전기기사 실기 2022년 1회 기출유형문제 기출문제 정답·해설 페이지

[해설]

과전류차단기는 과전류로부터 회로를 보호하기 위한 것이지만, 차단되면 오히려 보호기능이 상실되거나 불필요한 곳에는 시설하지 않는다.

접지공사의 접지도체는 차단되면 감전·지락보호 기능 자체가 사라지고, 다선식 전로의 중성선과 저압 가공전선로의 접지측 전선 역시 차단 시 전위 불평형이나 보호 오작동 등 더 큰 위험을 초래하므로 과전류차단기 시설이 금지된다.

[해설]

이 순서는 계약서류 해석에서 해당 현장에 가장 특화된 문서일수록 우선한다는 원칙에 따라 정해진 것이다.

공사시방서는 그 현장 전용으로 작성된 문서라 설계도면보다 앞서고, 전문시방서·표준시방서는 범용 기준이라 그 아래 놓이며 산출내역서·상세시공도면은 참고자료 성격이라 더 후순위다.

감리자의 지시사항은 계약서류 자체가 아니라 현장 운용상의 지시에 불과하므로 관계법령의 유권해석보다도 아래인 최하위에 놓인다는 점이 채점 포인트다.

[해설]

두 입력이 같을 때 1, 다를 때 0이 되는 진리표를 보고 XOR 출력에 NOT이 붙은 XNOR(배타적 부정논리합) 회로임을 판별하면 된다.

XOR은 입력이 다르면 1이 되므로 그 부정인 XNOR은 두 입력이 일치할 때만 1이 되어 일치검출회로로 쓰인다.

논리식 $Y=\overline{A \oplus B}=\overline{A}\,\overline{B}+AB$ 는 일치 조합인 (0,0)과 (1,1) 두 행이 1이라는 사실에서 바로 유도되며, 채점 시 이 두 행을 정확히 짚었는지가 핵심이다.

[해설]

논리식의 곱(AND)은 접점 직렬, 합(OR)은 접점 병렬로 그대로 옮기면 회로가 완성된다.

$(X+\overline{Y}+Z)$ 항은 X의 a접점, Y의 b접점, Z의 a접점 세 개를 병렬로 묶은 한 군이 되고, $(Y+\overline{Z})$ 항은 Y의 a접점과 Z의 b접점을 병렬로 묶은 또 다른 군이 된다.

두 괄호가 곱(·)으로 연결돼 있으므로 두 병렬군을 직렬로 이어 출력 코일에 접속하며, b접점 표기(Ȳ, Z̄)를 a접점으로 잘못 그리지 않는 것이 채점 포인트다.

[해설]

CVCF는 정전압 정주파수 장치로, 입력 전압·주파수가 흔들려도 부하에는 일정한 전압·주파수를 공급하는 무정전 전원장치다.

건전 피더의 지락전류는 그 피더 자신의 대지정전용량에서만 발생하므로 접지콘덴서나 다른 피더의 용량은 넣지 않는다.
$C=C_2+C_{L2}=0.1+0.2=0.3$[μF]
$I_g=3\times2\pi\times60\times0.3\times10^{-6}\times220\fallingdotseq74.64$[mA]

동작 상한은 전체 대지정전용량 $C_s+C_1+C_{L1}+C_2+C_{L2}=5.6$[μF]로 흐르는 전 지락전류의 1/3이다.
$I=3\times2\pi\times60\times5.6\times10^{-6}\times220\fallingdotseq1393.36$[mA], 상한 $=\dfrac{1393.36}{3}\fallingdotseq464.45$[mA]

부동작 하한은 건전 피더 지락전류의 2배인 $2\times74.64\fallingdotseq149.29$[mA]이므로, 두 값 사이의 범위로 답해야 오동작·부동작이 모두 없다는 점이 채점 포인트다.

[해설]

PT가 정상일 때는 선간전압을 변성비로 나눈 값을 그대로 지시하지만, 어느 접속선이 끊기느냐에 따라 죽은 상은 0V, 살아있는 상은 그대로, 공통선이 끊기면 두 PT가 직렬이 되어 전압을 나눠 갖는 것이 이 문제의 핵심이다.

