전기기사 실기 2021년 2회 기출유형문제 기출문제 정답·해설 페이지

[해설]

절연내력시험전압은 사용전압을 그대로 쓰지 않고, 접지방식과 전압 구간에 따라 정해진 배수를 곱해 정한다는 것이 핵심이다.

7[kV] 이하 비접지식은 사용전압의 1.5배, 7[kV] 초과 25[kV] 이하 중성점 다중접지식은 0.92배가 적용되므로 ①은 6,900[V]에 1.5배, ②·③은 13,800[V]·24,000[V]에 각각 0.92배를 곱해 구한다.

①은 배수가 1보다 커서 시험전압이 사용전압보다 높아지는 반면, ②·③은 다중접지 덕분에 오히려 사용전압보다 낮은 시험전압이 나온다는 점이 이 표의 특징이다. 참고로 1.5배를 적용한 값이 500[V]에 못 미치면 최저 500[V]를 적용한다.

[해설]

KEC 143.3.1에 따라 주접지단자에 접속하는 등전위본딩 도체는 설비 내 가장 큰 보호접지도체 단면적의 1/2 이상이면서 재질별 최소 단면적 이상이어야 한다.

• 구리도체 — 6 mm² 이상.
• 알루미늄 도체 — 도전율이 구리에 못 미쳐 16 mm² 이상.
• 강철 도체 — 도전율이 가장 낮아 50 mm² 이상.

상한은 구리도체 25 mm²(다른 재질은 이와 동등한 단면적)로, 이를 넘겨 굵게 할 필요는 없다.

외우는 요령: 6·16·50, 상한 25로 묶어 기억한다.

(1) 명칭: 자동부하전환개폐기(ALTS, Automatic Load Transfer Switch)

(2) 용도
· 정전이 허용되지 않는 중요 부하에 상용(주)전원과 예비전원의 이중전원을 확보하는 개폐기
· 주전원이 정전되거나 전압이 일정값 이하로 떨어지면 예비전원(비상발전기)으로 자동 절환하여 무정전에 가깝게 전원을 공급함

[해설]

ALTS는 Automatic Load Transfer Switch의 약자이며, 우리말로 자동부하전환개폐기라고 한다.

• 이중전원 확보 — 정전이 허용되지 않는 중요 부하에 상용(주)전원과 예비전원 두 회선을 연결해 둔다.
• 자동 절환 — 주전원이 정전되거나 전압이 일정값 이하로 떨어지면 예비전원(비상발전기)으로 자동 전환해 거의 끊김 없이 전원을 공급한다.

혼동 주의: ASS(자동고장구분개폐기)는 수용가 구내의 고장을 배전선로에서 분리하는 용도라 목적이 다르다.

[해설]

KS C IEC 62305-3(피뢰시스템 표준)은 설계 데이터를 보호등급(LPL Ⅰ~Ⅳ)에 따라 값이 달라지는 것과 등급과 상관없이 똑같이 적용되는 것으로 나눈다. 등급이 높을수록 더 엄격해지는 것은 뇌격을 막는 성능과 직접 관련된 설계값이다.

• 회전구체 반경·메시 크기·보호각은 수뢰부가 뇌격을 받아내는 보호범위를 정하므로 등급과 관계 있다.
• 인하도선 사이·환상도체 사이 거리는 뇌전류를 나누어 흘리는 간격이라 등급이 높을수록 좁아진다.
• 불꽃방전에 대비한 이격거리는 등급별 계수로 계산하므로 등급과 관계 있다.
• 접지극 최소길이는 뇌전류를 대지로 흘려보내는 능력이라 등급에 따라 달라진다.
• 금속판·금속관 최소두께, 접속도체 최소치수, 재료·사용조건은 기계적·화학적 내구성을 위한 공통 요건이라 등급과 관계 없다.

외우는 요령: 거리·길이·범위를 정하는 값은 등급과 관계 있고, 두께·치수·재료처럼 부품 규격을 정하는 값은 관계 없다.

[해설]

이 문제는 LA(피뢰기)의 개념 설명, 설비용량을 실제 입력전력(kVA)으로 환산하는 계산, 부등률·수용률을 반영한 변압기 용량 선정, 지락(고장)전류로부터 접지선 굵기를 정하는 네 가지가 순서대로 이어지는 종합 문제다.

LA는 뇌·개폐 서지가 침입했을 때 즉시 방전해 기기 절연을 지키고 방전 후에는 속류를 스스로 차단해 계통을 정상 복귀시키는 보호기기로, 요구 성능은 충격방전개시전압이 낮을 것·제한전압이 낮을 것·속류차단능력이 클 것·방전내량이 클 것로 정리된다.

