전기기사 실기 2019년 3회 기출유형문제 기출문제 정답·해설 페이지

(1) BIL = 기준충격절연강도(Basic Impulse Insulation Level).
표준충격전압파형(1.2×50[μs]) 파고값으로 나타낸 기기 절연강도 기준값.

(2) $BIL = 5 \times 절연계급 + 50\,[kV]$에서
절연계급 $= \dfrac{BIL - 50}{5} = \dfrac{150 - 50}{5} = 20\,[호]$
공칭전압 $= 절연계급 \times 1.1 = 20 \times 1.1 = 22\,[kV]$
정격전압 $= 공칭전압 \times \dfrac{1.2}{1.1} = 22 \times \dfrac{1.2}{1.1} = 24\,[kV]$

(3) $P_s = \sqrt{3}\,V_n I_s = \sqrt{3} \times 24 \times 20 = 831.38\,[MVA]$

[해설]

BIL(기준충격절연강도)은 표준 충격전압파형(1.2×50μs)의 파고값으로 나타낸 기기의 절연강도 기준으로, 이 값이 클수록 그 기기가 견딜 수 있는 뇌서지·개폐서지 내량이 크다는 뜻이다.

BIL로부터 절연계급을 역산하고, 공칭전압(절연계급×1.1)에 $\dfrac{1.2}{1.1}$을 곱해 정격전압을 얻는 것은 국내 절연계급 체계의 표준 환산식이다.

정격 차단용량은 √3×정격전압×정격차단전류로 구하며, 정격전압을 실제 사용전압이 아닌 절연계급 기준 정격값으로 써야 하는 점이 계산의 핵심이다.

① 10000[A]
② 5000[A]
③ 2500[A]

[해설]

피뢰기의 공칭방전전류는 설치 장소가 낙뢰에 얼마나 직접 노출되는지·사고 시 피해 규모가 얼마나 큰지에 따라 등급을 달리 정한다.

154kV 이상 계통이나 뱅크용량이 3,000kVA를 넘는 변전소·장거리 케이블 인출부처럼 중요도가 높은 변전소는 10,000A급을, 66kV 이하의 소용량 변전소는 5,000A급을 적용한다.

단순 배전선로처럼 상대적으로 사고 파급이 제한적인 곳은 가장 낮은 2,500A급으로도 충분하다고 본다.

(1) 출력 0인 영(0)점. 전원 투입 시 과대전류를 막기 위함.

(2) 1차 정격전류. 2차 단락에서 1차에 정격전류가 흐르도록 전압을 맞추므로.

(3) 임피던스 와트(동손, 부하손). 정격전류 시 권선 저항손.

(4) 1차 정격전압.
$\%Z = \dfrac{임피던스 전압}{1차 정격전압} \times 100\,[\%]$이므로 ( ) = 1차 정격전압.

[해설]

단락시험은 2차를 단락한 채 1차 전압을 서서히 올려 1차에 정격전류가 흐르는 순간의 인가전압(임피던스전압)과 그때의 손실(임피던스 와트=동손)을 측정하는 시험이다.

시험 시작 전 슬라이닥스를 반드시 0점(영점)에 두는 것은, 임의 전압에서 스위치를 넣으면 2차가 단락된 상태라 과대한 돌입전류가 흘러 권선이 손상될 수 있기 때문이다.

%임피던스는 임피던스전압을 1차 정격전압으로 나눈 비율로 정의되며, 이 값으로 단락전류·전압변동률 등을 추정할 수 있다.

정격전압 = 공칭전압의 $\dfrac{1.2}{1.1}$배.

(1) $22.9 \times \dfrac{1.2}{1.1} = 25.8\,[kV]$
(2) $154 \times \dfrac{1.2}{1.1} = 170\,[kV]$
(3) $345 \times \dfrac{1.2}{1.1} = 362\,[kV]$ (계산상 ≒376이나 표준값 362[kV] 채택)

차단시간(정격)
(4) 5[cycle]
(5) 3[cycle]
(6) 3[cycle]

[해설]

차단기의 정격전압은 공칭전압(계통 실사용전압)이 아니라 여유를 둔 최고전압 기준값으로 정하며, 국내 표준은 공칭전압에 $\dfrac{1.2}{1.1}$을 곱해 구한다.

