전기기사 실기 2023년 3회 기출유형문제 기출문제 정답·해설 페이지

[해설]

연료전지는 연료의 화학에너지를 연소 과정 없이 전기화학반응으로 직접 전기에너지로 바꾸는 발전방식이어서, 일반 화력발전보다 발전효율이 높고 친환경적이다.

회전하는 기계요소(터빈 등)가 없어 소음·진동이 적고 고장 요인이 줄어 신뢰도가 높으며, 연소가 일어나지 않으므로 SOx·NOx 같은 대기오염물질 배출도 적다.

설비를 모듈 단위로 구성할 수 있어 소규모·분산형으로 배치하기 쉽고, 수요지 인근에 설치해 송전손실을 줄이는 데도 유리하다.

[해설]

병렬운전이 가능하려면 두 발전기의 순시 기전력이 완전히 일치해 순환전류가 흐르지 않아야 한다는 원리에서 네 조건이 나온다.

기전력의 크기가 다르면 무효 순환전류가 흐르고, 위상이 다르면 유효 순환전류(동기화전류)가 흘러 두 기가 서로 힘을 주고받게 된다.

주파수가 다르면 위상차가 시간에 따라 변동해 맥동성 순환전류가 발생하고, 파형이 다르면 고조파 성분끼리 순환전류를 만들어 권선을 과열시키므로 정현파 일치도 필수 조건이다.

[해설]

VCB는 소호·절연 매질로 고진공을 쓰는 차단기로, 이 매질 특성이 나머지 장단점을 모두 설명한다.

진공의 절연내력과 소호능력이 커서 차단시간이 짧고 고속 개폐·차단성능이 우수하지만, 그만큼 전류 차단이 급격해 개폐서지가 발생할 우려가 있다.

기름이나 가스를 쓰지 않아 화재 위험이 없고 소형·경량·불연성·저소음이며 보수가 적고 수명이 길어, 옥내 수변전반에 널리 채택된다.

[해설]

네 차단기는 아크를 소멸시키는 소호 매체에 따라 구분된다.

OCB(유입차단기)는 절연유 속에서 아크를 냉각·차단하고, GCB(가스차단기)는 절연·소호 특성이 뛰어난 SF6 가스를 이용해 현재 초고압 변전소의 주력 차단기로 쓰인다.

ABB(공기차단기)는 압축공기를 아크에 분사해 소호하며, MBB(자기차단기)는 자기력으로 아크를 소호실로 밀어 늘여서 끊는 방식이다.

[해설]

세 트립방식은 트립코일에 동작 에너지를 공급하는 방식으로 구분된다.

과전류 트립방식은 변류기(CT) 2차 전류를 직접 트립코일에 흘려 별도 전원 없이 동작하고, 콘덴서 트립방식(CTD)은 평상시 충전해 둔 콘덴서 에너지를 이용하므로 정전 시에도 트립이 가능하다.

부족전압 트립방식(UVR)은 반대로 평상시 여자 상태를 유지하다가 전압이 기준 이하로 떨어지면 스스로 개방되는 방식으로, 정전 시 자동 차단 용도로 쓰인다.

[해설]

빈칸은 ①차단, ②재폐로이며, 중성선은 차단 시 선도체보다 늦게 끊기고 재폐로 시에는 선도체와 동시 또는 그 이전에 투입되어야 한다는 것이 채점 포인트다.

중성선이 선도체보다 먼저 끊기면 접지 기준점을 잃은 채 선도체만 활선으로 남아 대지전위 상승이나 상간 불평형에 의한 감전·기기손상 위험이 커지기 때문이다.

재폐로 시에도 중성선이 먼저 연결되면 계통이 접지 기준을 회복한 상태에서 선도체가 투입되므로 순간적인 과전압 위험을 피할 수 있다.

[해설]

분기점(O)과 보호장치(P2) 사이 구간에 위험 요소가 없으면 보호장치 설치 위치를 일부 이동할 수 있도록 예외를 둔 것이 이 규정의 취지다.

그 구간 전선(S2)에 다른 분기회로나 콘센트 접속이 없어 새로운 부하가 걸릴 위험이 없고, 단락·화재·인체에 대한 위험이 최소화되도록 시설된 경우에 한해 예외가 적용된다.

이때 분기점으로부터 허용되는 최대 이동거리가 3[m]이며, 원칙은 분기점에 보호장치를 설치하는 것이다.

