2020년 전기산업기사실기(필답형) 1회차

[해설]

한국전기설비규정(KEC)의 네온방전등 공사 기준에 따라, 사용전압이 높을수록 연면방전 위험이 커지므로 전선과 조영재 사이를 더 떼어 놓는다.

• 6[kV] 이하는 2[cm] 이상 띄운다.
• 6[kV] 초과 9[kV] 이하는 3[cm] 이상 띄운다.
• 9[kV] 초과는 4[cm] 이상 띄운다.

외우는 요령: 전압 구간이 한 단계 오를 때마다 2·3·4[cm]로 1[cm]씩 늘어난다.

혼동 주의: 전선 상호 간의 간격은 6[cm] 이상으로, 조영재 이격거리와는 별도의 기준이다.

(1)

(2) ① $\dfrac{1}{\sqrt{3}}$배  ② $\dfrac{1}{3}$배  ③ $\dfrac{1}{3}$배

[해설]

(1) 세 개의 전자개폐기는 역할이 서로 다르다. M은 전원을 전동기 쪽으로 들여보내는 개폐기라 기동할 때나 운전할 때나 계속 ON이다. S는 권선 끝 u′·v′·w′를 한 점으로 묶어 중성점을 만드는 개폐기이므로 Y 기동 구간에서만 ON이고, D는 각 권선의 끝을 다른 상의 시작단에 이어 붙여 폐로를 만드는 개폐기이므로 Δ 운전 구간에서만 ON이다. S와 D가 동시에 투입되면 상간 단락이 되므로 두 개폐기 사이에는 반드시 인터록을 건다.

(2) 전원 선간전압을 V라 하면 Δ 결선에서 각 상 권선에 걸리는 전압은 V 그대로지만, Y 결선에서는 $V/\sqrt{3}$로 낮아진다. 따라서 권선에 걸리는 기동전압은 $1/\sqrt{3}$배다.

선전류를 견주면 Δ 결선은 $I_\Delta = \sqrt{3} \cdot \dfrac{V}{Z}$, Y 결선은 $I_Y = \dfrac{V/\sqrt{3}}{Z}$이므로

$\dfrac{I_Y}{I_\Delta} = \dfrac{V/(\sqrt{3}Z)}{\sqrt{3}V/Z} = \dfrac{1}{3}$

즉 기동전류는 $1/3$배로 줄어든다.

유도전동기의 토크는 인가전압의 제곱에 비례하므로 $T \propto \left(\dfrac{1}{\sqrt{3}}\right)^{2} = \dfrac{1}{3}$이 되어 기동토크도 $1/3$배다. 기동전류를 1/3로 줄이는 대신 기동토크도 같은 비율로 깎이므로, Y-Δ 기동은 무부하에 가까운 상태로 기동할 수 있는 5.5[kW] 이상 전동기에 주로 쓴다.

(1) 74.88[Ah]

(2) ① 2[V/cell]  ② 1.2[V/cell]

[해설]

비상용 축전지 용량은 용량환산시간 계수 K에 각 구간에서 늘어나거나 줄어든 전류를 곱해 더한 뒤 보수율로 나누어 구한다.

K₁은 전체 방전시간 30분에, K₂는 마지막 10분 구간에 대응하고, 전류가 60[A]에서 50[A]로 줄었으므로 둘째 항은 음수가 된다.
C = (1/L) × {K₁I₁ + K₂(I₂ − I₁)}
C = (1/0.8) × {1.15 × 60 + 0.91 × (50 − 60)}
C = (69 − 9.1) / 0.8 = 74.88[Ah]

셀 하나의 공칭전압은 연축전지가 2[V/cell], 알칼리 축전지가 1.2[V/cell]이다. 최저온도 5[℃], 허용 최저전압 90[V], 셀당 1.06[V]는 K값을 표에서 찾을 때 쓰는 조건이므로, K가 주어진 이 문제에서는 계산에 넣지 않는다.

① 반발 기동형  ② 반발 유도형  ③ 콘덴서 기동형  ④ 분상 기동형  ⑤ 셰이딩 코일형

[해설]

단상 전원은 교번자계만 만들어 기동토크가 0이므로, 기동할 때만 회전자계(이동자계)를 따로 만들어 준다.

