2024년 전기산업기사실기(필답형) 3회차

(1) 광원이 소비한 전력에 대하여 그 광원이 내보내는 전 광속의 비

(2) 같은 물체라도 비추는 광원에 따라 색이 달라 보이는데, 물체의 색을 얼마나 원래대로 드러내 주는지를 나타내는 광원의 성질

[해설]

전등 효율과 연색성은 조명용 광원을 고를 때 쓰는 성능 지표로, 앞의 것은 경제성을, 뒤의 것은 색 재현 품질을 본다.

• 전등 효율은 전 광속 F[lm]을 소비전력 P[W]로 나눈 값이며 단위는 [lm/W]이다.
• 연색성은 광원이 물체의 원래 색을 얼마나 그대로 보여 주는지를 나타내는 성질이다.

연색성은 평균 연색 평가수 R_a로 나타내며 기준광원과 같으면 100이다.

혼동 주의: 나트륨등처럼 효율은 높아도 연색성이 나쁜 광원이 있어 두 지표는 따로 따진다.

392[kW]

[해설]

양수 펌프용 전동기 동력은 P = 9.8QHK / η [kW]이며, Q에는 반드시 초당 양수량[m³/s]을 넣는다.

Q = 4,500 / 3,600 = 1.25[m³/s]
P = (9.8 × 1.25 × 16 × 1.2) / 0.6
= 235.2 / 0.6 = 392[kW]

혼동 주의: 분당 양수량[m³/min]을 쓰면 공식이 P = QHK / (6.12η)로 바뀐다.

① 특성 요소

② 직렬 갭

③ 측로 갭

④ 분로 저항

⑤ 소호 코일

⑥ 특성 요소

[해설]

피뢰기는 이상전압이 들어오면 대지로 방전해 기기를 지키고, 방전이 끝난 뒤 상용주파 전압으로 계속 흐르려는 속류를 끊어 계통을 원래대로 돌려놓는 장치다. 갭형은 이 두 가지 일을 직렬 갭과 특성 요소가 나누어 맡는다.

직렬 갭은 평소에는 절연을 유지하다가 이상전압이 오면 방전을 시작하고, 방전이 끝나면 속류를 차단한다. 특성 요소는 탄화규소(SiC) 등으로 만든 비직선 저항체로, 방전전류가 클 때는 저항이 작아져 전류를 잘 흘리고 전류가 작아지면 저항이 커진다. 그 덕에 방전 중에도 피뢰기 양단 전압(제한전압)이 지나치게 올라가지 않아 피뢰기 자신의 절연 파괴를 막는다.

갭을 여러 단으로 나누면 각 단에 걸리는 전압이 고르지 않게 되므로, 갭과 병렬로 분로 저항을 달아 전압 분담을 고르게 하고 속류를 나누어 흐르게 한다. 측로 갭은 주갭과 짝을 이루는 보조 갭으로 방전 개시를 안정시키며, 소호 코일은 자기장으로 아크를 옆으로 밀어 늘여 속류를 빨리 끄는 구실을 한다.

오른쪽 갭리스형은 산화아연(ZnO) 소자를 쓴다. ZnO는 비직선성이 SiC보다 훨씬 강해서 정격전압에서 흐르는 전류가 거의 없으므로 갭 없이도 선로에 직결할 수 있다. 그래서 갭리스형 피뢰기의 내부는 특성 요소가 층층이 쌓인 구조뿐이고, 구조가 간단하며 속류가 사실상 없어 반복 동작에도 강하다.

②의 직렬 갭은 주갭이라고도 부르며, 이 이름으로 답해도 같은 요소를 가리킨다.

4.5[cd]

[해설]

구형 글로브의 광속발산도는 글로브를 통과해 나오는 광속을 글로브 겉넓이로 나눈 값이고, 균등 점광원의 전광속은 4πI이다. 반사율이 0이므로 글로브 효율은 투과율 τ와 같다.

식을 광도에 대해 정리해 대입한다.
$R=\dfrac{\tau\cdot 4\pi I}{4\pi r^{2}}=\dfrac{\tau I}{r^{2}}$
$I=\dfrac{R\,r^{2}}{\tau}=\dfrac{1{,}000\times 0.06^{2}}{0.8}$
I = 4.5[cd]

혼동 주의: 반지름은 지름 12[cm]의 절반을 미터로 바꾼 0.06[m]로 넣어야 한다. [cm] 그대로 넣으면 값이 1만 배 어긋난다.

