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2018년-전기산업기사실기(필답형)-1회차
전기산업기사 실기(필답형) 기출문제

2018년 전기산업기사실기(필답형) 1회차

총 15문항 · 주관식 · A4 약 1장

1 / 1
A4정답 포함
전기산업기사 실기(필답형) 기출문제모두CBT · moducbt.com

2018년 전기산업기사실기(필답형) 1회차

15문항 · 주관식 · 정답·해설 포함
문제 1

18-1

지중전선로는 케이블을 써서 관로식·암거식·직접 매설식 중 한 가지로 시설한다. 이 가운데 관로식으로 시설하는 경우와, 차량 등 중량물의 압력을 받을 우려가 있는 곳에 직접 매설식으로 시설하는 경우의 케이블 매설 깊이 기준을 아래 표의 빈칸에 쓰시오.

시설 방법매설 깊이
관로식( ① )
직접 매설식( ② )
정답 및 해설

① 1.0[m] 이상

② 1.0[m] 이상


[해설]

현행 한국전기설비규정(KEC)의 지중전선로 시설 기준은 다음과 같다.

시설 방법중량물의 압력을 받을 우려가 있는 곳그 밖의 곳
관로식1.0[m] 이상0.6[m] 이상
직접 매설식1.0[m] 이상0.6[m] 이상

암거식은 견고한 구조물 안에 케이블을 넣으므로 매설 깊이 기준 대신 구조물의 견고성과 차폐·방화 조치가 요구된다. 직접 매설식의 깊이를 1.2[m] 이상으로 적어 둔 자료가 아직 남아 있으나 이는 규정이 개정되기 전의 값이고, 현재는 관로식과 마찬가지로 1.0[m] 이상이다.

문제 2

18-1

어느 수용가가 역률(지상) 80[%]로 100[kW]를 쓰고 있었는데, 여기에 역률(지상) 60[%]인 70[kW]의 부하를 새로 이어 붙였다. 이 상태에서 합성 역률을 90[%]까지 끌어올리려면 전력용 콘덴서 용량이 몇 [kVA] 필요한지 구하시오.

정답 및 해설

86.28[kVA]


[해설]

역률이 다른 부하가 섞여 있으므로 유효전력과 무효전력을 따로 더해 합성 역률부터 구한다.

유효전력

P=100+70=170  [kW]P=100+70=170\;[\mathrm{kW}]

무효전력 — 각 부하의 PtanθP\tan\theta 를 더한다.

Q=100×0.60.8+70×0.80.6=75+93.33=168.33  [kVar]Q=100\times\dfrac{0.6}{0.8}+70\times\dfrac{0.8}{0.6}=75+93.33=168.33\;[\mathrm{kVar}]

개선 전 합성 역률

cosθ1=PP2+Q2=1701702+168.332=0.71\cos\theta_1=\dfrac{P}{\sqrt{P^2+Q^2}}=\dfrac{170}{\sqrt{170^2+168.33^2}}=0.71

콘덴서 용량

Qc=P(tanθ1tanθ2)=170×(10.7120.7110.920.9)Q_c=P(\tan\theta_1-\tan\theta_2)=170\times\left(\dfrac{\sqrt{1-0.71^2}}{0.71}-\dfrac{\sqrt{1-0.9^2}}{0.9}\right)

=170×(0.99180.4843)=86.28  [kVA]=170\times(0.9918-0.4843)=86.28\;[\mathrm{kVA}]86.28[kVA]

합성 역률을 소수 둘째 자리(0.71)로 반올림한 뒤 대입하는 교재 관례를 따른 값이다. 반올림 없이 Qc=QPtanθ2=168.33170×0.4843=86.00Q_c=Q-P\tan\theta_2=168.33-170\times 0.4843=86.00[kVA]로 계산해도 무방하며, 채점에서는 두 값 모두 인정된다.

문제 3

18-1

논리식 X=AB+CX=\overline{A}\cdot B+C 에 대하여 다음 물음에 답하시오.

(1) 이 식을 그대로 나타내는 논리회로를 그리시오.

(2) (1)의 회로를 2입력 NAND 소자만으로 바꾸어 그리시오.

정답 및 해설

(1)

A B C X

A를 NOT 게이트로 반전해 A\overline{A}를 만들고, 이를 B와 함께 2입력 AND에 넣은 뒤 그 출력과 C를 2입력 OR에 넣으면 출력이 X가 된다.

(2)

A B C X

NAND1은 두 입력을 모두 A에 묶어 A\overline{A}를, NAND3은 두 입력을 모두 C에 묶어 C\overline{C}를 만든다. NAND2에 NAND1 출력과 B를 넣고, NAND4에 NAND2 출력과 NAND3 출력을 넣으면 그 출력이 X이다(2입력 NAND 4개).


[해설]

(1) 주어진 식은 A\overline{A}(NOT), AB\overline{A}\cdot B(AND), 그리고 C와의 합(OR) 세 단계로 이루어진다. 게이트 세 개를 그대로 이어 붙이면 된다.

(2) NAND만으로 바꿀 때는 식 전체에 이중 부정을 씌운 뒤 드 모르간의 정리를 적용한다.

X=AB+C=AB+C=ABCX=\overline{A}B+C=\overline{\overline{\overline{A}B+C}}=\overline{\overline{\overline{A}B}\cdot\overline{C}}

마지막 형태는 “AB\overline{A}B의 NAND”와 “C의 NAND”를 다시 NAND한 꼴이므로, 필요한 소자는 2입력 NAND 4개이다. 두 입력을 하나로 묶은 NAND는 인버터로 동작한다는 점(AA=A\overline{A\cdot A}=\overline{A})이 핵심이다.

기본 게이트를 NAND로 바꾸는 등가 관계는 다음과 같다.

논리회로 등가 모델 = = =

검산: ABC=AB+C=AB+C\overline{\overline{\overline{A}B}\cdot\overline{C}}=\overline{\overline{\overline{A}B}}+\overline{\overline{C}}=\overline{A}B+C 로 원식이 그대로 복원되므로 회로 구성이 옳다.

문제 4

18-1

분전반에서 25[m] 떨어진 자리에 단상 100[V]용 2[kW] 전열기를 금속관공사로 시설하려고 한다. 전압강하를 정격전압의 2[%] 이내로 억제하려면 전선의 굵기를 몇 [mm2]로 고르는 것이 적당한지 구하시오.

정답 및 해설

10[mm2]


[해설]

부하 전류

I=PV=2×103100=20  [A]I=\dfrac{P}{V}=\dfrac{2\times 10^3}{100}=20\;[\mathrm{A}]

허용 전압강하

e=100×0.02=2  [V]e=100\times 0.02=2\;[\mathrm{V}]

전선 단면적 — 교류 단상(단상 2선식)의 전압강하 계산식을 단면적에 대해 풀면 다음과 같다.

배전 방식전선 단면적
단상 2선식A=35.6LI1,000eA=\dfrac{35.6\,L\,I}{1{,}000\,e}
3상 3선식A=30.8LI1,000eA=\dfrac{30.8\,L\,I}{1{,}000\,e}
단상 3선식 · 3상 4선식A=17.8LI1,000eA=\dfrac{17.8\,L\,I}{1{,}000\,e}

A=35.6×25×201,000×2=17,8002,000=8.9  [mm2]A=\dfrac{35.6\times 25\times 20}{1{,}000\times 2}=\dfrac{17{,}800}{2{,}000}=8.9\;[\mathrm{mm^2}]

계산값 8.9[mm2]는 규격품이 아니므로, 전선의 표준 단면적 1.5 · 2.5 · 4 · 6 · 10 · 16 · 25 · 35 … [mm2] 가운데 계산값 바로 위인 10[mm2]를 고른다. 계산값보다 작은 6[mm2]를 고르면 전압강하가 2[%]를 넘게 되므로 반드시 올려서 선정해야 한다.

문제 5

18-1

아래 그림은 어느 수용가의 22.9[kV]급 수변전설비 단선 결선도이다. 물음에 답하시오.

E MOF V0 F V KW PF A

(1) ①에 해당하는 심벌의 명칭과 용도를 쓰시오.

(2) ②에 해당하는 심벌의 명칭과 용도를 쓰시오.

(3) ③에 해당하는 심벌의 명칭과 용도를 쓰시오.

(4) ④부터 ⑫까지의 심벌 명칭을 각각 쓰시오.

정답 및 해설

(1) 케이블 헤드(CH) — 가공 전선과 케이블의 말단을 접속하는 단말 처리 장치

(2) 단로기(DS) — 무부하 상태에서 회로를 열고 닫아 피뢰기를 전로로부터 완전히 분리한다.

(3) 피뢰기(LA) — 이상전압이 침입하면 이를 대지로 방전시키고, 방전 후에 이어지는 속류를 차단해 기기를 보호한다.

(4) ④ 최대 수요 전력량계 ⑤ 무효 전력량계 ⑥ 지락 과전압 계전기 ⑦ 전력 퓨즈 ⑧ 차단기 ⑨ 과전류 계전기 ⑩ 지락 과전류 계전기 ⑪ 전류계용 전환 개폐기 ⑫ 전압계용 전환 개폐기


[해설]

인입점부터 부하 측까지 결선도를 따라 내려가며 각 기기의 자리를 읽으면 명칭이 정해진다.

번호명칭(약호)역할
케이블 헤드(CH)가공 전선과 지중 케이블의 접속점을 처리해 전계를 완화하고 절연을 유지
단로기(DS)부하 전류가 없는 상태에서 회로를 개폐, 피뢰기 점검 시 전로에서 분리
피뢰기(LA)뇌·개폐 서지를 대지로 방전시키고 속류를 차단
최대 수요 전력량계(DM)일정 기간의 최대 수요 전력을 계량
무효 전력량계(VAR)부하가 소비한 무효 전력량을 계량
지락 과전압 계전기(OVGR)지락 시 나타나는 영상전압을 검출해 차단기를 동작시킴
전력 퓨즈(PF)계기용 변압기 회로의 단락 보호
차단기(CB)부하 전류의 개폐와 사고 전류의 차단
과전류 계전기(OCR)정정값을 넘는 과전류가 흐르면 차단기를 트립시킴
지락 과전류 계전기(OCGR)지락 사고 시 영상전류를 검출해 차단기를 트립시킴
전류계용 전환 개폐기(AS)전류계 한 대로 3상 각 상의 전류를 돌려가며 측정
전압계용 전환 개폐기(VS)전압계 한 대로 각 선간전압을 돌려가며 측정

②와 ③이 짝을 이루는 이유를 기억해 두면 좋다. 피뢰기는 활선 상태에서 점검할 수 없으므로 바로 앞에 단로기를 두어 전로에서 떼어낼 수 있게 한다. 또 ⑨·⑩은 변류기(CT) 2차 회로에, ⑥은 접지형 계기용 변압기 회로에 붙는다는 점에서 결선 위치로 서로를 구분할 수 있다.