• 반발 기동형 — 정류자·브러시로 반발전동기처럼 기동한 뒤 유도전동기로 운전하며, 기동토크가 가장 크다.
• 반발 유도형 — 반발권선과 농형권선을 함께 두어 기동 후에도 두 권선이 같이 작용한다.
• 콘덴서 기동형 — 기동권선에 콘덴서를 직렬로 넣어 전류 위상을 앞서게 해 회전자계를 만든다.
• 분상 기동형 — 저항이 큰 기동권선을 주권선과 병렬로 두어 두 전류 사이에 위상차를 만든다.
• 셰이딩 코일형 — 자극 일부를 단락 코일로 감아 그 부분 자속을 늦춰 이동자계를 만들며, 소형 팬 등에 쓴다.

외우는 요령: 기동토크 순서는 반발 기동형 > 반발 유도형 > 콘덴서 기동형 > 분상 기동형 > 셰이딩 코일형이다.

[해설]

공칭전압은 그 계통을 부르는 이름이고, 정격전압은 그 계통에서 정상 운전 중에 나타날 수 있는 최고전압을 기준으로 정한 기기의 사용한도다. 계통 말단의 전압 상승과 부하 변동을 감안해 공칭전압보다 조금 높게 잡히므로, 차단기·단로기·피뢰기의 정격을 고를 때는 반드시 정격전압 쪽을 본다.

우리나라에서 쓰는 대응은 다음과 같다.

정격전압을 $V_n = V \times \dfrac{1.2}{1.1}$로 어림하면 22.9[kV]는 24.98, 154[kV]는 168.0이 나와 표준값과 가깝기는 하지만 정확히 맞지는 않는다. 즉 이 값들은 계산으로 뽑는 것이 아니라 표준 대응표를 외워 두는 항목이다. 같은 표에서 22.9[kV] 다중접지 배전선로용 피뢰기의 정격전압이 18[kV](변전소용 21[kV])라는 점도 함께 정리해 두면 좋다.

(1) 37.5[%]

(2) 66.67[%]

[해설]

일부하율은 평균전력 ÷ 최대전력이고, 역률은 3상 전력식 P = √3VIcosθ 를 cosθ 에 대해 풀어 구한다.

일부하율 = (90 ÷ 24) ÷ 10 × 100
= 3.75 ÷ 10 × 100
= 37.5[%]

cosθ = P ÷ (√3VI) × 100
= 10×10³ ÷ (√3 × 200 × 43.3) × 100
= 66.67[%]

정격 15[kVA]는 계산에 쓰지 않는다. 최대전력 시 피상전력 √3 × 200 × 43.3 ≈ 15[kVA]가 정격과 같다는 확인용 조건이다.

5[kVA]

[해설]

변압기는 개별 최대수요전력의 단순 합이 아니라 합성 최대수요전력(합 ÷ 부등률)을 감당하면 되고, 이를 역률로 나누면 필요한 피상전력[kVA]이 된다.

변압기 용량 = 최대수요전력의 합 ÷ (부등률 × 역률)
= (2,500 + 1,200 + 800 + 300 + 200) ÷ (1.14 × 1)
= 5,000 ÷ 1.14 ≈ 4,386[VA] = 4.39[kVA]

4.39[kVA] 이상인 표준용량 가운데 가장 작은 5[kVA]를 고른다. 혼동 주의: 부등률(1 이상)은 나누고, 수용률(1 이하)은 곱한다.

20[A] 분기회로 3회로, 30[A] 분기회로 1회로 — 모두 4회로

[해설]

분기회로수는 부하 용량[VA] ÷ (전압 × 분기회로 전류)로 구하고, 소수점 이하는 올림한다.

전등·전열 부하 = 25 × 350 + 3,500 = 12,250[VA]
N₂₀ = 12,250 ÷ (220 × 20) = 2.78 → 3회로

에어컨 부하 = 2,500 × 2 = 5,000[VA]
N₃₀ = 5,000 ÷ (220 × 30) = 0.76 → 1회로

따라서 20[A] 3회로와 30[A] 1회로, 합계 4회로다.

혼동 주의: 예비부하 3,500[VA]는 전등·전열 쪽 20[A] 회로에 더하고, 에어컨은 따로 30[A] 회로로 계산한다.

