향이 반대인 저항력을 응력이라 한다.

우력은 크기가 같고 방향이 반대인 한 쌍의 평행한 힘을 뜻하고, 모멘트는 회전 효과를 나타내는 양이어서 내부 저항력 자체를 가리키는 개념과는 다르다.

지선과 전주의 표준 취부각도는 45˚이다.

이 각도는 지선이 전주에 가해지는 인장력(횡하중)을 효율적으로 지지하도록 정해진 표준값이다.

전차선의 경점(접속점)을 많게 하는 것은 오히려 이상마모를 악화시키는 요인이어서 대책으로 볼 수 없다.

경점은 금구류나 접속 부위가 몰려 전차선이 국부적으로 뻣뻣해지는 지점이라, 팬터그래프가 지날 때 압상이 잘 되지 않고 충격이 집중된다. 따라서 경점이 많아질수록 국부적인 이상마모도 함께 늘어난다.

• 전차선의 압상 특성을 개선하는 것은 실제 이상마모 대책이다.
• 전차선의 구배를 작게 하는 것도 실제 대책이다.
• 전차선의 장력을 일정하게 유지하는 것도 실제 대책이다.

애자의 각종 시험전압 중 유중파괴전압이 가장 높다.

건조섬락전압·주수섬락전압·충격섬락전압은 모두 공기 중 표면을 따라 일어나는 섬락 현상을 기준으로 하는 값인 반면, 유중파괴전압은 절연유 속에서 애자 자체가 절연파괴에 이르는 전압이어서 공기 중 섬락전압보다 훨씬 높게 나타난다.

자기회로의 자기저항은 $R_m=\dfrac{l}{\mu_0\mu_s A}$로 나타나며, 비투자율 $\mu_s$에 반비례한다.

같은 식에서 자기저항은 자기회로의 길이에 비례하고 단면적에 반비례하므로, 길이에 반비례한다거나 단면적에 비례한다는 설명은 옳지 않다.

직렬 연결된 콘덴서는 전하량(Q)이 모두 같으므로, 정전용량이 가장 작은 콘덴서의 전압이 가장 먼저 정격(1kV)에 도달해 전체 내압을 결정한다.

가장 작은 $0.01\,\mu\mathrm{F}$ 콘덴서가 $1000\,\mathrm{V}$에 도달할 때의 전하량은 $Q=0.01\,\mu\mathrm{F}\times1000\,\mathrm{V}=10\,\mu\mathrm{C}$이다.

이 전하량으로 나머지 콘덴서의 전압을 구하면 $\dfrac{10}{0.02}=500\,\mathrm{V}$, $\dfrac{10}{0.04}=250\,\mathrm{V}$이므로, 전체 내압은 $1000+500+250=1750\,\mathrm{V}$가 된다.

자석을 뜻하는 영어 마그넷(magnet)은 고대 그리스의 마그네시아 지방에서 철을 끌어당기는 돌(자철석)이 발견된 데서 유래했다는 설명이 옳다.

• 브라운관 TV의 편향코일은 전계가 아니라 자계로 전자빔의 방향을 바꾸므로, 전계를 걸어 휘게 한다는 설명은 옳지 않다.
• 모피로 호박을 마찰할 때의 설명은 전자가 모피에서 호박으로 이동한다고 해놓고 모피가 음전기를 띤다고 결론지어 앞뒤가 모순된다(전자를 잃은 쪽이 양전기를 띠어야 한다).
• 전계·자계와 음극선이 휘는 정도로 전자의 비전하를 계산한 인물은 쿨롱이 아니라 톰슨(J.J. Thomson)이다.

온도의 영향을 크게 받는 분극은 배향분극이다.

배향분극은 영구쌍극자가 열운동에 저항하며 전계 방향으로 정렬하는 현상이라 온도가 오르면 열교란이 커져 분극의 크기가 줄어든다.

전자분극과 이온분극은 전자운이나 이온의 미세한 변위로 생기는 현상이라 온도 의존성이 상대적으로 작다.

유전체 역률 $\tan\delta$는 인가전압의 크기와는 무관하다.

$\tan\delta$는 콘덴서의 등가 저항 성분과 용량 성분의 비로 정의되므로 주파수, 정전용량, 누설저항에는 영향을 받지만, 전압을 바꾼다고 그 비율 자체가 달라지지는 않는다.