문제 6

18-1

지표면보다 15[m] 높은 곳에 놓인 수조로 매시간 5,000[m3]의 물을 퍼 올리려고 한다. 이 양수에 쓰이는 펌프 구동용 전동기의 용량은 몇 [kW]가 되어야 하는지 구하시오.

(단, 펌프 효율은 55[%], 여유계수는 1.1로 본다.)

정답 및 해설

408.5[kW]


[해설]

양수용 전동기의 소요동력은 단위 시간에 들어 올리는 물의 양과 양정의 곱을 펌프 효율로 나눈 값이며, 여기에 여유계수를 곱해 정한다. 양수량을 [m3/min] 단위로 두면 다음 식을 쓴다.

P=QH6.12η×k  [kW]P=\dfrac{Q\,H}{6.12\,\eta}\times k\;[\mathrm{kW}]

Q: 양수량[m3/min], H: 총양정[m], η\eta: 펌프 효율, k: 여유계수

양수량이 시간당 값으로 주어졌으므로 분당 값으로 바꾼다.

Q=5,00060=83.33  [m3/min]Q=\dfrac{5{,}000}{60}=83.33\;[\mathrm{m^3/min}]

P=83.33×156.12×0.55×1.1=371.36×1.1=408.5  [kW]P=\dfrac{83.33\times 15}{6.12\times 0.55}\times 1.1=371.36\times 1.1=408.5\;[\mathrm{kW}]

따라서 소요동력은 408.5[kW]이다. 분모의 6.12는 물의 비중량 9.8[kN/m3]을 분당 양수량 기준으로 환산할 때 나오는 상수(9.8×60/1,000 = 0.588의 역수 계열)로, 양수량 단위를 [m3/min]으로 맞추어야만 성립한다는 점에 주의한다.

문제 7

18-1

정격출력 300[W]에 변환효율이 20[%]인 모듈로 12[kW] 규모의 태양광 발전설비를 계획하고 있다. 모듈을 놓는 데 들어가는 면적의 최솟값은 몇 [m2]인지 산정하시오.

(단, 일사강도는 1,000[W/m2]로 보고, 어레이 사이의 이격 거리는 셈에 넣지 않는다.)

정답 및 해설

60[m2]


[해설]

모듈 1장의 면적 — 모듈이 받는 일사 전력 가운데 변환효율만큼이 출력으로 나온다.

P=(일사강도)×A×ηP=\text{(일사강도)}\times A\times\eta 이므로

A=3000.2×1,000=1.5  [m2]A=\dfrac{300}{0.2\times 1{,}000}=1.5\;[\mathrm{m^2}]

필요한 모듈 수

N=12×103300=40  (장)N=\dfrac{12\times 10^3}{300}=40\;\text{(장)}

최소 설치 면적

Atotal=40×1.5=60  [m2]A_{total}=40\times 1.5=60\;[\mathrm{m^2}]60[m2]

여기서 구한 값은 모듈이 차지하는 순수 면적이다. 실제 발전소 부지는 앞뒤 어레이의 그림자를 피하기 위한 이격 거리와 점검 통로까지 더해야 하므로 이보다 훨씬 넓어진다. 문제에서 이격 거리를 고려하지 말라고 못박았기 때문에 60[m2]가 답이 된다.

문제 8

18-1

어느 옥내배선이 단상 2선식 200[V]이고, 여기에 등당 소비전력 40[W]·역률 80[%]인 형광등 160개가 달린다. 이 부하를 용량 16[A]짜리 분기회로로 나누어 공급하려 할 때 회선이 최소 몇 개 있어야 하는지 구하시오.

(단, 회로 하나가 받는 부하전류는 그 분기회로 용량의 80[%]까지로 제한하며, 수용률은 100[%]를 적용한다.)

정답 및 해설

16[A] 분기회로 4회로


[해설]

부하의 피상전력 — 형광등의 소비전력은 유효전력이므로 역률로 나누어 피상전력으로 바꾼다.

Pa=40×1600.8×1.0=8,000  [VA]P_a=\dfrac{40\times 160}{0.8}\times 1.0=8{,}000\;[\mathrm{VA}]

한 회로가 감당하는 용량 — 16[A] 분기회로에 부하율 80[%]를 적용한다.

200×16×0.8=2,560  [VA]200\times 16\times 0.8=2{,}560\;[\mathrm{VA}]

회로 수

n=8,000200×16×0.8=8,0002,560=3.125n=\dfrac{8{,}000}{200\times 16\times 0.8}=\dfrac{8{,}000}{2{,}560}=3.125

회로 수는 소수로 둘 수 없고, 내림하면 용량이 모자라므로 반드시 올림한다. 따라서 4회로가 필요하다.

수용률 100[%]라는 조건은 전 등을 동시에 켠다고 보라는 뜻이며, 역률 80[%]를 빠뜨리고 6,400[VA]로 계산하면 2.5회로가 되어 3회로라는 틀린 답이 나온다.

문제 9

예비전원설비를 축전지 설비로 꾸미려고 한다. 다음 물음에 답하시오.

(1) 연축전지(납축전지)와 견주었을 때 알칼리 축전지가 갖는 장점과 단점을 각각 1가지씩 쓰시오.

(2) 연축전지와 알칼리 축전지의 셀당 공칭전압은 각각 몇 [V/cell]인가?

(3) 축전지의 일상 충전 방식 가운데 가장 널리 쓰이는 부동충전방식이 어떤 방식인지 설명하시오.

(4) 표준전압 100[V], 정격용량 200[Ah]인 연축전지로 부동충전 방식을 꾸미고 상시부하에 전력을 공급한다. 상시부하가 10[kW]인 경우와 15[kW]인 경우의 충전기 2차 전류[A]를 각각 구하시오. (단, 상시부하 역률은 1로 본다.)

정답 및 해설

(1) 장점 — 과충전·과방전 같은 가혹한 사용에 잘 견디고 수명이 길다.
단점 — 셀당 공칭전압이 낮아 같은 전압을 얻는 데 셀 수가 많이 들고 값이 비싸다.

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

(3) 축전지와 충전기를 부하에 병렬로 접속해 두고, 평상시 상시부하는 충전기가 공급하면서 축전지의 자기방전분만 보충해 주다가, 충전기가 감당하기 어려운 일시적인 대전류 부하가 걸리면 그 몫을 축전지가 부담하도록 하는 충전 방식

(4) 상시부하 10[kW]일 때 120[A], 15[kW]일 때 170[A]


[해설]

(1) 알칼리 축전지는 전극이 소결식·포켓식으로 견고해 과충전·과방전에 강하고 수명이 길며 급속 충전이 가능한 반면, 셀당 전압이 낮아 같은 전압을 만들려면 셀 수가 늘고 값이 비싸다. 진동·충격에 강하다는 것도 장점이고, 같은 용량에서 부피가 크다는 것도 단점으로 인정된다. 장·단점 각 1가지만 정확히 쓰면 된다.

(2) 공칭전압은 연축전지 2.0[V/cell], 알칼리 축전지 1.2[V/cell]이다. 같은 100[V]를 얻으려면 연축전지는 약 50셀, 알칼리 축전지는 약 80셀이 필요해 셀 수 차이가 크다. 공칭방전율(정격 방전 시간)은 연축전지 10[h], 알칼리 축전지 5[h]로 함께 외워 둔다.

(3) 부동충전은 충전기와 축전지를 부하에 병렬로 연결해 두는 방식으로, 상용 부하는 충전기가 부담하고 축전지는 자기 방전 보충분만 받다가 순간적인 대전류만 분담한다. 축전지가 늘 완전 충전 상태에 가까워 정전 시 곧바로 전 용량을 낼 수 있다.

(4) 충전기 2차 전류는 '축전지를 되채우는 전류 + 상시부하로 나가는 전류'다. 연축전지이므로 공칭(정격)방전율에 10[h]를 넣는다.

I2=정격용량공칭방전율+상시부하표준전압I_2 = \dfrac{\text{정격용량}}{\text{공칭방전율}} + \dfrac{\text{상시부하}}{\text{표준전압}}

상시부하 10[kW]일 때 I2=20010+10×103100=20+100=I_2 = \dfrac{200}{10} + \dfrac{10 \times 10^{3}}{100} = 20 + 100 = 120[A]

상시부하 15[kW]일 때 I2=20010+15×103100=20+150=I_2 = \dfrac{200}{10} + \dfrac{15 \times 10^{3}}{100} = 20 + 150 = 170[A]

역률을 1로 본다는 조건 덕분에 상시부하 [kW]를 그대로 [kVA]로 쓸 수 있다. 알칼리 축전지였다면 정격방전율이 5시간율이므로 앞 항이 2005=40[A]\dfrac{200}{5} = 40\,[\mathrm{A}] 로 달라진다.

문제 10

18-1

아래 그림은 3상 154[kV] 계통의 단선도이다. 주어진 [조건]을 이용하여, 점 F에서 3상 단락이 일어났을 때의 값들을 기준용량 100[MVA]·기준전압 154[kV]로 환산하여 구하시오.

G1 T1 G2 T2 F

[조건]

구분용량%임피던스비고
발전기 G120[MVA]30[%]
발전기 G25[MVA]30[%]
변압기 T120[MVA]10[%]11/154[kV]
변압기 T25[MVA]10[%]6.6/154[kV]
송전선로20[MVA]5[%]154[kV]

(1) 기준전압 154[kV], 기준용량 100[MVA]에 대한 정격전류 InI_n[A]

(2) 발전기·변압기·송전선로의 %임피던스를 기준용량으로 환산한 값 %ZG1,  %ZG2,  %ZT1,  %ZT2,  %ZTL\%Z_{G1},\;\%Z_{G2},\;\%Z_{T1},\;\%Z_{T2},\;\%Z_{TL}

(3) 점 F에서 본 합성 %임피던스

(4) 점 F의 3상 단락전류 IsI_s[A]

(5) 점 F에 시설할 차단기의 차단용량[MVA]

정답 및 해설

(1) 374.9[A]

(2) %ZG1=150[%]\%Z_{G1}=150[\%], %ZG2=600[%]\%Z_{G2}=600[\%], %ZT1=50[%]\%Z_{T1}=50[\%], %ZT2=200[%]\%Z_{T2}=200[\%], %ZTL=25[%]\%Z_{TL}=25[\%]

(3) 185[%]

(4) 202.65[A]

(5) 59.67[MVA]


[해설]

(1) 기준 정격전류

In=Pn3Vn=100×1033×154=374.9  [A]I_n=\dfrac{P_n}{\sqrt{3}\,V_n}=\dfrac{100\times 10^3}{\sqrt{3}\times 154}=374.9\;[\mathrm{A}]374.9[A]

(2) %임피던스 환산 — 자기용량 기준값을 기준용량 기준으로 옮길 때는 용량비를 곱한다.

