전기기사 실기 2023년 1회 기출유형문제 기출문제 정답·해설 페이지

[해설]

전력용 콘덴서의 자동 개폐는 수전점이나 부하의 상태를 검출해, 설정값을 벗어나면 콘덴서를 투입·차단하는 방식이다.

• 수전점 무효전력 — 지상 무효전력이 커지면 투입하고 줄면 차단해 과보상을 막는다.
• 수전점 전압 — 전압이 떨어지면 투입해 전압을 올리고, 너무 높으면 차단한다.
• 수전점 역률 — 역률이 설정값 아래로 떨어지면 투입한다.
• 부하전류 — 부하전류 크기로 무효전력이 얼마나 필요한지 간접 판단해 개폐한다.

이 밖에 부하 패턴이 일정한 곳에서는 시각·시간(타이머)에 맞춰 투입·차단하기도 한다.

[해설]

가스절연변전소(GIS)는 차단기·단로기·모선 같은 충전부를 금속 용기에 넣은 밀폐형 변전설비다. 용기 안은 절연 성능이 뛰어난 SF₆ 가스로 채운다.

• 소형화 — 가스 절연으로 절연거리가 줄어 옥외 철구형의 약 1/10~1/15 크기면 된다.
• 안전성 — 충전부가 완전히 밀폐돼 감전·화재 위험이 적다.
• 저소음·환경 조화 — 설비가 용기 안에 있어 소음이 적고 도심·지하에도 설치할 수 있다.
• 고신뢰도 — 염분·먼지 같은 대기 오염물의 영향을 받지 않는다.
• 긴 점검 주기 — 절연물·접촉자가 SF₆ 가스 속에 있어 열화가 적으므로 보수·점검 주기가 길다.

공장에서 조립해 반입하므로 현장 설치공사 기간이 짧다는 점도 대체 답안으로 쓸 수 있다.

[해설]

간선 설계는 부하 파악 → 계통 구분 → 경로 → 굵기 결정 순서로 검토한다.

• 설계조건 — 배전방식·수용률·부하율·건축조건·계량구분·동력부하를 보고 간선이 감당할 부하 규모를 정한다.
• 간선계통 — 전용간선 분리, 용도별 구분, 법적 분리를 정하고 공급전압을 결정한다.
• 간선경로 — 파이프 샤프트(배선이 지나가는 수직 통로)의 위치·크기와 루트 길이를 검토한다.
• 배선방식·간선 굵기 — 허용전류·전압강하·기계적 강도를 기본으로 하고, 고조파와 장래 증설 여유까지 반영한다.

외우는 요령: "조건 → 계통 → 경로 → 굵기" 네 단계로 묶어 기억한다.

[해설]

지중전선로는 케이블을 쓰며, 시설방식은 직접매설식·관로식·암거식 세 가지다.

• 직접매설식 — 케이블을 트로프 등으로 보호해 땅에 직접 묻는 방식이며, 공사비가 가장 싸다.
• 관로식 — 미리 묻어 둔 관로에 케이블을 넣고 맨홀끼리 잇는 방식이며, 증설·교체가 쉽다.
• 암거식 — 사람이 드나들 수 있는 지하 구조물(암거·전력구) 안에 케이블을 까는 방식이며, 대용량·다회선에 쓴다.

함께 외울 것: 직접매설식 매설깊이는 차량 등 중량물의 압력을 받을 우려가 있는 곳 1.0[m] 이상, 기타 장소 0.6[m] 이상이다.

[해설]

한국전기설비규정(KEC)의 을종 풍압하중은 빙설이 많은 지방에서 가섭선에 빙설이 붙은 상태를 가정한 하중이다.

• 두께 — 전선 둘레에 6[mm] 두께의 빙설이 붙었다고 본다.
• 비중 — 붙은 빙설의 비중은 0.9로 본다.

풍압은 빙설로 굵어진 전선의 수직투영면적에 대해 갑종의 1/2로 계산한다. 혼동 주의: 병종도 갑종의 1/2이지만, 병종은 빙설이 붙지 않은 상태를 기준으로 한다.

[해설]

드모르간 정리와 이중부정을 쓰면 AND·OR·NOT 회로를 2입력 NAND만으로, 또는 2입력 NOR만으로 바꿀 수 있다. 채점 포인트는 최종 출력이 $X = A + B\overline{C}$와 같은지다.

무접점 회로에서는 C를 NOT으로 반전해 $\overline{C}$를 만들고 B와 AND한다. 그 결과를 A와 OR하면 $X = A + B\overline{C}$가 된다.

NAND 변환에는 $X = \overline{\overline{A} \cdot \overline{B\overline{C}}}$를 쓴다. 두 입력을 묶은 NAND로 $\overline{C}$와 $\overline{A}$를 만들고, B와 $\overline{C}$를 NAND해 $\overline{B\overline{C}}$를 얻은 뒤 마지막 NAND에 $\overline{A}$와 함께 넣으면 OR 동작이 된다.

