2019년 전기산업기사실기(필답형) 2회차

① 0.6/1[kV] 연피 케이블

② 클로로프렌 외장 케이블

③ 비닐 외장 케이블

[해설]

한국전기설비규정의 저압 케이블 품명 목록에서 나온 답으로, 이 목록에 있는 것이면 어느 3가지를 써도 된다.

• 0.6/1[kV] 연피 케이블 — 납(연)으로 피복한 케이블이며, 0.6/1[kV]는 대지 간 0.6[kV]·선간 1[kV] 정격이라는 뜻이다.
• 클로로프렌 외장 케이블 — 기름과 날씨에 강한 클로로프렌 고무로 겉을 감쌌다.
• 비닐 외장 케이블 — 겉을 비닐(PVC)로 감싼 가장 흔한 케이블이다.

그 밖에 폴리에틸렌 외장, 무기물 절연(MI), 금속 외장, 저독성 난연 폴리올레핀 외장, 300/500[V] 연질 비닐 시스 케이블도 정답으로 인정된다.

(1) 6,360[V]

(2) 510[kW] (중간 전류를 57.74[A]로 반올림해 계산하면 510.01[kW])

(3) 80.18[%]

[해설]

선로 전류를 먼저 구하면 세 값이 모두 풀린다. 3상 전압 강하는 e = √3I(Rcosθ + Xsinθ), 선로 손실은 3I²R로 구한다.

선로 전류
I = 480×10³ ÷ (√3 × 6,000 × 0.8) = 57.74[A]

송전단 전압
V_s = 6,000 + √3 × 57.74 × (3×0.8 + 2×0.6) = 6,000 + 360 = 6,360[V]

송전단 전력
P_s = 480 + 3 × 57.74² × 3 × 10^-3 = 480 + 30.01 = 510.01[kW]
반올림한 전류를 대입하지 않으면 손실이 정확히 30[kW]라서 510[kW]가 된다.

송전단 역률
cosθ_s = 510.01×10³ ÷ (√3 × 6,360 × 57.74) = 0.8018 → 80.18[%]

(1) ① 1,000 ② 기중 부하 개폐기(인터럽터 스위치, IS)

(2) ① 25 ② 2

(3) 단락 보호, 과부하 보호, 결상 보호

(4) 1,500/5

[해설]

(1) 도면의 ⓐ는 자동 고장 구분 개폐기(ASS)다. 이 결선도는 22.9[kV-Y] 수전에서 수전 용량 1,000[kVA] 이하일 때 쓰는 간이 수전설비의 표준형이며, 그중에서도 300[kVA] 이하인 경우에는 ASS 대신 기중 부하 개폐기(인터럽터 스위치, IS)를 쓸 수 있다. 정식 수전설비와 달리 CB 대신 PF로 단락 보호를 대신하는 것이 간이 수전설비의 특징이며, 이때 PF의 정격 차단 전류는 10[kA] 이상이어야 한다.

(2) ⓑ는 700[kVA], 22.9[kV]/380[V]-220[V]로 표기된 수전용 변압기다. 변압기는 2차 측 단락과 같은 큰 사고 전류가 차단기에 의해 제거될 때까지 기계적·열적으로 버텨야 하므로, 그 견딤 능력을 과전류 강도로 규정한다. 기준은 최대 부하 전류의 25배 전류를 2초 동안 흘릴 수 있어야 한다는 것이다.

(3) ACB는 변압기 2차 측 저압 주회로를 맡는 차단기로, 과전류 계전 요소를 통해 단락 보호(순시 요소), 과부하 보호(한시 요소), 결상 보호를 수행한다. 3상 중 한 상이 끊어진 결상 상태를 그대로 두면 전동기가 소손되므로 결상 보호가 함께 요구된다.

(4) CT는 변압기 2차 측에 붙어 있으므로 2차 정격 전압 380[V]를 기준으로 전류를 구한다.

$I = \dfrac{P}{\sqrt{3}\,V} = \dfrac{700 \times 10^{3}}{\sqrt{3} \times 380} = 1{,}063.54\,[\mathrm{A}]$

여기에 여유 1.25배를 곱하면

$I_{1} = 1{,}063.54 \times 1.25 = 1{,}329.42\,[\mathrm{A}]$

제시된 1차 정격 전류 규격(1,000 · 1,200 · 1,500 · 2,000 · 2,500[A]) 중 이 값을 넘는 가장 작은 값은 1,500[A]이므로 변류비는 1,500/5가 된다.

