[전기기능사 필기] 13년 4회차 기출문제 해설 페이지

그림에서 오른쪽의 C와 C가 병렬이므로 $C_p=C+C=2C$이고, 여기에 왼쪽의 2C가 직렬로 접속되어 있다. 직렬 합성은 $C_{ab}=\dfrac{2C\times2C}{2C+2C}=\dfrac{4C^2}{4C}=C$이다. 정전용량은 병렬이면 합, 직렬이면 곱÷합으로 계산한다.

볼타 전지에서는 이온화 경향이 큰 아연판이 녹으면서 전자를 내놓으므로 아연이 음극(-), 구리가 양극(+)이 된다. 용액 속의 수소이온이 구리판에서 전자를 받아 환원되므로 양극인 구리판 표면에서 수소 기체가 발생한다.

자기회로의 옴 법칙 $R_m=\dfrac{F}{\Phi}$에서 기자력 $F$의 단위는 AT, 자속 $\Phi$의 단위는 Wb이므로 자기저항의 단위는 AT/Wb이다. AT/m는 자계의 세기 단위이므로 혼동하지 않도록 한다.

역률 개선용 콘덴서 용량은 $Q_c=P(\tan\theta_1-\tan\theta_2)$로 구한다. 역률 0.8이면 $\tan\theta_1=\dfrac{0.6}{0.8}=0.75$이고 역률 100%이면 $\tan\theta_2=0$이므로 $Q_c=4000\times0.75=3000\,\mathrm{kVA}$이다.

정현파의 실효값은 $\dfrac{I_m}{\sqrt2}$이므로 순시값과 같아지는 조건은 $I_m\sin\omega t=\dfrac{I_m}{\sqrt2}$이다. 즉 $\sin\omega t=\dfrac{1}{\sqrt2}=0.707$이므로 $\omega t=45^\circ$일 때 두 값이 일치한다.

원자핵은 양성자와 중성자가 결합한 것이므로 원자핵의 질량만으로도 양성자와 중성자의 질량 합에 해당하며, 여기에 전자의 질량까지 더한 것이 가장 무겁다. 전자의 질량은 양성자의 약 1/1840에 불과해 그 자체로는 비교에 결정적이지 않다.

도체가 자기장 속에서 운동할 때 유도되는 기전력의 방향은 플레밍의 오른손 법칙으로 판정하며, 이것이 발전기의 원리다. 왼손 법칙은 전자력의 방향을 나타내는 전동기의 원리이고, 렌츠의 법칙은 유도전류가 자속 변화를 방해하는 방향으로 흐른다는 내용이다.

부하 임피던스의 크기는 $|Z|=\sqrt{8^2+6^2}=10\,\Omega$이므로 상전류는 $I_p=\dfrac{V_p}{|Z|}=\dfrac{100}{10}=10\,\mathrm{A}$이다. Y결선에서는 선전류와 상전류가 같으므로 선전류도 10 A다.

전기장의 세기는 단위 전하에 작용하는 힘 $E=\dfrac{F}{Q}$[N/C]로 정의되며, 이는 단위 길이당 전위차인 V/m와 같은 단위다. AT/m는 자계의 세기, F/m는 유전율, H/m는 투자율의 단위다.

원형 코일 중심의 자계는 $H=\dfrac{NI}{2r}$이므로 $850=\dfrac{50\times I}{2\times0.2}=125I$가 된다. 따라서 전류는 $I=\dfrac{850}{125}=6.8\,\mathrm{A}$이다.

a-b 간 전압이 일정하므로 소비전력은 $P=\dfrac{V^2}{R}$에 따라 합성저항이 가장 작은 회로에서 최대가 된다. 같은 저항 4개로 만들 수 있는 최소 합성저항은 전부 병렬로 접속했을 때의 $\dfrac{R}{4}$이므로 이 접속에서 소비전력이 가장 크다. 반대로 4개를 모두 직렬로 하면 $4R$이 되어 전력이 가장 작다.