%Znew=%Zold×PbasePself\%Z_{new}=\%Z_{old}\times\dfrac{P_{\mathrm{base}}}{P_{\mathrm{self}}}

%ZG1=30×10020=150[%]\%Z_{G1}=30\times\dfrac{100}{20}=150[\%], %ZG2=30×1005=600[%]\%Z_{G2}=30\times\dfrac{100}{5}=600[\%]

%ZT1=10×10020=50[%]\%Z_{T1}=10\times\dfrac{100}{20}=50[\%], %ZT2=10×1005=200[%]\%Z_{T2}=10\times\dfrac{100}{5}=200[\%]

%ZTL=5×10020=25[%]\%Z_{TL}=5\times\dfrac{100}{20}=25[\%]

(3) 합성 %임피던스 — G1-T1 갈래와 G2-T2 갈래는 모선에서 병렬로 만나고, 여기에 송전선로가 직렬로 붙는다.

%Z=%ZTL+(%ZG1+%ZT1)×(%ZG2+%ZT2)(%ZG1+%ZT1)+(%ZG2+%ZT2)\%Z=\%Z_{TL}+\dfrac{(\%Z_{G1}+\%Z_{T1})\times(\%Z_{G2}+\%Z_{T2})}{(\%Z_{G1}+\%Z_{T1})+(\%Z_{G2}+\%Z_{T2})}

=25+(150+50)×(600+200)(150+50)+(600+200)=25+160,0001,000=25+160=185  [%]=25+\dfrac{(150+50)\times(600+200)}{(150+50)+(600+200)}=25+\dfrac{160{,}000}{1{,}000}=25+160=185\;[\%]185[%]

(4) 3상 단락전류

Is=100%ZIn=100185×374.9=202.65  [A]I_s=\dfrac{100}{\%Z}\,I_n=\dfrac{100}{185}\times 374.9=202.65\;[\mathrm{A}]202.65[A]

(5) 차단기의 차단용량 — 차단용량은 단락전류가 아니라 정격전압을 기준으로 산정한다. 공칭전압 154[kV] 계통의 정격전압은 154×1.21.1=168154\times\dfrac{1.2}{1.1}=168[kV]이므로 표준값 170[kV]를 쓴다.

Ps=3VnIs=3×170×202.65×103=59.67  [MVA]P_s=\sqrt{3}\,V_n I_s=\sqrt{3}\times 170\times 202.65\times 10^{-3}=59.67\;[\mathrm{MVA}]59.67[MVA]

일부 교재는 이 대목에서 공칭전압 154[kV]를 그대로 대입하거나 기준용량으로부터 100185×100=54.05\dfrac{100}{185}\times 100=54.05[MVA]를 구해 답으로 싣고 있으나, 이는 계통의 단락용량이지 차단기의 차단용량이 아니다. 차단기 용량은 정격전압 170[kV]를 대입한 59.67[MVA]가 맞으며, 실제 선정 시에는 이보다 큰 표준 차단용량을 고른다.

문제 11

18-1

50[Hz] 계통에 맞추어 제작된 3상 유도전동기를 인가 전압은 그대로 둔 채 60[Hz] 계통에서 운전하려고 한다. 다음 항목이 각각 몇 배로 달라지는지 수치를 들어 설명하시오.

(1) 무부하 전류

(2) 온도 상승

(3) 회전 속도

정답 및 해설

(1) 5/6배로 감소한다.

(2) 5/6배로 감소한다.

(3) 6/5배로 증가한다.


[해설]

전압을 바꾸지 않고 주파수만 올리면 철심의 자속이 줄어든다. 유도 기전력이 E=4.44fNϕmE=4.44\,f\,N\,\phi_m 이므로 E가 일정하면 ϕm1f\phi_m\propto\dfrac{1}{f} 이다.

(1) 무부하 전류 — 무부하 전류는 대부분 자속을 만드는 여자 전류이므로 자속에 비례한다.

I0I0=f1f2=5060=56\dfrac{I_{0}'}{I_{0}}=\dfrac{f_1}{f_2}=\dfrac{50}{60}=\dfrac{5}{6}5/6배로 감소

(2) 온도 상승 — 자속이 줄면 철손(히스테리시스손·와전류손)이 줄고, 손실이 줄면 온도 상승도 함께 낮아진다. 교재에서 다루는 근사 관계는 주파수에 반비례한다.

tt=f1f2=5060=56\dfrac{t'}{t}=\dfrac{f_1}{f_2}=\dfrac{50}{60}=\dfrac{5}{6}5/6배로 감소

(3) 회전 속도 — 동기속도 Ns=120fpN_s=\dfrac{120f}{p} 는 주파수에 정비례한다.

NN=f2f1=6050=65=1.2\dfrac{N'}{N}=\dfrac{f_2}{f_1}=\dfrac{60}{50}=\dfrac{6}{5}=1.26/5배로 증가

주파수를 낮추는 반대 상황(60[Hz]용 전동기를 50[Hz]에서 운전)이라면 배율이 그대로 뒤집혀 무부하 전류와 온도 상승은 6/5배로 커지고 속도는 5/6배로 느려진다. 자속이 커지므로 자기 포화와 과열에 특히 주의해야 한다.

문제 12

18-1

지상 3층 사무실 건물에서 3상 3선식 6,000[V]를 받아 200[V]로 낮추어 쓰는 설비를 갖추었다. 부하 내역이 아래 두 표와 같고 [조건]이 다음과 같을 때 물음에 답하시오.

[동력 부하 설비]

사용 목적용량[kW]대수상용 동력[kW]하계 동력[kW]동계 동력[kW]
난방 설비




· 보일러 펌프6.71

6.7
· 오일 기어 펌프0.41

0.4
· 온수 순환 펌프3.71

3.7
공기 조화 설비




· 1·2·3층 패키지 콤프레셔7.56
45.0
· 콤프레셔 팬5.5316.5

· 냉각수 펌프5.51
5.5
· 쿨링 타워1.51
1.5
급수·배수 설비




· 양수 펌프3.713.7

기타




· 소화 펌프5.515.5

· 셔터0.420.8

합계

26.552.010.8

[조명 및 콘센트 부하 설비]

사용 목적와트수[W]설치 수량환산 용량[VA]총 용량[VA]비고
전등 설비




· 수은등 A2002260520200[V] 고역률
· 수은등 B10081401,120100[V] 고역률
· 형광등408205545,100200[V] 고역률
· 백열 전등6020601,200
콘센트 설비




· 일반 콘센트
7015010,5002P 16[A]
· 환기팬용 콘센트
855440
· 히터용 콘센트1,50021,5003,000
· 복사기용 콘센트
49003,600
· 텔레타이프용 콘센트
21,2002,400
· 룸 쿨러용 콘센트
61,2007,200
기타




· 전화 교환용 정류기
1
800
합계


75,880

[조건]

· 역률은 동력 쪽을 모두 70[%]로, 그 밖의 것을 100[%]로 잡는다.

· 수용률 — 전등 60[%] / 콘센트 70[%] / 전화 교환용 정류기 100[%]

· 변압기 용량을 뽑을 때 여유율은 보지 않고, 답은 표준 규격 용량으로 낸다.

· 변압기 용량 산정에 쓰이는 동력 설비의 평균 수용률은 65[%]로 잡는다.

(1) 겨울철 난방 때 온수 순환 펌프는 쉬지 않고 돌며 보일러용 펌프와 오일 기어 펌프에는 55[%]의 수용률이 걸린다. 난방 동력의 수용 부하[kW]를 구하시오.

(2) 상용·하계·동계 동력의 피상전력[kVA]을 각각 구하시오.

(3) 이 건물이 갖추어야 할 전기 설비 용량[kVA]은 얼마를 기준으로 잡아야 하는가?

(4) 조명·콘센트 쪽을 맡을 단상 변압기는 최소 몇 [kVA]짜리여야 하는가?

(5) 동력 쪽을 맡을 3상 변압기는 몇 [kVA]짜리로 잡으면 되는가?

(6) 위 두 변압기에 각각 붙는 전류계용 변류기의 1차 정격전류[A]를 구하시오.

(7) 부하마다 전력용 콘덴서를 달아 역률을 손보려 한다. 보일러 펌프를 역률 95[%]로 만들려면 콘덴서가 몇 [kVA] 필요한가?

정답 및 해설

(1) 7.61[kW]

(2) 상용 동력 37.86[kVA], 하계 동력 74.29[kVA], 동계 동력 15.43[kVA]

(3) 188.03[kVA]

(4) 50[kVA] 선정

(5) 75[kVA] 선정

(6) 단상 변압기 10[A], 3상 변압기 10[A]

(7) 4.63[kVA]


[해설]

(1) 난방 동력의 수용 부하 — 온수 순환 펌프는 상시 운전이므로 수용률 100[%], 나머지 두 펌프에만 55[%]를 곱한다.

P=3.7×1+(6.7+0.4)×0.55=3.7+3.905=7.6057.61  [kW]P=3.7\times 1+(6.7+0.4)\times 0.55=3.7+3.905=7.605\fallingdotseq 7.61\;[\mathrm{kW}]7.61[kW]

(2) 계절별 피상전력 — 동력 부하의 역률이 70[%]이므로 각 합계를 0.7로 나눈다.