같은 조건의 문항이 다른 회차에도 나오는데, 그때는 제시 규격 목록이 1,000 · 1,200 · 1,400 · 2,000[A]로 실려 있어 같은 1,329.42[A]에서 답이 1,400/5가 된다. 계산값이 아니라 발문이 제시한 규격 목록이 답을 가르므로, 회차별 답이 다르다고 해서 오답으로 볼 것이 아니라 목록부터 확인해야 한다. 또 여유율을 곱하지 않고 1,063.54[A]에서 바로 고르면 1,200/5가 되어 틀리므로 1.25배 조건을 놓치지 않아야 한다.

출력 (100) : 001 a접점 한 줄과, 003 a접점·002 b접점을 직렬로 이은 가지를 병렬로 묶어 (100) 코일에 접속 — $100 = 001 + (003 \cdot \overline{002})$

출력 (200) : 001 a접점·002 b접점을 직렬로 이은 줄과, 003 a접점 가지를 병렬로 묶어 (200) 코일에 접속 — $200 = (001 \cdot \overline{002}) + 003$

[해설]

PLC 니모닉은 STR은 새 블록 시작, OB는 직전 두 블록의 병렬 결합으로 읽으면 접점 회로가 그대로 나온다.

출력 100은 먼저 001 블록을 열고, 003에 002 b접점(ANDN)을 직렬로 붙인 두 번째 블록을 만든 뒤 OB로 두 블록을 병렬로 결합한 것이다.
$100 = 001 + (003 \cdot \overline{002})$

출력 200은 001과 002 b접점을 먼저 직렬로 묶고, 003 단독 블록을 OB로 병렬 결합한 것이다.
$200 = (001 \cdot \overline{002}) + 003$

혼동 주의: 두 출력은 같은 접점을 쓰지만 002 b접점이 어느 가지에 직렬로 붙는지가 다르다.

458.33[V]

[해설]

직렬로 이은 전압계에는 같은 전류가 흐르므로 전압이 내부 저항에 비례해 나뉜다. 따라서 저항이 큰 V₂(18[kΩ])가 먼저 250[V]에 닿아 한계를 정한다.

V = 250 × (R₁ + R₂) ÷ R₂
V = 250 × (15 + 18) ÷ 18
V = 458.33[V]

이때 V₁에는 208.33[V]가 걸려 눈금 안에 든다. 혼동 주의: V₁을 기준으로 잡으면 550[V]가 나오지만, 그러면 V₂에 300[V]가 걸려 성립하지 않는다.

(1) 1선 지락 사고가 났을 때 건전상의 전위 상승이 상규 대지 전압의 1.3배를 넘지 않도록 중성점의 접지 임피던스를 조정하여 접지하는 방식

(2) 직접 접지 방식

[해설]

1선 지락 때 건전상 전압이 얼마나 오르는지는 중성점 접지 임피던스에 달려 있으며, 비접지면 최대 √3배까지 오른다. 이 상승을 상규 대지 전압의 1.3배 이하로 억제하도록 접지한 것을 유효 접지라 한다.

중성점을 저항·리액턴스 없이 대지에 바로 잇는 직접 접지 방식이 대표적이며, 우리나라 154[kV]·345[kV] 송전 계통이 이 방식이다. 전위 상승이 작아 단절연으로 절연 비용을 줄일 수 있지만, 지락 전류가 커서 통신선 유도 장해가 크다.

5[Ω]

[해설]

거리 계전기는 PT로 낮춘 전압과 CT로 낮춘 전류의 비를 보므로, 계전기에서 보이는 임피던스는 선로 임피던스 × CT비 ÷ PT비다.

PT비 = 154,000 ÷ 110 = 1,400, CT비 = 500 ÷ 5 = 100
Z_r = 70 × 100 ÷ 1,400
Z_r = 5[Ω]

혼동 주의: 전압이 줄어든 만큼 임피던스는 작아지고, 전류가 줄어든 만큼 커진다. 그래서 CT비가 분자, PT비가 분모에 온다.

(1) $X = A \cdot B + \overline{C} \cdot X$

(2)

좌측 모선에서 [A a접점 → B a접점] 가지와 [C b접점 → X a접점] 가지를 병렬로 묶고, 합류점에서 (X) 코일을 거쳐 우측 모선에 접속한 자기유지 회로

(3)

X는 A와 B가 동시에 High가 되는 d8에서 상승하고 C가 다시 High가 되는 d11에서 하강한다(d8~d11 구간만 High)

[해설]

(1) 게이트를 출력 쪽에서부터 거슬러 읽는다. 최종 OR의 위쪽 입력은 A와 B의 AND이므로 $A \cdot B$, 아래쪽 입력은 C를 NOT한 값과 귀환된 X의 AND이므로 $\overline{C} \cdot X$다. 둘을 OR로 합치면 $X = A \cdot B + \overline{C} \cdot X$가 된다. 출력 X가 자기 입력으로 되돌아오는 항이 있다는 것이 핵심이다.