(1) 5.5[m]

(2) 200.4[m]

[해설]

전선의 수평장력은 인장강도를 안전율로 나눈 값이며, 이 장력으로 이도와 실제 길이를 구한다.

T = 4,000 ÷ 2.2 = 1,818.18[kg]

D = WS² / 8T
= (2 × 200²) ÷ (8 × 1,818.18) = 5.5[m]

L = S + 8D² / 3S
= 200 + (8 × 5.5²) ÷ (3 × 200) = 200.4[m]

풍압하중이 있으면 W 자리에 수직하중과 풍압하중을 합성한 하중을 넣는다.

(1) ① 기기의 손상 방지  ② 인체의 감전사고 방지  ③ 보호계전기의 확실한 동작 확보

(2) ① 피뢰기 접지  ② 피뢰침 접지  ③ 기기 및 제어반 외함 접지

[해설]

접지는 고장전류·이상전압을 대지로 흘려보낼 길을 만들어 사람과 설비를 보호하는 설비다.

• 기기의 손상 방지 — 이상전압·고장전류를 대지로 흘려 절연파괴를 막는다.
• 인체의 감전사고 방지 — 외함 전위 상승을 억제해 접촉전압을 낮춘다.
• 보호계전기의 확실한 동작 확보 — 지락전류가 충분히 흘러야 지락계전기가 고장을 검출한다.

배전용 변전소에서 접지가 특히 중요한 곳은 뇌전류·고장전류가 실제로 흘러 나가는 지점이다.

• 피뢰기 접지 — 뇌전류를 대지로 방류해야 제한전압이 유지된다.
• 피뢰침 접지 — 직격뢰를 대지로 흘려보내는 경로가 된다.
• 기기 및 제어반 외함 접지 — 절연이 망가져 외함에 전압이 걸려도 사람이 만지는 부분의 전위를 낮춘다.

혼동 주의: 제1종~특별 제3종 접지공사 구분은 한국전기설비규정(KEC) 시행으로 폐지됐으니, 접지 개소는 종별이 아닌 설비 이름으로 쓴다.

(1) ① 접지형 계기용 변압기(GPT)  ② 지락과전압계전기(OVGR)

(2) 단상 PT 3대의 1차 권선을 Y로 묶어 중성점을 직접 접지하고, 검출용 권선은 개방 Δ(오픈 델타)로 결선하여 그 개방단에서 영상전압을 얻는다.

[해설]

(1) 주변압기 2차가 Δ결선이면 중성점이 없어 지락전류가 거의 흐르지 않는 비접지 계통이 된다. 이런 계통에서는 지락전류의 크기로 고장을 잡기 어려우므로 영상전압을 검출해 보호한다. 영상전압을 만들어 주는 변성기가 접지형 계기용 변압기(GPT)이고, 그 전압으로 동작하는 계전기가 지락과전압계전기(OVGR)다. 회선이 여러 개여서 고장 회선을 골라내야 하면 영상변류기(ZCT)로 영상전류를 함께 받아 선택지락계전기(SGR)를 동작시킨다.

(2) 세 상의 전압을 벡터로 더하면 정상 상태에서는 0이지만, 한 상이 지락되면 합이 $3V_0$가 된다. 이 성질을 그대로 쓰는 결선이 개방 Δ다. 1차를 Y로 묶어 중성점을 접지해야 각 상 권선에 상전압이 걸리고, 검출 권선 3개를 직렬로 이어 한 곳을 열어 두면 그 개방단에 세 전압의 합, 곧 영상전압이 나타난다.

실제 GPT는 아래처럼 3권선으로 만들어, 2차는 계측용 Y결선으로 쓰고 3차를 개방 Δ로 하여 영상전압을 뽑는다.

22.9[kV] 계통용 GPT의 정격전압은 1차 $22{,}900/\sqrt{3}\,[\mathrm{V}]$, 2차 $190/\sqrt{3}\,[\mathrm{V}]$, 3차 $190/3\,[\mathrm{V}]$로 정해져 있어, 완전 1선 지락이면 개방단에 $190/3 \times 3 = 190\,[\mathrm{V}]$가 나타난다. 개방단에 다는 한류저항(CLR)은 지락 시 유효분 전류를 만들어 계전기 동작을 확실하게 하고, 간헐 아크지락에서 생기는 이상전압을 억제한다.