Pa1=26.50.7=37.86  [kVA]P_{a1}=\dfrac{26.5}{0.7}=37.86\;[\mathrm{kVA}](상용), Pa2=52.00.7=74.29  [kVA]P_{a2}=\dfrac{52.0}{0.7}=74.29\;[\mathrm{kVA}](하계), Pa3=10.80.7=15.43  [kVA]P_{a3}=\dfrac{10.8}{0.7}=15.43\;[\mathrm{kVA}](동계)

(3) 총 전기 설비 용량 — 하계 부하와 동계 부하는 같은 시기에 함께 쓰이지 않으므로 둘 중 큰 쪽(하계)만 잡고, 여기에 상용 동력과 조명·콘센트 부하를 더한다. 조명 및 콘센트 부하 합계는 75,880[VA] = 75.88[kVA]이다.

Pa=37.86+74.29+75.88=188.03  [kVA]P_a=37.86+74.29+75.88=188.03\;[\mathrm{kVA}]188.03[kVA]

동계 동력 15.43[kVA]까지 더해 203.46[kVA]로 실은 자료도 있으나, 계절 부하를 동시에 계상하면 설비 용량이 과대해진다. 큰 쪽만 취하는 것이 정합적이다.

(4) 단상 변압기 용량 — 각 군의 총 용량에 수용률을 곱해 더한다.

전등: (520+1,120+45,100+1,200)×0.6×103=28.76  [kVA](520+1{,}120+45{,}100+1{,}200)\times 0.6\times 10^{-3}=28.76\;[\mathrm{kVA}]

콘센트: (10,500+440+3,000+3,600+2,400+7,200)×0.7×103=19  [kVA](10{,}500+440+3{,}000+3{,}600+2{,}400+7{,}200)\times 0.7\times 10^{-3}=19\;[\mathrm{kVA}]

기타(정류기): 800×1×103=0.8  [kVA]800\times 1\times 10^{-3}=0.8\;[\mathrm{kVA}]

Pa=28.76+19+0.8=48.56  [kVA]P_a=28.76+19+0.8=48.56\;[\mathrm{kVA}] → 표준 용량에서 50[kVA] 선정

(5) 3상 변압기 용량 — 계절 부하는 큰 쪽인 하계를 잡고, 동력 수용률 65[%]를 적용한다.

Pa=26.5+52.00.7×0.65=112.14×0.65=72.89  [kVA]P_a=\dfrac{26.5+52.0}{0.7}\times 0.65=112.14\times 0.65=72.89\;[\mathrm{kVA}] → 표준 용량에서 75[kVA] 선정

(6) 변류기 1차 정격전류 — 변압기 1차 전류에 1.25~1.5배의 여유를 두고, 그 값 이상의 표준 정격(5·10·15·20·30·40·50[A] …)에서 고른다.

단상: I1=50×1036,000×(1.251.5)=10.4212.5  [A]I_1=\dfrac{50\times 10^3}{6{,}000}\times(1.25\sim 1.5)=10.42\sim 12.5\;[\mathrm{A}]10[A] 선정

3상: I1=75×1033×6,000×(1.251.5)=9.0210.83  [A]I_1=\dfrac{75\times 10^3}{\sqrt{3}\times 6{,}000}\times(1.25\sim 1.5)=9.02\sim 10.83\;[\mathrm{A}]10[A] 선정

(7) 보일러 펌프의 역률 개선용 콘덴서 — 보일러 펌프 6.7[kW], 역률 70[%]를 95[%]로 올린다.

Qc=P(tanθ1tanθ2)=6.7×(10.720.710.9520.95)=6.7×(1.02020.3287)=4.63  [kVA]Q_c=P(\tan\theta_1-\tan\theta_2)=6.7\times\left(\dfrac{\sqrt{1-0.7^2}}{0.7}-\dfrac{\sqrt{1-0.95^2}}{0.95}\right)=6.7\times(1.0202-0.3287)=4.63\;[\mathrm{kVA}]4.63[kVA]

덧붙여 동력 부하표의 셔터는 상용 동력이 0.8[kW]로 잡혀 있으므로 0.4[kW]짜리가 2대여야 앞뒤가 맞고, 텔레타이프용 콘센트도 총 용량 2,400[VA]에 환산 용량 1,200[VA]인 2개가 맞다. 다만 세 계절 합계값(26.5·52.0·10.8[kW])과 총 용량 75,880[VA]은 그대로이므로 (1)~(7)의 답은 달라지지 않는다.

문제 13

18-1

고압 회로에 쓰이는 차단기 가운데 서로 다른 3가지를 고르고, 각각이 아크를 끄는 데 이용하는 매질을 아래 표의 빈칸에 채워 넣으시오.

고압 차단기소호 매체






정답 및 해설

① 유입 차단기 — 절연유

② 가스 차단기 — SF6 가스

③ 진공 차단기 — 고진공


[해설]

차단기는 접점이 열릴 때 생기는 아크를 무엇으로 끄느냐(소호 매체)에 따라 종류가 갈린다. 표준적으로 정리되는 것은 아래 다섯 가지이며, 이 가운데 3가지를 골라 매질과 짝지어 쓰면 된다.

종류소호 매체소호 원리
유입 차단기(OCB)절연유아크열로 절연유가 분해되며 생긴 수소 가스가 아크를 냉각시켜 소호
가스 차단기(GCB)SF6 가스절연내력과 소호능력이 뛰어난 SF6 가스를 아크에 불어 소호, 대용량 계통에 사용
진공 차단기(VCB)고진공고진공 중에서 아크 생성물이 급속히 확산되며 소호, 소형이고 보수가 쉬움
공기 차단기(ABB)압축 공기수십 기압의 압축 공기를 아크에 불어 소호
자기 차단기(MBB)전자력아크 전류가 만드는 전자력으로 아크를 소호실(아크 슈트)로 밀어 넣어 소호

표에서 알 수 있듯 답으로 인정되는 조합은 하나가 아니다. 어느 3가지를 고르더라도 종류와 매질이 올바르게 짝지어져 있으면 된다.

문제 14

용량이 500[kVA]인 역률 개선용 콘덴서에 직렬리액터를 달아 제5고조파 전류가 확대되는 것을 막고 개폐기 투입 때의 돌입전류도 억제하려고 한다. 물음에 답하시오.

(1) 이론상 갖추어야 할 직렬 리액터의 용량은 몇 [kVA]인가?

(2) 현장에서 실제로 채택하는 직렬 리액터의 용량은 몇 [kVA]이며, 왜 그렇게 정하는지 쓰시오.

정답 및 해설

(1) 20[kVA] (콘덴서 용량의 4[%])

(2) 30[kVA] (콘덴서 용량의 6[%]) — 이론값 4[%]는 제5고조파 공진점 그 자체여서, 주파수 변동과 리액터·콘덴서의 용량 오차가 있으면 회로가 용량성이 되어 오히려 고조파가 확대될 수 있다. 그래서 여유를 둔 6[%]를 적용하여 돌입전류 억제와 파형 개선 효과까지 확실히 얻는다.


[해설]

(1) 제5고조파에 대해 회로가 유도성이 되려면 리액터의 유도리액턴스가 콘덴서의 용량리액턴스보다 커야 하고, 두 값이 같아지는 직렬공진 조건이 이론상의 경계다.

5ωL=15ωCωL=1251ωC=0.041ωC5\omega L = \dfrac{1}{5\omega C} \quad \Rightarrow \quad \omega L = \dfrac{1}{25}\cdot\dfrac{1}{\omega C} = 0.04 \cdot \dfrac{1}{\omega C}

즉 이론상 필요한 리액터 용량은 콘덴서 용량의 4[%]이므로

QL=500×0.04=20[kVA]Q_L = 500 \times 0.04 = \mathbf{20}\,[\mathrm{kVA}]

(2) 4[%]는 공진점 그 자체여서 계통 주파수가 조금만 흔들리거나 리액터·콘덴서의 실제 용량이 공칭값과 어긋나 리액턴스가 4[%]에 못 미치면 제5고조파에 대해 회로가 용량성이 되어 고조파 전류가 오히려 확대된다. 그래서 여유를 두어 6[%]를 표준으로 적용한다.

QL=500×0.06=30[kVA]Q_L = 500 \times 0.06 = \mathbf{30}\,[\mathrm{kVA}]

직렬 리액터는 이와 함께 콘덴서 투입 시의 돌입전류를 억제하고 전압·전류 파형을 개선하는 역할도 한다. 제3고조파까지 문제가 되는 계통에서는 3ωL>1/(3ωC)3\omega L \gt 1/(3\omega C) 를 만족해야 하므로 11[%]11\,[\%] 이상(실용상 13[%])의 리액터를 쓴다.

문제 15

18-1

조도에 관한 다음 서술에서 괄호 안에 들어갈 알맞은 말을 쓰시오.

어떤 면의 한 점에서 나타나는 조도는 그 점을 비추는 광원의 광도와 빛이 들어오는 각의 코사인에 비례하고, 광원까지의 거리의 제곱에는 반비례한다. 입사각의 코사인에 따라 조도가 정해지는 이 관계를 램버트(Lambert)의 코사인 법칙이라 한다. 또한 광선과 피조면이 놓인 관계에 따라 조도는 ( ① ) 조도, ( ② ) 조도, ( ③ ) 조도 등으로 구분한다.

정답 및 해설

① 법선

② 수평면

③ 수직면


[해설]

광도 I[cd]인 점광원에서 거리 r[m] 떨어진 면의 조도는 다음과 같다.

E=Ir2cosθ  [lx]E=\dfrac{I}{r^2}\cos\theta\;[\mathrm{lx}]

여기서 θ\theta는 광선과 피조면의 법선이 이루는 각이며, 조도가 cosθ\cos\theta에 비례하는 것이 램버트의 코사인 법칙이다. 피조면을 어느 방향으로 잡느냐에 따라 조도는 다음 세 가지로 갈린다.

· 법선 조도 En=Ir2E_n=\dfrac{I}{r^2} — 광선에 수직인 면의 조도

· 수평면 조도 Eh=Ir2cosθ=Ih2cos3θE_h=\dfrac{I}{r^2}\cos\theta=\dfrac{I}{h^2}\cos^3\theta — 바닥과 같은 수평면의 조도

· 수직면 조도 Ev=Ir2sinθ=Ih2cos2θsinθE_v=\dfrac{I}{r^2}\sin\theta=\dfrac{I}{h^2}\cos^2\theta\sin\theta — 벽면과 같은 연직면의 조도

세 조도의 기하학적 관계는 다음 그림과 같다.

광원 I[cd] θ h[m] r[m] 수평면 조도(Eh) 수직면 조도(Ev) 법선 조도(En) θ ▲ 조도의 구분

h는 광원의 높이, r은 광원에서 피조점까지의 거리이며 r=hcosθr=\dfrac{h}{\cos\theta} 관계가 있어 위와 같이 h로 정리된 식이 나온다.