㉠ 시운전 일정

㉡ 시험장비 확보

㉤ 기계·기구 사용계획

[해설]

전력시설물 공사감리업무 수행지침에 따라 감리원은 공사업자에게 시운전 계획서를 시운전 30일 이내에 제출하게 한다. 계획서 항목은 시운전 일정, 시운전 항목·종류, 절차, 시험장비 확보·보정, 기계·기구 사용계획, 운전요원·검사요원 선임계획이다.

• 시운전 일정은 언제 시운전할지를 정하는 항목이다.
• 시험장비 확보는 시운전 측정에 쓸 장비를 갖추고 보정하는 항목이다.
• 기계·기구 사용계획은 시운전에 동원할 기계·기구를 정하는 항목이다.

혼동 주의: 계획서에서 선임하는 인원은 운전요원·검사요원이며 안전요원이 아니다. 공사계획문서작성·지원업무보조자 지정도 시운전 계획 항목이 아니다.

145.2[kW]

[해설]

3상 선로의 전압강하율은 부하전력으로 ε = P(R + X tanθ) / V_r² × 100[%]로 나타내며, 기준 전압은 수전단 전압이다.

역률 0.8이면 sinθ = 0.6이므로 tanθ = 0.6 / 0.8 = 0.75이다.

P = εV_r² / (100(R + X tanθ))
= 10 × 6,600² / (100 × (12 + 24 × 0.75))
= 435,600,000 / 3,000 = 145,200[W] = 145.2[kW]

검산하면 선로전류는 약 15.88[A]이고, 전압강하는 √3 × 15.88 × (12 × 0.8 + 24 × 0.6) ≒ 660[V]이다.
660[V]는 6,600[V]의 정확히 10[%]이므로 조건과 맞는다.

(1)

상측 모선에 PBS₄(b접점)를 직렬로 넣고, 그 아래에 같은 꼴의 라인 3개를 병렬로 붙인다. 각 라인은 [PBS_n(a접점) ∥ X_n(a접점, 자기유지)] → 다른 두 릴레이의 b접점 2개 직렬 → 코일 X_n과 표시등 병렬 순서다. 1번 라인 X₂(b)·X₃(b) → X₁·RL, 2번 라인 X₁(b)·X₃(b) → X₂·GL, 3번 라인 X₂(b)·X₁(b) → X₃·WL.

(2)

RL은 첫 번째 PBS₁ 조작 시점부터 네 번째 PBS₄ 조작 시점까지, GL은 다섯 번째 PBS₂ 조작 시점부터 여덟 번째 PBS₄ 조작 시점까지, WL은 아홉 번째 PBS₃ 조작 시점부터 열두 번째 PBS₄ 조작 시점까지 점등된다.

[해설]

선행 우선 회로는 자기유지와 인터록을 합쳐, 먼저 여자된 릴레이가 나머지 라인을 잠그는 회로다.

• PBS₄(b접점)는 세 라인이 함께 쓰는 상측 모선에 직렬로 넣고, 누르면 모든 자기유지가 풀린다.
• 자기유지는 각 라인의 PBS a접점에 자기 릴레이 X a접점을 병렬로 붙여, 손을 떼도 코일 전류가 유지되게 한다.
• 인터록은 각 코일 앞에 다른 두 릴레이의 b접점을 직렬로 넣어, 하나가 여자되면 나머지 라인이 열리게 한다.
• 표시등 RL·GL·WL은 각각 코일 X₁·X₂·X₃과 병렬로 연결해 릴레이와 함께 켜진다.

타임차트에서는 각 묶음에서 맨 먼저 눌린 버튼의 표시등만 켜지고 PBS₄를 누르면 꺼진다.

X b접점이 라인마다 2개씩 6개, 자기유지 a접점이 3개라 조건의 접점 수와 맞으므로 이것으로 회로를 검산할 수 있다.

398.52[rpm]

[해설]

특유속도는 닮은꼴 수차를 낙차 1[m]에서 1[kW]를 내도록 줄였을 때의 회전속도이다. 이 식을 회전속도 N에 대해 풀어 대입한다.

N_s = N·P^1/2 ÷ H^5/4
N = N_s·H^5/4 ÷ P^1/2 = 164 × 81^5/4 ÷ 10,000^1/2
N = 164 × 243 ÷ 100 = 398.52[rpm]

혼동 주의: 낙차 지수는 5/4, 출력 지수는 1/2이다. 81^5/4 = 81 × 3 = 243이라 계산이 쉽다.