(2) 무접점을 유접점으로 옮기는 규칙은 단순하다. AND는 접점의 직렬, OR는 접점의 병렬, NOT은 b접점이다. 그러면 $A \cdot B$는 A·B a접점의 직렬 가지, $\overline{C} \cdot X$는 C의 b접점과 X a접점의 직렬 가지가 되고, 두 가지를 병렬로 묶어 X 코일에 연결하면 된다. 여기서 $\overline{C} \cdot X$ 항의 X a접점이 바로 자기유지 접점이다.

(3) 이 회로의 동작은 두 문장으로 요약된다. 세트 조건은 A와 B가 함께 성립하는 것이고, 리셋 조건은 C가 성립하는 것이다. 한 번 X가 서면 $\overline{C} \cdot X$ 항이 스스로를 붙잡으므로 A·B가 없어져도 X는 유지된다.

주어진 파형에서 A는 d1~d2와 d7~d9, B는 d3~d4와 d8~d10 구간이 High다. 둘이 겹치는 최초 시점은 d8이므로 여기서 X가 선다. 이후 A가 d9에서, B가 d10에서 내려가지만 C가 Low인 동안에는 자기유지로 X가 계속 High다. C는 d11에서 다시 High가 되므로 이 시점에 $\overline{C}$가 0이 되어 자기유지가 끊기고 X가 내려간다. 결국 X는 d8~d11 구간만 High다. C가 먼저 나오는 d5~d6 구간은 X가 애초에 서 있지 않았으므로 파형에 영향이 없다.

① 절연 변압기

② 정류기

③ 개폐기

④ 과전류 차단기

⑤ 60

[해설]

한국전기설비규정(KEC)의 전기부식방지 시설은 땅속 금속체에 직류 방식 전류를 흘려 부식을 막는 설비다. 그 전원 장치는 절연 변압기·정류기·개폐기·과전류 차단기로 이루어진다.

• 절연 변압기 — 교류 전원 계통과 방식 회로를 전기적으로 분리한다.
• 정류기 — 방식 전류는 직류여야 하므로 교류를 직류로 바꾼다.
• 개폐기 — 방식 회로를 열고 닫는다.
• 과전류 차단기 — 과전류로부터 회로를 보호한다.

방식 회로는 사람이 닿을 수 있는 대지와 맞닿아 있으므로 사용 전압을 직류 60[V] 이하로 제한한다. 답안에는 그냥 '변압기'가 아니라 절연 변압기로 적어야 한다.

36[등]

[해설]

광속법 F·U·N·M = E·A 를 등수 N에 대해 푼다. 여기서 U는 조명률, M은 보수율이다.

N = E·A ÷ (F·U·M)
N = 300 × (12 × 24) ÷ (6,000 × 0.5 × 0.8)
N = 86,400 ÷ 2,400 = 36[등]

혼동 주의: 6,000[lm]은 2등용 한 세트 전체의 광속이므로 2를 다시 곱하지 않는다. 광속이 주어져 있으니 40[W]는 계산에 쓰지 않는다.

(1) ① 30X ② BS3 ③ BS1 ④ BS2 ⑤ RL ⑥ GL ⑦ OL ⑧ 51, 51G, 49

(2)

51·49·51G를 3입력 OR로 묶고, BS3를 NOT에 통과시킨 뒤 30X 출력 귀환과 AND로 묶어, 두 결과를 2입력 OR로 합쳐 30X를 출력한다(OL은 30X와 같은 출력) — $30X = (51 + 49 + 51G) + \overline{BS3} \cdot 30X$

[해설]

(1) 도면의 기구를 역할별로 갈라 보면 된다.

· 고장 검출 — 주회로에서 이상을 잡아내는 계전기들이다. 51(과전류 계전기), 51G(지락 과전류 계전기), 49(열동 계전기)가 각각 과전류·지락·과부하를 검출해 a접점을 닫는다. 셋이 병렬이므로 어느 하나만 동작해도 고장으로 처리된다.

· 고장 표시 기구는 그 검출 신호를 받아 기억하는 보조 계전기 30X다. 자기유지 접점 30X(1)을 갖고 있어서 고장이 순간적으로 지나가도 표시 상태가 남는다. 또 30X(2) b접점이 88 코일 회로에 직렬로 들어 있어 고장이 나면 전동기가 정지한다.