이 환산으로 22.9kV는 25.8kV, 154kV는 170kV로 정격전압이 정해지고, 345kV는 계산상 약 376kV가 나오지만 표준 정격전압 계열값인 362kV를 채택하는 점이 유의할 부분이다.

차단시간은 전압등급이 높을수록 계통 안정도 유지를 위해 더 짧게 요구되는 경향이 있어, 22.9kV급은 5사이클이지만 154kV·345kV급은 이보다 빠른 3사이클로 정해진다.

(1) 변류기를 차단기 전원측에 두면 차단기 자체 고장까지 보호범위에 들어와 보호범위가 넓어지므로.

(2) ZCT: 영상변류기(Zero-phase-sequence Current Transformer)
TC: 트립코일(Trip Coil)

(3) 출제 당시(舊 판단기준) 기준
① 제1종 접지공사
② 제1종 접지공사
③ 제1종 접지공사
④ 제3종 접지공사
⑤ 제1종 접지공사

(4) 콘덴서 개방 시 잔류전하를 방전해 감전사고 예방.

(5) LA(피뢰기)용 DS(단로기). 22.9[kV-Y] 수전에서는 LA용 단로기 생략 가능.

[해설]

고압수전설비 결선도의 보호·접지 상식을 묶어 묻는 종합 문항으로, 계전기용 변류기의 설치 위치·기기 약호·접지종별·방전코일 역할·생략 가능 기기가 각각 독립된 채점 항목이다.

계전기용 변류기(CT)를 차단기 전원측에 두면 차단기 자체에서 생긴 고장까지 계전기의 보호범위 안에 들어오므로 보호범위가 넓어진다. 도면의 ZCT는 지락 시 영상전류를 검출하는 영상변류기, TC는 계전기 신호를 받아 차단기를 개방시키는 트립코일이다.

접지종별은 출제 당시의 구 판단기준에 따른 것으로(현행 KEC에서는 종별 구분이 폐지되었다), 고압·특고압 기기의 외함이나 피뢰기 접지처럼 고압이 저압측에 걸릴 위험이 있는 곳에는 제1종을, 계기용변성기 2차측 같은 저압 부분에는 제3종을 적용한다. 그 결과 ①②③⑤는 제1종, ④는 제3종이 된다.

진상콘덴서의 방전코일은 콘덴서를 개방한 뒤 남는 잔류전하를 방전시켜 감전사고를 예방하는 장치로, 고조파를 억제하는 직렬리액터와 혼동하지 않아야 한다. 또 22.9[kV-Y] 수전에서는 피뢰기(LA)용 단로기(DS)를 생략할 수 있다.

[장점]
① 절연거리가 짧아 설치 면적이 작다.
② 조작 소음이 작다.
③ 전기적 충격·화재 위험이 적다.
④ 주위 환경(미관)과 잘 어울린다.
⑤ 설치 공기가 짧다.
⑥ 충전부 밀폐로 안전하고 보수·점검 주기가 길다.

[단점]
① 밀폐형이라 내부를 직접 볼 수 없다.
② 내부 점검·부품 교환이 번거롭다.
③ 가스압력·수분 등을 엄중히 감시해야 한다.
④ 기기 가격이 비싸다.
⑤ 한랭지·산악지방에서는 SF6 가스 액화방지 대책이 필요하다.

[해설]

가스절연개폐장치(GIS)는 SF6 가스의 우수한 절연내력으로 충전부를 완전히 밀폐·축소한 구조이기 때문에 공기절연 개폐장치보다 설치면적이 작고 안전성이 높은 대신, 내부를 직접 볼 수 없어 점검성이 떨어지고 설비비가 비싸다는 것이 핵심이다.

장점은 절연거리 단축에서 비롯된다.