전기산업기사 실기(필답형) 기출문제모두CBT · moducbt.com

2018년 전기산업기사실기(필답형) 1회차

15문항 · 주관식 · 정답·해설 포함
문제 1

18-1

지중전선로는 케이블을 써서 관로식·암거식·직접 매설식 중 한 가지로 시설한다. 이 가운데 관로식으로 시설하는 경우와, 차량 등 중량물의 압력을 받을 우려가 있는 곳에 직접 매설식으로 시설하는 경우의 케이블 매설 깊이 기준을 아래 표의 빈칸에 쓰시오.

시설 방법매설 깊이
관로식( ① )
직접 매설식( ② )
정답 및 해설

① 1.0[m] 이상

② 1.0[m] 이상


[해설]

현행 한국전기설비규정(KEC)의 지중전선로 시설 기준은 다음과 같다.

시설 방법중량물의 압력을 받을 우려가 있는 곳그 밖의 곳
관로식1.0[m] 이상0.6[m] 이상
직접 매설식1.0[m] 이상0.6[m] 이상

암거식은 견고한 구조물 안에 케이블을 넣으므로 매설 깊이 기준 대신 구조물의 견고성과 차폐·방화 조치가 요구된다. 직접 매설식의 깊이를 1.2[m] 이상으로 적어 둔 자료가 아직 남아 있으나 이는 규정이 개정되기 전의 값이고, 현재는 관로식과 마찬가지로 1.0[m] 이상이다.

문제 2

18-1

어느 수용가가 역률(지상) 80[%]로 100[kW]를 쓰고 있었는데, 여기에 역률(지상) 60[%]인 70[kW]의 부하를 새로 이어 붙였다. 이 상태에서 합성 역률을 90[%]까지 끌어올리려면 전력용 콘덴서 용량이 몇 [kVA] 필요한지 구하시오.

정답 및 해설

86.28[kVA]


[해설]

역률이 다른 부하가 섞여 있으므로 유효전력과 무효전력을 따로 더해 합성 역률부터 구한다.

유효전력

P=100+70=170  [kW]P=100+70=170\;[\mathrm{kW}]

무효전력 — 각 부하의 PtanθP\tan\theta 를 더한다.

Q=100×0.60.8+70×0.80.6=75+93.33=168.33  [kVar]Q=100\times\dfrac{0.6}{0.8}+70\times\dfrac{0.8}{0.6}=75+93.33=168.33\;[\mathrm{kVar}]

개선 전 합성 역률

cosθ1=PP2+Q2=1701702+168.332=0.71\cos\theta_1=\dfrac{P}{\sqrt{P^2+Q^2}}=\dfrac{170}{\sqrt{170^2+168.33^2}}=0.71

콘덴서 용량

Qc=P(tanθ1tanθ2)=170×(10.7120.7110.920.9)Q_c=P(\tan\theta_1-\tan\theta_2)=170\times\left(\dfrac{\sqrt{1-0.71^2}}{0.71}-\dfrac{\sqrt{1-0.9^2}}{0.9}\right)

=170×(0.99180.4843)=86.28  [kVA]=170\times(0.9918-0.4843)=86.28\;[\mathrm{kVA}]86.28[kVA]

합성 역률을 소수 둘째 자리(0.71)로 반올림한 뒤 대입하는 교재 관례를 따른 값이다. 반올림 없이 Qc=QPtanθ2=168.33170×0.4843=86.00Q_c=Q-P\tan\theta_2=168.33-170\times 0.4843=86.00[kVA]로 계산해도 무방하며, 채점에서는 두 값 모두 인정된다.

문제 3

18-1

논리식 X=AB+CX=\overline{A}\cdot B+C 에 대하여 다음 물음에 답하시오.

(1) 이 식을 그대로 나타내는 논리회로를 그리시오.

(2) (1)의 회로를 2입력 NAND 소자만으로 바꾸어 그리시오.

정답 및 해설

(1)

A B C X

A를 NOT 게이트로 반전해 A\overline{A}를 만들고, 이를 B와 함께 2입력 AND에 넣은 뒤 그 출력과 C를 2입력 OR에 넣으면 출력이 X가 된다.

(2)

A B C X

NAND1은 두 입력을 모두 A에 묶어 A\overline{A}를, NAND3은 두 입력을 모두 C에 묶어 C\overline{C}를 만든다. NAND2에 NAND1 출력과 B를 넣고, NAND4에 NAND2 출력과 NAND3 출력을 넣으면 그 출력이 X이다(2입력 NAND 4개).


[해설]

(1) 주어진 식은 A\overline{A}(NOT), AB\overline{A}\cdot B(AND), 그리고 C와의 합(OR) 세 단계로 이루어진다. 게이트 세 개를 그대로 이어 붙이면 된다.

(2) NAND만으로 바꿀 때는 식 전체에 이중 부정을 씌운 뒤 드 모르간의 정리를 적용한다.

X=AB+C=AB+C=ABCX=\overline{A}B+C=\overline{\overline{\overline{A}B+C}}=\overline{\overline{\overline{A}B}\cdot\overline{C}}

마지막 형태는 “AB\overline{A}B의 NAND”와 “C의 NAND”를 다시 NAND한 꼴이므로, 필요한 소자는 2입력 NAND 4개이다. 두 입력을 하나로 묶은 NAND는 인버터로 동작한다는 점(AA=A\overline{A\cdot A}=\overline{A})이 핵심이다.

기본 게이트를 NAND로 바꾸는 등가 관계는 다음과 같다.

논리회로 등가 모델 = = =

검산: ABC=AB+C=AB+C\overline{\overline{\overline{A}B}\cdot\overline{C}}=\overline{\overline{\overline{A}B}}+\overline{\overline{C}}=\overline{A}B+C 로 원식이 그대로 복원되므로 회로 구성이 옳다.

문제 4

18-1

분전반에서 25[m] 떨어진 자리에 단상 100[V]용 2[kW] 전열기를 금속관공사로 시설하려고 한다. 전압강하를 정격전압의 2[%] 이내로 억제하려면 전선의 굵기를 몇 [mm2]로 고르는 것이 적당한지 구하시오.

정답 및 해설

10[mm2]


[해설]

부하 전류

I=PV=2×103100=20  [A]I=\dfrac{P}{V}=\dfrac{2\times 10^3}{100}=20\;[\mathrm{A}]

허용 전압강하

e=100×0.02=2  [V]e=100\times 0.02=2\;[\mathrm{V}]

전선 단면적 — 교류 단상(단상 2선식)의 전압강하 계산식을 단면적에 대해 풀면 다음과 같다.

배전 방식전선 단면적
단상 2선식A=35.6LI1,000eA=\dfrac{35.6\,L\,I}{1{,}000\,e}
3상 3선식A=30.8LI1,000eA=\dfrac{30.8\,L\,I}{1{,}000\,e}
단상 3선식 · 3상 4선식A=17.8LI1,000eA=\dfrac{17.8\,L\,I}{1{,}000\,e}

A=35.6×25×201,000×2=17,8002,000=8.9  [mm2]A=\dfrac{35.6\times 25\times 20}{1{,}000\times 2}=\dfrac{17{,}800}{2{,}000}=8.9\;[\mathrm{mm^2}]

계산값 8.9[mm2]는 규격품이 아니므로, 전선의 표준 단면적 1.5 · 2.5 · 4 · 6 · 10 · 16 · 25 · 35 … [mm2] 가운데 계산값 바로 위인 10[mm2]를 고른다. 계산값보다 작은 6[mm2]를 고르면 전압강하가 2[%]를 넘게 되므로 반드시 올려서 선정해야 한다.

문제 5

18-1

아래 그림은 어느 수용가의 22.9[kV]급 수변전설비 단선 결선도이다. 물음에 답하시오.

E MOF V0 F V KW PF A

(1) ①에 해당하는 심벌의 명칭과 용도를 쓰시오.

(2) ②에 해당하는 심벌의 명칭과 용도를 쓰시오.

(3) ③에 해당하는 심벌의 명칭과 용도를 쓰시오.

(4) ④부터 ⑫까지의 심벌 명칭을 각각 쓰시오.

정답 및 해설

(1) 케이블 헤드(CH) — 가공 전선과 케이블의 말단을 접속하는 단말 처리 장치

(2) 단로기(DS) — 무부하 상태에서 회로를 열고 닫아 피뢰기를 전로로부터 완전히 분리한다.

(3) 피뢰기(LA) — 이상전압이 침입하면 이를 대지로 방전시키고, 방전 후에 이어지는 속류를 차단해 기기를 보호한다.

(4) ④ 최대 수요 전력량계 ⑤ 무효 전력량계 ⑥ 지락 과전압 계전기 ⑦ 전력 퓨즈 ⑧ 차단기 ⑨ 과전류 계전기 ⑩ 지락 과전류 계전기 ⑪ 전류계용 전환 개폐기 ⑫ 전압계용 전환 개폐기


[해설]

인입점부터 부하 측까지 결선도를 따라 내려가며 각 기기의 자리를 읽으면 명칭이 정해진다.

번호명칭(약호)역할
케이블 헤드(CH)가공 전선과 지중 케이블의 접속점을 처리해 전계를 완화하고 절연을 유지
단로기(DS)부하 전류가 없는 상태에서 회로를 개폐, 피뢰기 점검 시 전로에서 분리
피뢰기(LA)뇌·개폐 서지를 대지로 방전시키고 속류를 차단
최대 수요 전력량계(DM)일정 기간의 최대 수요 전력을 계량
무효 전력량계(VAR)부하가 소비한 무효 전력량을 계량
지락 과전압 계전기(OVGR)지락 시 나타나는 영상전압을 검출해 차단기를 동작시킴
전력 퓨즈(PF)계기용 변압기 회로의 단락 보호
차단기(CB)부하 전류의 개폐와 사고 전류의 차단
과전류 계전기(OCR)정정값을 넘는 과전류가 흐르면 차단기를 트립시킴
지락 과전류 계전기(OCGR)지락 사고 시 영상전류를 검출해 차단기를 트립시킴
전류계용 전환 개폐기(AS)전류계 한 대로 3상 각 상의 전류를 돌려가며 측정
전압계용 전환 개폐기(VS)전압계 한 대로 각 선간전압을 돌려가며 측정

②와 ③이 짝을 이루는 이유를 기억해 두면 좋다. 피뢰기는 활선 상태에서 점검할 수 없으므로 바로 앞에 단로기를 두어 전로에서 떼어낼 수 있게 한다. 또 ⑨·⑩은 변류기(CT) 2차 회로에, ⑥은 접지형 계기용 변압기 회로에 붙는다는 점에서 결선 위치로 서로를 구분할 수 있다.