변위전류는 유전체 내부에서 시간에 따라 변하는 전속밀도(전계)에 의해 발생하는 전류다.

콘덴서처럼 유전체를 사이에 둔 회로에서 실제 전하 이동 없이도 자계를 발생시키는 전류로 나타나는 개념이며, 도체의 전도전류와 구분된다.

토로이드 코일의 자기인덕턴스는 $L=\dfrac{\mu N^2 S}{2\pi r}$로 주어져, 권선수의 제곱과 단면적에 비례한다.

평균반지름 $r$에는 오히려 반비례하므로, 권선수의 제곱과 평균반지름에 비례한다는 설명은 옳지 않다.

동일 전압·동일 부하·동일 손실 조건에서 3상 3선식의 소요 전선량은 단상 2선식의 75%다.

전기 방식별 표준 비교에서 단상 2선식을 100으로 두면 3상 3선식은 75, 단상 3선식은 37.5, 3상 4선식은 33.3 수준으로 정리된다.

계통을 연계하면 단락용량은 오히려 증가하므로, 단락용량이 적어진다는 설명은 연계의 장점이 아니다.

연계 계통은 전원이 여러 곳에서 공급돼 신뢰도가 향상되고 경제급전이 쉬워지며 주파수 변동도 완화되지만, 그만큼 고장 시 단락전류(단락용량)는 커진다는 단점을 동반한다.

전력용 콘덴서에 직렬리액터를 설치하는 주된 목적은 제5고조파를 억제하기 위해서다.

직렬리액터는 콘덴서와 함께 회로의 공진 주파수를 제5고조파보다 낮은 대역으로 이동시켜, 계통의 제5고조파 전류가 콘덴서로 흘러들어 확대되는 것을 막는다.

변압기의 %임피던스가 표준치보다 훨씬 크면 전압변동률이 커지는 문제가 발생한다.

%임피던스가 크다는 것은 변압기 내부 전압강하가 크다는 의미이므로, 부하 변동에 따라 2차측 전압이 크게 흔들려 전압 안정도가 떨어진다.

반대로 %임피던스가 클수록 단락전류는 억제돼 기계적 충격이나 온도 상승 측면의 부담은 줄어드는 편이다.

정격전압에 대한 설명이 옳지 않다. 피뢰기의 정격전압은 단순히 정현파 전압의 최고 한도를 나타내는 순시값이 아니라, 속류를 차단할 수 있는 상용주파 최고 전압의 실효값으로 정의된다.

방전전류를 뇌충격전류의 파고값으로 표시한다는 설명과, 속류를 방전현상이 끝난 뒤에도 계통에서 피뢰기로 계속 흘러드는 전류로 정의한 설명은 모두 옳은 내용이다.

이도는 $D=\dfrac{wS^2}{8T}$로 구하며, 여기서 $T$는 허용장력(인장하중÷안전율)이다.

$T=\dfrac{1400}{2.2}\approx636.4\,\mathrm{kg}$이고, 이를 대입하면 $D=\dfrac{0.333\times200^2}{8\times636.4}$이다.

계산하면 $D=\dfrac{13320}{5090.9}\approx2.62\,\mathrm{m}$이므로, 이도는 약 2.62 m이다.

댐 설계나 저수지 용량 결정에는 적산유량곡선(유량누가곡선)이 가장 적합하다.

적산유량곡선은 시간에 따라 유입 유량을 누적해 그린 곡선으로, 곡선의 기울기 변화를 통해 저수 가능량과 갈수기 부족량을 직접 파악할 수 있어 저수지 규모 결정에 활용된다.

전압이 다른 송전선로를 루프로 연결해 조류(전력 흐름)를 제어할 때는 위상조정변압기가 사용된다.

위상조정변압기는 두 계통 사이의 위상각 차이를 인위적으로 만들어 루프 내 전력 분담을 원하는 방향으로 조정하는 기기다.

전력선과 통신선의 이격거리를 단축하는 것은 오히려 유도장해를 키우므로 방지대책이 될 수 없다.

전자유도장해는 두 선로 사이의 거리가 가까울수록 커지므로, 실제 대책은 이격거리를 늘리는 것이다.

