[전기기능사 필기] 14년 3회차 기출문제 해설 페이지

중성 상태의 물질이 전자를 얻거나 잃어 (+) 또는 (-) 전기를 띠게 되는 현상을 대전이라 한다. 전자수가 많아지면 음(-)으로 대전되고, 전자를 잃으면 양(+)으로 대전된다. 충전은 콘덴서 등에 전하를 축적하는 것이고, 분극은 유전체 내부에서 전하가 한쪽으로 치우치는 현상이므로 구분된다.

전도율(도전율) $\sigma$는 고유저항 $\rho\,[\Omega\cdot\mathrm{m}]$의 역수이므로 단위도 역수가 되어 $[\mho/\mathrm{m}]=[\mathrm{S/m}]$이다. 즉 $\sigma=\dfrac{1}{\rho}$로, 저항률의 단위 $\Omega\cdot\mathrm{m}$를 뒤집은 형태다. $\Omega$는 저항, $\Omega\cdot\mathrm{m}$는 고유저항의 단위다.

비사인파(비정현파)는 푸리에 급수로 전개하면 직류분(직류파) + 기본파 + 고조파의 합으로 표현된다. 순시파는 파형의 순간값을 가리키는 말일 뿐 비사인파를 구성하는 성분이 아니다.

기자력에 의해 만들어진 자속 중 자기회로(자로)를 따라 흐르는 것이 주자속이고, 자로를 벗어나 공기 등 주위 공간으로 새어 나가는 자속을 누설자속이라 한다. 자기회로는 전기회로와 달리 공기의 투자율이 0이 아니어서 누설자속을 완전히 없앨 수 없으며, 이 때문에 누설계수를 두어 설계한다.

세 콘덴서가 직렬로 접속되어 있으므로 합성 정전용량은 역수의 합으로 구한다. $\dfrac{1}{C}=\dfrac{1}{1}+\dfrac{1}{2}+\dfrac{1}{2}=2$ 이므로 $C=\dfrac{1}{2}\,[\mu\mathrm{F}]$이다. 직렬 합성용량은 항상 가장 작은 콘덴서 값보다 작아진다는 점으로도 확인할 수 있다.

자기력선은 자기장의 방향과 세기를 나타내는 가상의 선으로, N극에서 나와 S극으로 들어가며 밀도가 조밀할수록 자기력이 세다. 한 점에서 자기장의 방향은 하나뿐이므로 자기력선은 서로 교차하거나 끊어지지 않는다.

같은 저항 $R$ 3개의 $\triangle$결선을 등가 Y결선으로 바꾸면 각 상의 저항은 $\dfrac{1}{3}$로 줄어든다. 즉 $R_{Y}=\dfrac{R_{\triangle}}{3}=\dfrac{1}{3}R\,[\Omega]$이며, 반대로 Y를 $\triangle$로 환산하면 3배가 된다.

LC 직렬회로의 리액턴스는 $X=\omega L-\dfrac{1}{\omega C}=5-25=-20\,[\Omega]$로, 값이 음(-)이므로 용량성 회로다. 전류는 $I=\dfrac{V}{|X|}=\dfrac{100}{20}=5\,[\mathrm{A}]$이며 전류가 전압보다 앞서는 진상 전류가 된다.

전장의 세기 $E$는 정의상 단위 정전하(+1 C)에 작용하는 힘의 크기이므로, $F=QE$에서 $Q=1$이면 $F=E$가 된다. 전위는 단위 전하가 갖는 위치에너지[J/C=V]로 힘이 아닌 에너지 개념이라 구분된다.

평행 도선 사이의 단위길이당 힘은 $F=\dfrac{2I_{1}I_{2}}{r}\times 10^{-7}\,[\mathrm{N/m}]$이다. 대입하면 $F=\dfrac{2\times 10\times 10}{0.05}\times 10^{-7}=4\times 10^{-4}\,[\mathrm{N/m}]$이다. 전류 방향이 같으므로 두 도선 사이에는 흡인력이 작용한다.

RL 직렬회로에서 저항 $R$과 유도리액턴스 $X_{L}=\omega L$은 위상이 90도 차이나므로 벡터적으로 더해야 한다. 따라서 임피던스 크기는 $Z=\sqrt{R^{2}+(\omega L)^{2}}\,[\Omega]$이며, 위상각은 $\theta=\tan^{-1}\dfrac{\omega L}{R}$로 전류가 전압보다 뒤진다.

전지 4개를 직렬로 하면 기전력과 내부저항이 모두 4배가 되어 $E=1.5\times 4=6\,[\mathrm{V}]$, $r=0.1\times 4=0.4\,[\Omega]$이다. 단락하면 외부저항이 0이므로 $I=\dfrac{E}{r}=\dfrac{6}{0.4}=15\,[\mathrm{A}]$이다.