• 절연거리가 짧아 설치 면적이 작다.
• 충전부가 밀폐돼 감전·화재 위험이 적고 조작 소음도 작다.
• 주위 환경과 잘 어울리며 설치 공기가 짧고 보수 주기가 길다.

단점은 밀폐구조 자체에서 나온다.

• 내부를 직접 볼 수 없어 점검·부품 교환이 번거롭다.
• 가스압력·수분 등을 엄중히 감시해야 하고 설비비가 비싸다.
• 한랭지·산악지방에서는 SF6 가스 액화 방지 대책이 필요하다.

점광원 광속이 글로브 내면에서 반사·투과를 거듭해 외부로 방사되는 광속발산도 R은

$R = \dfrac{\tau I}{r^{2}(1-\rho)}\,[\mathrm{rlx}]$

여기서 $\tau$=투과율, $\rho$=반사율, $r$=글로브 반지름, $I$=점광원 광도.

[해설]

점광원에서 나온 광속이 구형 글로브 내면에서 반사·투과를 무한히 반복하며 방사되는 정상상태의 광속발산도 R은 등비급수 합으로 구해지며, 그 결과가 $R = \dfrac{\tau I}{r^{2}(1-\rho)}$ 이다.

글로브에 입사한 광속 중 투과율 $\tau$ 만큼은 즉시 밖으로 나가고 반사율 $\rho$ 만큼은 내부에서 되반사돼 다시 내면에 부딪히기를 반복하므로, 최종적으로 밖으로 나가는 총 광속은 초항 $\tau$, 공비 $\rho$인 등비급수 $\tau(1+\rho+\rho^{2}+\cdots) = \dfrac{\tau}{1-\rho}$로 수렴한다.

점광원의 광도 I가 만드는 구 표면 전체의 입사 광속은 $4\pi I$이며 이를 구 표면적 $4\pi r^{2}$로 나눈 뒤 위 급수 배율을 곱하면 $R = \dfrac{I}{r^{2}}\times\dfrac{\tau}{1-\rho}$ 형태로 정리된다.

(1) 오차 = 측정값 - 참값
$= 1.0092 - 1.0183 = -0.0091\,[V]$

(2) 오차율 $= \dfrac{오차}{참값} = \dfrac{-0.0091}{1.0183} = -0.0089$

(3) 보정값 = 참값 - 측정값
$= 1.0183 - 1.0092 = 0.0091\,[V]$

(4) 보정률 $= \dfrac{보정값}{측정값} = \dfrac{0.0091}{1.0092} = 0.0090$

[해설]

측정값이 참값보다 작으므로 오차와 오차율은 음수로 나오고, 그 절대량을 반대로 되돌려 주는 값이 보정값·보정률이다.

오차는 측정값에서 참값을 뺀 값, 오차율은 오차를 참값으로 나눈 비율이다.
$\text{오차} = 1.0092 - 1.0183 = -0.0091\,\mathrm{V}$
$\text{오차율} = \dfrac{-0.0091}{1.0183} = -0.0089$

보정값은 참값에서 측정값을 뺀 값으로 오차와 부호가 반대이며, 보정률은 보정값을 측정값으로 나눈 비율이다.
$\text{보정값} = 1.0183 - 1.0092 = 0.0091\,\mathrm{V}$
$\text{보정률} = \dfrac{0.0091}{1.0092} = 0.0090$

변압기 용량 = 합성 최대수용전력 ÷ 종합 부하율.

합성 최대수용전력 $= \dfrac{\sum (설비용량 \times 수용률)}{부등률}$

변압기 용량 $= \dfrac{50 \times 0.5 + 30 \times 0.65 + 15 \times 0.75 + 25 \times 0.6}{1.2 \times 0.8} = \dfrac{70.75}{0.96} = 73.7\,[kVA]$

∴ 바로 위 표준용량 $75\,[kVA]$ 선정.

[해설]

변압기 용량은 합성 최대수용전력을 종합부하율로 나눈 값보다 큰 표준용량 중 가장 가까운 것을 선정한 결과다.