• 전력선과 통신선의 병행거리를 단축하는 것은 실제 방지대책이다.
• 고속도계전기와 차단기로 고장을 빠르게 제거하는 것도 실제 방지대책이다.
• 도전율이 높은 도체로 가공지선을 설치하는 것도 실제 방지대책이다.

차단기의 차단시간은 개극시간과 아크시간을 합한 것으로, 통상 3~8사이클 정도다.

트립 지령이 내려진 뒤 접점이 실제로 벌어지기까지의 개극시간과, 접점이 벌어진 뒤 아크가 완전히 소호될 때까지의 아크시간을 더한 값이 곧 차단시간이다.

변압기 용량은 각 수용가의 최대수요전력 합을 부등률로 나누고 다시 역률로 나눠 구한다.

각 수용가 최대수요전력은 설비용량×수용률이므로 $50\times0.6+100\times0.6+80\times0.5+60\times0.5+150\times0.4=220\,\mathrm{kW}$이다.

합성최대수요전력은 $\dfrac{220}{1.3}\approx169.2\,\mathrm{kW}$이고, 역률 80%를 반영하면 $\dfrac{169.2}{0.8}\approx211\,\mathrm{kVA}$이므로 변압기 용량은 약 211 kVA가 필요하다.

화력발전소의 재열기는 터빈에서 일부 팽창한 증기를 다시 가열해 터빈으로 되돌려보내는 설비다.

재열을 거치면 증기의 습분이 줄고 열효율이 개선돼, 저압 터빈에서의 부식·손상도 함께 줄일 수 있다.

합성 유효전력과 무효전력을 구한 뒤, 목표 역률에 맞는 무효전력과의 차이가 곧 콘덴서 용량이 된다.

기존 부하는 $P_1=60\,\mathrm{kW}$, $\cos\theta_1=0.8$이므로 $Q_1=60\times0.75=45\,\mathrm{kVar}$이고, 추가 부하는 $P_2=40\,\mathrm{kW}$, $\cos\theta_2=0.6$이므로 $Q_2=40\times1.333\approx53.3\,\mathrm{kVar}$이다.

합성하면 $P=100\,\mathrm{kW}$, $Q\approx98.3\,\mathrm{kVar}$이고, 역률 90%의 목표 무효전력 $P\tan\theta=100\times0.484\approx48.4\,\mathrm{kVar}$와의 차이인 $98.3-48.4\approx50\,\mathrm{kVA}$가 필요한 콘덴서 용량이다.

단도체를 같은 단면적의 복도체로 바꾸면 전선의 등가반지름이 커져 코로나 개시전압이 높아진다.

복도체는 전선 표면의 전위경도를 낮추어 코로나 발생을 억제하는 효과가 있어 초고압 송전선로에 널리 쓰인다.

• 인덕턴스는 등가반지름이 커지므로 증가가 아니라 감소한다.
• 선로의 작용정전용량은 등가반지름이 커지므로 감소가 아니라 증가한다.
• 전선 표면의 전위경도는 증가가 아니라 감소한다.

축전지 용량은 방전전류·보수율·용량환산시간(방전시간)을 바탕으로 산정하며, 충전률은 이 계산에 포함되지 않는 요소다.

축전지 용량 산정식은 $C=\dfrac{1}{L}KI$ 형태로, 여기서 $L$은 보수율, $K$는 용량환산시간, $I$는 방전전류를 뜻한다.

충전은 방전된 축전지를 다시 채우는 과정의 특성일 뿐, 부하에 필요한 방전 용량을 정하는 조건과는 무관하다.

차단기의 차단용량은 계통에서 발생할 수 있는 예상 최대 단락전류를 기준으로 결정한다.

차단기는 고장 시 흐르는 큰 단락전류를 안전하게 차단해야 하므로, 정격차단전류를 예상되는 최대 고장전류 이상으로 선정하는 것이 핵심이다.

• 회로에 접속되는 전부하 전류는 정격전류를 정하는 기준일 뿐 차단용량 산정 기준은 아니다.
• 계통의 최고전압은 정격전압을 정하는 요소로, 차단용량을 직접 결정하는 값은 아니다.
• 전선의 최대 허용전류는 전선 자체의 정격이며 차단기의 차단용량과는 별개다.