(1) L1측 접속선이 끊기면 PT1은 가압되지 않아 V1=0V, PT2는 L2-L3가 정상 가압되어 V2=110V이며, 개방단 V3는 PT2 2차 전압만 나타나 110V가 된다.

(2) 공통선 L2가 끊기면 PT1·PT2가 서로 직렬로 연결되어 살아있는 선간전압 L1-L3(=380V)를 동일 임피던스로 절반씩(190V) 나눠 받으므로 2차는 각각 55V가 되고, 개방단 V3는 두 2차 전압의 합인 110V를 그대로 지시한다는 점이 채점 포인트다.

[해설]

3권선 변압기의 각 권선 %리액턴스는 두 단자 간 실측값 세 개를 연립해 분해한 뒤 각 권선의 자기 용량 기준으로 환산해야 하며, 이후 전력 평형과 %임피던스 강하로 2차·3차 출력·전압을 구한다.

공통 100MVA 기준으로 환산한 $X_{ps},X_{st},X_{pt}$를 $X_p=\dfrac{X_{ps}+X_{pt}-X_{st}}{2}$ 형태의 대칭 공식에 대입해 1·2·3차 권선 리액턴스를 분리하며, 2차 리액턴스가 음수(100MVA 기준 −1%, 자기용량 50MVA 기준 −0.5%)로 나오는 것은 3권선 변압기에서 정상적으로 나타나는 현상이다.

(2)는 손실 무시 전력 평형($P_2=P_1-P_3,\;Q_2=Q_1-Q_3$)으로 2차 출력을 구하고, (3)은 각 경로의 %리액턴스 강하를 정격전압에 곱해 모선 전압을 구하는데, 진상 무효전력이 흐르는 경로는 전압이 오히려 상승한다는 방향성이 채점 포인트다.

[해설]

피뢰기 정격전압은 1선 지락 시 건전상에 걸리는 상용주파 이상전압을 견디도록 $V_n=\alpha\beta V_m$으로 계산한 값보다 큰 표준 정격 중 가장 가까운 값을 선택한다.

154kV 계통의 최고전압 $V_m$은 168kV이며 접지계수 $\alpha=0.75$, 유도계수 $\beta=1.1$을 곱하면
$V_n=0.75\times1.1\times168=138.6$[kV]

138.6kV보다 큰 표준 정격전압 중 가장 작은 값인 144[kV]를 선택하며, 계산값 자체가 아니라 이를 웃도는 표준 정격을 고르는 것이 채점 포인트다.

[해설]

22.9[kV] 특고압 수전설비 표준 단선결선도에 쓰이는 기기 약호를 우리말 명칭과 기능으로 풀어내는 문제로, 역할이 비슷한 기기끼리 짝지어 구분하는 것이 요령이다.

DS(단로기)는 부하전류를 개폐하지 않고 무전류 상태에서 회로를 분리하는 용도라 정격전압을 계통 최고전압인 25.8[kV]로 잡는다. PF는 부하전류는 그대로 흘리고 단락전류만 차단하는 반면 CB(차단기)는 부하 개폐와 고장전류 차단을 모두 담당하며, 22.9[kV] 다중접지 계통의 LA 정격전압은 18[kV], SC는 무효전력을 공급해 역률을 개선한다.

지락보호는 ZCT가 검출한 영상전류를 GR이 받아 정정값 초과 시 차단기를 트립시키는 흐름으로 완성된다. 전압계·전류계 1대로 3상을 측정하는 절환개폐기는 각각 VS·AS, MOF는 PT·CT를 한 함에 넣어 전력량계에 공급하는 계기용 변성기, DM은 15분 평균전력의 최댓값을 재는 최대수요전력계, OS는 유입개폐기다.

3.3[kV]측 차단기의 600[A] 표기는 연속 통전 가능한 정격전류를 뜻하며, 사고 시 차단 가능한 정격차단전류와 혼동하지 않아야 한다.