각 부하설비용량에 수용률을 곱해 합산한 뒤 부등률로 나누면 합성 최대수용전력이 되며, 이를 다시 부하율로 나누면 필요 변압기 용량이 산출된다.
$P_a = \dfrac{50\times0.5+30\times0.65+15\times0.75+25\times0.6}{1.2\times0.8} = \dfrac{70.75}{0.96} = 73.7\,\mathrm{kVA}$

계산값 73.7[kVA]보다 큰 표준용량 중 가장 가까운 75[kVA]를 선정한다.

승압 후 부하측 전압 $E_2 = 3000 + 210 = 3210\,[V]$
부하 피상전력 $P_a = \dfrac{40}{0.75} = 53.33\,[kVA]$

부하전류 $I_2 = \dfrac{P_a}{\sqrt{3}\,E_2} = \dfrac{53.33 \times 10^{3}}{\sqrt{3} \times 3210} = 9.59\,[A]$

승압기 1대 자기용량 $= e_2 I_2 = 210 \times \dfrac{40 \times 10^{3}}{\sqrt{3} \times 3210 \times 0.75} = 2.01\,[kVA]$

[해설]

승압기 용량은 부하측(승압 후) 전압과 전류를 기준으로 자기용량 = 승압분 전압 × 부하전류로 구하며, 이 값이 부하 전체용량보다 훨씬 작다는 점이 승압기 결선의 특징이다.

승압 후 전압은 $E_2 = 3000+210 = 3210\,\mathrm{V}$이고, 부하전류는 피상전력 $P_a=\dfrac{40}{0.75}=53.33\,\mathrm{kVA}$에서 $I_2=\dfrac{53.33\times10^3}{\sqrt3\times3210}=9.59\,\mathrm{A}$로 구한다.

승압기 1대의 자기용량은 승압분 전압 210[V]에 부하전류를 곱한 값으로 $e_2 I_2 = 210\times\dfrac{40\times10^3}{\sqrt3\times3210\times0.75}=2.01\,\mathrm{kVA}$다.

2회선이므로 1회선당 손실 $2 P_\ell = 6000 \times 0.1\;\Rightarrow\; P_\ell = \dfrac{6000 \times 0.1}{2} = 300\,[kW]$

1회선당 부하전류 $I = \dfrac{P}{\sqrt{3}\,V\cos\theta} = \dfrac{6000 \times 10^{3}}{\sqrt{3} \times 30 \times 10^{3} \times 0.8} \times \dfrac{1}{2} = 72.17\,[A]$

$P_\ell = 3 I^{2} R$에서 $R = \dfrac{P_\ell}{3 I^{2}} = \dfrac{300 \times 10^{3}}{3 \times 72.17^{2}} = 19.2\,[\Omega]$

단면적 $A = \rho \dfrac{L}{R} = \dfrac{1}{55} \times \dfrac{30 \times 10^{3}}{19.2} = 28.41\,[mm^{2}]$

∴ 바로 위 표준 굵기 $35\,[mm^{2}]$ 선정.

[해설]

송전손실 10[%] 이하라는 조건에서 허용저항을 먼저 구하고, 그 저항을 만족하는 단면적 이상의 표준 굵기를 선정한 것이 결론이다.

2회선이 부하를 나눠 보내므로 1회선당 허용손실은 $P_\ell=\dfrac{6000\times0.1}{2}=300\,\mathrm{kW}$이고, 1회선당 전류는 $I=\dfrac{6000\times10^3}{\sqrt3\times30\times10^3\times0.8}\times\dfrac12=72.17\,\mathrm{A}$이다.

손실식 $P_\ell=3I^2R$에서 $R=\dfrac{300\times10^3}{3\times72.17^2}=19.2\,\Omega$를 얻고, 고유저항 $1/55$을 적용하면 $A=\rho\dfrac{L}{R}=\dfrac1{55}\times\dfrac{30\times10^3}{19.2}=28.41\,\mathrm{mm^2}$이므로 이보다 큰 표준굵기 35[mm²]를 선정한다.

리액터 리액턴스는 콘덴서 용량성 리액턴스의 11[%]이므로 $X_L = 0.11 X_C$.