300[kW]

[해설]

3상 선로의 전압강하 e = √3I(Rcosθ + Xsinθ)에 P = √3V_rIcosθ 를 대입해 전류를 없애면 P = e·V_r ÷ (R + Xtanθ)가 된다.

e = 6,600 − 6,000 = 600[V], sinθ = 0.6 → tanθ = 0.6 ÷ 0.8 = 0.75
P = 600 × 6,000 ÷ (6 + 8 × 0.75)
= 3,600,000 ÷ 12 = 300,000[W] = 300[kW]

이보다 큰 부하를 걸면 전압강하가 600[V]를 넘어 수전단 전압이 6,000[V] 밑으로 떨어진다.

① 전반조명 방식  ② 국부조명 방식  ③ 전반국부병용조명 방식

[해설]

조명기구의 배치를 기준으로 하면 조명방식은 세 가지로 나뉜다.

• 전반조명 방식은 작업면 전체가 고르게 밝도록 기구를 일정 간격으로 배치한다.
• 국부조명 방식은 정밀작업처럼 높은 조도가 필요한 곳에만 기구를 집중 배치한다.
• 전반국부병용조명 방식은 실 전체를 낮은 조도로 고르게 밝히고 작업 지점에만 국부조명을 더한다(TAL 조명).

혼동 주의: 직접·반직접·전반확산·반간접·간접조명은 배광(광속의 상하 배분)에 따른 분류라 이 문항의 답이 아니다.

(1) ① 2.5[mm²]  ② 2.5[mm²]

(2) (a) 6가닥, (b) 4가닥

(3) 종류 NR, 굵기 2.5[mm²], 4가닥

(4) 11개

(5) 누전차단기

(6) ① AF: 차단기의 프레임 전류(외함이 견디는 전류)  ② AT: 차단기의 트립 전류(과전류로 동작하는 전류)

[해설]

저압 옥내배선 기준(KEC)과 도면의 가닥수 세는 법으로 푼다.

• 최소 굵기 — 저압 옥내배선은 2.5[mm²] 이상 연동선을 쓰므로 전등·전열 모두 같다.
• (a)·(b) 가닥수 — (a)는 3로 스위치 전등회로 4가닥에 콘센트 회로 2가닥이 겹쳐 6가닥, (b)는 전등회로만 지나 4가닥이다.
• (c) 구간 — 금속관에 넣는 450/750[V] 일반용 단심 비닐절연전선 NR 2.5[mm²]를 콘센트 2회로분 4가닥 넣는다.
• 박스 수 — 등기구 7개(8각)와 콘센트 2개·스위치 2개(4각)를 더해 11개다.
• ELB — Earth Leakage Breaker로, 지락전류를 검출해 회로를 끊는 누전차단기다.
• AF·AT — AF(Ampere Frame)는 차단기 틀이 견디는 프레임 전류, AT(Ampere Trip)는 실제로 트립되는 전류다.

혼동 주의: 주차단기 MCCB는 배선용 차단기라 과부하·단락만 막고 누전은 검출하지 못한다.

(1) ① 최대수요전력계(최대수요전력량계)

② 25.8[kV]  ③ 18[kV]  ④ 25.8[kV]

⑤ 그 지점의 단락용량

⑥ 50/5

⑦ 단로기의 양쪽 접속단자가 모두 표면접속이라는 뜻

⑧ 접지를 하지 않는다.

⑨ 22,377.92[A]

(2) ① 몰드형  ② 정격전류  ③ 개방 후 콘덴서에 남은 잔류전하를 빠르게 방전시켜 감전을 막는다.  ④ 214.29[kW]

[해설]

(1)① MOF(계기용 변성기함) 옆에 붙는 DM은 수요시간(보통 15분) 평균전력의 최댓값을 기록하는 최대수요전력계다. 기본요금을 매기는 근거가 되므로 거래용 계기와 함께 설치한다.

②④ 기기의 정격전압은 그 계통에서 생길 수 있는 최고전압으로 정한다. 공칭전압 22.9[kV] 계통의 정격전압은 25.8[kV]이므로 DS와 OCB 모두 25.8[kV]급을 쓴다.