두 코일을 같은 방향으로 직렬 접속하면 가동 결합이 되어 상호 인덕턴스가 양쪽 코일에 각각 더해지므로 $L=L_1+L_2+2M$이 된다. 반대 방향으로 접속한 차동 결합이면 $L=L_1+L_2-2M$이다.

R-C 직렬회로의 임피던스는 $Z=\sqrt{R^2+X_C^2}$이므로 $Z=\sqrt{9^2+12^2}=\sqrt{225}=15\,\Omega$이다. 저항과 리액턴스는 위상이 90° 다르므로 단순히 더한 21 Ω이 되지 않는다.

전기력선은 등전위면과 항상 직각으로 교차하므로 '등전위면과 교차하지 않는다'는 설명은 옳지 않다. 나머지 보기는 모두 전기력선의 기본 성질로, 양전하에서 나와 음전하로 들어가며 접선 방향이 전계의 방향이고 도중에 끊어지거나 서로 교차하지 않는다.

물을 데우는 데 필요한 열량은 $Q=mc\Delta T=5000\times1\times(40-10)=150{,}000\,\mathrm{cal}=150\,\mathrm{kcal}$이다. 1 kW 전열기가 효율 80%로 1시간에 내는 열량은 $860\times1\times0.8=688\,\mathrm{kcal}$이므로 소요 시간은 $t=\dfrac{150}{688}\times60\approx13\,\text{분}$이다.

파형률은 실효값을 평균값으로 나눈 값으로, 정현파에서는 약 1.11이다. 최대값을 실효값으로 나눈 값은 파고율이며 정현파에서 $\sqrt2\approx1.414$가 된다.

분류기는 전류계와 병렬로 접속해 전류의 일부를 우회시킴으로써 측정범위를 넓히는 저항이다. 배율기는 전압계와 직렬로 접속해 전압 측정범위를 넓히는 것이므로 접속 방법이 반대다.

△결선에서 한 선이 끊어지면 한 상은 선간전압을 그대로 받고 나머지 두 상은 직렬이 되어 저항이 2배가 된다. 이때 전력은 $\dfrac{V^2}{R}+\dfrac{V^2}{2R}=\dfrac{3V^2}{2R}$로, 단선 전의 $\dfrac{3V^2}{R}$의 $\dfrac{1}{2}$로 줄어든다.

도선의 저항은 $R=\rho\dfrac{l}{A}$이므로 길이를 4배로 하고 저항을 그대로 유지하려면 단면적도 4배가 되어야 한다. 단면적은 반지름의 제곱에 비례하므로 반지름을 2배로 늘리면 된다.

회로 전체의 임피던스는 $Z=\dfrac{V}{I}=\dfrac{100}{4}=25\,\Omega$이다. R-C 직렬회로이므로 $X_C=\sqrt{Z^2-R^2}=\sqrt{25^2-15^2}=\sqrt{400}=20\,\Omega$이다.

반발 기동형은 정류자와 브러시로 회전자 권선을 단락시켜 생기는 반발력으로 기동하므로 단상 유도전동기 중 기동 토크가 가장 크다. 기동 토크의 크기는 반발 기동형 > 콘덴서 기동형 > 분상 기동형 > 세이딩 코일형 순이다.

철손은 히스테리시스손과 와류손의 합으로 자속밀도, 즉 인가전압과 주파수에 의해 정해지므로 부하전류와 관계없는 무부하손이다. 부하전류의 제곱에 비례하는 것은 권선에서 생기는 동손이다.

단상 반파 정류회로의 직류 평균전압은 $E_{do}=\dfrac{\sqrt2 E}{\pi}=0.45E$이다. 참고로 단상 전파는 $0.9E$, 3상 반파는 $1.17E$, 3상 전파는 $1.35E$이다.

평복권 발전기는 직권 계자에 의한 전압 상승분이 전기자 반작용과 내부 전압강하를 상쇄하도록 감아, 무부하 전압과 전부하 전압이 같아지도록(전압변동률 0) 설계한 것이다. 분권 발전기는 부하가 늘면 단자전압이 다소 떨어지고, 차동복권은 더 크게 떨어진다.