① 계통접지

② 보호접지

③ 피뢰시스템 접지

④ 단독접지

⑤ 공통접지

⑥ 통합접지

[해설]

한국전기설비규정(KEC) 141은 접지시스템을 접지 목적에 따른 구분과 시설 방법에 따른 종류로 나눈다.

• 계통접지 — 전력계통의 중성점 등 한 점을 대지에 접속해 계통의 이상현상에 대비한다.
• 보호접지 — 기기의 노출도전부를 접지해 고장 때 감전을 막는다.
• 피뢰시스템 접지 — 뇌격전류를 대지로 안전하게 흘려보낸다.
• 단독접지 — 고압·특고압 계통과 저압 계통의 접지극을 따로 둔다.
• 공통접지 — 고압·특고압 계통과 저압 계통이 접지극을 함께 쓴다.
• 통합접지 — 전기설비·통신설비·피뢰설비 등 건물 안의 모든 접지를 하나로 묶는다.

혼동 주의: 구분은 '무엇을 위해 접지하나', 시설 종류는 '어떻게 묶어 시설하나'를 묻는 것이니 두 묶음을 섞어 쓰지 않는다.

(1) 5,000[kVA]

(2) CT₁ : 500/5, CT₂ : 2,500/5

[해설]

최대수용전력 = 설비용량 × 수용률이고, 여러 뱅크를 합칠 때는 그 합계를 부등률로 나눈다.

뱅크 1개: 125×0.8 + 125×0.8 + 500×0.7 + 600×0.84 = 1,054[kW]
1,054 ÷ 0.8 = 1,317.5[kVA]
중앙 변전소: 1,317.5×4 ÷ 1.3 = 4,053.85[kVA] → 표준용량 5,000[kVA]

변류기 1차 전류는 부하전류에 1.25~1.5배 여유를 준 뒤 그 이상인 표준값을 고른다.

CT₁(6[kV] 모선, 네 뱅크 합성용량): I = 4,053.85 ÷ (√3×6) = 390.08[A]
390.08×(1.25~1.5) = 487.6~585.1[A] → 500/5

CT₂(400[V]측, 뱅크 1개): I = 1,317.5 ÷ (√3×0.4) = 1,901.65[A]
1,901.65×(1.25~1.5) = 2,377.1~2,852.5[A] → 2,500/5

혼동 주의: 부등률은 곱하지 않고 나눈다. CT₁은 네 뱅크의 합계를, CT₂는 한 뱅크만의 전류를 본다.

(1) 명칭 : 피뢰기 / 기능 : 이상전압이 내습하면 이를 대지로 방전시키고, 방전이 끝난 뒤 속류를 차단한다

(2) 833.33[MVA]

(3) ① 계기용 변압기 ② 전압계 ③ 전류계 ④ 과전류 계전기 ⑤ 지락 과전류 계전기

(4) 36.88[kA]

(5) 2.6[%]

[해설]

(1) LA는 피뢰기(Lightning Arrester)다. 뇌 또는 개폐에 의한 이상전압이 들어오면 그 전류를 대지로 흘려보내 기기의 절연을 지키고, 이상전압이 사라진 뒤 상용주파 전압에 의해 계속 흐르려는 속류를 차단하여 계통을 원래 상태로 되돌린다. 도면에서 LA가 단로기를 거쳐 주회로에서 분기해 접지로 내려가는 것도 이 때문이다.

(2) 차단용량은 기준용량을 그 지점까지의 %임피던스로 나눈 값이다. 도면에 전원측 기준용량 100,000[kVA], %Z 12[%]가 주어져 있다.

$P_s=\dfrac{100}{\%Z}\,P_n=\dfrac{100}{12}\times 100=833.33\;[\mathrm{MVA}]$

따라서 VCB에 필요한 최소 차단용량은 833.33[MVA]이다. 여기서는 변압기보다 전원측에 있는 차단기이므로 변압기의 %임피던스는 들어가지 않는다.

(3) C 부분은 전력퓨즈를 거쳐 주회로 전압을 받고, VCB 아래의 변류기에서 전류도 함께 받아 오는 자리다. 곧 계기용 변압기(PT)로 전압을 낮추어 전압계·전류계로 계측하고, 같은 신호로 과전류 계전기(OCR)와 지락 과전류 계전기(OCGR)를 동작시켜 VCB를 트립시키는 계측·보호반이 놓인다.