[해설]

출력 $X=(A\cdot B)+C$는 AND 결과와 입력 C를 OR로 묶은 값이므로, C가 H이면 A·B와 무관하게 X는 항상 H가 된다. 진리표에서 C=H인 네 행이 모두 X=H인 이유다.

C=L인 나머지 네 행은 AND 출력이 그대로 X가 되므로 A=B=H인 한 행만 X=H이고, 나머지 세 행은 L이 된다.

[해설]

자기유지 회로의 핵심은 기동용 a접점 PB1에 MC의 보조 a접점을 병렬로 연결해, PB1에서 손을 떼어도 MC 스스로의 접점으로 여자 상태를 유지시키는 구조라는 점이다.

정지용 PB2(b접점)와 열동계전기 THR의 b접점은 MC 코일과 직렬로 넣어, 둘 중 하나라도 열리면 자기유지 경로가 끊겨 MC가 즉시 소자되도록 한다.

타임차트의 채점 포인트는 THR이 t3에 동작하면 MC가 곧바로 OFF된다는 것과, THR을 t4에 수동 복귀시켜도 자기유지 경로 자체가 이미 끊어졌으므로 MC는 저절로 재기동하지 않고 PB1을 다시 눌러야 한다는 것이다.

[해설]

1차 Y결선의 중성점을 다중접지 중성선에 연결하지 않는 이유는, 한 상의 퓨즈(PF)가 용단돼 결선이 깨졌을 때 나머지 상들 사이에 순환전류가 흘러 변압기가 과부하로 소손될 수 있기 때문이다.

퓨즈 용량은 변압기 뱅크의 전부하전류를 3상 선로 기준으로 구한 뒤 1.25배의 여유율을 곱해, 그 값을 넘는 바로 위 표준 규격을 선정한다.

$I = \dfrac{750}{\sqrt{3}\times 22.9} = 18.91$[A]
$I_f = 18.91\times 1.25 = 23.64$[A]
표준값 중 이를 넘는 최소값은 30[A]이다.

[해설]

최대사용전압이 7,000[V] 이하인 권선의 절연내력시험 전압은 최대사용전압의 1.5배를 10분간 연속으로 가하는 것이 기준이다.

시험전압은 주상변압기 2대를 직렬로 승압해 만들므로 전압계는 저압(1차)측에 설치되고, 그 지시값은 시험전압을 2대분으로 나눈 뒤 변압비로 환산한 값이 된다.

접지된 전류계는 피시험 권선의 대지 누설전류를 감시해 절연파괴 여부를 판단하는 용도다.

$V = 6{,}900 \times 1.5 = 10{,}350$[V]
$V = 10{,}350 \times \dfrac{1}{2}\times\dfrac{105}{6{,}300} = 86.25$[V]

[해설]

연선의 층수와 총 소선수의 관계식 $N=3n(n+1)+1$에서 소선 37가닥은 3층 연선(n=3)에 해당한다.

연선의 외경은 지름 방향으로 소선이 (2n+1)개 늘어선 길이이므로 $D=(2n+1)d$이다.
$D = (2\times 3+1)\times 3.2 = 22.4$[mm]

[해설]

변압기 병렬운전 시 각 기의 부하분담은 정격용량에 비례하고 %임피던스(자기 용량 기준)에 반비례한다는 원리로 계산한다.

두 변압기의 %임피던스를 각각 구한 뒤 그 비로 분담비를 세우고, 전체 부하 40[kVA]를 두 대에 나눈다.

$\%Z_A = \dfrac{30\times\sqrt{0.03^2+0.04^2}}{10\times 0.22^2} = 3.10$[%]
$\%Z_B = \dfrac{20\times\sqrt{0.03^2+0.06^2}}{10\times 0.22^2} = 2.77$[%]
$\dfrac{P_A'}{P_B'} = \dfrac{2.77}{3.10}\times\dfrac{30}{20} = 1.34$
$P_A'+P_B'=40$을 풀면 $P_A' = 22.91$[kVA]

[해설]

일부하율은 하루 평균전력을 최대전력으로 나눈 값으로 부하의 평준화 정도를, 역률은 유효전력을 피상전력 $\sqrt{3}VI$으로 나눈 값으로 최대수요 시 전류 이용 효율을 나타낸다.

