전기기사 실기 2019년 1회 기출유형문제 기출문제 정답·해설 페이지

[해설]

스폿 네트워크는 배전선 여러 회선과 변압기를 한 지점에 묶어 공급하는 고신뢰도 방식이므로, 특징은 모두 이중·다중 공급이라는 구조에서 나온다.

한 회선이나 변압기가 고장 나도 나머지가 즉시 부담을 떠받쳐 무정전에 가깝게 공급이 유지되고, 여러 변압기가 병렬로 물려 있어 전압 변동률이 작고 부하 변동에도 유연하게 대응한다.

다만 이런 신뢰도를 얻는 대가로 네트워크 프로텍터 등 보호장치가 복잡해지고 설비비가 비싸진다는 점도 함께 언급하면 답이 완결된다.

[해설]

태양광 발전의 장단점은 모두 "빛 에너지를 직접 전기로 바꾼다"는 원리 자체에서 비롯된다.

회전기가 없어 용량과 무관하게 발전효율이 일정하고 보수가 간단하며, 직달광뿐 아니라 산란광까지 이용할 수 있다는 것이 장점으로 꼽힌다.

반대로 에너지 밀도가 낮아 넓은 설치면적이 필요하고, 일사량에 좌우되므로 흐리거나 비 오는 날에는 출력이 불안정해진다는 점이 근본적 단점이다.

[해설]

진공차단기(VCB)는 진공 중 아크 소호 방식을 쓰기 때문에 다른 매체(가스·기름) 차단기보다 소형·경량이면서도 절연회복이 빨라 고속 개폐와 우수한 차단 성능을 얻을 수 있다.

기름을 쓰지 않아 화재 위험이 없고, 소호실 구조가 간단해 동작 소음이 작으며 차단부 수명이 길다는 것이 실무상 큰 장점이다.

다만 진공 중 급격한 전류 차단으로 개폐 서지(과전압)가 발생하기 쉬워, 변압기 등을 보호하려면 서지흡수기 설치가 함께 요구된다.

[해설]

역률개선은 부하의 지상 무효전력을 콘덴서의 진상 무효전력으로 상쇄해 피상전력 중 유효전력 비율을 높이는 원리이며, 이를 알면 손해 항목과 용량 공식이 자연스럽게 도출된다.

역률이 낮으면 같은 유효전력을 보내는 데도 전류가 커져 전력손실과 전압강하가 늘고, 한전과의 계약에서 저역률 페널티로 전기요금이 오르는 손해가 생긴다.

콘덴서 용량은 개선 전후 무효전력 차이($Q_c=P(\tan\theta_1-\tan\theta_2)$)로 구하며, 역률을 코사인이 아니라 탄젠트로 바꿔 대입해야 한다는 점이 계산 실수가 잦은 부분이다.

[해설]

이 표는 인입선 접속점(또는 전용변압기 2차 단자)에서 최원단 부하까지 거리가 60[m]를 넘을 때, 전선이 길어질수록 전압강하 허용치를 완화해 주는 규정표다.

전기사업자로부터 저압 공급받는 경우보다 수용가 구내 전용 변압기에서 직접 공급하는 경우가 한 단계씩 더 큰 허용치를 가지며, 거리 구간이 길어질수록 두 경우 모두 1[%]씩 늘어난다.

전용 변압기 공급 쪽이 항상 전기사업자 공급 쪽보다 허용 전압강하가 1[%] 더 크다는 대응관계가 빈칸을 채우는 핵심 규칙이다.

[해설]

3전극(전위강하)법은 본 접지와 두 보조접지 사이의 겉보기 저항 3개를 측정해 연립방정식으로 각 접지의 실제 저항을 분리해내는 방법이다.

E-P, E-C, P-C 세 측정값은 각각 두 접지저항의 합이므로, 앞의 두 값을 더한 뒤 P-C를 빼면 R_P·R_C가 상쇄되고 절반으로 나누면 $R_E=\tfrac12(R_{EP}+R_{EC}-R_{PC})$만 남는다.

콜라우시 브리지는 이 저항을 평형점에서 읽어내는 측정 원리이며, 세 값을 단순 평균하지 않고 반드시 P-C 항을 빼야 한다는 점이 계산 실수가 잦은 지점이다.

