2023년 전기산업기사실기(필답형) 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

(1) 603.5[Ah]

(2) 10시간율

(3) 2[V/cell]

(4) 과전류차단기

[해설]

방전 전류가 계단처럼 변하는 부하의 축전지 용량은 C = (1/L)[K₁I₁ + K₂(I₂−I₁) + K₃(I₃−I₂) + K₄(I₄−I₃)]로 구한다. 여기서 L은 오래 쓰면서 용량이 줄어드는 것을 반영한 보수율이다.

C = (1/0.8)[2.49×500 + 2.49×(300−500) + 1.46×(80−300) + 0.57×(180−80)]
= (1,245 − 498 − 321.2 + 57)/0.8 = 482.8/0.8
= 603.5[Ah]

• 정격 방전율 — 연축전지는 10시간율을 표준으로 한다(알칼리축전지는 5시간율).
• 공칭전압 — 연축전지 1셀은 2[V/cell]이다(알칼리축전지는 1.2[V/cell]).
• 과전류차단기 — 축전지는 내부저항이 작아 단락되면 큰 전류가 흐르므로 개폐기와 함께 과전류차단기를 시설한다.

혼동 주의: 전류가 줄어드는 구간의 (I₂−I₁)·(I₃−I₂)는 음수 그대로 넣어야 한다. 보수율 0.8을 빠뜨리면 482.8[Ah]가 되어 틀린다.

(1) 광원이 내는 방사속을 사람 눈의 감도로 환산한 빛의 양

(2) 어떤 면에 입사하는 광속의 면적당 밀도

(3) 어느 방향의 단위 입체각 안에 들어 있는 광속의 양

[해설]

광속·조도·광도는 빛의 총량, 면에 닿는 정도, 방향별 세기 순서로 묶어 외운다.

• 광속(lm)은 방사속 가운데 눈이 밝기로 느끼는 부분만 시감도로 가중해 센 빛의 양이다.
• 조도(lx)는 피조면에 들어오는 광속을 면적으로 나눈 밀도(E = F/A)이다.
• 광도(cd)는 한 방향의 단위 입체각(sr)당 광속(I = F/ω)이다.

혼동 주의: 광원의 겉보기 면적당 광도는 휘도(cd/m²)라서 조도와 다르다.

1.09

[해설]

부등률은 각 수용가 최대수요전력의 합을 합성 최대 전력으로 나눈 값으로, 최대수요 시각이 서로 어긋날수록 커지며 항상 1 이상이다.

수용가별 최대수요전력 = 설비용량 × 수용률
A = 4,500 × 0.8 = 3,600[kW]
B = 5,000 × 0.6 = 3,000[kW]
C = 7,000 × 0.5 = 3,500[kW]
합계 = 10,100[kW]

부등률 = 10,100 / 9,300
부등률 ≒ 1.09

혼동 주의: 부등률은 비(比)라서 단위를 붙이지 않는다.

① 선로의 전력손실 감소

② 전압강하 감소

③ 설비(변압기·배전선) 용량의 여유 증가

[해설]

콘덴서로 지상 무효전력을 상쇄해 역률을 높이면, 같은 유효전력을 보내는 데 필요한 선로 전류가 줄어든다.

• 전력손실 감소: 선로손실 P_l = P²R / (V²cos²θ)은 역률의 제곱에 반비례한다.
• 전압강하 감소: e = √3I(Rcosθ + Xsinθ)에서 전류가 줄어드니 강하도 작아진다.
• 설비용량 여유 증가: 변압기·배전선이 같은 [kVA]로 더 큰 [kW]를 감당할 수 있다.

혼동 주의: 과보상으로 진상 역률이 되면 오히려 수전단 전압이 상승(페란티 현상)한다.

80[%]

[해설]

유효전력 $P$와 무효전력 $Q$는 서로 직각 관계이므로, 피상전력은 두 값을 직각 삼각형의 두 변으로 보고 구한다.

$P_a=\sqrt{P^2+Q^2}=\sqrt{400^2+300^2}=\sqrt{250{,}000}=500\,[\mathrm{VA}]$

역률은 피상전력에 대한 유효전력의 비다.

$\cos\theta=\dfrac{P}{P_a}\times100=\dfrac{400}{500}\times100=80\,[\%]$

따라서 80[%]이다. 3-4-5 직각삼각형 꼴이므로 피상전력이 500[VA]로 딱 떨어진다는 점을 알아 두면 계산이 빠르다.

