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 1.2×50 μs의 파고값으로 나타낸 기기 절연강도의 기준값이다.

비유효 접지계(절연계급 20호 이상)에서는 BIL = 5×절연계급 + 50 관계로 절연계급을 거꾸로 구한다.
$절연계급 = \dfrac{150-50}{5} = 20$ [호]
$공칭전압 = 20\times1.1 = 22$ [kV]
$정격전압 = 22\times\dfrac{1.2}{1.1} = 24$ [kV]

정격 차단용량
$P_s=\sqrt{3}\,V_n I_s=\sqrt{3}\times 24\times 20 \fallingdotseq 831.38$ [MVA]

혼동 주의: 차단용량에는 공칭전압 22 kV가 아니라 정격전압 24 kV를 넣는다.

① 10000[A]
② 5000[A]
③ 2500[A]

[해설]

피뢰기 공칭방전전류는 설치 장소의 중요도와 낙뢰에 노출되는 정도에 따라 세 등급으로 나뉜다.

• 10,000 A — 154 kV 이상 계통, 뱅크 용량 3,000 kVA 초과 같은 중요 변전소, 장거리 케이블이나 콘덴서 뱅크를 개폐하는 곳에 쓴다.
• 5,000 A — 66 kV 이하이면서 뱅크 용량이 3,000 kVA 이하인 변전소에 쓴다.
• 2,500 A — 일반 배전선로에 쓴다.

외우는 요령: 변전소 대용량 1만, 변전소 소용량 5천, 선로 2천5백으로 한 단계마다 절반씩 줄어든다.

(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]

차단기 정격전압은 공칭전압에 약 $\dfrac{1.2}{1.1}$배 여유를 준 최고전압을 표준 계열값에 맞춰 정한 것이다.

• 22.9 kV 계통 — 정격전압 25.8 kV, 차단시간 5 cycle.
• 154 kV 계통 — 정격전압 170 kV, 차단시간 3 cycle.
• 345 kV 계통 — 정격전압 362 kV, 차단시간 3 cycle.

345 kV는 계산하면 약 376 kV가 나오지만 표준값 362 kV를 쓴다. 차단시간은 전압이 높을수록 계통 안정도를 지키기 위해 짧게 요구된다.

(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]

GIS는 충전부를 금속 용기에 넣고 절연성이 뛰어난 SF₆ 가스로 채운 밀폐형 개폐장치다. 장점은 짧은 절연거리와 밀폐 구조에서, 단점은 밀폐 구조와 가스 관리에서 나온다.

• 설치 면적이 작다 — 가스로 절연해 절연거리가 짧으므로 공기절연 방식보다 훨씬 작게 만들 수 있다.
• 소음과 위험이 적다 — 밀폐되어 있어 조작 소음이 작고 감전·화재 위험이 적다.
• 미관이 좋고 공사가 빠르다 — 외형이 단순해 주위 환경과 어울리고, 공장에서 조립해 오므로 설치 공기가 짧다.
• 점검 주기가 길다 — 충전부가 바깥 공기와 차단되어 오손이 적다.
• 점검이 불편하다 — 내부를 직접 볼 수 없고 부품 교환이 번거롭다.
• 가스 관리 부담이 있다 — 가스압력과 수분을 엄중히 감시해야 하고, 기기 가격도 비싸다.
• 액화 대책이 필요하다 — SF₆는 낮은 온도에서 액화될 수 있어 한랭지·산악지방에서는 액화방지 대책을 세운다.

외우는 요령: 장점 여섯은 작고·조용하고·안전하고·보기 좋고·빨리 짓고·덜 손본다, 단점 다섯은 안 보이고·교환 번거롭고·가스 감시하고·비싸고·얼 수 있다로 묶어 외운다.

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]

글로브 안에서 빛이 반사를 거듭하므로, 밖으로 나가는 빛의 비율은 등비급수로 정리된다.
$\tau(1+\rho+\rho^{2}+\cdots)=\dfrac{\tau}{1-\rho}$

점광원의 전광속 $4\pi I$를 구 표면적 $4\pi r^{2}$로 나누고 위 배율을 곱하면 광속발산도가 된다.
$R=\dfrac{4\pi I}{4\pi r^{2}}\times\dfrac{\tau}{1-\rho}=\dfrac{\tau I}{r^{2}(1-\rho)}$ [rlx]

투과율 τ는 한 번에 빠져나가는 몫이고, 반사율 ρ는 안으로 되돌아와 다시 부딪히는 몫이다. 반사율이 클수록 분모 1−ρ가 작아져 발산도가 커진다.

(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]

오차는 측정값 − 참값, 보정값은 반대로 참값 − 측정값이며 오차율은 참값으로, 보정률은 측정값으로 나눈다.

오차와 오차율
$\text{오차}=1.0092-1.0183=-0.0091$ [V]
$\text{오차율}=\dfrac{-0.0091}{1.0183}=-0.0089$

보정값과 보정률
$\text{보정값}=1.0183-1.0092=0.0091$ [V]
$\text{보정률}=\dfrac{0.0091}{1.0092}=0.0090$

혼동 주의: 측정값이 참값보다 작으면 오차는 음(−), 보정값은 양(+)으로 부호가 반대다.

