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]

등전위본딩 도체의 단면적은 계통 내 가장 굵은 보호접지도체 단면적의 1/2과 재질별 최소기준값 중 더 큰 쪽을 만족해야 한다는 것이 이 규정의 구조다.

재질별 최소 단면적은 구리 6[mm²], 알루미늄 16[mm²], 강철 50[mm²]로 정해져 있으며, 도전율이 낮은 재질일수록 같은 전류를 흘리기 위해 더 굵은 단면적이 요구된다는 경향과 일치한다.

다만 도체가 지나치게 굵어질 필요는 없도록 상한선도 함께 정해져 있어, 구리도체 기준으로는 25[mm²]를 넘길 필요가 없다고 규정한다.

(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]

ALTS(Automatic Load Transfer Switch)는 자동부하전환개폐기로, 22.9[kV-Y] 수전설비의 인입구 등에 시설한다. 상용전원과 예비전원 두 회선을 상시 감시하다가 주전원이 정전되거나 전압이 규정값 이하로 떨어지면 부하를 예비전원 측으로 자동 절환하고, 주전원이 복구되면 원래 회선으로 되돌린다.

따라서 병원·전산실·공공시설처럼 정전이 허용되지 않는 중요 부하에 무정전에 가까운 급전을 하는 것이 목적이다. 같은 인입구용 개폐기라도 ASS(자동고장구분개폐기)는 수용가 구내고장을 배전선로에서 분리하는 것이 목적이므로 혼동하지 않도록 한다.

[해설]

피뢰시스템 등급(LPL Ⅰ~Ⅳ)은 뇌격을 어느 정도까지 막아낼지를 결정하는 보호 성능 설계값에만 관련되고, 재료나 두께처럼 등급과 무관하게 공통으로 요구되는 시공 기준과는 구분된다는 것이 이 문제의 판단 기준이다.

회전구체 반경·메시 크기·보호각은 수뢰부가 뇌격을 포착하는 범위를, 인하도선·환상도체 간격과 이격거리는 측면섬락·불꽃방전을 막는 여유를, 접지극 최소길이는 뇌전류를 대지로 흘려보내는 능력을 각각 좌우하므로 등급이 높아질수록 더 엄격한 값이 요구된다.

반면 금속판·금속관의 최소두께, 접속도체의 최소치수, 재료·사용조건은 뇌격 규모와 무관하게 기계적·화학적 내구성을 확보하기 위한 공통 요건이라 등급별로 달라지지 않는다.

[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]

코로나 임계전압은 전선 표면의 전위경도가 공기의 절연파괴 강도에 도달하는 상전압을 Peek식으로 구한 값이고, 코로나 손실은 실제 인가되는 상전압이 이 임계전압을 초과한 만큼의 제곱에 비례해 발생한다.

임계전압식의 m0(표면계수)·m1(날씨계수)·$\delta$(상대공기밀도)는 표준조건이면 1에 가까워지고, 전선이 매끈할수록 m0가 커져 임계전압이 높아진다. 로그항 $\log_{10}(D/r)$은 등가선간거리와 전선 반지름의 비로, 대입 시 D·r의 단위(cm)를 통일해야 한다.

코로나 손실식은 실제 상전압(154kV 선로의 상전압 88.91kV)과 방금 구한 임계전압(88.11kV)의 차를 제곱해 반영하므로, 두 값이 매우 근접한 이 문제에서는 손실이 매우 작게 산출된다. 운전 상전압이 임계전압에 근접할수록 코로나 손실이 급격히 줄어든다는 점을 확인하는 것이 채점 포인트다.

[해설]

지중선로는 정전용량이 커서 무부하 상태에서도 충전전류가 흐르며, 이로 인한 충전용량(Qc)은 선로의 총 정전용량과 각속도, 전압의 제곱에 비례한다.

3상 선로의 충전용량은 상전압 기준 $Q_c=3\omega C E^2$이지만 선간전압으로 정리하면 $Q_c=\omega C V^2$로 간단해지므로, 계산 시 선로 전체 길이(50km)를 곱한 총 정전용량을 대입해야 한다.

각속도 $\omega=2\pi f$와 선간전압 22.9kV를 그대로 V에 대입하는 것이 채점 포인트이며, 상전압으로 잘못 나누어 대입하면 값이 어긋난다.

[해설]

수전단 전압을 3000V 이상으로 유지하기 위한 최대 허용 전압강하(300V)를 3상 전압강하 근사식에 대입해 흘릴 수 있는 최대 전류를 구하고, 이를 수전단 전력식에 넣어 부하전력을 산출한다.

전압강하 근사식 $e=\sqrt3\,I(R\cos\theta+X\sin\theta)$은 sinθ항까지 반영하므로, 늦은 역률이면 리액턴스에 의한 강하도 함께 더해진다는 점이 채점 포인트다.

구한 전류는 부하 측 기준이므로 부하전력은 수전단 전압 3000V와 역률 0.8을 곱한 $P=\sqrt3\,V_rI\cos\theta$로 계산하며, 송전단 전압을 쓰지 않는 것이 핵심이다.

[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 물을 끌어올리는 데 필요한 수동력에 축동력 여유(10%)를 곱하고 펌프효율로 나눈 뒤, 전동기 역률로 나눠 피상전력(kVA)으로 환산한 값이다.

양수동력식 $P=\dfrac{9.8QHK}{\eta}$에서 계수 9.8은 물의 비중량에서 오는 상수이고 K는 여유계수(1.1)이며, 여유율을 곱하는 위치와 효율로 나누는 순서를 혼동하지 않아야 한다.

V결선은 단상변압기 2대로 3상 전력을 공급하는 방식으로 전체 용량이 $P_V=\sqrt3\,P_1$이므로, 변압기 1대 용량은 전체 소요용량을 $\sqrt3$으로 나눠 구하며 3으로 나누는 Δ결선식과 혼동하지 않는 것이 채점 포인트다.

[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]

여러 고조파가 중첩된 비정현파 전류의 실효값은 각 고조파 실효값(진폭을 $\sqrt2$로 나눈 값) 제곱합의 제곱근으로 구하며, 직류분이 없으므로 각 항을 그대로 제곱합하면 된다.

서로 다른 위상(30°, 60°)을 가진 고조파라도 실효값 계산에는 위상차가 반영되지 않는다는 점이 핵심으로, 진폭만으로 $I=\sqrt{(10^2+4^2+3^2)/2}$ 형태로 정리된다.

[해설]

분기회로수는 전체 부하의 피상전력 합을 16A 분기회로 1회선 용량(전압×전류)으로 나눈 뒤, 나누어떨어지지 않으면 절상하여 정수 회로수로 정한다.

형광등은 역률 0.9이므로 소비전력을 역률로 나눠 피상전력으로 환산해야 하고, 백열등은 역률 1로 소비전력이 곧 피상전력이 되는 차이를 구분하는 것이 채점 포인트다.

총 부하 9,333.3VA를 16×220=3,520VA로 나누면 2.65가 되어 절상 규칙에 따라 3회로가 최소 분기회로수가 된다.

[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.