(1) 642.56[kW]

(2) 단락사고

(3) 변류기 2차 측 단자를 단락시킨다.

[해설]

수전전력은 변류비로 1차 전류를 먼저 구한 뒤 3상 전력식에 대입한다.
I₁ = 3 × 30/5 = 18[A]
P = √3 × V × I × cosθ = √3 × 22,900 × 18 × 0.9 × 10^-3
P ≈ 642.56[kW]

OCR(과전류계전기)은 정정값을 넘는 큰 전류에 동작하므로 주로 단락사고를 보호한다. 지락 보호는 지락계전기(OCGR·SGR)가 따로 맡는다.

통전 중에 변류기 2차를 열면 2차 단자에 고전압이 걸려 절연이 파괴되고 감전 위험이 생긴다. 그래서 기기를 떼기 전에 먼저 2차 측 단자를 단락시킨다.

혼동 주의: PT(계기용변압기)는 2차 단락 금지, CT(변류기)는 2차 개방 금지다.

38배

[해설]

권선형 유도전동기의 비례추이에 따르면 r₂/s가 같으면 같은 토크가 나온다. 그래서 정격 슬립과 역상 제동 때의 슬립을 비교한다.

N_s = 120f / p = 120 × 50 / 6 = 1,000[rpm]
s = (1,000 − 950) / 1,000 = 0.05
s' = (1,000 + 950) / 1,000 = 1.95

r₂ / s = (r₂ + R) / s'
R = (s'/s − 1)r₂ = (1.95 / 0.05 − 1)r₂
= 38r₂

혼동 주의: 39배는 삽입한 뒤 회로의 총저항 r₂ + R이다. 삽입저항 자체는 38배다.

① 송전선로

② 배전선로

③ 발전소, 변전소 및 변환소

[해설]

한국전기설비규정(KEC)은 전력보안 통신설비를 시설할 곳으로 전력이 흐르는 경로와 그 결절점 등을 정하고 있다.

• 송전선로 — 발전소에서 변전소까지 전력을 보내는 경로라 급전·보호 신호를 주고받아야 한다.
• 배전선로 — 수용가까지 전력을 나누는 경로라 감시·제어 통신이 필요하다.
• 발전소, 변전소 및 변환소 — 계통의 결절점으로 급전 지령과 원격 감시·보호가 이루어진다.

이 밖에 중앙급전사령실·배전센터, 전력보안통신 데이터를 중계하는 정보통신실도 시설 장소에 해당한다.

(1) ① 30X ② BS₃ ③ BS₁ ④ BS₂ ⑤ RL ⑥ GL ⑦ OL ⑧ 51, 49, 51G

(2)

51·49·51G 세 입력을 3입력 OR 게이트에 넣고, 그 출력을 2입력 OR 게이트의 한쪽 입력으로 보낸다. BS₃는 NOT 게이트를 거쳐 AND 게이트의 한쪽 입력으로, AND 게이트의 나머지 입력에는 출력 30X를 되먹인다. AND 출력을 2입력 OR 게이트의 다른 입력으로 넣으면 그 출력이 30X이며, 같은 노드에서 OL을 인출한다.

논리식: $30\mathrm{X}=(51+49+51\mathrm{G})+(\overline{\mathrm{BS}_3}\cdot 30\mathrm{X})$, $\mathrm{OL}=30\mathrm{X}$

[해설]

기구 번호 읽기 — 도면의 숫자는 계전기 기구번호다. 49는 열동계전기(THR), 51은 과전류계전기(OCR), 51G는 지락과전류계전기(OCGR), 88은 전자접촉기(MC)를 뜻한다. 이 세 계전기가 고장 검출용 기구(⑧)이고, 그 접점들이 병렬로 묶여 30X 보조계전기를 여자시킨다. 30X가 여자되면 그 접점으로 88 코일을 떨어뜨려 전동기를 멈추게 하고 동시에 OL을 켜므로, 30X가 고장 표시용 기구(①)가 된다.

버튼과 램프 — BS₁은 88 코일 회로를 잇는 a접점이므로 기동용(③), BS₂는 그 회로를 끊는 b접점이므로 정지용(④)이다. BS₃는 30X의 자기유지를 풀어 고장 표시를 지우는 버튼이므로 고장 복구 확인용(②)이다. 램프는 88(3) a접점으로 켜지는 RL이 운전 표시(⑤), 88(2) b접점으로 켜지는 GL이 정지 표시(⑥), 30X 회로에 물린 OL이 고장 표시(⑦)다.