입력환산은 설비용량을 $\eta\cos\theta$로 나눠 실제 계통이 부담하는 피상전력으로 바꾸는 절차이며, TR-2 용량은 그렇게 구한 부하군별 수요전력(수용률 반영)의 합을 부등률로 나눠 완화한 뒤 여유율 15[%]를 얹어 표준규격 중 그 값 이상인 최소 용량을 선정한다.

접지선 굵기는 단열(斷熱)식 $A=\dfrac{I\sqrt t}{K}$로, 변압기 2차 정격전류에 고장전류 배수를 곱한 값과 차단 시간을 대입해 계산값 이상인 표준굵기를 선정한다는 방법을 알아두면 다른 접지선 산정 문제에도 그대로 적용할 수 있다.

[해설]

직렬승압기는 변압기의 분로권선(1차)은 선로에 병렬로, 직렬권선(2차)은 선로에 직렬로 접속해 원래 전압에 2차 전압만큼을 더해주는 방식이라는 점이 핵심이다.

승압된 전압은 원래 전압에 $\left(1+\dfrac{e_2}{e_1}\right)$ 배를 곱해 구하며, 여기서 $e_2/e_1$은 변압기의 1차·2차 정격전압비를 그대로 사용한다.

결선도에서는 두 단상변압기의 분로권선을 V결선으로 선간에 걸고, 각 직렬권선을 선로 중간에 직렬 삽입해 3상 전원을 승압하는 구조로 그려야 하며, 이는 단상변압기 2대로 3상 승압을 구성하는 대표적인 V결선 응용이다.

[해설]

이 문제는 적산전력계가 표시한 측정전력을 먼저 구한 뒤, 계기 자체의 +2[%] 오차를 거꾸로 보정해 실제 부하전력(참값)을 구하는 2단계 문제다.

측정전력은 $P_M=\dfrac{3600n}{tk}$[kW](n=원판 회전수, t=측정시간[s], k=계기정수[Rev/kWh])로 계산하며, 계기정수의 단위(Rev/kWh)를 초 단위 시간과 맞추기 위해 3600을 곱하는 구조임을 이해해야 한다.

+2[%] 오차는 측정값이 참값보다 2[%] 크다는 뜻이므로, 참전력은 측정전력을 그대로 쓰지 않고 $1.02$로 나눠 보정한 값이라는 점이 채점 포인트다.

[해설]

Peek식으로 전선 표면에서 공기가 절연파괴되기 시작하는 상전압인 코로나 임계전압을 구한다. 코로나 손실은 운전 상전압이 임계전압을 넘는 만큼의 제곱에 비례한다.

임계전압(d=지름 1.6cm, r=반지름 0.8cm, D=430cm)
$E_0 = 24.3\, m_0 m_1 \delta\, d \log_{10}\dfrac{D}{r}$
$= 24.3 \times 0.83 \times 1 \times 1 \times 1.6 \times \log_{10}\dfrac{430}{0.8}$
$= 88.11$ [kV]

코로나 손실(운전 상전압 $E = 154/\sqrt{3} = 88.91$ kV)
$P = \dfrac{241}{\delta}(f+25)\sqrt{\dfrac{r}{D}}(E-E_0)^2 \times 10^{-5}$
$= 241 \times 85 \times \sqrt{\dfrac{0.8}{430}} \times (88.91-88.11)^2 \times 10^{-5}$
$\approx 0.0057$ [kW/km/선]

혼동 주의: 임계전압식의 d는 지름이지만 로그항과 손실식에는 반지름 r이 들어간다. 운전전압도 선간전압 154kV가 아니라 상전압으로 바꿔 넣어야 한다.

[해설]

3상 선로의 충전용량은 선간전압 기준으로 $Q_c=\omega CV^2$이며, 총 정전용량과 전압의 제곱에 비례한다.

선로 전체 길이로 총 정전용량을 구해 대입한다.
$C=0.01\times50=0.5$ [μF]
$Q_c=2\pi\times60\times0.5\times10^{-6}\times22{,}900^2=98{,}849$ [VA]
→ 98.85 [kVA]

혼동 주의: 상전압 E로 쓰면 $3\omega CE^2$이고, 선간전압 22.9kV를 V에 그대로 넣을 때는 3을 곱하지 않는다.

[해설]

수전단 전압을 3000V 이상으로 지키려면 허용 전압강하는 3300−3000=300V까지다. 이 값을 3상 전압강하 근사식에 넣어 최대 전류를 구하고, 그 전류로 부하전력을 계산한다.

최대 전류(cosθ=0.8, sinθ=0.6)
$e = \sqrt{3}\, I (R\cos\theta + X\sin\theta)$
$I = \dfrac{300}{\sqrt{3}(2 \times 0.8 + 1.8 \times 0.6)} = 64.63$ [A]

부하전력
$P = \sqrt{3}\, V_r I \cos\theta = \sqrt{3} \times 3000 \times 64.63 \times 0.8$
$\approx 268{,}660$ [W] = 268.66 [kW]

혼동 주의: 부하전력은 송전단 3300V가 아니라 부하가 실제로 받는 수전단 전압 3000V로 계산한다.

