전기기사 실기 2021년 1회 기출유형문제 기출문제 정답·해설 페이지

[해설]

이 표는 KEC 저압전로 절연저항 기준으로, 회로 종류(SELV·PELV/FELV/그 외)와 사용전압 구간에 따라 DC 시험전압과 최소 절연저항값이 정해져 있다는 것이 핵심이다.

SELV·PELV(1차·2차가 절연분리된 안전초저압 회로)는 250[V] 시험전압에 0.5[MΩ] 이상, FELV(1차·2차가 절연되지 않은 회로) 및 500[V] 이하 일반 저압회로는 500[V] 시험전압에 1.0[MΩ] 이상을 요구한다.

500[V]를 초과하는 구간은 시험전압만 1,000[V]로 올라갈 뿐 절연저항 기준은 1.0[MΩ] 이상으로 동일하므로, ④와 ⑥에는 같은 1.0을 넣고 ③·⑤의 시험전압만 다르게 채우면 된다.

[해설]

릴레이 회로는 불 대수 식을 그대로 옮기면 된다. 유접점에서는 AND=직렬·OR=병렬로, 무접점에서는 AND 게이트·OR 게이트로 바꾼다.

$X_1=(A\cdot B)+C$는 A·B의 a접점을 먼저 직렬로 묶고, 그 묶음에 C의 a접점을 병렬로 붙인다. 무접점으로는 A·B를 AND 게이트에 넣고, 그 출력과 C를 OR 게이트에 넣는다.

$X_2=A\cdot(B+C)$는 반대로 B·C의 a접점을 먼저 병렬로 묶고, 그 묶음을 A의 a접점과 직렬로 잇는다. 무접점으로는 B·C를 OR 게이트에 넣고, 그 출력과 A를 AND 게이트에 넣는다.

혼동 주의: 식에서 괄호로 먼저 묶는 쪽이 회로에서도 먼저 묶는 접점조다. 직렬·병렬 순서가 식과 뒤바뀌면 다른 회로가 된다.

[해설]

KEC 232.3.9(수용가 설비에서의 전압강하)는 인입구에서 기기까지의 허용 전압강하를 수전 방식과 부하 종류로 나눠 정한다.

• 저압으로 수전하면 조명 3%, 기타 부하 5%다.
• 고압 이상으로 수전하면 수용가 변압기의 전압강하까지 포함하므로 조명 6%, 기타 부하 8%로 여유가 더 크다.
• 기동 중인 전동기는 정격의 수 배에 이르는 기동전류가 잠깐 흐르므로 더 큰 전압강하가 허용된다.
• 역률 개선용 콘덴서처럼 돌입전류가 큰 기기도 투입 순간에 한해 더 큰 전압강하가 허용된다.

조명은 기타 부하보다 2%p 엄격하게 정해져 있다.

고압 이상 수전은 저압 수전보다 3%p 여유가 있다.

일시적인 과도과전압과 비정상 사용에 의한 전압변동은 더 큰 강하를 허용하는 경우가 아니라 아예 고려하지 않는 항목이다.

[해설]

지중 케이블 진단은 두 가지로 나뉜다. 이미 난 고장의 위치를 찾는 사고점 측정법과, 고장이 나기 전에 절연 상태를 진단하는 절연감시법이다.

• Murray Loop법 — 휘트스톤 브리지 평형으로 도체 저항비를 구해 고장점까지 거리를 계산한다.
• Capacity Bridge법 — 건전상과 고장상의 정전용량비로 고장점까지 거리를 계산한다.
• Pulse radar법 — 펄스가 고장점에서 반사돼 돌아오는 시간으로 거리를 계산한다.
• Megger법 — 메거(절연저항계)로 절연저항을 측정한다.
• Tanδ법 — 절연체의 유전손실각(tanδ)이 커지는지를 보고 열화를 판단한다.
• 부분방전 측정법 — 절연체 내부 보이드(기포)에서 생기는 미세 방전을 검출한다.

외우는 요령: 거리를 구하는 방법(Murray Loop·Capacity Bridge·Pulse radar)은 사고점 측정법이다. 절연 상태를 수치로 재는 방법(Megger·Tanδ·부분방전)은 절연 열화 진단, 즉 절연감시법이다.

[해설]

접지저항은 전류가 접지극을 거쳐 대지로 퍼져 나가는 경로에 있는 저항들이 직렬로 합쳐진 값이다.

• 도체저항 — 접지선과 접지극 금속 자체의 저항으로 보통 매우 작다.
• 접촉저항 — 접지극 표면과 흙이 맞닿는 면에서 생기는 저항이다.
• 대지저항 — 접지극 주위의 흙이 전류를 퍼뜨릴 때 생기는 저항으로 대지 고유저항에 비례한다.