점선 부분의 논리 — 51·49·51G 중 어느 하나라도 닫히면 30X가 여자되므로 이 셋은 OR 관계다. 30X(1) a접점과 BS₃(b접점)이 직렬로 코일에 병렬 접속되어 자기유지를 이루므로 이는 '30X AND (BS₃ NOT)'이며, 두 갈래를 다시 OR로 묶은 것이 위 논리식이다. b접점 버튼은 평상시 닫혀 있다가 누르면 열리므로 로직에서는 NOT으로 옮긴다.

고장 검출 입력의 세 번째는 지락과전류계전기 51G이다. 일부 교재의 해답 로직도에는 같은 입력이 '54G'로 인쇄되어 있으나, 같은 지면의 회로도와 (1)⑧ 정답 모두 51G로 되어 있고 기구번호 규약에서도 54는 지락 계전기 번호가 아니므로 51G가 맞다.

① 선로애자

② 개폐기 지지애자

③ 변압기

④ 피뢰기 제한전압

[해설]

절연 협조란 계통을 이루는 기기들의 절연 강도에 의도적으로 서열을 두어, 이상전압이 침입했을 때 가장 값싸고 복구가 쉬운 쪽에서 먼저 방전되도록 설계하는 것이다. 서열을 정하는 원칙은 두 가지다.

· 피뢰기의 제한전압을 가장 낮게 두어 이상전압을 피뢰기가 먼저 받아 낸다.

· 계통에서 가장 비싸고 사고 파급이 큰 변압기의 절연 강도는 피뢰기보다 높게, 그러나 옥외 기기들보다는 낮게 잡는다.

· 교체가 비교적 쉬운 선로애자를 가장 높게, 그다음이 개폐기의 지지애자이다.

따라서 막대 높이가 큰 쪽부터 선로애자(860[kV]) → 개폐기 지지애자(750[kV]) → 변압기(650[kV]) → 피뢰기 제한전압(460[kV]) 순으로 배치된다.

기기 부싱·결합 콘덴서까지 포함한 송전 계통의 절연 협조도 같은 원리로 정해진다.

부하 A: 176[V]

부하 B: 44[V]

[해설]

중성선이 끊기면 부하 A와 B가 220[V]에 직렬로 연결된 상태가 되어, 저항 비율대로 전압을 나눠 받는다. 각 부하의 저항은 정격 110[V]를 기준으로 R = V²/P로 구한다.

R_A = 110²/200 = 60.5[Ω], R_B = 110²/800 = 15.125[Ω]
V_A = 60.5/(60.5 + 15.125) × 220 = 176[V]
V_B = 15.125/(60.5 + 15.125) × 220 = 44[V]

용량이 작은 A는 저항이 커서 과전압을 받고, 용량이 큰 B는 전압이 크게 부족해진다. 이런 사고를 막으려고 단상 3선식의 중성선에는 퓨즈나 개폐기를 넣지 않는다.

캐스케이딩 현상

[해설]

뱅킹 방식은 같은 고압 배전선에 걸린 여러 변압기의 2차 측을 저압선으로 서로 연결한 배전방식이다.

변압기 한 대나 저압선에 사고가 나면 이웃 변압기에서 고장전류가 몰려 들어온다. 그러면 건전한 변압기까지 연쇄적으로 분리되며 정전 범위가 넓어지는데, 이것이 캐스케이딩(cascading) 현상이다.

방지책은 저압선의 각 구간마다 구분 퓨즈를 두어 사고 구간만 끊어 내는 것이다.

823.53[kVA]

[해설]

최대수용전력은 설비용량에 수용률을 곱해 구하고, [kVA]로 물으면 역률로 나누어 피상전력으로 바꾼다.

유효전력 기준 최대수요를 먼저 구한다.
P = 1,000 × 0.7 = 700[kW]

역률로 나누어 피상전력으로 환산한다.
P_a = 700 / 0.85 ≒ 823.53[kVA]

혼동 주의: 700[kW]에서 멈추면 물음의 단위 [kVA]와 맞지 않는다.

(1) 비율차동계전기

(2) ① 부흐홀츠 계전기 ② 충격압력 계전기

[해설]

특고압 변압기 내부고장은 전기적 보호(전류 비교)와 기계적 보호(절연유의 가스·압력 변화)로 검출한다.

• 비율차동계전기는 1·2차 전류를 변류비로 환산해 비교하고, 그 차이가 일정 비율을 넘으면 동작한다.
• 부흐홀츠 계전기는 본체와 콘서베이터를 잇는 연결관에 달려 가스 축적과 절연유 급류를 감지해 동작한다.
• 충격압력 계전기는 내부고장으로 탱크 압력이 갑자기 오르는 것을 감지한다.