NOR 변환에는 $B\overline{C} = \overline{\overline{B} + C}$를 쓴다. 두 입력을 묶은 NOR로 $\overline{B}$를 만들고 C와 NOR해 $B\overline{C}$를 얻은 뒤, A와 NOR하고 다시 NOR로 반전하면 OR가 된다.

[해설]

합성 최대전력은 세 부하 곡선을 같은 시각끼리 더한 값의 최대이며, 나머지 지표는 모두 이 값을 기준으로 정의된다.

A·B가 함께 최대가 되는 10~12시 구간에서 $(9+7+4)\times10^{3}=20\times10^{3}$[kW]가 합성 최대이고, 이때 C는 자기 최대(6×10³)가 아니라 4×10³이다. 부등률은 각 부하 최대의 합을 합성 최대로 나눈 $\dfrac{(9+7+6)\times10^{3}}{20\times10^{3}}=1.1$이 된다.

종합부하율은 세 부하의 24시간 평균전력 합을 합성 최대전력으로 나눈 값이고, 평균전력은 각 구간의 (전력×지속시간)을 모두 더해 24로 나누어 구한다 → (5,666.67+6,083.33+3,583.33)/20,000 ≒ 76.67[%].

종합역률은 최대부하 시각의 유효·무효전력으로 구하며, 무효전력은 부하별 $Q=P\tan\theta$를 더해 10,583.33[kVar]가 되어 $\cos\theta=\dfrac{20{,}000}{\sqrt{20{,}000^{2}+10{,}583.33^{2}}}\times100\fallingdotseq88.39$[%]다. 역률 100[%]인 A는 무효전력이 0이라는 점에 주의한다.

[해설]

지중 케이블은 작용정전용량이 커서 부하가 없어도 충전전류가 흐른다. 충전전류는 대지전압(선간전압/√3)을 기준으로 구한다.

C = 0.4 × 7 = 2.8[μF]
$I_c = \omega C \dfrac{V}{\sqrt{3}}$
$I_c = 2\pi\times60\times2.8\times10^{-6}\times\dfrac{33{,}000}{\sqrt{3}}$
$I_c \fallingdotseq 20.11$ [A]

3상 충전용량은 선간전압과 충전전류를 곱해 구한다.
$Q_c = \sqrt{3}\,V I_c$
$Q_c = \sqrt{3}\times33{,}000\times20.11\times10^{-3}$
Q_c ≒ 1,149.52[kVA]

혼동 주의: 충전전류 식에 선간전압을 그대로 넣으면 값이 √3배 커진다. 반드시 V/√3을 넣는다.

[해설]

중성선에는 세 상전류를 페이저(벡터)로 합한 값이 흐르는데, 세 상전류의 크기가 서로 달라 완전히 상쇄되지 않고 42[A]가 남는다.

기준을 a상(0°)에 두면 b상은 -120°, c상은 +120° 위상이므로 각 전류를 실수부·허수부로 나눠 더해야 한다.

실수부 $=220-172\times0.5-190\times0.5=39$
허수부 $=(190-172)\dfrac{\sqrt3}{2}=15.59$
$I_n=\sqrt{39^{2}+15.59^{2}}=42$[A]

전류 크기가 아니라 ±120° 위상 배정을 실수하지 않는 것이 채점 포인트다.

[해설]

정격차단용량은 공칭전압이 아니라 절연계급별 정격전압(공칭전압×1.2/1.1)과 정격차단전류로 계산한다.

여유율을 무시하므로 주어진 3상 단락전류 7,000[A]=7[kA]를 그대로 정격차단전류로 사용한다.

$P_s=\sqrt{3}\times V_n\times I_s=\sqrt{3}\times25.8\times7=312.81$[MVA]
공칭전압 22.9[kV]를 그대로 쓰면 오답이 되므로 1.2/1.1 환산을 빠뜨리지 않아야 한다.

[해설]

a·c상 CT 2차를 잔류(Y)결선하면 전류계는 두 CT 2차전류의 벡터합인 잔류전류를 측정하는데, 평형 3상에서 이는 각 CT 2차전류의 크기와 같다.

따라서 전류계 지시 3[A]가 곧 CT 2차전류이며, 여기에 변류비 100/5=20을 곱해 1차전류를 구한다.

$I_1=\dfrac{100}{5}\times3=60$[A]
변류비를 거꾸로(5/100) 곱하지 않도록 주의한다.

[해설]

풍차의 이론출력은 수풍면적을 지나는 공기의 운동에너지이며, 풍속의 세제곱에 비례한다.

$P = \dfrac{1}{2}\rho A v^{3},\quad A = \dfrac{\pi}{4}D^{2}$
$P = \dfrac{1}{2}\times1.225\times\dfrac{\pi}{4}\times31^{2}\times16.5^{3}\times10^{-3}$
P ≒ 2,076.69[kW]

혼동 주의: 31[m]는 지름이므로 πr²로 계산하려면 반지름 15.5[m]를 넣어야 한다.