저항이 일정하면 전력은 전압의 제곱에 비례한다. $P=\dfrac{V^{2}}{R}$이므로 전압이 0.9배가 되면 전력은 $0.9^{2}=0.81$배가 되어 $P=1000\times 0.81=810\,[\mathrm{W}]$이다.

강자성체는 비투자율이 1보다 훨씬 커서 자석에 강하게 끌리는 물질로 철, 니켈, 코발트가 대표적이다. 구리와 비스무트는 반자성체, 아연도 반자성체, 망간과 알루미늄은 상자성체에 속하므로 강자성체 조합이 되지 못한다.

기자력은 권수와 전류의 곱으로 $F=NI\,[\mathrm{AT}]$이다. 대입하면 $F=600\times 0.5=300\,[\mathrm{AT}]$이다. 단면적과 자로 길이, 비투자율은 자기저항(자속 계산)에 쓰이는 값이므로 기자력 자체에는 관계가 없다.

같은 용량 $C$ 2개를 병렬로 하면 $C_{P}=2C$, 직렬로 하면 $C_{S}=\dfrac{C}{2}$이다. 따라서 $\dfrac{C_{P}}{C_{S}}=\dfrac{2C}{C/2}=4$배가 된다.

순시값은 주어진 시각을 식에 그대로 대입해 구한다. $100\pi t=100\pi\times\dfrac{1}{600}=\dfrac{\pi}{6}$이므로 $e=200\sin\dfrac{\pi}{6}=200\times 0.5=100\,[\mathrm{V}]$이다.

자기 인덕턴스에 의한 유도기전력의 크기는 $e=L\dfrac{di}{dt}\,[\mathrm{V}]$이다. 대입하면 $e=100\times\dfrac{0.1}{1}=10\,[\mathrm{V}]$이며, 렌츠의 법칙에 따라 전류 변화를 방해하는 방향으로 발생한다.

Y(성형)결선에서는 선전류와 상전류가 같고, 선간전압은 두 상전압의 벡터 차가 되어 크기가 $\sqrt{3}$배, 위상은 30도 앞선다. 즉 $V_{l}=\sqrt{3}\,V_{p}$이며, $\triangle$결선에서는 반대로 $V_{l}=V_{p}$, $I_{l}=\sqrt{3}\,I_{p}$가 된다.

단상 유효전력 $P=VI\cos\theta$에서 $I=\dfrac{800}{100\times 0.8}=10\,[\mathrm{A}]$이므로 임피던스는 $Z=\dfrac{100}{10}=10\,[\Omega]$이다. 역률 0.8이면 $\sin\theta=0.6$이므로 리액턴스는 $X=Z\sin\theta=10\times 0.6=6\,[\Omega]$이다(저항분은 $R=10\times 0.8=8\,[\Omega]$).

전기자 반작용은 전기자 전류가 만드는 자속이 주자속을 왜곡·감소시키는 현상으로, 이를 없애려면 자극편에 보상권선을 감아 전기자 전류와 반대 방향의 전류를 흘리고 보극을 설치해 정류 시 발생하는 기전력을 상쇄시킨다. 브러시를 중성점 밖으로 이동시키는 것은 반작용 자체를 없애는 것이 아니라 불꽃을 임시로 줄이는 대응책일 뿐이다.

회전자(2차) 회로의 주파수는 슬립에 비례하여 $f_{2}=s\,f_{1}$이다. 대입하면 $f_{2}=0.05\times 60=3\,[\mathrm{Hz}]$이다. 정지 시(s=1)에는 전원 주파수와 같고, 동기속도에 가까워질수록 낮아진다.

동기전동기는 부하와 여자 상태에 관계없이 항상 동기속도 $N_{s}=\dfrac{120f}{P}$로 회전하므로, 여자전류를 바꿔도 속도는 변하지 않는다. 반면 여자전류를 바꾸면 역기전력의 크기가 달라져 전기자 전류와 역률이 변하며, 이 성질을 이용한 것이 위상특성곡선(V곡선)과 동기조상기다.

B종 절연물의 최고 허용온도는 130℃이므로, 기준 주위온도 40℃를 빼면 허용 온도상승 한도는 90℃가 된다. 참고로 절연 종별 최고 허용온도는 Y종 90, A종 105, E종 120, B종 130, F종 155, H종 180℃이다.

