[전기기능사 필기] 21년 3회차 기출문제 정답·해설 페이지

전기력선은 도체 내부에는 존재하지 않는다. 정전 상태에서 도체 내부의 전기장은 0이므로 전기력선이 들어갈 수 없고, 전하는 도체 표면에만 분포한다. 나머지 보기는 모두 전기력선의 올바른 성질이다.

회로망의 임의의 접속점(절점)에서 유입되는 전류의 대수합이 0($\sum I = 0$)이라는 것은 키르히호프의 제1법칙(전류법칙, KCL)이다. 제2법칙은 폐회로에서 기전력의 합이 전압강하의 합과 같다는 전압법칙이다.

저항 $R$ 4개를 모두 직렬로 접속하면 최대 $4R$, 모두 병렬로 접속하면 최소 $\dfrac{R}{4}$이 된다. 따라서 최대저항은 최소저항의 $4R \div \dfrac{R}{4} = 16$배이다.

전자 냉동기·전자 온풍기에 응용되는 것은 전류를 흘릴 때 접점에서 열의 발생·흡수가 일어나는 펠티에 효과이다. 제벡 효과는 두 금속 접점의 온도차에 의해 열기전력이 발생하는 현상으로, 열전대(온도 측정)에 응용된다.

R1에는 회로의 전체 전류가 흐르고, R2·R3·R4는 병렬로 접속되어 전체 전류가 나뉘어 흐른다. 병렬회로에서 각 저항에 흐르는 전류는 저항값에 반비례하므로, 병렬부에서 저항이 가장 큰 R2에 가장 작은 전류가 흐른다.

△결선에서는 상전압이 선간전압과 같으므로 상전압은 200 V이다. 임피던스의 크기는 $|Z|=\sqrt{3^2+4^2}=5\,\mathrm{\Omega}$이므로 상전류는 $I_p=\dfrac{E}{|Z|}=\dfrac{200}{5}=40\,\mathrm{A}$이다.

부하저항이 내부저항과 같을 때($R=r$) 최대전력이 전달된다. $P_{max}=\dfrac{E^2}{4r}=\dfrac{50^2}{4\times 5}=\dfrac{2500}{20}=125\,\mathrm{W}$이다.

환상 솔레노이드의 자체 인덕턴스는 $L=\dfrac{\mu A N^2}{l}$로 권수의 제곱에 비례한다. 따라서 10회 감았을 때는 100회 감았을 때의 $\left(\dfrac{10}{100}\right)^2=\dfrac{1}{100}$배가 된다.

두 종류의 금속을 접속하고 전류를 흘리면 줄열 외에 접점에서 열의 발생 또는 흡수가 일어나는 현상은 펠티에 효과이며, 전자 냉동기 등에 응용된다. 제벡 효과는 반대로 두 접점의 온도차에 의해 기전력이 발생하는 현상이다.

줄의 법칙에 따라 저항 $R$에 전류 $I$가 $t$초 동안 흐를 때 발생하는 열량은 $H=I^2Rt\,[\mathrm{J}]$이다. 칼로리로 환산하면 $H=0.24\,I^2Rt\,[\mathrm{cal}]$이 된다.

배율기는 전압계의 측정 범위를 확대하기 위하여 전압계와 직렬로 접속하는 저항이다. 반대로 전류계의 측정 범위를 넓히는 분류기는 전류계와 병렬로 접속한다.

논리식의 간소화에는 불 대수의 정리를 이용하는 방법과 카르노도(카르노 맵)에 의한 방법이 사용된다. 카르노도는 진리값을 격자에 배치하고 인접한 항을 묶어 체계적으로 간소화하는 대표적인 방법이다.

테브난 등가회로의 개방전압 $V$는 단자를 개방했을 때 단자 사이에 나타나는 전압이고, 등가저항 $R$은 내부의 전압원을 단락으로 대체한 상태에서 단자에서 본 합성저항이다. 이 회로에서 전압분배와 병렬 합성으로 계산하면 개방전압 20 V, 등가저항 5 Ω이 된다.

직렬 접속이므로 합성 임피던스는 $Z=(2+4)+j(11-3)=6+j8\,[\mathrm{\Omega}]$이다. 그 크기는 $|Z|=\sqrt{6^2+8^2}=\sqrt{100}=10\,\mathrm{\Omega}$이다.

저항은 $R=\rho\dfrac{l}{A}$로 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다. 단면적이 일정하게 유지된 채 길이만 4배가 되면 저항은 길이에 비례하여 4배가 된다.

유효 전류는 전체 전류 중 전압과 동상인 성분으로 $I\cos\theta$이다. 따라서 $10\times 0.8=8\,\mathrm{A}$이다.