문제 6

18-1

지표면보다 15[m] 높은 곳에 놓인 수조로 매시간 5,000[m3]의 물을 퍼 올리려고 한다. 이 양수에 쓰이는 펌프 구동용 전동기의 용량은 몇 [kW]가 되어야 하는지 구하시오.

(단, 펌프 효율은 55[%], 여유계수는 1.1로 본다.)

정답 및 해설

408.5[kW]


[해설]

양수용 전동기의 소요동력은 단위 시간에 들어 올리는 물의 양과 양정의 곱을 펌프 효율로 나눈 값이며, 여기에 여유계수를 곱해 정한다. 양수량을 [m3/min] 단위로 두면 다음 식을 쓴다.

P=QH6.12η×k  [kW]P=\dfrac{Q\,H}{6.12\,\eta}\times k\;[\mathrm{kW}]

Q: 양수량[m3/min], H: 총양정[m], η\eta: 펌프 효율, k: 여유계수

양수량이 시간당 값으로 주어졌으므로 분당 값으로 바꾼다.

Q=5,00060=83.33  [m3/min]Q=\dfrac{5{,}000}{60}=83.33\;[\mathrm{m^3/min}]

P=83.33×156.12×0.55×1.1=371.36×1.1=408.5  [kW]P=\dfrac{83.33\times 15}{6.12\times 0.55}\times 1.1=371.36\times 1.1=408.5\;[\mathrm{kW}]

따라서 소요동력은 408.5[kW]이다. 분모의 6.12는 물의 비중량 9.8[kN/m3]을 분당 양수량 기준으로 환산할 때 나오는 상수(9.8×60/1,000 = 0.588의 역수 계열)로, 양수량 단위를 [m3/min]으로 맞추어야만 성립한다는 점에 주의한다.

문제 7

18-1

정격출력 300[W]에 변환효율이 20[%]인 모듈로 12[kW] 규모의 태양광 발전설비를 계획하고 있다. 모듈을 놓는 데 들어가는 면적의 최솟값은 몇 [m2]인지 산정하시오.

(단, 일사강도는 1,000[W/m2]로 보고, 어레이 사이의 이격 거리는 셈에 넣지 않는다.)

정답 및 해설

60[m2]


[해설]

모듈 1장의 면적 — 모듈이 받는 일사 전력 가운데 변환효율만큼이 출력으로 나온다.

P=(일사강도)×A×ηP=\text{(일사강도)}\times A\times\eta 이므로

A=3000.2×1,000=1.5  [m2]A=\dfrac{300}{0.2\times 1{,}000}=1.5\;[\mathrm{m^2}]

필요한 모듈 수

N=12×103300=40  (장)N=\dfrac{12\times 10^3}{300}=40\;\text{(장)}

최소 설치 면적

Atotal=40×1.5=60  [m2]A_{total}=40\times 1.5=60\;[\mathrm{m^2}]60[m2]

여기서 구한 값은 모듈이 차지하는 순수 면적이다. 실제 발전소 부지는 앞뒤 어레이의 그림자를 피하기 위한 이격 거리와 점검 통로까지 더해야 하므로 이보다 훨씬 넓어진다. 문제에서 이격 거리를 고려하지 말라고 못박았기 때문에 60[m2]가 답이 된다.

문제 8

18-1

어느 옥내배선이 단상 2선식 200[V]이고, 여기에 등당 소비전력 40[W]·역률 80[%]인 형광등 160개가 달린다. 이 부하를 용량 16[A]짜리 분기회로로 나누어 공급하려 할 때 회선이 최소 몇 개 있어야 하는지 구하시오.

(단, 회로 하나가 받는 부하전류는 그 분기회로 용량의 80[%]까지로 제한하며, 수용률은 100[%]를 적용한다.)

정답 및 해설

16[A] 분기회로 4회로


[해설]

부하의 피상전력 — 형광등의 소비전력은 유효전력이므로 역률로 나누어 피상전력으로 바꾼다.

Pa=40×1600.8×1.0=8,000  [VA]P_a=\dfrac{40\times 160}{0.8}\times 1.0=8{,}000\;[\mathrm{VA}]

한 회로가 감당하는 용량 — 16[A] 분기회로에 부하율 80[%]를 적용한다.

200×16×0.8=2,560  [VA]200\times 16\times 0.8=2{,}560\;[\mathrm{VA}]

회로 수

n=8,000200×16×0.8=8,0002,560=3.125n=\dfrac{8{,}000}{200\times 16\times 0.8}=\dfrac{8{,}000}{2{,}560}=3.125

회로 수는 소수로 둘 수 없고, 내림하면 용량이 모자라므로 반드시 올림한다. 따라서 4회로가 필요하다.

수용률 100[%]라는 조건은 전 등을 동시에 켠다고 보라는 뜻이며, 역률 80[%]를 빠뜨리고 6,400[VA]로 계산하면 2.5회로가 되어 3회로라는 틀린 답이 나온다.

문제 9

예비전원설비를 축전지 설비로 꾸미려고 한다. 다음 물음에 답하시오.

(1) 연축전지(납축전지)와 견주었을 때 알칼리 축전지가 갖는 장점과 단점을 각각 1가지씩 쓰시오.

(2) 연축전지와 알칼리 축전지의 셀당 공칭전압은 각각 몇 [V/cell]인가?

(3) 축전지의 일상 충전 방식 가운데 가장 널리 쓰이는 부동충전방식이 어떤 방식인지 설명하시오.

(4) 표준전압 100[V], 정격용량 200[Ah]인 연축전지로 부동충전 방식을 꾸미고 상시부하에 전력을 공급한다. 상시부하가 10[kW]인 경우와 15[kW]인 경우의 충전기 2차 전류[A]를 각각 구하시오. (단, 상시부하 역률은 1로 본다.)

정답 및 해설

(1) 장점 — 과충전·과방전 같은 가혹한 사용에 잘 견디고 수명이 길다.
단점 — 셀당 공칭전압이 낮아 같은 전압을 얻는 데 셀 수가 많이 들고 값이 비싸다.

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

(3) 축전지와 충전기를 부하에 병렬로 접속해 두고, 평상시 상시부하는 충전기가 공급하면서 축전지의 자기방전분만 보충해 주다가, 충전기가 감당하기 어려운 일시적인 대전류 부하가 걸리면 그 몫을 축전지가 부담하도록 하는 충전 방식

(4) 상시부하 10[kW]일 때 120[A], 15[kW]일 때 170[A]


[해설]

(1) 알칼리 축전지는 전극이 소결식·포켓식으로 견고해 과충전·과방전에 강하고 수명이 길며 급속 충전이 가능한 반면, 셀당 전압이 낮아 같은 전압을 만들려면 셀 수가 늘고 값이 비싸다. 진동·충격에 강하다는 것도 장점이고, 같은 용량에서 부피가 크다는 것도 단점으로 인정된다. 장·단점 각 1가지만 정확히 쓰면 된다.

(2) 공칭전압은 연축전지 2.0[V/cell], 알칼리 축전지 1.2[V/cell]이다. 같은 100[V]를 얻으려면 연축전지는 약 50셀, 알칼리 축전지는 약 80셀이 필요해 셀 수 차이가 크다. 공칭방전율(정격 방전 시간)은 연축전지 10[h], 알칼리 축전지 5[h]로 함께 외워 둔다.

(3) 부동충전은 충전기와 축전지를 부하에 병렬로 연결해 두는 방식으로, 상용 부하는 충전기가 부담하고 축전지는 자기 방전 보충분만 받다가 순간적인 대전류만 분담한다. 축전지가 늘 완전 충전 상태에 가까워 정전 시 곧바로 전 용량을 낼 수 있다.

(4) 충전기 2차 전류는 '축전지를 되채우는 전류 + 상시부하로 나가는 전류'다. 연축전지이므로 공칭(정격)방전율에 10[h]를 넣는다.

I2=정격용량공칭방전율+상시부하표준전압I_2 = \dfrac{\text{정격용량}}{\text{공칭방전율}} + \dfrac{\text{상시부하}}{\text{표준전압}}

상시부하 10[kW]일 때 I2=20010+10×103100=20+100=I_2 = \dfrac{200}{10} + \dfrac{10 \times 10^{3}}{100} = 20 + 100 = 120[A]

상시부하 15[kW]일 때 I2=20010+15×103100=20+150=I_2 = \dfrac{200}{10} + \dfrac{15 \times 10^{3}}{100} = 20 + 150 = 170[A]

역률을 1로 본다는 조건 덕분에 상시부하 [kW]를 그대로 [kVA]로 쓸 수 있다. 알칼리 축전지였다면 정격방전율이 5시간율이므로 앞 항이 2005=40[A]\dfrac{200}{5} = 40\,[\mathrm{A}] 로 달라진다.

문제 10

18-1

아래 그림은 3상 154[kV] 계통의 단선도이다. 주어진 [조건]을 이용하여, 점 F에서 3상 단락이 일어났을 때의 값들을 기준용량 100[MVA]·기준전압 154[kV]로 환산하여 구하시오.

G1 T1 G2 T2 F

[조건]

구분용량%임피던스비고
발전기 G120[MVA]30[%]
발전기 G25[MVA]30[%]
변압기 T120[MVA]10[%]11/154[kV]
변압기 T25[MVA]10[%]6.6/154[kV]
송전선로20[MVA]5[%]154[kV]

(1) 기준전압 154[kV], 기준용량 100[MVA]에 대한 정격전류 InI_n[A]

(2) 발전기·변압기·송전선로의 %임피던스를 기준용량으로 환산한 값 %ZG1,  %ZG2,  %ZT1,  %ZT2,  %ZTL\%Z_{G1},\;\%Z_{G2},\;\%Z_{T1},\;\%Z_{T2},\;\%Z_{TL}

(3) 점 F에서 본 합성 %임피던스

(4) 점 F의 3상 단락전류 IsI_s[A]

(5) 점 F에 시설할 차단기의 차단용량[MVA]

정답 및 해설

(1) 374.9[A]

(2) %ZG1=150[%]\%Z_{G1}=150[\%], %ZG2=600[%]\%Z_{G2}=600[\%], %ZT1=50[%]\%Z_{T1}=50[\%], %ZT2=200[%]\%Z_{T2}=200[\%], %ZTL=25[%]\%Z_{TL}=25[\%]

(3) 185[%]

(4) 202.65[A]

(5) 59.67[MVA]


[해설]

(1) 기준 정격전류

In=Pn3Vn=100×1033×154=374.9  [A]I_n=\dfrac{P_n}{\sqrt{3}\,V_n}=\dfrac{100\times 10^3}{\sqrt{3}\times 154}=374.9\;[\mathrm{A}]374.9[A]

(2) %임피던스 환산 — 자기용량 기준값을 기준용량 기준으로 옮길 때는 용량비를 곱한다.