변압기의 전압비는 권수비와 같으므로 $\dfrac{V_{1}}{V_{2}}=\dfrac{N_{1}}{N_{2}}$이다. 대입하면 $V_{1}=100\times\dfrac{80}{320}=25\,[\mathrm{V}]$로, 2차 권수가 더 많으므로 승압 변압기로 동작한다.

다이오드 4개를 브리지 모양으로 접속한 회로로, 입력의 (+)·(-) 반주기 모두 부하에 같은 방향의 전류를 흘리므로 단상 전파(브리지) 정류회로다. 중간탭 변압기가 필요 없고 맥동률이 작아 실제 정류기로 널리 쓰이며, 반파 정류회로라는 설명은 맞지 않는다.

회전계자형은 전기자를 고정자로 두어 고전압 권선의 절연이 쉽고, 발생한 고전압을 슬립링 없이 단자에서 바로 인출할 수 있으며, 회전부인 계자는 구조가 단순해 기계적으로 튼튼하게 만들 수 있다. 전기자는 오히려 고정되어 있으므로 '전기자가 고정되어 있지 않다'는 설명은 회전계자형의 특징이 아니다.

비례추이는 권선형 유도전동기에서 2차 저항을 $m$배 하면 같은 토크를 내는 슬립도 $m$배가 되는 성질로, 토크·1차 전류·2차 전류·역률·동기와트가 비례추이한다. 반면 출력, 효율, 2차 동손, 저항손은 2차 저항을 바꾸면 값 자체가 달라지므로 비례추이하지 않는다.

단락전류는 임피던스 강하(퍼센트 임피던스)에 반비례하여 $I_{s}=\dfrac{100}{\%Z}\,I_{n}$으로 구한다. 대입하면 $I_{s}=\dfrac{100}{5}I_{n}=20\,I_{n}$이므로 정격전류의 20배가 흐른다.

직권 발전기는 계자권선과 전기자권선, 부하가 모두 직렬이므로 부하전류가 곧 여자전류가 되고, 무부하에서는 자기여자에 의한 전압확립이 일어나지 않아 승압기(부스터)로 쓰인다. 단자전압은 유기기전력에서 내부 전압강하를 뺀 값이므로 $V=E-I(r_{a}+r_{s})\,[\mathrm{V}]$가 되어야 하며, 부호가 (+)로 된 설명은 옳지 않다.

동기속도는 $N_{s}=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times 50}{6}=1000\,[\mathrm{rpm}]$이다. 슬립은 $s=\dfrac{N_{s}-N}{N_{s}}=\dfrac{1000-955}{1000}=0.045$이므로 4.5[%]이다.

직권전동기는 토크가 전기자 전류의 제곱에 비례하여 기동 토크가 매우 크고, 부하가 커지면 속도가 자동으로 낮아져 출력이 거의 일정하게 유지되므로 전기철도·크레인·전동차 같은 큰 기동 토크가 필요한 용도에 적합하다. 분권전동기는 속도가 거의 일정한 정속도 특성이라 이런 용도에는 맞지 않는다.

배전선로는 위치에 따라 전압강하가 달라 수용가 전압이 규정 범위를 벗어날 수 있으므로, 주상변압기 1차(고압)측에 여러 개의 탭을 두어 권수비를 바꿔 2차 전압을 규정값으로 맞춘다. 즉 탭 절환의 목적은 선로 전압 조정이며, 역률 개선은 전력용 콘덴서가 담당한다.

슬립은 동기속도와 회전자속도의 차를 동기속도로 나눈 값이다. $s=\dfrac{N_{s}-N}{N_{s}}=\dfrac{1800-1728}{1800}=0.04$이므로 4[%]이다.

브흐홀츠 계전기는 변압기 내부 고장으로 절연유가 분해되어 발생한 가스나 급격한 유류의 흐름을 검출하는 기계적 보호장치이므로, 가스·기름이 반드시 지나가는 변압기 본체와 컨서베이터 사이의 연결관(파이프) 도중에 설치한다. 본체 내부나 부싱에 설치하면 이동하는 가스 흐름을 포착할 수 없다.

와전류손은 $P_{e}\propto t^{2}f^{2}B_{m}^{2}$로 철심 두께의 제곱에 비례하므로, 얇은 강판을 절연해 겹친 성층철심으로 만들면 크게 줄어든다. 여기에 규소를 함유시키면 철심의 저항률이 높아지고 히스테리시스손도 줄어들어 규소강판 성층철심이 표준적으로 쓰인다.

동기속도는 $N_{s}=\dfrac{120f}{P}=\dfrac{120\times 60}{4}=1800\,[\mathrm{rpm}]$이다. 회전자속도는 $N=(1-s)N_{s}=(1-0.05)\times 1800=1710\,[\mathrm{rpm}]$이다.