투입 시 돌입전류 $I = I_n\left(1 + \sqrt{\dfrac{X_C}{X_L}}\right) = I_n\left(1 + \sqrt{\dfrac{X_C}{0.11 X_C}}\right) = 10 \times \left(1 + \sqrt{\dfrac{1}{0.11}}\right) = 40.15\,[A]$

[해설]

직렬 리액터가 있는 콘덴서 회로의 투입 돌입전류는 콘덴서 정격전류에 리액터·콘덴서의 리액턴스비로 정해지는 배율을 곱해 구한다는 것이 핵심이다.

직렬 리액터는 콘덴서 용량성 리액턴스의 11[%]로 설계돼 $X_L=0.11X_C$이며, 이때 투입전류 배율은 $1+\sqrt{X_C/X_L}$로 표현된다.

정격전류 10[A]를 대입하면 $I=10\times\left(1+\sqrt{\dfrac{1}{0.11}}\right)=40.15\,\mathrm{A}$로, 정격전류의 약 4배에 이르는 돌입전류가 흐른다는 점이 채점 포인트다.

논리식: $P010 = (P000 + P010)\cdot \overline{P001}\cdot \overline{P002}$

(1) 래더 다이어그램
좌측 모선에 a접점 P000을 놓고, 그 아래로 출력 P010의 a접점을 병렬(OR) 자기유지 접속. 이어 b접점 P001(AND NOT), b접점 P002(AND NOT)를 직렬 연결한 뒤 출력코일 P010에 연결.

(2) 논리회로
P000과 P010을 입력으로 받는 OR 게이트 출력을, P001·P002를 각각 NOT(인버터)한 신호와 함께 3입력 AND 게이트에 넣고 그 출력을 P010으로 한다.
즉 $P010 = (P000 + P010)\cdot \overline{P001}\cdot \overline{P002}$

[해설]

주어진 명령어는 P010 자기유지 회로이며, P000 또는 P010이 ON이고 P001·P002가 모두 OFF일 때 P010이 유지된다는 것이 핵심이다.

스텝 1~2의 LOAD P000, OR P010은 P000과 P010을 병렬(OR)로 묶어 자기유지 접점을 구성하고, 스텝 3~4의 AND NOT P001, AND NOT P002는 이 OR 결과에 P001·P002의 b접점을 직렬로 연결해 인터록(정지조건)을 건다.

따라서 출력 논리식은 $P010=(P000+P010)\cdot\overline{P001}\cdot\overline{P002}$이며, 래더 다이어그램은 P000의 a접점과 P010의 a접점을 병렬로 두고 그 뒤에 P001·P002의 b접점을 직렬로 이어 출력코일 P010에 연결한 형태, 논리회로는 이를 그대로 OR 게이트와 3입력 AND 게이트로 옮긴 형태다.

(2) 88M은 리액터 단락(전전압 운전)용, 88R은 리액터 기동용 전자접촉기.
② T 순시 a접점(ON 버튼과 병렬로 넣는 자기유지 접점)
③ 88M-b(88R 회로의 인터록 b접점)
④ T 한시동작 a접점(설정시간 뒤 88M을 여자)
⑤ 88R-b(88M-b와 직렬로 정지표시등 회로에 넣는 b접점)

(3) ⑥ 적색등 R(기동·운전 표시)
⑦ 녹색등 G(정지 표시)
⑧ 황색등 Y(과부하 정지 표시)
⑨ 전류계 A

(4) 리액터 기동 전류는 탭전압에 비례.
시동전류 $= 6 \times 0.65 = 3.9\,[배]$ (정격전류 기준)

(5) 토크는 전압의 제곱에 비례하므로
시동토크 $= 2 \times 0.65^{2} = 0.85\,[배]$
정격토크의 2배이던 시동토크가 65[%] 탭 리액터 기동에서는 약 0.85배로 감소한다.

[해설]

리액터 기동은 전동기와 직렬로 리액터를 넣어 감압 기동한 뒤, 일정 시간이 지나면 리액터를 단락해 전전압 운전으로 넘기는 방식이므로 주회로에는 리액터와 그 양단을 단락하는 접촉기가 함께 들어간다.