실제 접지저항은 대부분 대지저항이 좌우하며, 토양의 수분과 온도에 따라 계절마다 달라진다.

[해설]

두 용어 모두 광원의 색 특성을 나타낸다. 색온도는 광원 자체의 빛깔을, 연색성은 광원이 물체 색을 어떻게 보이게 하는지를 말한다.

색온도는 광원의 광색을 같은 광색을 내는 흑체의 절대온도[K]로 표시한 값이다. 값이 낮을수록 붉은빛, 높을수록 푸른빛을 띤다.

연색성은 광원의 분광분포에 따라 같은 물체색이 다르게 보이는 성질이다. 연색평가수(Ra)로 나타내며, 자연광에 가까울수록 100에 가깝다.

[해설]

환상(루프)식 배전방식의 핵심은 간선 양 끝을 하나의 폐루프(환상)로 이어 양방향에서 부하에 전력을 공급할 수 있게 한다는 것이다.

평상시에는 루프 중 한 지점의 연계개폐기를 열어 방사상처럼 운전하다가, 특정 구간에 고장이 나면 그 구간만 분리하고 열려 있던 연계점을 투입해 반대 방향에서 우회 공급함으로써 정전 범위를 최소화하는 것이 이 방식의 장점이다.

따라서 결선도 완성 시에는 개방된 두 끝을 서로 연결하는 구간개폐기와, 각 부하 분기점마다 구분개폐기를 표시해 무정전 절체가 가능한 형태로 그려야 한다.

[해설]

콘덴서를 달아 선로전류와 수전단 전압을 일정하게 유지하면 수전단 피상전력도 그대로다. 따라서 늘어난 유효전력만큼 콘덴서가 무효전력을 줄여 줘야 한다.

증설 전 전류와 피상전력
$I_1 = \dfrac{520{,}000}{\sqrt{3}\times 3000\times 0.8} \approx 125.09$ [A]
$S = \sqrt{3}\times 3000\times 125.09 \approx 650$ [kVA]

콘덴서 용량
$Q_2 = \sqrt{650^2 - 600^2} = 250$ [kVar]
$Q_L = 600\times \dfrac{0.6}{0.8} = 450$ [kVar]
$Q_C = 450 - 250 = 200$ [kVA]

송전단 전압(근사식)
$V_s = V + \sqrt{3}\,I(R\cos\theta + X\sin\theta)$
증설 전: $3000 + \sqrt{3}\times 125.09\,(1.78\times 0.8 + 1.17\times 0.6) \approx 3460.6$ [V]

증설 후 역률
$\cos\theta_2 = \dfrac{600}{650} \approx 0.923,\ \sin\theta_2 \approx 0.385$
$V_s' = 3000 + \sqrt{3}\times 125.09\,(1.78\times 0.923 + 1.17\times 0.385) \approx 3453.5$ [V]

혼동 주의: 증설 후에도 전류 크기는 같고 역률만 개선되므로 송전단 전압은 오히려 조금 낮아진다.

[해설]

부하용량은 등급별 단위면적당 추정 전원용량[VA/㎡]에 연면적을 곱해 구한다. 여기에 그룹별 수용률을 적용해 변압기 용량을 정하고, 주변압기 용량은 부등률로 정한다.

부하용량은 2등급 값에 10,000[㎡]을 곱하고 1,000으로 나눠 [kVA]로 바꾼다.
조명 220, 콘센트 50, OA기기 340, 일반동력 450, 냉방동력 430, OA동력 80[kVA]
합계 = 157×10000/1000 = 1,570[kVA]

조명·콘센트·OA기기용 = (220+50+340)×0.7 = 427[kVA] → 500[kVA]
일반동력·OA동력용 = (450+80)×0.5 = 265[kVA] → 300[kVA]
냉방동력용 = 430×0.8 = 344[kVA] → 400[kVA]

주변압기 = (427+265+344)/1.2 ≈ 863.3[kVA] → 1000[kVA]
변압기마다 계산값 이상인 가장 작은 표준용량을 고른다.

혼동 주의: 주변압기 용량은 선정한 표준용량(500+300+400)의 합으로 구하지 않는다. 세 그룹 수요전력의 합을 부등률로 나눈 값으로 정한다.

[해설]

효율은 물이 흡수한 열량을 전열기에 넣은 전기에너지로 나눈 값이다. 두 값의 단위는 1 kWh = 860 kcal로 환산해 맞춘다.