(1) 충전전류 $I_c=2\pi f C l\dfrac{V}{\sqrt{3}}\fallingdotseq 13.96$ [A]
(2) 충전용량 $Q_c=\sqrt{3}\,V I_c\fallingdotseq 553{,}554$ [VA] $\fallingdotseq 553.55$ [kVA]

[해설]

1선당 작용 정전용량 $C=0.4\times 7=2.8$ [μF]

(1) 충전전류 — 충전전류는 대지전압(상전압) 기준으로 흐른다.
$I_c=2\pi f C E=2\pi f C\dfrac{V}{\sqrt{3}}=2\pi\times 60\times 2.8\times 10^{-6}\times\dfrac{22{,}900}{\sqrt{3}}\fallingdotseq 13.96$ [A]

(2) 충전용량(3상)
$Q_c=3\times 2\pi f C\left(\dfrac{V}{\sqrt{3}}\right)^{2}=\sqrt{3}\,V I_c=2\pi\times 60\times 2.8\times 10^{-6}\times 22{,}900^{2}\fallingdotseq 553{,}554$ [VA] $\fallingdotseq 553.55$ [kVA]

전류는 상전압 $\dfrac{V}{\sqrt{3}}$, 3상 용량은 선간전압 $V$의 제곱으로 정리된다는 점이 핵심이다.

[해설]

네트워크 수전은 1회선 고장(n-1) 시에도 남은 변압기들이 과부하율 범위 내에서 전체 수요를 감당해야 하므로, 이 조건을 만족하는 변압기 1대 용량을 역산한다.

수요 피상전력 $S=\dfrac{5000}{0.9}\fallingdotseq5555.56$[kVA]
4회선 중 1회선 탈락을 가정해 3대가 과부하율 130%로 분담
$P_{TR}\ge\dfrac{5555.56}{3\times1.3}\fallingdotseq1424.5$[kVA]

채점 포인트는 회선수 4를 그대로 나누지 않고 고장 시 남는 대수(n-1)로 나눈다는 점과, 과부하율을 곱해 실질 부담 가능 용량을 키워준다는 점이다.

[해설]

커패시터의 용량성 리액턴스는 주파수에 반비례하므로 전류는 주파수에 정비례해 증가한다.

$I=2\pi fCV$에서 전압·용량이 일정하면 $\dfrac{I_{60}}{I_{50}}=\dfrac{60}{50}=1.2$

따라서 전류는 20% 증가하며, 저항과 달리 커패시터는 주파수가 오를수록 임피던스가 작아져 전류가 커진다는 원리가 핵심이다.

분류기 배율 $m = \dfrac{I}{I_a} = \dfrac{6}{1} = 6$
분류기 저항 $R_s = \dfrac{R_a}{m-1} = \dfrac{20\times 10^{3}}{6-1} = \dfrac{20{,}000}{5} = 4{,}000$ [Ω]
∴ 4,000 [Ω] = 4 [kΩ]

[해설]

분류기는 전류계와 병렬로 접속하여 전류를 분담시키는 저항이다. 전류계 내부저항을 $R_a$, 분류기 저항을 $R_s$ 라 하면 측정 가능한 전류는 $I = \left(1 + \dfrac{R_a}{R_s}\right) I_a$ 이다.

배율식 $m = \dfrac{I}{I_a} = 1 + \dfrac{R_a}{R_s}$ 에서 $R_s = \dfrac{R_a}{m-1}$ 이고, $m = 6$, $R_a = 20$[kΩ] 을 대입하면 $R_s = \dfrac{20}{6-1} = 4$[kΩ] = 4,000[Ω] 이다.

요구 단위가 [Ω]이면 4,000[Ω], [kΩ]이면 4[kΩ]로 답한다. 배율기(전압계 직렬, $R_m = (m-1)R_v$)와 혼동하지 않도록 한다.

[해설]

매입형 봉형 접지전극의 접지저항은 대지 고유저항률과 전극의 길이·직경으로 정해지는 대수(log) 형태의 공식으로 계산한다.