③ 피뢰기는 계통의 접지방식에 따라 정격이 갈린다. 22.9[kV] 3상 4선식 다중접지 계통에서 배전선로용은 18[kV], 변전소용은 21[kV]를 쓴다.

⑤ 차단기는 고장 시 흐르는 단락전류를 끊어야 하므로, 정격차단용량은 설치점에서 계산한 단락용량보다 크게 잡는다.

⑥ 변압기 뱅크 용량은 단상 500[kVA] 3대이므로 1차 전류는

$I_1 = \dfrac{500 \times 3}{\sqrt{3} \times 22.9} = 37.82\,[\mathrm{A}]$

여유 25[%]를 주면 $37.82 \times 1.25 = 47.27\,[\mathrm{A}]$이고, 참고표의 CT 1차 정격전류 계열(…40, 50, 75…)에서 이 값을 넘는 최초의 표준값은 50[A]다. 2차는 5[A]이므로 변류비는 50/5가 된다.

⑦ 단로기 기호 옆의 F는 표면접속(front), B는 이면접속(back)을 나타낸다. 따라서 F-F는 양쪽 단자가 모두 표면접속이라는 표시이고, 도면 아래쪽의 B-B·B-F는 각각 양면 이면접속·한쪽만 이면접속을 뜻한다.

⑧ 2부싱형 단상 변압기는 1차 권선의 양단이 모두 부싱으로 나와 있어 중성점을 접지하면 변압기를 통해 영상전류가 흐르는 경로가 생긴다. 이 결선에서는 중성점을 접지하지 않는다.(중성점 접지가 필요한 경우에는 1부싱형을 쓴다.)

⑨ 차단용량 $P_s = \sqrt{3}\,V_n I_s$에서 정격전압은 25.8[kV]이므로

$I_s = \dfrac{P_s}{\sqrt{3}\,V_n} = \dfrac{1{,}000 \times 10^{3}}{\sqrt{3} \times 25.8} = 22{,}377.92\,[\mathrm{A}]$

정격차단전류는 22,377.92[A]다. 차단용량 계산에는 공칭전압이 아니라 정격전압을 넣는다는 점이 핵심이다.

(2)① 옥내 배전반에 들어가는 PT는 절연물로 권선을 굳혀 만든 몰드형이 표준이다. 유입형과 달리 기름이 없어 화재 위험이 작고 보수가 쉽다.

② 차단기에 적힌 전류값은 계속 흘려도 되는 정격전류이며, 차단할 수 있는 고장전류(정격차단전류)와는 다르다.

③ DC는 방전코일(discharge coil)로, 콘덴서를 개방한 뒤 남는 잔류전하를 신속히 방전시켜 감전과 재투입 시의 과전압을 막는다. 콘덴서와 직렬로 넣는 직렬리액터(SR)가 제5고조파를 억제하는 것과는 역할이 다르다.

④ 수용률은 최대수요전력을 설비용량으로 나눈 값이므로, 변압기가 감당할 수 있는 설비(부하) 용량은 변압기 용량을 수용률로 나눈 값이다. 전등용 변압기가 단상 150[kVA]이므로

$P = \dfrac{150}{0.7} = 214.29\,[\mathrm{kW}]$

따라서 214.29[kW]까지 걸 수 있다.

참고로 22.9[kV] 배전계통에서 피뢰기와 변압기 사이의 최대 유효 이격거리는 20[m]로 잡는다(66[kV] 45[m], 154[kV] 65[m]). 이격거리가 멀어지면 진행파의 반사로 변압기 단자전압이 제한전압보다 높아지기 때문이다.

① 전기분야기술사 2명  ② 설계사 2명  ③ 설계보조자 2명

[해설]

전력기술관리법령의 설계업 등록기준에서 종합설계업은 전기분야기술사·설계사·설계보조자를 각각 2명씩 갖추어야 한다.

• 전기분야기술사 2명 — 설계 전반을 책임지는 최상위 기술인력이다.
• 설계사 2명 — 자격·경력 요건을 갖추고 설계업무를 직접 수행한다.
• 설계보조자 2명 — 설계사를 도와 설계업무를 보조한다.

외우는 요령: 종합설계업은 취급 범위에 제한이 없는 대신 세 직능이 모두 2명씩이다.