변압기의 전압변동률은 $\varepsilon=p\cos\theta+q\sin\theta$로 구한다. 역률 80%이면 $\sin\theta=0.6$이므로 $\varepsilon=2\times0.8+3\times0.6=1.6+1.8=3.4\,\%$이다.

2차 입력과 2차 동손의 관계는 $P_{c2}=sP_2$이므로 회전자 입력은 $P_2=\dfrac{P_{c2}}{s}$이다. 대입하면 $P_2=\dfrac{0.4}{0.04}=10\,\mathrm{kW}$이다.

변압기의 권수비는 $a=\dfrac{6600}{220}=30$으로 일정하다. 따라서 1차에 2850 V를 가하면 2차 전압은 $V_2=\dfrac{V_1}{a}=\dfrac{2850}{30}=95\,\mathrm{V}$이다.

세이딩 코일형은 세이딩 코일에 항상 단락전류가 흘러 손실이 크기 때문에 역률과 효율이 모두 나쁘다. 구조가 간단하고 값이 싸다는 이유로 수십 W 이하 소형 기기에 쓰일 뿐이며, 기동 토크가 작고 속도변동률이 크며 회전방향을 바꿀 수 없는 것도 단점이다.

자기 기동법은 회전자 자극면에 설치한 제동권선이 농형 유도전동기의 회전자처럼 작용해 생기는 토크로 동기전동기를 기동시키는 방법이다. 이때 계자권선을 열어 두면 고전압이 유기되므로 적당한 저항을 통해 단락시켜 둔다.

병렬운전 중 기전력에 위상차가 생기면 두 발전기 사이에 유효 순환전류(동기화 전류)가 흘러 위상이 앞선 쪽은 부하가 늘고 뒤진 쪽은 줄어드는 동기화력이 작용해 위상이 같아진다. 무효 순환전류가 흘러 권선이 과열되는 것은 기전력의 크기가 다를 때 나타나는 현상이다.

슬립은 동기속도에 대한 회전자의 상대속도 비이므로 $s=\dfrac{n_s-n}{n_s}$로 정의한다. 정지 상태에서는 $s=1$, 동기속도로 회전하면 $s=0$이 되며, 일반적인 운전 상태에서는 수 % 정도다.

초퍼는 반도체 스위치를 고속으로 on-off 하여 직류 전압의 크기를 조절하는 직류-직류 변환장치로, 직류 전동기의 속도제어에 널리 쓰인다. 인버터는 직류를 교류로, 컨버터(정류회로)는 교류를 직류로 바꾼다.

비율차동 계전기는 보호구간에 유입하는 전류와 유출하는 전류의 차가 억제 전류에 대해 일정 비율 이상일 때 동작하는 계전기로, 변압기나 발전기의 내부 고장 보호에 사용된다. 거리 계전기는 전압과 전류의 비로 고장점까지의 임피던스를 판정한다.

3상 유도전동기의 회전방향은 회전자계의 상순에 의해 정해지므로 전원에 접속된 3개의 단자 중 임의의 2개를 서로 바꿔 접속하면 상순이 반대가 되어 역회전한다. 전압이나 주파수를 바꾸는 것은 속도와 토크에 영향을 줄 뿐 회전방향을 바꾸지 못한다.

정류 불량의 원인인 리액턴스 전압에 의한 단락전류를 억제하려면 접촉저항이 큰 탄소 브러시를 사용해야 하므로 접촉저항이 작은 브러시를 쓴다는 설명은 틀리다. 보극을 설치해 리액턴스 전압을 상쇄하고, 보극 권선을 전기자와 직렬로 접속하며, 브러시를 회전방향으로 약간 이동시키는 것은 모두 옳은 대책이다.

동기전동기는 부하 변동이나 외란에 대해 난조가 생기기 쉽고, 속도가 $N_s=\dfrac{120f}{P}$로 고정되어 있어 전원 주파수를 바꾸지 않는 한 속도제어가 간단하지 않다. 역률을 임의로 조정할 수 있어 동기 조상기로 쓰이고, 가변 주파수 전원으로 정밀 속도제어에 쓰이는 것은 옳은 설명이다.