$\text{일부하율} = \dfrac{192/24}{12}\times 100 = 66.67$[%]
$\cos\theta = \dfrac{12\times10^3}{\sqrt{3}\times220\times34}\times100 = 92.62$[%]

[해설]

3상 차단기의 정격차단용량은 $P_s=\sqrt{3}\,V_n I_s$로 계산하며, 계산값 이상인 표준 규격 중 가장 가까운 값을 선정하는 것이 채점 포인트다.

$P_s = \sqrt{3}\times 170\times 24 = 7066.77$[MVA]
표준값 중 이를 넘는 최소값은 7300[MVA]이다.

[해설]

Δ결선 3대 중 1대를 떼고 V결선으로 운전하면 출력이 단상변압기 1대 용량의 √3배가 된다. 이를 원래 Δ뱅크 출력(1대의 3배)과 비교한 것이 출력비, 남아 있는 설비용량(1대의 2배)과 비교한 것이 이용률이다.

$\text{출력비} = \dfrac{\sqrt{3}P_1}{3P_1} = 0.5774$ → 57.74[%]
$\text{이용률} = \dfrac{\sqrt{3}P_1}{2P_1} = 0.866$ → 86.6[%]

두 값은 비교 기준(원래 뱅크 용량 vs 남은 설비용량)이 다르다는 점을 혼동하지 않아야 한다.

[해설]

서로 다른 부하를 합성할 때는 각 설비용량에 수용률을 곱하고(동력처럼 부등률이 주어지면 그 값으로 나눠) 최대수요 유효전력을 구한 뒤, 역률로부터 무효전력을 환산해 벡터 합성한 피상전력이 필요한 변압기 용량이 된다.

전등 $60\times0.8=48$[kW], 전열 $40\times0.5=20$[kW], 동력 $\dfrac{70\times0.4}{1.4}=20$[kW] → 유효전력 합 88[kW]
무효전력 합 $15.78+9.69+9.69=35.16$[kVar]
$P_a = \sqrt{88^2+35.16^2} = 94.76$[kVA]

표준용량 중 이 값을 넘는 최소값인 100[kVA]를 선정한다.

[해설]

도면은 2회선을 차단기 3대(회선당 1.5대)로 물리는 1.5차단(one and a half breaker) 방식의 2중모선으로, 모선이나 차단기 고장 시에도 무정전으로 계통을 유지할 수 있는 초고압 변전소의 표준 구성이다. ①번 분로리액터(Sh.R)는 경부하·무부하 시 장거리 송전선의 충전전류로 수전단 전압이 오르는 페란티 현상을 억제하기 위해, ③번 모선연락 차단기는 두 모선을 절체·분리해 한쪽 모선을 무정전으로 점검·보수하기 위해 설치한다.

3권선 변압기는 두 단자 사이 %임피던스 세 값을 더하고 빼서 권선별 등가값으로 분리한 뒤, 전원 측 %임피던스와 합성해 23[kV]단 단락전류를 구한다. 주어진 값은 500[MVA] 기준이므로 먼저 100[MVA] 기준으로 환산(×0.2)해야 한다.
$Z_P = \dfrac{1}{2}(2+15.6-13.4) = 2.1$[%], $Z_S = \dfrac{1}{2}(2+13.4-15.6) = -0.1$[%], $Z_T = \dfrac{1}{2}(15.6+13.4-2) = 13.5$[%]
$\%Z = 13.5+\dfrac{(2.1+0.4)(-0.1+0.67)}{(2.1+0.4)+(-0.1+0.67)} = 13.96$[%]
$I_s = \dfrac{100}{13.96}\times 2510.22\times10^{-3} = 17.98$[kA]
$P_s = \sqrt{3}\times 25.8\times 17.98 = 803.47$[MVA]

BCT 오차계급 C800은 2차 정격전류 5[A]의 20배(100[A])에서 2차 단자전압 800[V]까지 오차를 보증한다는 뜻이므로, 부담 임피던스는 $Z=\dfrac{800}{5\times 20}=8$[Ω], 부담은 $I^2Z = 5^2\times 8 = 200$[VA]로 역산된다.

증설 뱅크의 병렬운전 조건은 두 뱅크 사이에 순환전류가 흐르지 않고 부하가 용량비대로 분담되도록 극성·정격전압(권수비)·%임피던스·저항과 누설리액턴스의 비를 서로 일치시키라는 요구다.