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]

승압기는 선로 전압에 승압분 전압만 직렬로 더하는 기기이다. 그래서 1대 용량은 자기용량 = 승압전압 × 부하전류로 구한다.

승압 후 전압과 부하 피상전력은 다음과 같다.
$E_2 = 3000 + 210 = 3210\,[V]$
$P_a = \dfrac{40}{0.75} = 53.33\,[kVA]$

부하전류와 승압기 1대 용량은 다음과 같다.
$I_2 = \dfrac{53.33 \times 10^{3}}{\sqrt{3} \times 3210} = 9.59\,[A]$
$e_2 I_2 = 210 \times 9.59 \times 10^{-3} = 2.01\,[kVA]$

혼동 주의: 승압기 용량은 부하용량 53.33[kVA] 전체가 아니다. 승압분 210[V]가 맡는 몫만 해당한다.

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]

송전손실률 조건으로 1회선의 허용저항을 구한 뒤 R = ρL/A에서 단면적을 역산한다.

2회선이 부하를 나눠 보내므로 1회선의 손실과 전류는 전체의 절반이다.
$P_\ell = \dfrac{6000 \times 0.1}{2} = 300\,[kW]$
$I = \dfrac{6000 \times 10^{3}}{\sqrt{3} \times 30 \times 10^{3} \times 0.8} \times \dfrac{1}{2} = 72.17\,[A]$

3상 손실식으로 저항을 구하고 이어서 단면적을 구한다.
$R = \dfrac{P_\ell}{3 I^{2}} = \dfrac{300 \times 10^{3}}{3 \times 72.17^{2}} = 19.2\,[\Omega]$
$A = \rho \dfrac{L}{R} = \dfrac{1}{55} \times \dfrac{30 \times 10^{3}}{19.2} = 28.41\,[mm^{2}]$

계산값보다 굵은 표준 굵기 가운데 가장 가까운 35[mm²]를 고른다.

그보다 가는 굵기를 고르면 저항이 허용값을 넘어 손실이 기준을 초과한다.

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 달린 콘덴서를 투입할 때의 돌입전류는 정격전류에 1+√(X_C/X_L)배를 곱해 구한다.

리액터가 콘덴서 리액턴스의 11[%]이므로 $X_L = 0.11 X_C$이다.
$I = 10 \times \left(1 + \sqrt{\dfrac{1}{0.11}}\right) = 10 \times (1 + 3.015) = 40.15\,[A]$

혼동 주의: 제5고조파 억제용 리액터는 이론상 4[%], 실무상 6[%]를 쓴다. 제3고조파 억제용은 이론상 1/9(약 11[%]) 이상으로 훨씬 크다.

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]

명령어를 순서대로 읽으면 자기유지 회로이고, 논리식은 $P010 = (P000 + P010)\cdot \overline{P001}\cdot \overline{P002}$이다.

• LOAD P000과 OR P010 — 기동 a접점 P000에 출력 P010의 a접점을 병렬로 붙여서, P000을 놓아도 출력이 유지된다.
• AND NOT P001과 AND NOT P002 — 두 b접점을 직렬로 이어서, 둘 중 하나라도 ON이 되면 출력이 끊긴다(정지 조건).
• 래더 다이어그램 — 병렬 접점 블록 뒤에 b접점 P001·P002를 직렬로 두고 출력코일 P010으로 끝낸다.
• 논리회로 — P000·P010을 OR 게이트에 넣고, 그 출력과 NOT을 거친 P001·P002를 3입력 AND 게이트에 넣어 P010을 낸다.

외우는 요령: 병렬(OR)은 OR 게이트, 직렬(AND)은 AND 게이트, b접점(NOT)은 인버터로 하나씩 대응시킨다.

(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]

콜라우슈 브리지법(3극법)은 본접지와 보조접지 2개를 둘씩 짝지어 잰 세 값으로 본접지 저항만 분리해 낸다.

본접지 저항은 다음과 같다.
$R_E = \dfrac{R_{EA} + R_{EB} - R_{AB}}{2} = \dfrac{86 + 80 - 156}{2} = 5\,[\Omega]$

KEC상 고압·특고압 피뢰기의 접지저항은 10[Ω] 이하여야 한다. 측정값 5[Ω]은 이를 만족하므로 적합하다.

혼동 주의: 합에서 빼는 값은 본접지를 거치지 않는 보조접지끼리(A-B)의 측정값이다.

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]

역률이 다른 부하는 유효전력과 무효전력을 따로 더한 뒤 피상전력으로 합성해야 변압기 용량이 나온다.

전열기는 역률이 1이라 무효전력이 없고, 전동기만 $\sin\theta = 0.8$에 해당하는 무효전력을 가진다.
$P = 30 + 24 = 54\,[kW]$
$Q = 30 \times \dfrac{0.8}{0.6} = 40\,[kVar]$
$P_a = \sqrt{54^{2} + 40^{2}} = 67.2\,[kVA]$

혼동 주의: kW를 그냥 더한 54[kVA]나, 전동기 피상전력 50[kVA]에 24를 더한 74[kVA]는 틀린 값이다.