흡수열량(1 L = 1 kg, 물의 비열 1 kcal/kg·℃)
$Q = m\,c\,\Delta T = 4\times 1\times(90-15) = 300$ [kcal]

입력 에너지
$860\,P\,t = 860\times 1\times \dfrac{25}{60} \approx 358.3$ [kcal]

효율
$\eta = \dfrac{300}{358.3}\times 100 \approx 83.72$ [%]

혼동 주의: 시간은 반드시 시간 단위로 넣는다(25분 → 25/60 h).

[해설]

무손실 선로에서는 특성임피던스 $Z_0=\sqrt{L/C}$와 전파속도 $v=1/\sqrt{LC}$ 두 식을 연립하면 L과 C를 구할 수 있다.
$L=\dfrac{Z_0}{v}$, $C=\dfrac{1}{Z_0 v}$

인덕턴스
$L=\dfrac{600}{3\times10^5}=2\times10^{-3}$[H/km]

커패시턴스
$C=\dfrac{1}{600\times3\times10^5}=5.56\times10^{-9}$[F/km]

파장
$\lambda=\dfrac{v}{f}=\dfrac{3\times10^5}{60}=5{,}000$[km]

전파속도를 [km/s] 단위로 대입했기 때문에 L·C·파장이 모두 km 기준 단위로 나온다.

[해설]

보정률은 측정값 M을 참값 T로 고치기 위한 비율로, 측정값을 기준으로 정의한다.
$\varepsilon_c = \dfrac{T-M}{M}\times 100$

참값에 대해 정리해 대입한다.
$T = M\left(1 + \dfrac{\varepsilon_c}{100}\right)$
$= 103\times(1 - 0.008) = 103\times 0.992$
$\approx 102.18$ [V]

혼동 주의: 오차율은 (M−T)/T로 보정률과 부호가 반대라서, 보정률이 음수면 참값이 측정값보다 작아진다.

[해설]

V결선의 출력은 단상변압기 1대 용량의 $\sqrt3$배다. 손실은 변압기 2대분의 철손과 동손을 모두 더한다.

출력
$P_{out}=\sqrt3\times10\times10^3\times0.5=8{,}660$[W]
손실
$P_i+P_c=120\times2+200\times2=640$[W]

효율
$\eta=\dfrac{8660}{8660+640}\times100\approx93.12$[%]

혼동 주의: 철손·동손을 1대분만 넣으면 오답이다. 역률이 0.5로 낮아 출력이 작기 때문에 손실 비중이 커지고, 그만큼 효율이 낮게 나온다.

[해설]

역률이 100%이면 각 상전류는 상전압과 위상이 같으므로, 상전류끼리는 서로 120° 위상차를 가진다. 중성선 전류는 세 상전류의 벡터합이다.

벡터합의 크기
$|I_N| = \sqrt{I_a^2 + I_b^2 + I_c^2 - I_a I_b - I_b I_c - I_c I_a}$
$= \sqrt{100 + 64 + 81 - 80 - 72 - 90}$
$= \sqrt{3} \approx 1.73$ [A]

혼동 주의: 세 상전류의 크기가 같은 평형 상태이면 중성선 전류는 0이 된다. 상전류의 크기만 단순히 더하거나 빼면 틀린다.

[해설]

Y결선에서는 상전압에 기본파와 제3고조파가 함께 나타나지만, 선간전압에서는 각 상의 제3고조파 성분이 서로 상쇄되어 기본파만 남는다는 성질이 이 문제를 푸는 열쇠다.

이 성질 덕분에 선간전압 $V_l$로부터 기본파 상전압 $V_1=V_l/\sqrt3$을 먼저 구할 수 있고, 실측 상전압 $V_p$는 기본파와 제3고조파의 실효값 합성이므로 $V_p=\sqrt{V_1^2+V_3^2}$ 관계에서 $V_3$를 역산한다.

왜형률(THD)은 제3고조파 성분이 기본파에 대해 차지하는 비율 $V_3/V_1\times100$로 정의되며, 상전압을 그대로 왜형률 정의에 대입하는 것은 오류다.

[해설]

광속발산도 $R$[rlx]는 단위 면적당 방출되는 광속이므로, 외구 표면적을 곱하면 외구가 내보내는 총광속이 된다. 외구를 통과한 광속은 광원 광속에 투과율 0.9를 곱한 값이다.

외구 표면적 (반지름 0.1[m])
$A=4\pi r^2=4\pi(0.1)^2=0.1257$[m²]
외구 방출 광속
$F_o=2000\times0.1257=251.3$[lm]

광원 광속
$F=\dfrac{251.3}{0.9}=279.3$[lm]
광도
$I=\dfrac{F}{4\pi}=\dfrac{Rr^2}{\tau}=\dfrac{2000\times0.1^2}{0.9}\approx22.22$[cd]

혼동 주의: 문제에 주어진 값은 지름 20[cm]이므로 반지름 0.1[m]를 대입해야 한다.