분권전동기의 역기전력은 $E=V-I_aR_a=120-100\times0.2=100\,\mathrm{V}$이다. 발생 동력(기계적 출력에 해당하는 전기적 환산값)은 $P=EI_a=100\times100=10{,}000\,\mathrm{W}=10\,\mathrm{kW}$이다.

직류 전동기의 회전수는 $N=K\dfrac{V-I_aR_a}{\phi}$로 자속에 반비례한다. 따라서 자속을 2배로 하면 회전수는 $\dfrac{1}{2}$로 줄어들며, 반대로 계자를 약하게 하면 속도가 올라가는 것이 계자 제어의 원리다.

△-△와 △-Y를 조합하면 2차 전압 사이에 30°의 위상차가 생겨 큰 순환전류가 흐르므로 병렬운전이 불가능하다. △나 Y 결선이 짝수 개로 조합되면(△-△와 Y-Y, △-Y와 △-Y 등) 위상차가 없어 병렬운전이 가능하다.

공극이 넓으면 자기저항이 커져 같은 자속을 얻는 데 여자전류가 많이 필요하고 그만큼 단락비가 커지며 동기 임피던스는 작아진다. 동기 임피던스가 작으므로 전압변동률은 오히려 작아지고 안정도는 좋아지므로 '전압변동이 크다'는 설명이 잘못이다.

트위스트 접속은 두 단선을 서로 꼬아서 잇는 방법으로, 굵기가 6 mm² 이하인 가는 단선에 적용한다. 그보다 굵은 단선은 브리타니아 접속 등 다른 방법을 사용한다.

제시된 심벌은 전력용(진상용) 콘덴서를 나타내며 약호로는 SC로 표기한다. 부하와 병렬로 설치해 지상 무효전력을 보상함으로써 역률을 개선하고 전압강하와 전력손실을 줄인다.

DV전선(인입용 비닐절연전선)과 OW전선(옥외용 비닐절연전선)은 옥내 배선에 사용할 수 없으므로 부식성 가스가 있는 장소의 애자사용배선에 DV전선을 쓴다는 설명은 적합하지 않다. 부식성 가스 장소에서는 애자사용·합성수지관·금속관·케이블 공사 등으로 시설하며, 부득이 나전선을 쓰는 경우 조영재와 4.5 cm 이상 떨어뜨린다.

금속몰드 공사는 사용전압이 400 V 미만인 곳으로서 옥내의 건조한 노출장소나 점검할 수 있는 은폐장소에만 시설할 수 있다. ※ 현행 KEC 기준으로는 같은 제한이 사용전압 400 V 이하로 표현된다.

합성수지관의 구부림 반지름은 안지름의 6배에 바깥지름의 1/2을 더해 $r=6\times18+\dfrac{22}{2}=119\,\mathrm{mm}$로 구한다. 직각으로 구부리면 구부림 부분은 반지름 $r$인 원둘레의 1/4이므로 $L=2\pi r\times\dfrac{90}{360}=\dfrac{2\pi\times119}{4}\approx187\,\mathrm{mm}$이다.

셀룰라덕트의 부속품은 강판 또는 강대로 제작한 것이어야 하며 알루미늄 판으로 특수 제작한 것은 인정되지 않는다. 판 두께 1.6 mm 이상, 덕트 끝과 내면이 매끈할 것, 내외면에 도금 또는 도장을 할 것은 모두 옳은 조건이다.

지중전선로에서 저압용으로는 비닐 외장·폴리에틸렌 외장·클로로프렌 외장 케이블을 쓰고, 고압용으로는 콤바인덕트(CD) 케이블을 사용한다. CD 케이블은 외장이 튼튼해 직접 매설식에 적합하다.