$R=\dfrac{\rho}{2\pi L}\ln\dfrac{4L}{d}$
대입 $=\dfrac{400}{2\pi\times2.4}\ln\dfrac{4\times2.4}{0.019}\fallingdotseq26.53\times6.225\fallingdotseq165.13$[Ω]

채점 포인트는 단위를 m로 통일(19mm→0.019m, 2400mm→2.4m)하는 것이며, 저항률이 클수록·전극이 짧고 가늘수록 접지저항이 커진다는 방향성도 함께 확인한다.

(1) 영상분 $V_0=\dfrac{1}{3}(V_a+V_b+V_c)\fallingdotseq 1.47\angle 45.11^\circ$ [V]
(2) 정상분 $V_1=\dfrac{1}{3}(V_a+aV_b+a^2V_c)\fallingdotseq 3.97\angle 20.54^\circ$ [V]
(3) 역상분 $V_2=\dfrac{1}{3}(V_a+a^2V_b+aV_c)\fallingdotseq 2.52\angle -19.7^\circ$ [V]

[해설]

대칭좌표법에서 상순 a-b-c이므로 연산자 $a=1\angle 120^\circ$, $a^2=1\angle 240^\circ$로 두고 각 대칭분을 구한다.

(1) 영상분
$V_0=\dfrac{1}{3}(V_a+V_b+V_c)=\dfrac{1}{3}(7.3\angle 12.5^\circ+0.4\angle -100^\circ+4.4\angle 154^\circ)\fallingdotseq 1.47\angle 45.11^\circ$ [V]

(2) 정상분
$V_1=\dfrac{1}{3}(V_a+aV_b+a^2V_c)\fallingdotseq 3.97\angle 20.54^\circ$ [V]

(3) 역상분
$V_2=\dfrac{1}{3}(V_a+a^2V_b+aV_c)\fallingdotseq 2.52\angle -19.7^\circ$ [V]

세 성분 모두 $\dfrac{1}{3}$ 배가 붙고, 정상분은 $V_b$에 $a$·$V_c$에 $a^2$, 역상분은 그 반대로 곱한다는 점만 기억하면 된다.

[해설]

발전기 최소 용량은 정상 부하 입력에 기동 시 돌입 용량을 더한 뒤 허용전압강하계수를 곱해 여유 있게 산정한다.

$\sum P=30$[kVA], $\sum P_m=37+10\times5=87$[kW], 기동용량이 가장 큰 전동기 $P_L=37$[kW]로 놓고
$PG\ge\{30+(87-37)\times1.45+(37\times1.45\times2)\}\times1.45=209.8\times1.45\fallingdotseq304.21$[kVA]

채점 포인트는 기동용량이 가장 큰 전동기 1대만 기동계수를 적용하고, 나머지 전동기는 정상 운전 입력으로만 계산한다는 점이다.

[해설]

전압변동률 정의식을 거꾸로 풀어 무부하 2차 전압을 먼저 구한 뒤 권수비를 곱해 1차 전압을 얻는다.

$V_{20}=V_2(1+\varepsilon)=115\times1.02=117.3$[V]
$V_1=a\times V_{20}=20\times117.3=2346$[V]

채점 포인트는 전압변동률이 무부하 전압 기준으로 정의된다는 점이다 — 전부하 전압(115V)에 바로 권수비를 곱하면 틀린다.

[해설]

부하중심위치는 각 부하의 소비전력량을 가중치로 삼은 좌표 가중평균이다.

$X=\dfrac{\sum W_ix_i}{\sum W_i}=\dfrac{3120}{520}=6$[m]
$Y=\dfrac{\sum W_iy_i}{\sum W_i}=\dfrac{4680}{520}=9$[m]

전력량이 큰 부하(생산라인 320kWh)일수록 부하중심이 그쪽으로 끌리는 것이 이 계산의 물리적 의미이며, X·Y를 각각 독립적으로 가중평균 내는 것이 채점 포인트다.