%Znew=%Zold×PbasePself\%Z_{new}=\%Z_{old}\times\dfrac{P_{\mathrm{base}}}{P_{\mathrm{self}}}

%ZG1=30×10020=150[%]\%Z_{G1}=30\times\dfrac{100}{20}=150[\%], %ZG2=30×1005=600[%]\%Z_{G2}=30\times\dfrac{100}{5}=600[\%]

%ZT1=10×10020=50[%]\%Z_{T1}=10\times\dfrac{100}{20}=50[\%], %ZT2=10×1005=200[%]\%Z_{T2}=10\times\dfrac{100}{5}=200[\%]

%ZTL=5×10020=25[%]\%Z_{TL}=5\times\dfrac{100}{20}=25[\%]

(3) 합성 %임피던스 — G1-T1 갈래와 G2-T2 갈래는 모선에서 병렬로 만나고, 여기에 송전선로가 직렬로 붙는다.

%Z=%ZTL+(%ZG1+%ZT1)×(%ZG2+%ZT2)(%ZG1+%ZT1)+(%ZG2+%ZT2)\%Z=\%Z_{TL}+\dfrac{(\%Z_{G1}+\%Z_{T1})\times(\%Z_{G2}+\%Z_{T2})}{(\%Z_{G1}+\%Z_{T1})+(\%Z_{G2}+\%Z_{T2})}

=25+(150+50)×(600+200)(150+50)+(600+200)=25+160,0001,000=25+160=185  [%]=25+\dfrac{(150+50)\times(600+200)}{(150+50)+(600+200)}=25+\dfrac{160{,}000}{1{,}000}=25+160=185\;[\%]185[%]

(4) 3상 단락전류

Is=100%ZIn=100185×374.9=202.65  [A]I_s=\dfrac{100}{\%Z}\,I_n=\dfrac{100}{185}\times 374.9=202.65\;[\mathrm{A}]202.65[A]

(5) 차단기의 차단용량 — 차단용량은 단락전류가 아니라 정격전압을 기준으로 산정한다. 공칭전압 154[kV] 계통의 정격전압은 154×1.21.1=168154\times\dfrac{1.2}{1.1}=168[kV]이므로 표준값 170[kV]를 쓴다.

Ps=3VnIs=3×170×202.65×103=59.67  [MVA]P_s=\sqrt{3}\,V_n I_s=\sqrt{3}\times 170\times 202.65\times 10^{-3}=59.67\;[\mathrm{MVA}]59.67[MVA]

일부 교재는 이 대목에서 공칭전압 154[kV]를 그대로 대입하거나 기준용량으로부터 100185×100=54.05\dfrac{100}{185}\times 100=54.05[MVA]를 구해 답으로 싣고 있으나, 이는 계통의 단락용량이지 차단기의 차단용량이 아니다. 차단기 용량은 정격전압 170[kV]를 대입한 59.67[MVA]가 맞으며, 실제 선정 시에는 이보다 큰 표준 차단용량을 고른다.

문제 11

18-1

50[Hz] 계통에 맞추어 제작된 3상 유도전동기를 인가 전압은 그대로 둔 채 60[Hz] 계통에서 운전하려고 한다. 다음 항목이 각각 몇 배로 달라지는지 수치를 들어 설명하시오.

(1) 무부하 전류

(2) 온도 상승

(3) 회전 속도

정답 및 해설

(1) 5/6배로 감소한다.

(2) 5/6배로 감소한다.

(3) 6/5배로 증가한다.


[해설]

전압을 바꾸지 않고 주파수만 올리면 철심의 자속이 줄어든다. 유도 기전력이 E=4.44fNϕmE=4.44\,f\,N\,\phi_m 이므로 E가 일정하면 ϕm1f\phi_m\propto\dfrac{1}{f} 이다.

(1) 무부하 전류 — 무부하 전류는 대부분 자속을 만드는 여자 전류이므로 자속에 비례한다.

I0I0=f1f2=5060=56\dfrac{I_{0}'}{I_{0}}=\dfrac{f_1}{f_2}=\dfrac{50}{60}=\dfrac{5}{6}5/6배로 감소

(2) 온도 상승 — 자속이 줄면 철손(히스테리시스손·와전류손)이 줄고, 손실이 줄면 온도 상승도 함께 낮아진다. 교재에서 다루는 근사 관계는 주파수에 반비례한다.

tt=f1f2=5060=56\dfrac{t'}{t}=\dfrac{f_1}{f_2}=\dfrac{50}{60}=\dfrac{5}{6}5/6배로 감소

(3) 회전 속도 — 동기속도 Ns=120fpN_s=\dfrac{120f}{p} 는 주파수에 정비례한다.

NN=f2f1=6050=65=1.2\dfrac{N'}{N}=\dfrac{f_2}{f_1}=\dfrac{60}{50}=\dfrac{6}{5}=1.26/5배로 증가

주파수를 낮추는 반대 상황(60[Hz]용 전동기를 50[Hz]에서 운전)이라면 배율이 그대로 뒤집혀 무부하 전류와 온도 상승은 6/5배로 커지고 속도는 5/6배로 느려진다. 자속이 커지므로 자기 포화와 과열에 특히 주의해야 한다.

문제 12

18-1

지상 3층 사무실 건물에서 3상 3선식 6,000[V]를 받아 200[V]로 낮추어 쓰는 설비를 갖추었다. 부하 내역이 아래 두 표와 같고 [조건]이 다음과 같을 때 물음에 답하시오.

[동력 부하 설비]

사용 목적용량[kW]대수상용 동력[kW]하계 동력[kW]동계 동력[kW]
난방 설비




· 보일러 펌프6.71

6.7
· 오일 기어 펌프0.41

0.4
· 온수 순환 펌프3.71

3.7
공기 조화 설비




· 1·2·3층 패키지 콤프레셔7.56
45.0
· 콤프레셔 팬5.5316.5

· 냉각수 펌프5.51
5.5
· 쿨링 타워1.51
1.5
급수·배수 설비




· 양수 펌프3.713.7

기타




· 소화 펌프5.515.5

· 셔터0.420.8

합계

26.552.010.8

[조명 및 콘센트 부하 설비]

사용 목적와트수[W]설치 수량환산 용량[VA]총 용량[VA]비고
전등 설비




· 수은등 A2002260520200[V] 고역률
· 수은등 B10081401,120100[V] 고역률
· 형광등408205545,100200[V] 고역률
· 백열 전등6020601,200
콘센트 설비




· 일반 콘센트
7015010,5002P 16[A]
· 환기팬용 콘센트
855440
· 히터용 콘센트1,50021,5003,000
· 복사기용 콘센트
49003,600
· 텔레타이프용 콘센트
21,2002,400
· 룸 쿨러용 콘센트
61,2007,200
기타




· 전화 교환용 정류기
1
800
합계


75,880

[조건]

· 역률은 동력 쪽을 모두 70[%]로, 그 밖의 것을 100[%]로 잡는다.

· 수용률 — 전등 60[%] / 콘센트 70[%] / 전화 교환용 정류기 100[%]

· 변압기 용량을 뽑을 때 여유율은 보지 않고, 답은 표준 규격 용량으로 낸다.

· 변압기 용량 산정에 쓰이는 동력 설비의 평균 수용률은 65[%]로 잡는다.

(1) 겨울철 난방 때 온수 순환 펌프는 쉬지 않고 돌며 보일러용 펌프와 오일 기어 펌프에는 55[%]의 수용률이 걸린다. 난방 동력의 수용 부하[kW]를 구하시오.

(2) 상용·하계·동계 동력의 피상전력[kVA]을 각각 구하시오.

(3) 이 건물이 갖추어야 할 전기 설비 용량[kVA]은 얼마를 기준으로 잡아야 하는가?

(4) 조명·콘센트 쪽을 맡을 단상 변압기는 최소 몇 [kVA]짜리여야 하는가?

(5) 동력 쪽을 맡을 3상 변압기는 몇 [kVA]짜리로 잡으면 되는가?

(6) 위 두 변압기에 각각 붙는 전류계용 변류기의 1차 정격전류[A]를 구하시오.

(7) 부하마다 전력용 콘덴서를 달아 역률을 손보려 한다. 보일러 펌프를 역률 95[%]로 만들려면 콘덴서가 몇 [kVA] 필요한가?

정답 및 해설

(1) 7.61[kW]

(2) 상용 동력 37.86[kVA], 하계 동력 74.29[kVA], 동계 동력 15.43[kVA]

(3) 188.03[kVA]

(4) 50[kVA] 선정

(5) 75[kVA] 선정

(6) 단상 변압기 10[A], 3상 변압기 10[A]

(7) 4.63[kVA]


[해설]

(1) 난방 동력의 수용 부하 — 온수 순환 펌프는 상시 운전이므로 수용률 100[%], 나머지 두 펌프에만 55[%]를 곱한다.

P=3.7×1+(6.7+0.4)×0.55=3.7+3.905=7.6057.61  [kW]P=3.7\times 1+(6.7+0.4)\times 0.55=3.7+3.905=7.605\fallingdotseq 7.61\;[\mathrm{kW}]7.61[kW]

(2) 계절별 피상전력 — 동력 부하의 역률이 70[%]이므로 각 합계를 0.7로 나눈다.

Pa1=26.50.7=37.86  [kVA]P_{a1}=\dfrac{26.5}{0.7}=37.86\;[\mathrm{kVA}](상용), Pa2=52.00.7=74.29  [kVA]P_{a2}=\dfrac{52.0}{0.7}=74.29\;[\mathrm{kVA}](하계), Pa3=10.80.7=15.43  [kVA]P_{a3}=\dfrac{10.8}{0.7}=15.43\;[\mathrm{kVA}](동계)

(3) 총 전기 설비 용량 — 하계 부하와 동계 부하는 같은 시기에 함께 쓰이지 않으므로 둘 중 큰 쪽(하계)만 잡고, 여기에 상용 동력과 조명·콘센트 부하를 더한다. 조명 및 콘센트 부하 합계는 75,880[VA] = 75.88[kVA]이다.