혼동 주의: 비율차동의 '비율'은 여자 돌입전류나 CT 오차로 오동작하지 않도록 억제하는 판정 방식이다.

75[kW]

[해설]

변압기 용량 한계는 피상전력[kVA]으로 정해지므로, 역률을 개선하면 같은 500[kVA] 안에서 유효전력 몫이 커져 그만큼 부하를 더 걸 수 있다.

개선 전후의 유효전력을 구한다.
P₁ = 500 × 0.7 = 350[kW]
P₂ = 500 × 0.85 = 425[kW]

증설 가능 부하는 그 차이다.
ΔP = P_a(cosθ₂ − cosθ₁) = 500 × (0.85 − 0.7) = 75[kW]

· PL: 접점을 거치지 않고 상단 모선과 하단 모선 사이에 그대로 잇는다(전원 표시등).

· MC 코일 회로: PB₁(a접점)에 MC-a 접점을 병렬로 붙여 자기유지를 만들고, 그 아래로 PB₂(b접점) → THR 수동복귀 b접점 → MC 코일 순으로 직렬 연결한다.

· GL 회로: 상단 모선 → MC-a 접점 → GL → 하단 모선

· RL 회로: 상단 모선 → MC-a 접점 → RL → 하단 모선

[해설]

직입 기동 회로의 핵심은 PB₁에 MC-a 접점을 병렬로 붙이는 자기유지다. 그 아래에는 정지용 PB₂(b접점)와 THR b접점을 직렬로 넣는다.

• PL은 접점 없이 상단·하단 모선에 바로 이어, 전원이 들어와 있으면 항상 켜지게 한다.
• MC-a 자기유지 접점은 PB₁에서 손을 뗀 뒤에도 코일이 계속 여자되게 한다.
• PB₂ b접점은 누르는 순간 코일 회로를 끊어 전동기를 멈춘다.
• THR 수동복귀 b접점은 과부하 때 코일을 소자시키고, 사람이 복귀시키기 전까지 재기동을 막는다.
• GL·RL 앞에는 모두 MC-a 접점을 넣어 운전 중에만 켜지고 정지하면 꺼지게 한다.

혼동 주의: 정지 중에 GL이 켜지는 일반 회로라면 GL 앞에 MC-b 접점을 쓴다. 이 문항은 조건이 정지 시 GL 소등이라 MC-a 접점을 쓴다.

(1) $\text{수용률}=\dfrac{\text{최대수용전력}[\mathrm{kW}]}{\text{부하설비 용량의 합}[\mathrm{kW}]}\times100\,[\%]$

(2) 설치된 부하설비가 실제로 동시에 사용되는 정도를 나타내는 계수

[해설]

수용률은 부하설비 용량 가운데 실제 최대수요로 나타나는 비율이며, 변압기·간선 용량을 정하는 기본 계수다.
수용률 = 최대수용전력[kW] ÷ 부하설비 용량의 합[kW] × 100[%]

설치된 부하가 한꺼번에 모두 걸리는 일은 드물어서, 수용률은 설비가 실제로 동시에 사용되는 정도를 나타낸다. 그래서 값은 보통 100[%] 이하다.

혼동 주의: 부등률(개별 최대전력의 합 ÷ 합성 최대전력, 1 이상)과 부하율(평균전력 ÷ 최대전력)은 수용률과 다른 계수다.

(1) 구내 선로에서 생기는 개폐서지·순간 과도전압 등의 이상전압이 2차 측 기기에 미치는 악영향을 막는 기기

(2) 개폐서지를 일으키는 차단기의 후단(2차 측)과 보호 대상 부하 사이

[해설]

서지흡수기(SA)는 진공차단기 등을 개폐할 때 구내에서 생기는 급준한 서지로부터 2차 측 기기를 지키는 장치다.

• 목적 — 개폐서지·순간 과도전압을 흡수해 몰드변압기·건식변압기·전동기처럼 절연이 약한 기기의 층간절연 파괴를 막는다.
• 설치 위치 — 서지를 만드는 차단기의 2차 측과 보호 대상 부하 사이에 두며, 부하에 가까울수록 효과가 크다.

혼동 주의: 피뢰기(LA)는 외부에서 들어오는 뇌서지를 대지로 방류하고, 서지흡수기는 구내 개폐서지로부터 특정 기기를 지킨다.