[해설]

발전기 3대가 병렬로 모선에 접속돼 있어 B점 단락용량이 매우 커지므로, 한류리액터로 %임피던스를 추가해 차단기 차단용량(100MVA) 이내로 제한하는 문제다.

각 발전기의 %X는 기준용량(10MVA)으로 환산한 뒤 병렬 합성(역수의 합의 역수)해 모선측 %X를 구하고, 100MVA로 제한할 때 필요한 전체 %X는 $\%X_t=(P_n/P_s)\times100$로 구한다.

한류리액터의 %X는 목표 전체 %X에서 발전기 합성 %X를 뺀 값(4%)이며, 기준용량을 함께 표기하지 않으면 값의 의미가 달라지는 것이 채점 포인트다.

[해설]

펌프 소요동력은 양수동력식에 여유계수 $K=1.1$을 넣어 구한 뒤 역률로 나눠 kVA로 바꾼다.

소요동력은 다음과 같다.
$P=\dfrac{9.8\times0.2\times15\times1.1}{0.65}=49.75$ [kW]
$P_a=\dfrac{49.75}{0.85}=58.53$ [kVA]

V결선의 3상 출력은 변압기 1대 용량의 $\sqrt3$배이므로 소요동력을 $\sqrt3$으로 나눠 1대 용량을 구한다.
$P_1=\dfrac{58.53}{\sqrt3}=33.79$ [kVA]

Δ결선처럼 3으로 나누면 V결선 변압기 1대 용량이 부족하게 산정된다.

[해설]

수직배치 철탑은 세 상이 일직선상에 있지 않으므로, 각 상의 (수평, 높이) 좌표 차를 이용해 상간 직선거리를 구한 뒤 기하평균을 취해야 등가선간거리가 된다.

각 상의 높이는 주어진 상간 수직 간격(A-B 8600, B-C 7700)을 누적해 정하고, 등가선간거리는 세 변 거리의 $D_e=\sqrt[3]{D_{AB}D_{BC}D_{CA}}$로 계산하며 단위를 mm에서 m로 환산하는 것을 빠뜨리면 감점된다.

정사각형 배치 4도체의 기하평균거리(GMD)는 소선 간 6개 조합(변 4개+대각선 2개)의 기하평균이며, 대각선 길이가 변 길이의 $\sqrt2$배임을 반영해 정리되는 과정이 핵심이다.

[해설]

비정현파의 실효값은 각 고조파 실효값(진폭÷√2)을 제곱해 더한 뒤 제곱근을 씌운 값이다. 직류분이 없으므로 기본파·2고조파·3고조파 세 항만 더한다.

$I = \sqrt{\left(\dfrac{10}{\sqrt{2}}\right)^2 + \left(\dfrac{4}{\sqrt{2}}\right)^2 + \left(\dfrac{3}{\sqrt{2}}\right)^2}$
$= \sqrt{\dfrac{100 + 16 + 9}{2}} = \sqrt{62.5}$
$\approx 7.91$ [A]

혼동 주의: 위상각 30°·60°는 실효값에 영향을 주지 않는다. 주파수가 서로 다른 성분끼리는 곱의 평균이 0이 되기 때문이다.

[해설]

분기회로수는 총 부하의 피상전력[VA]을 분기회로 1회선 용량(전압×전류)으로 나눈 뒤 절상해서 정한다.

형광등은 역률 0.9로 나눠 VA로 환산하고, 백열등은 역률이 1이라 W가 곧 VA이다.
$\dfrac{60}{0.9}\times50+100\times60=9{,}333.3$ [VA]

이를 16A 분기회로 1회선 용량으로 나눈다.
$\dfrac{9{,}333.3}{16\times220}=\dfrac{9{,}333.3}{3{,}520}=2.65$ → 3회로

[해설]

전류계 두 대를 병렬로 접속하면 두 계기의 내부저항이 전류 분배를 결정하므로, 먼저 각 계기의 최대눈금 전압강하를 최대눈금 전류로 나눠 내부저항을 구해야 한다.

병렬 회로에서는 저항이 작을수록 더 많은 전류가 흐르므로, 상대적으로 저항이 작은 A₂(3.333mΩ)에 더 큰 전류가, 저항이 큰 A₁(5mΩ)에는 더 작은 전류가 분배된다.

전류분배식 $I_1=I\dfrac{R_2}{R_1+R_2}$에서 자기 저항이 아닌 상대편 저항을 분자에 쓰는 것이 핵심이며, 두 지시값의 합이 총전류 20A와 일치하는지 검산하는 것이 채점 포인트다.