[전기기능사 필기] 04년 2회차 기출문제 해설 페이지

코일에 축적되는 자기 에너지는 $W=\dfrac{1}{2}LI^{2}$이다. 대입하면 $W=\dfrac{1}{2}\times 1\times 10^{2}=50\,\mathrm{J}$이다. 전류의 제곱에 비례하므로 전류가 2배가 되면 에너지는 4배가 된다.

단자전압 V가 일정하므로 전류가 2배가 되려면 회로의 합성저항이 $\dfrac{1}{2}$로 줄어야 한다. 스위치를 닫아 $r_{2}$가 병렬로 들어간 뒤의 합성저항이 닫기 전 값의 절반이 되도록 $\dfrac{r_{1}r_{2}}{r_{1}+r_{2}}$를 포함한 식을 세워 풀면 $r_{2}\fallingdotseq 0.67\,\Omega$이 된다. 병렬 저항은 항상 작은 쪽보다 작아진다는 점을 이용하면 값의 크기를 검산할 수 있다.

전압 $e=100\sin(377t+60^{\circ})$와 전류 $i=10\sin(377t+60^{\circ})$의 위상각이 같아 동상이다. 전압과 전류가 동상인 소자는 순저항뿐이며, 이때 $R=\dfrac{100}{10}=10\,\Omega$이다. 유도리액턴스면 전류가 90° 뒤지고 용량리액턴스면 90° 앞서므로 해당되지 않는다.

변압기 1대 용량을 P라 하면 Δ결선 출력은 3P, V결선 출력은 $\sqrt{3}P$이다. 따라서 출력비는 $\dfrac{\sqrt{3}P}{3P}\times 100=57.7\,\%$이다. 참고로 변압기 이용률 $\dfrac{\sqrt{3}P}{2P}=86.6\,\%$와 혼동하지 않아야 한다.

콘덴서는 직렬일 때 $\dfrac{1}{C_{s}}=\dfrac{1}{C_{1}}+\dfrac{1}{C_{2}}$, 병렬일 때 $C_{p}=C_{1}+C_{2}$로 계산한다. 같은 용량 C 두 개를 직렬로 이으면 $\dfrac{C}{2}$이고, 이러한 직렬 조합이 병렬로 묶이면 $\dfrac{C}{2}+\dfrac{C}{2}=C$가 된다. 그림의 접속을 정리하면 a-b 간 합성정전용량은 1C이다.

자기장 안에서 전류가 흐르는 도체가 받는 힘은 $F=BIl$이므로 $F=0.5\times10\times0.2=1\,\mathrm{N}$이다. 한 일은 힘과 이동거리의 곱이므로 $W=F\,s=1\times0.5=0.5\,\mathrm{J}$이다. 길이 $20\,\mathrm{cm}$와 이동거리 $50\,\mathrm{cm}$를 각각 $0.2\,\mathrm{m}$, $0.5\,\mathrm{m}$로 환산해 대입하는 것이 핵심이다.

저항에서 발생하는 열량은 $H=I^{2}Rt\,[\mathrm{J}]$이다. 회로를 정리하면 4Ω에 흐르는 전류가 2A이므로 $H=2^{2}\times 4\times 2=32\,\mathrm{J}$이다. 열량은 전류의 제곱에 비례하므로 전류 계산을 먼저 정확히 해야 한다.

전열기의 저항은 $R=\dfrac{V^{2}}{P}=\dfrac{100^{2}}{500}=20\,\Omega$이다. 90V를 걸면 $P=\dfrac{V^{2}}{R}=\dfrac{90^{2}}{20}=405\,\mathrm{W}$이다. 저항이 일정하므로 소비전력은 전압의 제곱에 비례한다.

직렬회로의 합성저항은 각 저항의 합이므로 $R=6+8+9=23\,\Omega$이다. 옴의 법칙으로 $V=IR=5\times 23=115\,\mathrm{V}$이다.

유전체 내 단위 체적당 축적되는 에너지는 $w=\dfrac{1}{2}ED$이며, $D=\varepsilon E$를 대입하면 $w=\dfrac{D^{2}}{2\varepsilon}=\dfrac{1}{2}\varepsilon E^{2}$이 된다. 문제에서 유전율 ε와 전속밀도 D로 표현하라 했으므로 $\dfrac{D^{2}}{2\varepsilon}$ 형태가 맞다.

병렬 접속에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리므로 컨덕턴스가 더해져 $\dfrac{1}{R}=\dfrac{1}{R_{1}}+\dfrac{1}{R_{2}}$이다. 이를 정리하면 $R=\dfrac{R_{1}R_{2}}{R_{1}+R_{2}}$, 즉 곱을 합으로 나눈 형태가 된다. 직렬의 $R_{1}+R_{2}$와 혼동하지 않아야 한다.