직렬 합성저항은 $R=2+3=5\,\mathrm{\Omega}$이다. 컨덕턴스는 저항의 역수이므로 $G=\dfrac{1}{R}=\dfrac{1}{5}=0.2\,[\mathrm{\mho}]$이다.

비오-사바르의 법칙은 전류가 흐르는 도선의 미소 부분이 임의의 점에 만드는 자장의 세기를 구하는 법칙이다. 기전력과 자속의 변화에 관한 것은 패러데이의 전자유도 법칙에 해당한다.

콘덴서 직렬은 $\dfrac{C_1 C_2}{C_1+C_2} = \dfrac{3 \times 6}{3+6} = 2[\mu\mathrm{F}]$, 병렬은 합이므로 $2 + 4 = 6[\mu\mathrm{F}]$. 검산: 직렬부 역수 합 $\dfrac{1}{3}+\dfrac{1}{6} = \dfrac{1}{2}$ → $2[\mu\mathrm{F}]$이 맞다. 셋을 전부 병렬로 더한 13, 전부 직렬로 계산한 약 1.3은 전형적 오답이다.
[근거] 콘덴서 직렬 C=C₁C₂/(C₁+C₂), 병렬 C=C₁+C₂

정전에너지 $W=\dfrac{1}{2}CV^2$이다. $W=\dfrac{1}{2}\times 20\times 10^{-6}\times 200^2=\dfrac{1}{2}\times 20\times 10^{-6}\times 40000=0.4[\mathrm{J}]$. 검산: $Q=CV=4\times 10^{-3}[\mathrm{C}]$, $W=\dfrac{1}{2}QV=\dfrac{1}{2}\times 4\times 10^{-3}\times 200=0.4[\mathrm{J}]$로 일치한다. 0.8은 계수 1/2을 빠뜨린 값이다.
[근거] 정전에너지 W=(1/2)CV^2

차동 계전기는 보호구간으로 유입·유출하는 전류의 차를 검출하여 동작하는 계전기로, 변압기·동기기의 층간 단락 등 내부 고장 보호에 사용된다. 실제로는 오동작을 줄이기 위해 비율차동 계전기가 널리 쓰인다.

직류 분권전동기는 계자가 전원에 병렬로 접속되어 자속이 거의 일정하므로, 부하가 증가해도 속도 변화가 작은 수평에 가까운 정속도 특성 곡선(B)을 나타낸다. 직권전동기는 부하 증가 시 속도가 급격히 떨어지는 곡선이 된다.

애벌런치 항복은 온도가 올라가면 격자 진동이 심해져 캐리어의 평균 자유행정이 짧아지고, 충돌 전리에 필요한 에너지를 얻기 위해 더 높은 전압이 필요하게 된다. 따라서 애벌런치 항복전압은 온도 증가에 따라 증가하며, 제너 항복전압은 반대로 감소한다.

부하율은 평균 수용전력과 합성 최대수용전력의 비를 백분율로 나타낸 것으로, 설비가 어느 정도 유효하게 이용되는지를 나타낸다.
수용률은 최대수용전력과 설비용량의 비이다.
부등률은 개별 최대수용전력의 합과 합성 최대수용전력의 비이다.

슬립은 동기속도에 대한 속도 차의 비로 $s=\dfrac{n_s-n}{n_s}$이다. 기동 시에는 $s=1$, 동기속도로 회전하면 $s=0$이 되며, 전부하 슬립은 보통 3~5% 정도이다.

Y-△ 기동을 하면 기동 시 각 상권선에 걸리는 전압이 $\dfrac{1}{\sqrt{3}}$배로 낮아져 기동전류는 전전압 기동의 $\dfrac{1}{3}$이 된다. 따라서 $150\times\dfrac{1}{3}=50\,\mathrm{A}$이다.

KEC(한국전기설비규정)에 따라 전동기의 정격전류가 50 A 이하인 경우 분기회로 전선의 허용전류는 정격전류의 1.25배 이상이어야 한다. 따라서 $30\times 1.25=37.5\,\mathrm{A}$ 이상이다.

IV전선은 600V 비닐절연전선을 뜻한다. ※ 현재는 IV라는 명칭 대신 450/750V 일반용 단심 비닐절연전선(약호 NR)으로 통합되어 사용된다.

자극 면에 유도전동기의 농형권선과 유사하게 설치하는 권선은 제동권선이다. 속도가 흔들리면 상대속도에 의해 제동권선에 유도전류가 흘러 난조를 억제하며, 동기전동기에서는 기동토크를 발생시키는 자기동법에도 이용된다.

동기 전동기를 무부하로 운전하며 계자전류를 조정하면 진상·지상 무효전력을 연속적으로 공급할 수 있다. 이렇게 송전선의 전압 조정과 역률 개선에 사용하는 것을 동기 조상기라 한다.