(4) ACB는 변압기 2차 380[V]측에 있으므로, 전원측 %임피던스에 변압기 %임피던스까지 더한 값으로 단락전류를 구한다. 변압기 %Z는 자기 용량 1,000[kVA] 기준이므로 먼저 100,000[kVA] 기준으로 환산한다.

$\%Z_t=4\times\dfrac{100{,}000}{1{,}000}=400\;[\%]$

$\%Z=12+400=412\;[\%]$

$I_s=\dfrac{100}{\%Z}\times\dfrac{P_n}{\sqrt{3}\,V}=\dfrac{100}{412}\times\dfrac{100\times 10^{6}}{\sqrt{3}\times 380}\times 10^{-3}$

따라서 최소 차단전류는 36.88[kA]이다. 기준용량과 기준전압을 반드시 짝지어 써야 하며, 100,000[kVA]로 환산했으면 전류도 380[V]·100[MVA] 기준으로 구해야 한다.

(5) 전압변동률은 %저항 강하와 %리액턴스 강하를 부하율만큼 줄여서 쓴다. 도면의 %Z = 4[%], %R = 1.2[%]이고 최대 부하가 800[kVA]이므로 부하율은 $\dfrac{800}{1{,}000}=0.8$이다.

$p=1.2\times 0.8=0.96\;[\%]$

$q=\sqrt{4^{2}-1.2^{2}}\times 0.8=3.8158\times 0.8=3.0526\;[\%]$

$\varepsilon=p\cos\theta+q\sin\theta=0.96\times 0.8+3.0526\times 0.6=0.768+1.8316$

따라서 전압변동률은 2.6[%]이다. %리액턴스 강하는 주어지지 않으므로 $q=\sqrt{\%Z^{2}-\%R^{2}}$로 먼저 구해야 하고, 부하율 0.8을 $p$와 $q$ 양쪽에 모두 곱해야 한다는 점이 이 계산의 요령이다.

① 3

② 5

③ 6

④ 8

[해설]

표를 채우면 다음과 같다.

값이 네 개뿐이라 외우기 쉬워 보이지만, 두 축을 뒤바꿔 답하는 실수가 잦다. 규칙은 단순하다. 조명이 기타보다 엄격하고(3 < 5, 6 < 8), 저압 수전이 고압 이상 수전보다 엄격하다(3 < 6, 5 < 8).

조명 쪽을 더 조이는 것은 전압이 떨어지면 광속과 광색이 눈에 띄게 나빠지기 때문이고, 고압 이상으로 수전하는 경우에 여유를 더 주는 것은 수전실에서 부하까지의 구내 배선이 길어져 그만큼 강하가 불가피하기 때문이다. 다만 그 경우에도 최종회로 안에서는 A 유형 값을 넘기지 않도록 하는 것이 바람직하다고 덧붙이고 있다.

각주의 완화 규정도 자주 출제된다. 배선설비가 100[m]를 넘는 부분에 대해서는 미터당 0.005[%]씩 전압강하를 더 허용하되, 그 증가분의 합계는 0.5[%]를 넘을 수 없다. 0.005[%]씩 더해 0.5[%]에 이르는 길이가 100[m]이므로, 표의 값에 더할 수 있는 여유는 아무리 길어도 0.5[%]에서 멈춘다.

16[A] 분기 3회로

[해설]

분기회로 수는 부하의 피상전력[VA]을 한 회로의 용량(전압×분기전류)으로 나누어 구한다. 부하가 [W]로 주어졌으므로 역률로 나누어 [VA]로 바꾼다.

유효전력 P = 40×30 + 100×50
= 1,200 + 5,000 = 6,200[W]
피상전력 S = 6,200 ÷ 0.7 = 8,857.14[VA]

n = S ÷ (V×I)
= 8,857.14 ÷ (220×16) = 8,857.14 ÷ 3,520
= 2.52 → 절상하여 16[A] 분기 3회로

혼동 주의: 회로 수는 소수점 이하를 무조건 올린다. 역률을 곱하면 부하가 작게 잡혀 회로 수가 모자라게 나온다.

계기용 변압기 2대는 V결선한다 — PT1은 1상과 2상 사이에, PT2는 2상과 3상 사이에 1차를 접속하고, 2차의 바깥쪽 단자를 각각 P1·P3에, 두 PT 2차의 공통점을 P2에 접속한다.