전지의 전극(아연판 등)에 포함된 불순물이 국부적인 작은 전지를 만들어 스스로 방전되며 기전력이 감소하는 현상을 국부 작용이라 한다. 대책으로 순수한 재료를 쓰거나 아연판에 수은을 도금(아말감)한다. 성극(분극) 작용은 발생한 수소가스가 전극을 덮어 기전력이 떨어지는 별개의 현상이다.

RLC 직렬회로의 임피던스는 $Z=\sqrt{R^{2}+(X_{L}-X_{C})^{2}}=\sqrt{6^{2}+(16-8)^{2}}=10\,\Omega$이다. 전류는 $I=\dfrac{40}{10}=4\,\mathrm{A}$이고, 직렬이므로 각 소자에 같은 전류가 흐른다. 따라서 $V_{L}=IX_{L}=4\times 16=64\,\mathrm{V}$이다.

원형 코일 중심의 자기장 세기는 $H=\dfrac{NI}{2r}$이다. 대입하면 $H=\dfrac{5\times 6}{2\times 0.3}=\dfrac{30}{0.6}=50\,\mathrm{AT/m}$이다. 반지름을 [cm] 그대로 넣지 말고 [m]로 환산해야 한다.

열의 일당량은 $1\,\mathrm{cal}=4.186\,\mathrm{J}$이다. 반대로 일의 열당량은 $1\,\mathrm{J}=0.24\,\mathrm{cal}$이며, 전열 계산에서 $H=0.24I^{2}Rt\,[\mathrm{cal}]$로 쓰인다.

기자력은 $F=NI$로 정의되므로 단위는 암페어 횟수, 즉 [AT]이다. [Wb]는 자속, [AT/Wb]는 자기저항, [A/m]는 자기장의 세기 단위이다.

전기난로는 발열체(니크롬선)로 이루어진 순저항 부하이므로 전압과 전류가 동상이다. 이때 역률은 1이고 소비전력은 $P=VI$가 된다. 위상차가 생기려면 코일이나 콘덴서 성분이 있어야 한다.

CdS(황화카드뮴) 셀은 빛의 세기에 따라 저항이 변하는 광도전 소자로, 자동 점멸기(가로등 자동 점소등)나 광통신·광검출 회로에 쓰인다. 트랜지스터·다이악·사이리스터는 빛이 아니라 전기 신호로 동작을 제어하는 소자이다.

연선의 소선 총수는 중심 1가닥을 두고 층마다 6, 12, 18…가닥이 감기므로 $N=3n(n+1)+1$로 구한다. 층수 n에 따라 7, 19, 37, 61, 91가닥이 되므로 38은 성립하지 않는다.

피시 테이프는 강철제 띠 모양의 공구로, 배관(전선관) 속에 미리 밀어 넣은 뒤 전선을 묶어 잡아당겨 넣을 때 사용한다. 관을 구부리는 데는 벤더나 토치램프를, 관 끝 마무리에는 리머를 사용한다.

제어기구 번호에서 33은 위치 검출 스위치를 뜻하며 자동 순서 제어기가 아니다. 52는 교류차단기, 49는 회전기 온도계전기, 89는 단로기로 모두 옳게 짝지어져 있다.

호텔·여관 객실 입구의 조명용 백열전등은 1분 이내에, 일반 주택·아파트 각 실 현관의 등은 3분 이내에 소등되도록 타임 스위치를 시설하도록 규정되어 있다. 텀블러·버튼·로터리 스위치는 수동 개폐용이라 자동 소등 기능이 없다.

과전류차단기가 동작해 끊어지면 접지 기능이나 중성선이 상실되어 오히려 위험해지므로, 각종 접지공사의 접지선, 다선식 전로의 중성선, 접지공사를 한 저압 가공전로의 접지측 전선에는 과전류차단기를 시설할 수 없다. 배전용 변압기의 1차측은 오히려 고압 컷아웃 스위치(퓨즈) 등 과전류 보호장치를 두는 곳이므로 금지 대상이 아니다.

가요전선관의 표준 길이는 대체로 10[m], 15[m], 30[m] 단위로 공급되며 보기와 같은 15·25·35·40·100[m]의 5종류로 규정되어 있지 않다. 굵기를 안지름에 가까운 홀수(15, 19, 25[mm] 등)로 나타내는 점, 스트레이트·앵글 박스 커넥터와 플렉시블·콤비네이션 커플링을 부속품으로 쓰는 점, 증설공사나 엘리베이터·전차 안 배선처럼 진동이 있거나 굴곡이 많은 곳에 적합한 점은 모두 옳다.