열동 계전기(서멀 릴레이)는 과부하 전류에 의한 히터의 발열로 바이메탈이 휘어 접점을 동작시켜 전동기 회로를 차단하는 과부하 보호장치이다. 전자접촉기와 조합하여 전자개폐기로 사용된다.

동기속도는 $N_s=\dfrac{120f}{p}=\dfrac{120\times 60}{6}=1200\,\mathrm{rpm}$이다.
극수가 많을수록, 주파수가 낮을수록 동기속도는 낮아진다.

KEC에 따라 전동기의 정격전류가 50 A를 초과하는 경우 전선의 허용전류는 정격전류의 1.1배 이상으로 하여야 한다. 따라서 $60\times 1.1=66\,\mathrm{A}$ 이상이어야 한다.

동기발전기의 병렬운전 조건은 기전력의 크기·위상·주파수·파형이 같아야 한다는 것이다. '파형이 작을 것'이 아니라 '파형이 같을 것'이어야 하므로 옳지 않은 설명이다.

직류발전기에서 자속을 만드는 부분은 계자(계자철심과 계자권선)이다. 정류자는 전기자에서 유도된 교류를 직류로 변환하고, 브러시는 회전부와 외부 회로를 연결하는 역할을 한다.

저압 단상 3선식 회로의 중성선에는 퓨즈를 사용하지 않고 동선으로 직결한다. 중성선이 먼저 끊어지면 전압 불평형으로 한쪽 부하에 과전압이 걸려 기기가 소손될 수 있기 때문이며, KEC도 다선식 전로의 중성선에는 과전류차단기를 시설하지 않도록 규정한다.

가동복권(평복권) 발전기는 부하전류가 증가하면 직권계자의 기자력이 자속을 보강하여 전압강하를 보상하므로, 부하 변화에도 단자전압의 변화가 가장 작다. 분권발전기는 부하가 증가하면 단자전압이 다소 낮아진다.

자기동법에서는 기동보상기·리액터 등으로 정격전압의 30~50% 정도의 낮은 전압을 가해 기동하므로, 80% 정도로 기동한다는 설명은 옳지 않다. 제동권선이 2차권선 역할을 하여 기동토크(전부하의 30~50% 정도)를 발생시키며, 기동 시 계자권선에 고전압이 유도되어 절연 파괴 우려가 있으므로 저항을 통해 단락해 둔다.

변압기는 철손과 동손이 같아질 때 효율이 최대다. 부하율을 $m$이라 하면 동손은 $m^2$에 비례하므로 $m=\sqrt{\dfrac{P_i}{P_c}}=\sqrt{\dfrac{1}{4}}=0.5$, 즉 전부하의 50%다. 검산: $m=0.5$일 때 동손 $=0.5^2\times 4=1[\mathrm{kW}]$로 철손과 같아져 조건을 만족한다.
[근거] 변압기 효율 이론(최대효율 조건 철손=동손)

무부하(개방)시험에서는 2차를 개방하고 1차에 정격전압을 가하여 철손·무부하전류·여자 어드미턴스를 구한다. 반면 단락시험에서는 2차를 단락하고 정격전류를 흘려 동손(임피던스 와트)·임피던스 전압·전압변동률을 구한다. (근거: 변압기 등가회로 정수 결정 시험 — 무부하시험·단락시험)

옥내배선 도면 기호에서 천장 은폐배선은 실선으로 표시한다. 바닥 은폐배선과 노출배선은 파선(점선) 계열의 기호로 구분하여 나타낸다.

분전반의 배선과 개폐기·차단기 등 기구는 점검과 조작이 쉽도록 모두 전면에 배치하여야 하며, 이면에 배선하는 것은 부적합하다. 분전반 함은 난연성 합성수지의 경우 두께 1.5 mm 이상, 강판제는 1.2 mm 이상으로 제작한다.

손작업용 쇠톱날의 표준 치수는 200, 250, 300 mm이다. 550 mm는 쇠톱날의 표준 크기가 아니다.

궁지선은 비교적 장력이 적고 지형상 다른 종류의 지선을 시설할 수 없는 경우에 전주 가까이에 짧게 시설하는 지선이다.
수평지선은 도로나 하천을 횡단하는 장소에 시설한다.
공동지선은 인접한 두 지지물에 공동으로 시설한다.

KEC 331.7에 따라 설계하중 6.8 kN 이하이고 길이가 15 m를 초과하는 지지물은 땅에 묻히는 깊이를 2.5 m 이상으로 하여야 한다. 길이 15 m 이하인 경우에는 전체 길이의 1/6 이상을 묻는다.