제어회로에서 88R은 리액터를 거쳐 기동시키는 전자접촉기, 88M은 리액터를 단락해 전전압으로 운전시키는 전자접촉기다. 타이머 한시 접점으로 88R에서 88M으로 절체되며, 두 접촉기가 동시에 투입되지 않도록 서로의 b접점을 인터록으로 넣는다. 따라서 ②는 ON 버튼과 병렬로 넣는 T 순시 a접점(자기유지), ③은 88R 회로에 넣는 88M-b 접점, ④는 88M을 여자시키는 T 한시동작 a접점, ⑤는 88M-b와 직렬로 정지표시등 회로에 넣는 88R-b 접점이다.

표시기구는 ⑥ 적색등(기동·운전), ⑦ 녹색등(정지 — 88M-b·88R-b를 직렬로 거쳐 두 접촉기가 모두 열렸을 때만 점등), ⑧ 황색등(과부하로 인한 정지), ⑨ 전류계로 배치한다.

기동전류는 인가전압에 비례하므로 $6\times0.65=3.9$배가 되고, 기동토크는 전압의 제곱에 비례하므로 $2\times0.65^{2}=0.85$배로 떨어진다. 전류가 줄어드는 것보다 토크가 더 크게 깎인다는 점이 리액터 기동의 특징이자 채점 포인트다.

(1) 콜라우슈 브리지(3극 접지저항 측정법)에서 본접지 E의 저항은
$R_E = \dfrac{R_{EA} + R_{EB} - R_{AB}}{2} = \dfrac{86 + 80 - 156}{2} = 5\,[\Omega]$
($R_{EA}$=본접지-A=86, $R_{EB}$=B-본접지=80, $R_{AB}$=A-B=156)

(2) 적합. 피뢰기 접지저항은 10[Ω] 이하여야 하는데 측정값 5[Ω]은 10[Ω] 이하이므로 적합.

[해설]

피뢰기 접지저항은 콜라우슈 브리지법(3점법)으로 세 조합 저항을 측정해 연립방정식을 풀어 구하며, 그 값이 10[Ω] 이하이므로 적합 판정이 나온다.

본접지 E와 보조접지 A, B 사이의 측정값을 $R_{EA}=86,\ R_{AB}=156,\ R_{EB}=80\,[\Omega]$라 하면 본접지 저항은 $R_E=\dfrac{R_{EA}+R_{EB}-R_{AB}}{2}=\dfrac{86+80-156}{2}=5\,\Omega$이다.

피뢰기 접지저항은 10[Ω] 이하가 기준이므로 측정값 5[Ω]은 이를 만족해 적합하다.

각 부하의 유효·무효전력을 분리해 합성한다.

유효전력 $P = 30 + 24 = 54\,[kW]$
무효전력(전동기만, $\sin\theta = 0.8$) $Q = 30 \times \dfrac{0.8}{0.6} = 40\,[kVar]$

변압기 용량 $P_a = \sqrt{P^{2} + Q^{2}} = \sqrt{(30 + 24)^{2} + \left(30 \times \dfrac{0.8}{0.6}\right)^{2}} = \sqrt{54^{2} + 40^{2}} = 67.2\,[kVA]$

[해설]

서로 다른 역률의 부하가 섞여 있으므로 각 부하의 유효·무효전력을 따로 구해 벡터적으로 합성한 피상전력이 변압기 용량이 된다는 것이 핵심이다.

유효전력은 두 부하를 단순 합산해 $P=30+24=54\,\mathrm{kW}$이고, 전열기는 역률 1이라 무효전력이 없으므로 무효전력은 전동기분만 $Q=30\times\dfrac{0.8}{0.6}=40\,\mathrm{kVar}$이다.

변압기 용량은 $P_a=\sqrt{P^2+Q^2}=\sqrt{54^2+40^2}=67.2\,\mathrm{kVA}$로, 단순히 30+24=54[kVA]가 아니라는 점이 채점 포인트다.