자기(자체) 기동법에서는 계자권선을 개방한 채 기동하면 회전자계가 권수가 많은 계자권선을 끊어 매우 높은 전압이 유기되어 절연이 파괴될 수 있다. 이를 막기 위해 기동 중에는 계자권선을 저항(약 10배)을 통해 단락시켜 두고, 속도가 동기속도에 가까워지면 직류 여자를 가한다.

3권선 변압기는 하나의 자기회로에 1차·2차·3차 세 개의 전기회로를 가진 변압기로, 보통 3차 권선을 $\triangle$결선하여 제3고조파를 순환시키고 여기에 동기조상기(조상설비)를 접속해 송전선의 전압조정과 역률 개선에 이용한다. 소내 전원 공급용으로도 쓰인다.

동기기의 1상 출력은 전기자 저항을 무시하면 $P_{1}=\dfrac{VE}{X_{s}}\sin\delta$이므로, 3상 출력은 $P=\dfrac{3VE}{X_{s}}\sin\delta\,[\mathrm{W}]$이다. 부하각 $\delta=90^{\circ}$에서 최대 출력이 되며, 이를 넘으면 탈조(동기 이탈)한다.

배전반과 분전반은 개폐기 조작과 점검·보수를 수시로 해야 하므로 노출되어 접근이 쉽고, 안정된 장소, 전기회로를 쉽게 조작할 수 있는 장소에 시설해야 한다. 접근이 어려운 장소는 사고 시 신속한 차단과 유지보수가 곤란하므로 설치 장소로 적합하지 않다.

오스터(oster)는 금속관 끝에 나사(관용 나사)를 내는 전용 공구로, 다이스를 관 굵기에 맞춰 끼워 회전시켜 나사산을 만든다. 파이프 벤더는 관을 구부릴 때, 파이프 렌치는 관을 물어 돌릴 때, 볼트클리퍼는 굵은 전선·볼트를 절단할 때 쓰는 공구다.

구 판단기준에서 무대, 무대마루 밑, 오케스트라박스, 영사실 등 흥행장의 저압 옥내배선은 사용전압을 400V 미만으로 제한하고 있다. 관객과 출연자가 밀집해 접촉 위험이 크기 때문에 일반 옥내배선보다 전압을 낮게 제한한 것이다. ※ 현행 KEC 기준으로는 저압 구분이 바뀌어 이 규정이 '400V 이하'로 표기된다.

사용전압 400V 이상에서는 금속관, 케이블, 금속덕트, 버스덕트, 가요전선관 공사 등만 시설할 수 있다. 합성수지 몰드공사, 금속 몰드공사, 라이팅덕트공사는 모두 400V 미만(현행 400V 이하)의 건조한 장소에만 시설할 수 있는 공사 방법이므로 해당되지 않는다.

트위스트 접속은 두 단선을 서로 꼬아 접속하는 방법으로, 단면적 6mm2 이하(지름 3.2mm 이하)의 가는 단선에만 적합하다. 그보다 굵은 10mm2 이상의 전선은 손으로 꼬기 어려워 브리타니아 접속이나 슬리브·압축단자 접속을 사용한다.

지선은 목주, A종 철주, A종 철근콘크리트주처럼 자체 강도만으로는 하중을 견디기 어려운 지지물의 강도를 보강하기 위해 시설한다. 철탑은 그 자체로 필요한 강도를 갖도록 설계되므로 지선을 사용하여 강도를 분담시켜서는 안 된다.

ZCT(영상변류기)는 3상 전선을 함께 관통시켜 정상 시 합이 0인 영상전류를 검출하는 기기로, 지락이 생기면 나타나는 영상전류를 지락계전기(GR)에 공급한다. CT는 부하전류(과전류) 검출, PT는 전압 변성, MOF는 전력량 계량을 위한 계기용 변성기다.

구 판단기준의 과전류차단기용 A종 퓨즈는 정격전류의 110%에 견디어 용단되지 않아야 하고, 정격전류의 130%·200% 전류에서는 정해진 시간 안에 용단되어야 한다(B종은 130%에 용단되지 않을 것). ※ 현행 KEC에서는 저압 퓨즈를 gG 등 규격별 불용단·용단 전류 배수 기준으로 규정한다.

라이팅덕트공사에서 덕트는 조영재에 견고하게 붙이되 지지점 간의 거리를 2m 이하로 하여야 한다. 또한 덕트의 끝부분은 막고, 개구부는 아래로 향하게 시설하며 사용전압은 400V 미만(현행 400V 이하)이어야 한다.