교통신호등 제어장치의 2차측 배선, 즉 제어장치에서 신호등 전구까지의 전로에 사용하는 전압은 300 V 이하로 제한한다. 또한 사용전압이 150 V를 넘는 경우에는 지락 발생 시 자동으로 전로를 차단하는 장치를 시설해야 한다.

사용전압 400 V 이상의 저압에서 금속관과 부속품에는 원칙적으로 특별 제3종 접지공사를 하지만, 사람이 접촉할 우려가 없도록 시설한 경우에는 제3종 접지공사로 완화할 수 있다. ※ 현행 KEC 기준으로는 접지공사의 종별(제1·2·3종, 특별 제3종)이 폐지되고 계통접지·보호접지 체계로 통합되었다.

금속관을 구부릴 때는 히키(파이프 벤더)를 사용하며, 토치램프와 스프링 벤더는 합성수지관을 가공할 때 쓰는 공구이므로 잘못된 설명이다. 나사내기는 오스터, 절단은 쇠톱이나 파이프 커터, 아우트렛 박스의 천공은 녹아웃 펀치를 사용한다.

주상 변압기에서 고압과 저압이 혼촉하면 저압 측에 고전압이 걸려 위험하므로 이를 방지하기 위해 2차측 중성점 또는 1단자에 제2종 접지공사를 한다. ※ 현행 KEC 기준으로는 접지공사 종별이 폐지되고 '고압·특고압과 저압의 혼촉에 의한 위험방지 시설'(계통접지)로 규정한다.

저압 구내 가공인입전선은 지름 2.0 mm 이상의 절연전선을 사용하되, 전선의 길이가 15 m를 초과하는 경우에는 지름 2.6 mm 이상의 것을 사용해야 한다. 경간이 길어질수록 전선에 걸리는 기계적 장력이 커지기 때문이다.

금속관에 같은 굵기의 절연전선을 넣을 때는 피복을 포함한 전선의 총 단면적이 관 내부 단면적의 48% 이하여야 한다. 굵기가 서로 다른 전선을 넣는 경우에는 32% 이하로 더 엄격하게 제한한다.

석유류를 저장하는 곳은 위험물이 있는 장소이므로 금속관 공사, 케이블 공사, 두께 2 mm 이상의 합성수지관 공사만 인정된다. 전선이 그대로 노출되는 애자사용 공사는 위험물 장소에 시설할 수 없다.

가요전선관은 굴곡 개소가 많은 곳이나 전동기·형광등 기구에 이르는 짧은 부분처럼 진동과 굽힘이 있는 곳에 사용하는 것이다. 수변전실에서 배전반에 이르는 간선 부분은 기계적 강도가 요구되므로 금속관이나 금속덕트 공사로 시설하며 가요전선관은 적당하지 않다.

무대, 무대 밑, 오케스트라 박스, 영사실 등 사람이나 무대 도구가 접촉할 우려가 있는 장소의 저압 옥내배선·전구선·이동전선은 사용전압이 400 V 미만이어야 한다. 또한 이 전로에는 전용 개폐기와 과전류 차단기를 시설한다.

설계하중 6.8 kN 이하인 지지물은 전장이 15 m 이하이면 전장의 1/6 이상, 15 m를 초과하면 2.5 m 이상 묻어야 한다. 전주 길이가 16 m로 15 m를 넘으므로 최소 매설깊이는 2.5 m다.

가로등, 경기장, 공장, 아파트 단지 등의 일반조명용으로 시설하는 고압방전등은 그 효율이 70 lm/W 이상인 것이어야 한다. 효율이 낮은 방전등은 전력 낭비가 크기 때문에 사용을 제한한다.

배전반과 분전반은 전기회로를 쉽게 조작할 수 있고 개폐기를 쉽게 개폐할 수 있는 노출된 장소에 설치해야 한다. 사람이 쉽게 조작할 수 없는 장소는 점검과 조작이 곤란하므로 설치 장소로 적합하지 않다.

KEC에서 저압은 교류 1,000 V 이하, 직류 1,500 V 이하로 규정한다. 이를 넘고 7,000 V 이하이면 고압, 7,000 V를 초과하면 특고압으로 구분한다.