Pa=37.86+74.29+75.88=188.03  [kVA]P_a=37.86+74.29+75.88=188.03\;[\mathrm{kVA}]188.03[kVA]

동계 동력 15.43[kVA]까지 더해 203.46[kVA]로 실은 자료도 있으나, 계절 부하를 동시에 계상하면 설비 용량이 과대해진다. 큰 쪽만 취하는 것이 정합적이다.

(4) 단상 변압기 용량 — 각 군의 총 용량에 수용률을 곱해 더한다.

전등: (520+1,120+45,100+1,200)×0.6×103=28.76  [kVA](520+1{,}120+45{,}100+1{,}200)\times 0.6\times 10^{-3}=28.76\;[\mathrm{kVA}]

콘센트: (10,500+440+3,000+3,600+2,400+7,200)×0.7×103=19  [kVA](10{,}500+440+3{,}000+3{,}600+2{,}400+7{,}200)\times 0.7\times 10^{-3}=19\;[\mathrm{kVA}]

기타(정류기): 800×1×103=0.8  [kVA]800\times 1\times 10^{-3}=0.8\;[\mathrm{kVA}]

Pa=28.76+19+0.8=48.56  [kVA]P_a=28.76+19+0.8=48.56\;[\mathrm{kVA}] → 표준 용량에서 50[kVA] 선정

(5) 3상 변압기 용량 — 계절 부하는 큰 쪽인 하계를 잡고, 동력 수용률 65[%]를 적용한다.

Pa=26.5+52.00.7×0.65=112.14×0.65=72.89  [kVA]P_a=\dfrac{26.5+52.0}{0.7}\times 0.65=112.14\times 0.65=72.89\;[\mathrm{kVA}] → 표준 용량에서 75[kVA] 선정

(6) 변류기 1차 정격전류 — 변압기 1차 전류에 1.25~1.5배의 여유를 두고, 그 값 이상의 표준 정격(5·10·15·20·30·40·50[A] …)에서 고른다.

단상: I1=50×1036,000×(1.251.5)=10.4212.5  [A]I_1=\dfrac{50\times 10^3}{6{,}000}\times(1.25\sim 1.5)=10.42\sim 12.5\;[\mathrm{A}]10[A] 선정

3상: I1=75×1033×6,000×(1.251.5)=9.0210.83  [A]I_1=\dfrac{75\times 10^3}{\sqrt{3}\times 6{,}000}\times(1.25\sim 1.5)=9.02\sim 10.83\;[\mathrm{A}]10[A] 선정

(7) 보일러 펌프의 역률 개선용 콘덴서 — 보일러 펌프 6.7[kW], 역률 70[%]를 95[%]로 올린다.

Qc=P(tanθ1tanθ2)=6.7×(10.720.710.9520.95)=6.7×(1.02020.3287)=4.63  [kVA]Q_c=P(\tan\theta_1-\tan\theta_2)=6.7\times\left(\dfrac{\sqrt{1-0.7^2}}{0.7}-\dfrac{\sqrt{1-0.95^2}}{0.95}\right)=6.7\times(1.0202-0.3287)=4.63\;[\mathrm{kVA}]4.63[kVA]

덧붙여 동력 부하표의 셔터는 상용 동력이 0.8[kW]로 잡혀 있으므로 0.4[kW]짜리가 2대여야 앞뒤가 맞고, 텔레타이프용 콘센트도 총 용량 2,400[VA]에 환산 용량 1,200[VA]인 2개가 맞다. 다만 세 계절 합계값(26.5·52.0·10.8[kW])과 총 용량 75,880[VA]은 그대로이므로 (1)~(7)의 답은 달라지지 않는다.

문제 13

18-1

고압 회로에 쓰이는 차단기 가운데 서로 다른 3가지를 고르고, 각각이 아크를 끄는 데 이용하는 매질을 아래 표의 빈칸에 채워 넣으시오.

고압 차단기소호 매체






정답 및 해설

① 유입 차단기 — 절연유

② 가스 차단기 — SF6 가스

③ 진공 차단기 — 고진공


[해설]

차단기는 접점이 열릴 때 생기는 아크를 무엇으로 끄느냐(소호 매체)에 따라 종류가 갈린다. 표준적으로 정리되는 것은 아래 다섯 가지이며, 이 가운데 3가지를 골라 매질과 짝지어 쓰면 된다.

종류소호 매체소호 원리
유입 차단기(OCB)절연유아크열로 절연유가 분해되며 생긴 수소 가스가 아크를 냉각시켜 소호
가스 차단기(GCB)SF6 가스절연내력과 소호능력이 뛰어난 SF6 가스를 아크에 불어 소호, 대용량 계통에 사용
진공 차단기(VCB)고진공고진공 중에서 아크 생성물이 급속히 확산되며 소호, 소형이고 보수가 쉬움
공기 차단기(ABB)압축 공기수십 기압의 압축 공기를 아크에 불어 소호
자기 차단기(MBB)전자력아크 전류가 만드는 전자력으로 아크를 소호실(아크 슈트)로 밀어 넣어 소호

표에서 알 수 있듯 답으로 인정되는 조합은 하나가 아니다. 어느 3가지를 고르더라도 종류와 매질이 올바르게 짝지어져 있으면 된다.

문제 14

용량이 500[kVA]인 역률 개선용 콘덴서에 직렬리액터를 달아 제5고조파 전류가 확대되는 것을 막고 개폐기 투입 때의 돌입전류도 억제하려고 한다. 물음에 답하시오.

(1) 이론상 갖추어야 할 직렬 리액터의 용량은 몇 [kVA]인가?

(2) 현장에서 실제로 채택하는 직렬 리액터의 용량은 몇 [kVA]이며, 왜 그렇게 정하는지 쓰시오.

정답 및 해설

(1) 20[kVA] (콘덴서 용량의 4[%])

(2) 30[kVA] (콘덴서 용량의 6[%]) — 이론값 4[%]는 제5고조파 공진점 그 자체여서, 주파수 변동과 리액터·콘덴서의 용량 오차가 있으면 회로가 용량성이 되어 오히려 고조파가 확대될 수 있다. 그래서 여유를 둔 6[%]를 적용하여 돌입전류 억제와 파형 개선 효과까지 확실히 얻는다.


[해설]

(1) 제5고조파에 대해 회로가 유도성이 되려면 리액터의 유도리액턴스가 콘덴서의 용량리액턴스보다 커야 하고, 두 값이 같아지는 직렬공진 조건이 이론상의 경계다.

5ωL=15ωCωL=1251ωC=0.041ωC5\omega L = \dfrac{1}{5\omega C} \quad \Rightarrow \quad \omega L = \dfrac{1}{25}\cdot\dfrac{1}{\omega C} = 0.04 \cdot \dfrac{1}{\omega C}

즉 이론상 필요한 리액터 용량은 콘덴서 용량의 4[%]이므로

QL=500×0.04=20[kVA]Q_L = 500 \times 0.04 = \mathbf{20}\,[\mathrm{kVA}]

(2) 4[%]는 공진점 그 자체여서 계통 주파수가 조금만 흔들리거나 리액터·콘덴서의 실제 용량이 공칭값과 어긋나 리액턴스가 4[%]에 못 미치면 제5고조파에 대해 회로가 용량성이 되어 고조파 전류가 오히려 확대된다. 그래서 여유를 두어 6[%]를 표준으로 적용한다.

QL=500×0.06=30[kVA]Q_L = 500 \times 0.06 = \mathbf{30}\,[\mathrm{kVA}]

직렬 리액터는 이와 함께 콘덴서 투입 시의 돌입전류를 억제하고 전압·전류 파형을 개선하는 역할도 한다. 제3고조파까지 문제가 되는 계통에서는 3ωL>1/(3ωC)3\omega L \gt 1/(3\omega C) 를 만족해야 하므로 11[%]11\,[\%] 이상(실용상 13[%])의 리액터를 쓴다.

문제 15

18-1

조도에 관한 다음 서술에서 괄호 안에 들어갈 알맞은 말을 쓰시오.

어떤 면의 한 점에서 나타나는 조도는 그 점을 비추는 광원의 광도와 빛이 들어오는 각의 코사인에 비례하고, 광원까지의 거리의 제곱에는 반비례한다. 입사각의 코사인에 따라 조도가 정해지는 이 관계를 램버트(Lambert)의 코사인 법칙이라 한다. 또한 광선과 피조면이 놓인 관계에 따라 조도는 ( ① ) 조도, ( ② ) 조도, ( ③ ) 조도 등으로 구분한다.

정답 및 해설

① 법선

② 수평면

③ 수직면


[해설]

광도 I[cd]인 점광원에서 거리 r[m] 떨어진 면의 조도는 다음과 같다.

E=Ir2cosθ  [lx]E=\dfrac{I}{r^2}\cos\theta\;[\mathrm{lx}]

여기서 θ\theta는 광선과 피조면의 법선이 이루는 각이며, 조도가 cosθ\cos\theta에 비례하는 것이 램버트의 코사인 법칙이다. 피조면을 어느 방향으로 잡느냐에 따라 조도는 다음 세 가지로 갈린다.

· 법선 조도 En=Ir2E_n=\dfrac{I}{r^2} — 광선에 수직인 면의 조도

· 수평면 조도 Eh=Ir2cosθ=Ih2cos3θE_h=\dfrac{I}{r^2}\cos\theta=\dfrac{I}{h^2}\cos^3\theta — 바닥과 같은 수평면의 조도

· 수직면 조도 Ev=Ir2sinθ=Ih2cos2θsinθE_v=\dfrac{I}{r^2}\sin\theta=\dfrac{I}{h^2}\cos^2\theta\sin\theta — 벽면과 같은 연직면의 조도

세 조도의 기하학적 관계는 다음 그림과 같다.

광원 I[cd] θ h[m] r[m] 수평면 조도(Eh) 수직면 조도(Ev) 법선 조도(En) θ ▲ 조도의 구분

h는 광원의 높이, r은 광원에서 피조점까지의 거리이며 r=hcosθr=\dfrac{h}{\cos\theta} 관계가 있어 위와 같이 h로 정리된 식이 나온다.