[해설]

NOR 게이트로만 구성된 회로를 AND·OR·NOT으로 바꾸려면, 먼저 NOR의 정의(OR 뒤 NOT)로 출력식을 세운 뒤 드모르간 정리로 전개하는 것이 순서다.

최종단이 3입력 NOR이므로 출력은 $X=\overline{\overline{A+B+C}+\overline{D+E+F}+G}$이고, 드모르간 정리를 적용하면 이중부정이 풀려 $X=(A+B+C)(D+E+F)\bar G$로 단순화된다.

이 식을 그대로 회로로 옮기면 OR 2개(A,B,C / D,E,F)로 각 항을 만들고 G는 NOT 1개로 반전한 뒤 세 신호를 AND 1개로 묶는 구조가 되어, 문제가 요구한 게이트 개수와 정확히 일치한다.

[해설]

보호계전 시스템은 사고를 감지하는 검출부(CT·PT 등 변성기), 사고 여부를 판단하는 판정부(과전류계전기 등), 실제로 회로를 끊는 동작부(차단기·트립코일)의 3단 구성으로 보면 도면 상세도의 ⑤~⑦ 구분이 그대로 정리된다.

주보호는 사고구간에 가장 가까운 계전기·차단기 조합이 담당하고, 그 주보호가 실패했을 때를 대비해 한 단계 전원측 조합이 후비보호로 뒤늦게 동작하도록 동작시간에 협조를 두는 것이 보호협조의 기본이다.

F₂처럼 주변압기 내부에서 일어나는 사고는 과전류만으로 구분하기 어려워, 1·2차 CT의 차전류를 감시하는 비율차동계전기(RDf)가 주보호를 맡고 변압기 양측 차단기를 동시에 트립시킨다.

발전설비를 갖춘 자가용 수용가는 계통과 병렬운전하므로 과전류(OCR)뿐 아니라 주파수·전압 이상을 감시하는 OFR/UFR·OVR/UVR과 발전기 내부고장용 비율차동계전기를 함께 갖춰야 계통에 사고를 파급시키지 않는다.

[해설]

CT 2차측 기기를 교체하기 전에는 반드시 CT 2차를 단락한 뒤 작업해야 하는데, 통전 중 CT 2차가 개방되면 1차 전류가 모두 여자전류로 흘러 2차에 고전압이 유기되어 절연 파괴와 감전사고로 이어지기 때문이다.

DS(단로기)는 무부하 상태에서만 개폐할 수 있는 반면 LBS(부하개폐기)는 부하전류 개폐가 가능하고 한류퓨즈와 조합하면 단락전류 차단 기능까지 겸할 수 있어 DS 대체 기기로 쓰인다.

진공차단기(VCB)는 개폐 시 급준한 파형의 개폐서지를 발생시켜 절연내력이 낮은 몰드변압기를 손상시킬 수 있으므로, VCB와 변압기 사이에 서지흡수기(SA)를 설치해 이를 흡수한다.

[해설]

MC 코일이 여자되면 스스로의 a접점으로 자기유지(셀프홀딩)회로를 구성해 PB₁을 놓아도 MC가 계속 여자 상태를 유지하다가, PB₂를 누르면 그 순간만 NOT되어 AND 조건이 끊기며 자기유지가 해제된다.

논리식 $M=(PB_1+M)\cdot\overline{PB_2}$(유접점의 MC 코일에 대응)는 OR로 기동신호와 자기유지신호를 묶고, 정지신호 PB₂를 NOT하여 AND로 직렬 연결한 전형적인 자기유지 회로의 표준형이다.

MC 상태를 그대로 표시하는 RL과, MC 상태를 반전한 GL을 두어 운전 중에는 RL만, 정지 중에는 GL만 점등되도록 상보적으로 구성한다.

[해설]

3상 3선식 저압 수전에서 설비불평형률이 크면 상별 부하 쏠림으로 전압 불평형이 커지므로, 한국전기설비규정은 이를 30[%] 이하로 제한한다.

불평형률은 각 선간(단상)에 접속된 부하설비용량의 최대치와 최소치의 차를 총 부하설비용량의 1/3로 나눈 값이며, 전동기처럼 역률이 1이 아닌 부하는 입력전력(kW÷역률)으로 환산해 더해야 한다.

P, Q점이 단선되면 그 구간에 접속돼 있던 부하가 회로에서 분리되어 총 부하설비용량이 줄고, 남아 있는 선간끼리의 부하 편차 비중은 오히려 커지므로 불평형률이 34.15[%]에서 60[%]로 크게 뛴다.