내선규정에 따라 공장·사무실 등에서는 점멸기 하나가 담당하는 매 전등군의 등기구 수를 6개 이내로 제한한다. 한 스위치에 지나치게 많은 등을 묶으면 불필요한 점등으로 에너지가 낭비되고 국부 조명 조정이 어렵기 때문이다.

설계하중 6.8[kN](약 700[kg]) 이하이고 전주 전장이 15[m] 이하이면 매설 깊이를 전장의 $\dfrac{1}{6}$ 이상으로 한다. 따라서 $10\times\dfrac{1}{6}=1.67\fallingdotseq 1.7\,\mathrm{m}$ 이상 묻어야 한다. 전장이 15[m]를 넘으면 2.5[m] 이상으로 한다.

저압 옥내배선(사용전압 600V 이하)의 절연저항 측정에는 500[V] 절연저항계(메거)를 사용한다. 측정 전압이 너무 낮으면 절연 상태를 제대로 판정할 수 없고, 지나치게 높으면 절연물을 손상시킬 수 있다. ※ 현행 KEC 기준으로는 저압이 교류 1,000V 이하이며 절연저항 시험전압도 회로 전압에 따라 250/500/1,000V로 구분한다.

Y지선은 완금이 다단으로 설치되었거나 H주와 같이 장력이 여러 높이에서 걸리는 경우, 한 개의 지선 밑둥에서 두 가닥으로 갈라 각각 다른 높이에 붙여 잡아당기는 방식이다. 공동지선은 두 지지물에 공통으로, 궁지선은 장소가 좁을 때, 수평지선은 도로 횡단 등에 쓰인다.

22.9[kV-Y] 중성점 다중접지 배전계통에서는 1차 중성점을 계통 중성선에 접속해야 하고, 2차도 220/380[V] 3상 4선식으로 중성선을 내야 하므로 Y-Y 결선을 사용한다. Δ 결선은 중성점을 인출할 수 없어 다중접지 계통과 380/220V 4선식 공급에 적합하지 않다.

전동기 1차측(전원과 전동기 사이)에 직렬로 리액터를 넣어 기동전류를 제한하고, 속도가 올라가면 리액터를 단락시켜 전전압 운전으로 넘어가는 방식이 리액터 기동법이다. 기동보상기법은 단권변압기를, 스타-델타 기동법은 결선 전환을 사용하므로 회로 구성이 다르다.

행거밴드는 주상변압기를 전주에 직접 고정할 때 사용하는 밴드이다. 완금밴드는 완금을, 지선밴드는 지선을, 암타이밴드는 암타이를 전주에 붙일 때 쓰는 부속이다.

셀룰로이드·성냥·석유류 등 가연성 위험물을 제조·저장하는 장소에서는 금속관 공사, 두께 2[mm] 이상의 합성수지관 공사, 케이블 공사만 허용된다. 플로어덕트 공사는 바닥 매입용으로 이러한 위험장소에서는 시설할 수 없다.

SPP는 Steel Pipe for Piping, 즉 배관용 탄소강 강관을 뜻하며 뒤의 숫자 50은 호칭 지름을 나타낸다. 주철관은 CIP, 경질 비닐관은 VP·HI-VP 등 다른 기호를 사용한다.

금속몰드 공사는 사용전압 400[V] 미만이고 옥내의 건조한 노출장소 또는 점검할 수 있는 은폐장소에만 시설할 수 있다. 몰드는 두께가 얇고 기계적 보호가 약해 고전압 회로에 쓸 수 없기 때문이다. ※ 현행 KEC 기준으로는 금속몰드공사의 사용전압을 400V 이하로 규정한다.

ACSR은 Aluminum Cable Steel Reinforced의 약자로, 인장 강도를 담당하는 강선을 중심에 두고 그 둘레에 도전용 알루미늄선을 꼬아 만든 강심 알루미늄 연선이다. 같은 굵기의 경동연선보다 가볍고 바깥지름이 커 코로나 발생이 적어 가공 송전선에 널리 쓰인다.

브리타니아 접속은 두 단선을 나란히 겹쳐 놓고 첨선을 댄 뒤 조인트선으로 감아 접속하는 방법으로, 직경 3.2[mm] 이상의 굵은 단선 접속에 사용한다. 트위스트 접속은 6[mm²] 이하의 가는 단선에, 쥐꼬리 접속은 박스 안의 가는 전선 접속에 쓰인다.