· 고장 회복 확인 기구는 그 기억을 지우는 BS3다. b접점이므로 누르면 자기유지 회로가 끊겨 30X가 복귀한다. 고장 원인을 없앤 뒤 눌러 확인하는 리셋 버튼이다.

· 기동은 BS1(a접점), 정지는 BS2(b접점)다. 88(1) a접점이 BS1과 병렬로 붙어 88의 자기유지를 만든다.

· 램프는 어느 접점에 물려 있는지로 갈린다. 88(3) a접점에 물린 RL은 운전 표시, 88(2) b접점에 물린 GL은 정지 표시다. b접점은 88이 여자되지 않은 정지 상태에서 닫혀 있기 때문이다. 30X 쪽에 물린 OL이 고장 표시다.

(2) 점선 안의 회로를 논리식으로 옮기면 병렬은 OR, 직렬은 AND, b접점은 NOT이다.

51·49·51G의 병렬 → $51 + 49 + 51G$ (3입력 OR 하나로 처리하면 3입력 이하 조건을 만족한다)
BS3 b접점과 30X(1) a접점의 직렬 → $\overline{BS3} \cdot 30X$ (NOT 하나 + 2입력 AND 하나)
두 가지가 30X 코일 위에서 합류 → 2입력 OR

정리하면 $30X = (51 + 49 + 51G) + \overline{BS3} \cdot 30X$, 그리고 OL은 같은 노드에서 갈라져 나오므로 $OL = 30X$다. AND의 한 입력이 출력에서 되돌아오는 귀환선이라는 점을 반드시 그려 넣어야 자기유지가 표현된다.

(1) 전해액에 불순물이 혼입되었다

(2) 부동 충전 방식

(3) ① 연축전지 2.0[V/cell] ② 알칼리 축전지 1.2[V/cell]

(4) 보수율(경년 용량 저하율)

[해설]

(1) 연축전지에서 나타나는 대표적인 이상 증상은 원인이 정해져 있다. 전해액이 변색되고 충전하지 않은 상태에서도 가스가 계속 나오는 것은 전해액에 불순물이 섞여 들어가 국부 전지가 만들어졌다는 신호다. 국부 전지가 생기면 자기 방전이 심해지면서 가스가 발생한다. 참고로 극판이 하얗게 되는 설페이션은 과방전이나 방전 상태 방치가 원인이고, 전체 셀 전압이 낮으면 충전 부족을 의심한다.

(2) 부동 충전 방식은 충전기·축전지·부하를 모두 같은 모선에 병렬로 걸어 두는 방식이다. 평상시에는 충전기가 부하 전류를 전부 공급하면서 축전지에는 자기 방전분만큼의 작은 전류를 흘려 늘 만충 상태로 붙잡아 두고, 순간적으로 큰 전류가 필요할 때만 축전지가 함께 부담한다. 그래서 충전기 용량을 크게 잡지 않아도 되고 축전지 수명도 길어져 거치용 설비에서 가장 많이 쓰인다.

(3) 공칭 전압은 셀 하나의 기준 전압이다. 연축전지는 2.0[V/cell], 알칼리 축전지는 1.2[V/cell]로, 같은 직류 전압을 얻으려면 알칼리 축전지 쪽 셀 수가 더 많이 필요하다. 부동 충전 전압은 연축전지가 셀당 2.15~2.17[V] 정도, 알칼리 축전지가 1.4~1.45[V] 정도로 공칭 전압보다 조금 높게 잡는다.

(4) $L$은 보수율이며 경년 용량 저하율이라고도 한다. 축전지는 사용 기간이 길어질수록, 또 사용 조건이 나빠질수록 초기 용량을 그대로 내지 못하므로, 수명 말기에도 필요한 용량이 확보되도록 미리 여유를 주는 계수다. 설계에서는 보통 0.8을 적용하며, 식에서 분모가 아니라 $1/L$로 곱해지므로 용량을 25[%] 키우는 효과가 된다. 같은 식에서 $K$는 방전 시간과 최저 축전지 온도, 허용 최저 전압으로 정해지는 용량 환산 시간 계수, $I$는 각 단계의 방전 전류다.

(1)

① 수용률 = (최대 수용 전력 ÷ 설비 용량의 합계) × 100[%]

② 부등률 = 각 부하의 최대 수용 전력의 합 ÷ 합성 최대 수용 전력

③ 부하율 = (평균 수용 전력 ÷ 최대 수용 전력) × 100[%]

(2) 부하율은 부등률에 비례하고 수용률에 반비례한다

[해설]

세 용어는 모두 부하 특성을 나타내는 비율이며, 변압기 용량을 정할 때 쓰인다.