변류기 2대는 1상과 3상에 설치하고, 각 변류기 2차의 전원측 단자를 1S·3S에, 부하측 단자를 1L·3L에 접속한다.

P2·1L·3L을 한 점에 모아 접지한다.

[해설]

3상 3선식 전력량계는 2상을 공통으로 두는 2전력계법(2요소)으로 계량하므로, 계기용 변압기 2대와 변류기 2대면 된다.

• 계기용 변압기는 V결선한다 — 1차를 1–2상, 2–3상 사이에 걸고 2차의 바깥 단자를 P1·P3에, 공통점을 P2에 잇는다.
• 변류기는 1상과 3상에 넣고, 2차의 전원측 단자를 1S·3S에, 부하측 단자를 1L·3L에 잇는다.
• P2·1L·3L은 한 점에 모아 접지한다.

접지는 변성기의 1·2차 사이 절연이 깨졌을 때 고전압이 계기와 작업자 쪽으로 넘어오지 않게 하려는 것이다. S·L 극성을 바꿔 물리면 한 요소의 부호가 뒤집혀 계량값이 틀어진다.

(1) 25[%]

(2) 25[%]

[해설]

부하전력과 역률이 일정하면 선로전류는 전압에 반비례하므로, 전류 제곱에 비례하는 손실은 전압 제곱에 반비례한다.

선로 손실은 다음과 같다.
P_l = 3I²R = P²R / (V²cos²θ) ∝ 1/V²
(1/2)² = 1/4 → 25 %

손실률은 손실을 부하전력으로 나눈 값인데, 부하전력이 그대로이므로 손실과 같은 비율로 줄어 25 %가 된다.

혼동 주의: 전압강하는 1/V에, 전압강하율·손실·손실률은 1/V²에 비례한다.

① 반발 기동형

② 콘덴서 기동형

③ 분상 기동형

④ 셰이딩 코일형

[해설]

단상 유도전동기는 교번자계만 생겨 스스로 기동 토크를 내지 못한다. 그래서 회전자계 비슷한 것을 만들어 처음에 돌려 주는 기동장치가 필요하다.

• 반발 기동형 — 정류자·브러시로 반발전동기처럼 기동한 뒤 유도전동기로 운전한다.
• 콘덴서 기동형 — 기동권선에 콘덴서를 직렬로 넣어 전류 위상을 앞서게 한다.
• 분상 기동형 — 저항이 큰 기동권선을 병렬로 두어 두 권선 전류에 위상차를 만든다.
• 셰이딩 코일형 — 자극 일부에 단락코일을 감아 자속을 늦춰 이동자계를 만든다.

외우는 요령: 기동 토크는 반발 기동 > 콘덴서 기동 > 분상 기동 > 셰이딩 코일 순이다.

(1) 78.87[%]

(2) 1.28[kVA]

[해설]

2전력계법에서 두 지싯값의 합은 유효전력이고, 두 값의 차에 √3을 곱하면 무효전력이다.

역률은 다음과 같다.
P = 2.2 + 5.8 = 8 kW
Q = √3 × (5.8 − 2.2) = 6.2354 kVar
cosθ = 8 / √(8² + 6.2354²) = 8 / 10.143 = 0.7887 → 78.87 %

콘덴서 용량은 개선 전후 무효전력의 차다.
Q_c = P(tanθ₁ − tanθ₂)
= 8 × (6.2354/8 − √(1 − 0.85²)/0.85)
= 8 × (0.7794 − 0.6197) = 1.277 → 1.28 kVA

중간값을 일찍 반올림하면 78.82 %와 1.29 kVA가 나오므로, 반올림은 마지막에 한 번만 한다.

① 극성이 같을 것

② 권수비가 같을 것

[해설]

변압기 병렬운전의 핵심은 두 변압기 2차 사이에 순환전류가 흐르지 않게 하는 것이다.

• 극성이 같을 것 — 극성이 반대면 2차 기전력이 더해져 큰 단락전류가 흘러 권선이 소손된다.
• 권수비가 같을 것 — 권수비가 다르면 2차 전압 차이만큼 순환전류가 흘러 손실이 생긴다.

혼동 주의: 이 밖에 %임피던스 강하가 같을 것이 있고, 3상 변압기에는 상회전 방향·위상 변위가 같을 것이 더 붙는다(Δ–Δ와 Δ–Y는 병렬 불가).