[해설]

변압기 용량은 각 부하군의 최대수요전력(설비용량×수용률) 합을 부등률과 부하율로 나눈 뒤 여유도를 곱해 구하며, 계산값 이상인 표준용량 중 가장 가까운 값을 선정한다.

하절기·동절기 동력은 계절상 동시에 쓰이지 않으므로 더 큰 쪽만 최대수요전력 합산에 포함시킨다(하절기 112kW > 동절기 36kW).

계산 결과 290.58[kVA]는 표준용량 목록에서 그 값 이상인 300[kVA]로 선정하는데, 이는 변압기가 산출값보다 부족하면 과부하가 되기 때문이다.

[해설]

급전선에는 A·B·C 세 지점 부하전류가 동시에 흐르므로, 급전선 전류는 각 부하전류를 유효분·무효분으로 분해해 벡터합한 값이 되고 단순 산술합이 아니다.

선로손실은 구간마다 흐르는 전류가 다르므로 $P=3I^2R$ 공식을 급전선(3.6km)·A지선(1km)·C지선(2km) 구간별로 각각 적용한 뒤 합산해야 한다.

역률이 1이 아닌 부하(cosθ₂=0.8, cosθ₃=0.9)는 무효분이 존재하므로 전류를 복소수로 표현해야 벡터합이 정확해진다.

전압강하 $e = V_s - V_r = 6{,}600 - 6{,}000 = 600$ [V]
$R\cos\theta + X\sin\theta = 1.4\times0.8 + 1.8\times0.6 = 2.2$
선전류 $I = \dfrac{e}{\sqrt{3}\,(R\cos\theta + X\sin\theta)} = \dfrac{600}{\sqrt{3}\times 2.2} = 157.46$ [A]
부하전력 $P = \sqrt{3}\,V_r I\cos\theta = \sqrt{3}\times 6{,}000\times 157.46\times 0.8\times 10^{-3} = 1{,}309.1$ [kW]
∴ P ≒ 1,309.09 [kW] (약 1,309 [kW])

[해설]

3상 3선식 전압강하 근사식 $e = V_s - V_r = \sqrt{3}\,I\,(R\cos\theta + X\sin\theta)$ 를 이용한다. 역률 80[%]이므로 $\cos\theta = 0.8$, $\sin\theta = 0.6$ 이다.

먼저 선전류를 구한 뒤 $P = \sqrt{3}\,V_r I\cos\theta$ 에 대입한다. 이때 전력 계산의 기준 전압은 수전단 전압 6,000[V] 임에 주의한다.

전류를 거치지 않고 $I = \dfrac{P}{\sqrt{3}\,V_r\cos\theta}$ 를 대입하면 $P = \dfrac{e\,V_r\cos\theta}{R\cos\theta + X\sin\theta} = \dfrac{600\times 6{,}000\times 0.8}{2.2} = 1{,}309{,}090$ [W] 로 한 번에 구할 수도 있다. 반올림 위치에 따라 1,309.09~1,309.1[kW] 로 답한다.

[해설]

단상 변압기 2대를 V결선하면 3상 출력은 $P=\sqrt{3}\,VI\cos\theta$로 나타나므로, 변압기 1대 용량인 피상전력 VI는 전동기가 실제로 받아야 할 입력전력(출력÷효율)을 $\sqrt{3}\cos\theta$로 나눠 구한다.

효율 η로 나누는 이유는 변압기가 공급해야 하는 것이 전동기 출력이 아니라 손실까지 포함한 전동기 입력이기 때문이다.

계산값 9.34[kVA]는 표준용량 중 그 이상인 10[kVA]로 선정한다.

[해설]

완전 확산형(균등 점광원)은 모든 방향으로 광도가 같으므로 광도는 전광속을 4π(입체각)로 나눈 값이 된다.

A점은 광원 바로 아래가 아니라 옆으로 떨어져 있으므로, 조도는 거리제곱에 반비례하는 것에 더해 입사각의 코사인을 곱하는 입사각법칙을 적용해야 한다.

사거리 R은 수평거리 8[cm]와 수직거리 6[cm]의 피타고라스 합인 10[cm]이고, 코사인값은 수직거리÷사거리 비로 대입한다.