KEC 123(전선의 접속)에 따라 전선을 접속하는 경우 전선의 세기를 20% 이상 감소시키지 아니하여야 한다. 즉 접속 부분은 원래 인장강도의 80% 이상을 유지해야 한다.

진동 등으로 기구 단자의 접속이 헐거워질 우려가 있는 곳에는 스프링와셔 또는 이중너트를 사용한다. 스프링와셔의 탄성이 너트를 눌러 풀림을 방지한다.

환상(루프)모선은 모선을 고리 모양으로 접속한 방식으로, 항상 두 계통 이상에서 수전할 수 있어 일부 구간의 고장 시에도 공급을 계속할 수 있다. 단일모선은 구성이 가장 간단하지만 모선 고장 시 전체가 정전되는 방식이다.

동전선의 트위스트 직선접속은 단면적 6 mm² 이하의 가는 단선에 적용한다. 10 mm² 이상의 굵은 단선에는 브리타니아 접속을 사용한다.

디지털 계전기는 마이크로컴퓨터 연산으로 다양한 보호 기능을 구현할 수 있고, 특성 변화가 없으며 장치의 표준화가 가능하다. 또한 자기진단 기능 등으로 신뢰성이 높으므로 '신뢰성이 낮다'는 설명이 틀렸다.

과열기는 지름 35~50 mm의 강철관 여러 개를 적당히 구부려 양쪽을 헤더에 붙이고 보일러의 연도 또는 노벽에 설치하여, 보일러에서 나온 포화증기를 다시 가열해 과열증기로 만드는 장치이다. 절탄기는 배기가스의 남은 열로 보일러 급수를 예열하는 장치이다.

브리지 전파정류회로는 다이오드 4개를 브리지로 접속하여 입력의 양(+)·음(-) 반주기 모두 부하에 같은 방향으로 전류가 흐르게 하는 회로이다. 마주 보는 두 쌍의 다이오드가 반주기마다 번갈아 도통하도록 방향이 배치된 ①이 올바른 결선이다.

전선 접속용 슬리브에는 S형(매킨타이어), E형, P형 등이 있으며, D형 슬리브는 존재하지 않는다. 슬리브 접속은 전선을 슬리브에 삽입하고 압착 공구로 눌러 접속하는 방법이다.

2종 가요전선관의 관 호칭은 10, 12, 15, 17, 24, 30, 38, 50, 63, 76, 83, 101 mm로 정해져 있다. 16 mm는 강제(후강)전선관 등의 호칭이며 2종 가요전선관의 굵기에는 없다.

큰 고장전류가 접지도체를 통하여 흐르지 않을 경우 접지도체의 최소 단면적은 구리 6mm², 철제 50mm² 이상이다(KEC 142.3.1). 접지도체에 피뢰시스템이 접속되는 경우에는 구리 16mm² 또는 철 50mm² 이상으로 한다.

소선 1가닥의 단면적은 $\dfrac{\pi \times 1.6^2}{4} \approx 2.01[\mathrm{mm^2}]$이므로 소선수는 $14 \div 2.01 \approx 7$가닥이다. 즉 7/1.6(7가닥, 지름 1.6mm) 구성의 연선이다.
[근거] 연선의 구성 계산(단면적 = 소선 단면적 × 소선수)

KEC 표 142.3-1에 따라 상도체 단면적 S가 16mm² 이하이면 보호도체도 S, 16mm² 초과 35mm² 이하이면 16mm², 35mm²를 초과하면 S/2 이상으로 한다(KEC 142.3.2). 상도체가 50mm²이므로 보호도체는 50/2 = 25mm² 이상이어야 한다.

과부하 보호장치는 분기점에 설치하는 것이 원칙이나, 분기점과 보호장치 사이에 다른 분기회로·콘센트 접속이 없고 단락·화재 위험이 최소화된 경우 분기점으로부터 3m까지 이동하여 설치할 수 있다(KEC 212.4.2.2). 구 판단기준의 '분기점에서 3m 이내 과전류차단기 시설'과 수치는 같으나 현행은 조건부 예외 규정으로 정리되었다.

직접 조명방식은 하향 광속이 90~100%로 작업면을 직접 비추어 효율이 가장 높으나 눈부심과 그림자가 생기기 쉽다. 반직접은 하향 60~90%, 전반확산은 상하 40~60%, 간접은 상향 90~100%이다(배광에 의한 조명방식 분류: 직접·반직접·전반확산·반간접·간접).

도로조명은 노면의 휘도가 충분히 높고 균일(균제도 확보)해야 하며, 운전자의 눈부심이 적고 조명기구 배치가 도로 선형을 따라 유도성을 가져야 한다. 노면 휘도를 낮게 유지하는 것은 장애물 식별을 어렵게 하므로 도로조명의 요건에 어긋난다.