소선 1가닥의 단면적은 $A_{1}=\dfrac{\pi d^{2}}{4}=\dfrac{\pi\times 1.2^{2}}{4}\approx 1.13\,[\mathrm{mm^{2}}]$이다. 전체 단면적 8mm2을 나누면 $\dfrac{8}{1.13}\approx 7$가닥이 되며, 실제 연선은 1·7·19·37가닥처럼 중심 1가닥 둘레를 감싸는 구성을 하므로 7가닥이 된다.

지선에 연선을 사용하는 경우 소선 3가닥 이상의 연선이어야 하고, 소선의 지름은 2.6mm 이상(인장강도 0.68kN/mm2 이상)이어야 한다. 이 밖에 안전율 2.5 이상, 허용 인장하중 4.31kN 이상, 지중·지표상 30cm까지는 아연도금 철봉 사용 등의 기준이 함께 적용된다.

토치 램프는 경질비닐전선관(VE관)처럼 열을 가해야 구부러지는 관을 가공할 때 쓰는 공구다. 합성수지 가요전선관(CD관·PF관)은 이름 그대로 가요성이 있어 손으로 자유롭게 구부릴 수 있으므로 가열이 필요 없고, 오히려 가열하면 관이 손상된다.

화약고 등 위험장소의 전기설비는 전로의 대지전압을 300V 이하로 하고, 전기기계기구는 전폐형을 사용하며, 전용 개폐기와 과전류차단기는 화약고 이외의 장소에 시설하고 그 지점부터 화약고 인입구까지의 배선은 지중선으로 하여야 한다. 따라서 전폐형 기계기구 사용만이 옳은 설명이다.

구 판단기준의 네온방전등 공사에서 네온 변압기의 외함에는 제3종 접지공사를 하여야 한다. 관등회로의 배선은 애자사용공사로 하고 전개된 장소 또는 점검할 수 있는 은폐된 장소에 시설한다. ※ 현행 KEC 기준으로는 접지공사 종별(제1종~특별 제3종)이 폐지되고 보호도체 굵기와 접지저항 요구값으로 통합되었다.

22.9kV-Y 다중접지 계통은 중성선을 여러 곳에서 반복 접지하여 계통 전위를 안정시키는 방식이므로, 완금(완철) 등 지지물 금속부의 접지선은 그 중성선에 연결한다. 이렇게 하면 지락 시 고장전류의 귀로가 확보되어 보호장치가 확실히 동작한다.

수영장 등의 수중조명등은 물속에서 사용되어 감전 위험이 매우 크므로, 절연변압기를 통해 시설하고 그 2차측 전로 전압이 30V를 초과하는 경우 조명등을 넣는 용기의 금속제 부분에 특별 제3종 접지공사(접지저항 10Ω 이하)를 하여야 한다. ※ 현행 KEC 기준으로는 접지공사 종별이 폐지되고 수중조명등은 절연변압기·누전차단기 등 보호요건으로 규정된다.

S형 슬리브는 슬리브를 전선에 끼운 뒤 비틀어 접속하는 방식으로, 단선과 연선 모두에 사용할 수 있다. 전선 굵기에 맞는 슬리브를 골라 전선 끝이 슬리브에서 조금 나오도록 하고, 열린 쪽 홈의 측면을 고르게 눌러 밀착시켜야 한다.

저압 연접인입선은 인입선 분기점에서 100m를 넘는 지역에 미치지 않아야 하고, 폭 5m를 넘는 도로를 횡단하지 않아야 하며, 옥내를 관통해서도 안 된다. 전선은 절연전선·케이블로서 지름 2.6mm 이상(경간 15m 이하이면 2.0mm 이상)이어야 하므로 '1.5mm2 이하'라는 설명은 옳지 않다.

누름나사(푸시인)단자에 전선을 접속할 때는 도체가 단자 안에서 충분히 물리도록 단자 깊이의 끝까지 완전히 삽입해야 한다. 2/3 위치까지만 넣으면 접촉면적이 부족해 접촉저항과 발열이 커지고 빠질 우려가 있으므로 잘못된 설명이다.

제3종 접지공사는 400V 미만 저압용 기기의 금속제 외함 등에 시행하여, 절연 열화로 누전이 생겼을 때 외함에 나타나는 대지전압을 낮추고 누전전류를 대지로 흘려 사람이 접촉해도 감전되지 않도록 하는 것이 주된 목적이다. 기기 자체의 손상 방지나 과전류 차단은 퓨즈·차단기의 역할이다. ※ 현행 KEC 기준으로는 접지공사 종별이 폐지되고 계통접지(TN·TT·IT)와 보호도체 규정으로 통합되었다.