• 수용률 — 설비 용량 가운데 실제로 동시에 쓰는 최대 전력의 비율로, 보통 1보다 작다.
• 부등률 — 개별 최대 수용 전력의 합을 합성 최대 수용 전력으로 나눈 값이며, 각 부하의 최대가 서로 다른 시각에 나타나므로 항상 1 이상이다.
• 부하율 — 평균 전력을 최대 전력으로 나눈 값으로, 클수록 부하가 고르다.

합성 최대 수용 전력 = 설비 용량 × 수용률 ÷ 부등률이므로, 이를 부하율 식에 대입한다.
부하율 = 평균 수용 전력 × 부등률 ÷ (설비 용량 × 수용률)

이 식에서 부등률은 분자, 수용률은 분모에 있다. 그래서 부하율은 부등률에 비례하고 수용률에 반비례한다.

(1) 전기자 권선과 계자 권선 중 어느 한쪽의 접속만 반대로 바꾼다

(2) 전원 3선 중 임의의 2선을 서로 바꾸어 접속한다

(3) 기동 권선(보조 권선)의 접속을 반대로 바꾼다

[해설]

회전 방향은 토크 방향이 정하고, 토크 방향은 자속과 전류(또는 회전 자기장)의 방향으로 정해진다. 그래서 세 전동기 모두 둘 중 하나만 뒤집는 것이 원리다.

• 직권형 직류 전동기 — 전원 극성을 바꾸면 계자 전류와 전기자 전류가 함께 뒤집혀 방향이 그대로이므로 한쪽 권선만 반대로 접속한다.
• 3상 유도 전동기 — 임의의 2선을 바꾸면 상순이 반대가 되어 회전 자기장이 거꾸로 돈다.
• 분상 기동형 단상 유도 전동기 — 주 권선과 기동 권선의 위상차가 방향을 정하므로 기동 권선만 반대로 접속한다.

혼동 주의: 3상에서 세 선을 모두 한 칸씩 돌려 끼우면 상순이 그대로라 방향이 바뀌지 않는다.

(1) 300[kW]

(2) 400[kW]

(3) 550[kW]

[해설]

설비 용량에 수용률을 곱하고 수용가 간 부등률로 나누면 종합 최대 수용 전력이 된다. 변전소 공급 전력은 이 값들의 합을 상위 부등률로 나눈 뒤 손실을 더해 구한다.

전등 = 600 × 0.6 ÷ 1.2 = 300[kW]
동력 = 800 × 0.8 ÷ 1.6 = 400[kW]

변전소 최대 전력 = (300 + 400) ÷ 1.4 × (1 + 0.1)
= 500 × 1.1 = 550[kW]

혼동 주의: 수용률은 곱하고 부등률은 나눈다. 전등과 동력의 손실률이 같으므로 합친 뒤 1.1을 한 번만 곱해도 결과가 같다.

(1) 22.9[kV-Y] 계통 : VCB 2차 측과 몰드 변압기 1차 측 사이에 SA를 병렬로 접속하고 반대편은 접지(E) — 정격 전압 18[kV], 공칭 방전 전류 5[kA]

(2) 3.3[kV] 계통 : VCB 2차 측과 전동기(M) 사이에 SA를 병렬로 접속하고 반대편은 접지(E) — 정격 전압 4.5[kV], 공칭 방전 전류 5[kA]

[해설]

서지 흡수기는 차단기의 개폐 조작에서 생기는 개폐 서지를 흡수해, 충격파 내량이 상대적으로 낮은 기기 — 몰드 변압기·건식 변압기·고압 전동기·콘덴서 등 — 를 지켜 주는 장치다. 낙뢰를 대상으로 하는 피뢰기(LA)가 인입 측에 놓이는 것과 달리, 서지 흡수기는 서지를 만들어 내는 차단기(VCB)의 2차 측과 보호할 기기의 1차 측 사이에 놓인다.

결선은 언제나 같은 모양이다. 차단기와 기기 사이의 주회로에서 한 점을 분기해 SA를 선로와 대지 사이에 병렬로 넣고, SA의 반대편 단자는 반드시 접지(E)한다. 작도할 때 접지 기호를 빠뜨리면 서지가 빠져나갈 길이 없어져 도면 자체가 성립하지 않으므로, 감점이 가장 많이 나는 지점이다.

정격은 계통 공칭 전압으로 정해진다.

따라서 22.9[kV-Y] 몰드 변압기 계통에는 18[kV], 5[kA], 3.3[kV] 전동기 계통에는 4.5[kV], 5[kA]짜리를 붙인다. 공칭 방전 전류는 배전 계통에서 두 경우 모두 5[kA]로 같다.