합성수지관(경질 비닐관)은 열가소성이므로 토치램프로 관을 고르게 가열해 연화시킨 뒤 구부린다. 플라이어·파이프렌치는 조임용, 녹아웃 펀치는 배전반이나 박스에 구멍을 뚫는 공구이다.

당시 판단기준에서 저압 옥내배선의 절연저항은 대지전압 150[V] 이하이면 0.1[MΩ], 150[V] 초과 300[V] 이하이면 0.2[MΩ], 300[V] 초과 400[V] 미만이면 0.3[MΩ], 400[V] 이상이면 0.4[MΩ] 이상이어야 한다. 대지전압 220[V]는 두 번째 구간이므로 0.2[MΩ] 이상이 필요하다. ※ 현행 KEC 기준으로는 전로 구분에 따라 DC 250/500/1,000V로 시험하며 절연저항은 1[MΩ] 이상이어야 한다.

피뢰기는 이상전압이 침입하면 즉시 방전해 전압을 제한하고, 방전이 끝나면 속류를 스스로 차단해 자동으로 원래의 절연 상태로 회복되어야 한다. 수동 조작으로 복귀해야 한다면 정전이 뒤따르므로 피뢰기의 요건이 될 수 없다. 이 밖에 제한전압이 낮을 것, 반복 동작에도 특성이 변하지 않을 것 등이 요구된다.

교통 신호등은 사용전압이 300[V] 이하인 저압 기계기구에 해당하므로 그 외함과 철대에는 제3종 접지공사를 한다. 400[V] 이상의 저압 기기라면 특별 제3종 접지공사 대상이 된다. ※ 현행 KEC 기준으로는 접지공사 종별(1·2·3·특별3종)이 폐지되고 계통접지·보호접지 체계로 통합되었다.

쥐꼬리 접속은 박스 안에서 두 전선의 심선을 나란히 꼬아 붙인 뒤 와이어 커넥터를 씌워 절연과 접속을 동시에 마무리하는 방법이다. 접속 부위에 별도의 테이프 감기를 생략할 수 있어 배선기구 결선에 널리 쓰인다.

열동 계전기(THR)는 전동기에 과부하 전류가 흐를 때 발생하는 열로 바이메탈을 휘게 하여 접점을 열고 전자개폐기를 트립시켜 전동기의 소손을 막는다. 전자접촉기와 열동계전기를 조합한 것이 전자개폐기(마그넷 스위치)이다.

승압기는 단권변압기처럼 접속되므로 승압 후 전압은 $E_{2}=E_{1}\left(1+\dfrac{e_{2}}{e_{1}}\right)$이다. 대입하면 $E_{2}=3000\left(1+\dfrac{220}{3300}\right)=3000+200=3200\,\mathrm{V}$이다.

ABB는 Air Blast Breaker의 약자로 압축공기를 아크에 불어 소호하는 공기차단기이다. 진공차단기는 VCB, 가스차단기는 GCB, 자기차단기는 MBB로 표기한다.

3상 전선이 비대칭으로 배치되면 각 선간거리의 기하평균을 등가선간거리로 쓴다. 즉 $D_{e}=\sqrt[3]{D_{12}D_{23}D_{31}}$이며, 이 값을 인덕턴스·정전용량 계산식에 대입한다. 산술평균이 아니라 세 거리의 곱에 세제곱근을 취한다는 점이 핵심이다.

저압 뱅킹 방식은 같은 고압 간선에 접속된 여러 변압기의 2차측을 저압선으로 연결하는 방식으로, 전압 변동과 전력 손실이 줄고 부하 증가에 유연해 부하가 밀집된 시가지에 적합하다. 부하가 드문드문 흩어진 농어촌에서는 변압기를 병렬로 묶는 이점이 거의 없다.

지상 무효전력을 발생시키는 유도성 부하를 보상하려면 진상 무효전력을 공급하는 전력용 콘덴서를 병렬로 접속한다. 직렬리액터는 콘덴서와 직렬로 넣어 제5고조파를 억제하는 부속 설비일 뿐 역률 개선 자체를 담당하지는 않는다.

수용률은 설비용량에 대해 실제로 얼마나 최대로 썼는지를 나타내는 값으로 $\text{수용률}=\dfrac{\text{최대수용전력}}{\text{설비용량}}\times 100\,[\%]$이다. 부등률(개별 최대수요의 합÷합성 최대수요)이나 부하율(평균전력÷최대전력)과 구분해야 한다.

단상 3선식은 중성선을 기준으로 양쪽 부하가 불평형이면 각 상의 전압이 한쪽은 올라가고 한쪽은 내려간다. 이를 방지하기 위해 부하측 말단에 권수비 1:1의 단권변압기인 밸런서를 설치해 전압을 평형시킨다.