공식으로 나온 W 값을 kW로 바꾸려고 10^-3을 곱한다.

[해설]

직렬 리액터는 콘덴서와 함께 제n고조파에서 직렬공진을 일으켜 그 고조파를 흡수하도록 넣는 소자이다. 공진 조건에서 리액터 용량비는 차수의 제곱에 반비례한다.

공진 조건과 용량비
$n\omega L=\dfrac{1}{n\omega C}$
$\dfrac{\omega L}{1/\omega C}=\dfrac{1}{n^{2}}$

제3고조파(n=3) 대입
$\dfrac{1}{3^{2}}=0.1111$
이론값 11.11[%]

여기에 주파수 변동을 고려한 2[%] 여유를 더해 실용값 13[%]를 쓴다. 이론값 11[%]만 쓰면 여유 조건을 놓친 답이 된다.

[해설]

권수비 a=V₁/V₂로 2차 전압을 구하고, 전류는 3상 전력식 P=√3VIcosθ를 각 측 전압에 적용한다.

2차 정격전압은 1차 전압을 권수비로 나눠 구한다.
$V_2=\dfrac{6{,}600}{30}=220$[V]

1차 전류에는 1차 전압 6,600[V]를 대입한다.
$I_1=\dfrac{50\times10^{3}}{\sqrt3\times6{,}600\times0.8}=5.47$[A]

2차 전류에는 부하가 걸린 2차 전압 220[V]를 대입한다.
$I_2=\dfrac{50\times10^{3}}{\sqrt3\times220\times0.8}=164.02$[A]

1차 입력은 유효전력을 역률로 나눈 피상전력이다.
$P_1=\dfrac{50}{0.8}=62.5$[kVA]

검산 요령: 전류비는 권수비의 역수이므로 2차 전류는 1차 전류의 약 30배가 된다.

[해설]

단상 3선식에서 100[V] 부하는 각 외선-중성선 사이에, 200[V] 부하는 두 외선(a-c) 사이에 걸리므로 중성선에는 200V 부하전류가 흐르지 않는다.

a·c선 전류는 자신이 담당하는 100V 부하전류와 200V 부하전류의 합이고, 중성선(b) 전류는 양쪽 100V 부하전류의 차로 결정된다.

$I_a=\dfrac{600}{100}+\dfrac{1000}{200}=11$[A]
$I_b=\dfrac{400}{100}-\dfrac{600}{100}=-2$[A]
$I_c=-\dfrac{400}{100}-\dfrac{1000}{200}=-9$[A]

부호는 크기가 아니라 기준방향에 대한 상대적 흐름을 뜻하므로, 답에는 크기와 방향을 함께 밝혀야 한다.

[해설]

단자 a-b 밖에서 본 회로를 테브난 등가로 바꾸면, 최대전력 전달 조건은 부하저항을 등가내부저항과 같게 하는 것이다.

등가전압은 두 분압경로(60-20Ω, 10-40Ω)의 개방전압 차이고, 등가저항은 전원을 단락한 뒤 두 병렬쌍을 더해 구한다.

$V_{th}=176-55=121$[V], $R_{th}=8+15=23$[Ω]이므로 a-b에 넣을 저항은 23[Ω]이다.

$P_m=\dfrac{V_{th}^{2}}{4R_{th}}=\dfrac{121^{2}}{4\times23}=159.14$[W]
$W=159.14\times0.9\times600\times10^{-3}=85.93$[kJ]
최대전력에 효율 90[%]와 인가시간 600초를 곱해야 저항이 실제로 한 일이 된다.

[해설]

망상(Δ형) 계통에서 F점(모선③) 3상단락 시 고장전류는 %임피던스를 100[MVA] 기준의 실제 옴값으로 환산한 뒤 전원측(모선①·②)에서 계통을 등가 환원해 각 구간별로 나눠 흐른다.

구간 임피던스는 $Z=\dfrac{\%Z}{100}\cdot\dfrac{V^{2}}{P_{base}}$로 옴값 환산하고, 각 구간 고장전류를 구한 뒤 고장전력은 $P_s=3I^{2}Z$로 산정한다.

$Z_{13}=\dfrac{3.2}{100}\times\dfrac{154{,}000^{2}}{100\times10^{6}}=7.59$[Ω]
같은 방법으로 $Z_{23}=18.50$[Ω], $Z_{12}=26.09$[Ω]

모선①-② 구간은 전원이 반대편에서 유입돼 기준방향과 반대로 흐르는 역류가 되므로 음(-)의 부호로 방향을 구분하며, 옴 환산에서 기준전압(154[kV])과 기준용량(100[MVA])을 혼동하지 않는 것이 채점 포인트다.