전력손실률 $k=\dfrac{P_{l}}{P}=\dfrac{P R}{V^{2}\cos^{2}\theta}$이므로 손실률이 일정하면 송전전력 P는 전압 V의 제곱에 비례한다. 전압을 $\sqrt{3}$배로 하면 $(\sqrt{3})^{2}=3$배의 전력을 보낼 수 있다.

수차에서 사용유량은 낙차의 제곱근에 비례하므로 $\dfrac{Q_{2}}{Q_{1}}=\left(\dfrac{H_{2}}{H_{1}}\right)^{\frac{1}{2}}$이다. 대입하면 $Q_{2}=20\times\sqrt{\dfrac{81}{100}}=20\times 0.9=18\,\mathrm{m^{3}/s}$이다. 참고로 회전수는 $H^{1/2}$, 출력은 $H^{3/2}$에 비례한다.

카르노 사이클은 두 개의 등온 과정과 두 개의 단열 과정만으로 이루어진 가역 사이클로, 주어진 온도 범위에서 이론상 최고 효율을 갖는 이상적인 열 사이클이다. 마찰이나 열손실이 전혀 없는 완전 가역 과정을 전제하므로 실제로는 실현할 수 없으며, 랭킨 사이클이 실제 증기 원동소의 기본 사이클이다.

송전선의 애자는 비가 오는 악조건에서도 절연이 유지되어야 하므로, 애자 표면에 인공 강우를 뿌린 상태에서 측정한 주수섬락전압을 절연 설계의 기준으로 삼는다. 건조섬락전압은 이보다 높게 나오므로 실제 사용 조건을 대표하지 못한다.

화력발전소의 열효율은 발생한 전력량을 연료의 총 발열량으로 나눈 값으로 $\eta=\dfrac{860\,W}{m\,H}\times 100\,[\%]$이다. 여기서 W는 발전전력량[kWh], m은 연료 소비량[kg], H는 연료 발열량[kcal/kg]이며 1[kWh]=860[kcal]이다. 표의 한 달 운전 실적을 대입하면 약 34.4[%]가 된다.

절탄기(economizer)는 보일러 연도로 빠져나가는 배기가스의 남은 열을 회수해 급수를 예열하는 장치로, 그만큼 연료를 절약할 수 있다. 석탄을 잘게 부수는 것은 미분탄기(분쇄기)의 역할이므로 절탄기의 기능이 아니다.

특유속도(비속도)는 어떤 수차와 기하학적으로 상사인 수차가 낙차 1[m]에서 출력 1[kW]를 낼 때의 분당 회전수로, $N_{s}=N\dfrac{P^{\frac{1}{2}}}{H^{\frac{5}{4}}}$로 구한다. 수차의 형식을 비교·선정하는 기본 지표이며, 무구속 속도는 무부하 상태에서 도달하는 최대 회전속도로 뜻이 다르다.

양수 발전소는 경부하 시간대의 잉여 전력으로 하부 저수지의 물을 상부 저수지로 퍼 올려 두었다가, 첨두 부하 시간에 그 물을 떨어뜨려 발전하는 방식이다. 첨두부하 담당과 계통 주파수 조정에 이용된다.

지중전선로를 직접 매설식으로 시설할 때 차량 기타 중량물의 압력을 받을 우려가 있는 장소(차도)는 1.2[m] 이상, 그 밖의 장소는 0.6[m] 이상 깊이에 묻어야 한다. 이때 전선은 트로프나 견고한 관에 넣거나 콤바인덕트 케이블 등으로 보호한다. ※ 현행 KEC 기준으로는 중량물의 압력을 받을 우려가 있는 장소 1.0[m] 이상, 그 밖의 장소 0.6[m] 이상으로 완화되었다.

관수 순환이 물과 증기의 밀도차에 의존하여 압력이 높아질수록 순환력이 약해져 운전 압력에 제한을 받는 것은 자연순환 보일러의 특징이다. 강제순환 보일러는 순환펌프로 관수를 강제로 돌리므로 고압에서도 순환이 확보되고, 전열면 배치나 관의 형상·크기를 자유롭게 정할 수 있는 대신 펌프 고장 위험과 관 내부 청소의 어려움이 있다.

코크스로 가스는 수소가 주성분이고 발열량이 대략 4,000~5,000[kcal/m³] 수준으로 가장 낮다. 천연가스와 LNG는 메탄이 주성분으로 약 10,000[kcal/m³], LPG는 프로판·부탄 계열로 20,000[kcal/m³] 이상이어서 훨씬 높다.