2021년 전기산업기사실기(필답형) 3회차 기출문제 정답·해설 페이지

(1) ① 자동고장구분개폐기  ② 피뢰기  ③ 진공차단기  ④ 최대수요전력량계

(2) 300[kVA]

(3) CNCV-W 케이블(수밀형) 또는 TR CNCV-W 케이블(트리억제형)

(4) 자동절체스위치(ATS)

(5)

1차측은 코일 3개의 V 단자를 다음 코일의 U 단자에 차례로 이어 폐로를 만든 Δ 결선이고, 각 접속점에 3상 인입선을 물린다. 2차측은 세 코일의 V′ 단자를 한 점에 모아 중성점으로 삼은 Y 결선이며, 각 U′ 단자에서 3상 출력선을 뽑는다.

[해설]

22.9[kV] 특고압 수전설비의 표준 기기 구성으로 약호를 읽고, 변압기 용량은 설비용량 × 수용률 ÷ (역률 × 효율)로 구한다.

• ASS(자동고장구분개폐기)는 구내 고장을 배전선로에서 자동으로 떼어 내 사고가 번지는 것을 막는다.
• LA(피뢰기)는 낙뢰나 개폐 때 생기는 서지를 대지로 흘려보내고, 뒤따르는 속류를 끊는다.
• VCB(진공차단기)는 진공의 높은 절연내력으로 아크를 꺼서 부하전류와 고장전류를 차단한다.
• DM(최대수요전력량계)은 일정 시간 평균전력의 최댓값을 기록해 기본요금 산정의 근거가 된다.

TR₁ 용량은 다음과 같이 계산한다.
300 × 0.6 ÷ (0.8 × 0.8) = 281.25[kVA]
이 값을 넘는 표준용량인 300[kVA]를 고른다.

지중 인입 케이블은 물이 스며들어 생기는 수트리 열화를 막아야 해서 CNCV-W(수밀형)나 트리 억제형인 TR CNCV-W를 쓴다. 점선 안에서 TR₂와 발전기 회로를 잇는 기기는, 정전 시 부하를 발전기 쪽으로 넘기는 자동절체스위치(ATS)다.

변압기는 1차 Δ, 2차 Y 결선이다. Δ 결선은 제3고조파 전류를 안에서 순환시켜 파형 왜곡을 줄이고, Y 결선은 중성점을 접지해 상전압 공급과 지락 보호를 가능하게 한다.

17.79[W/km]

[해설]

유전체손은 케이블 절연체가 충전전류와 함께 흘리는 미소한 손실전류 때문에 열로 소비되는 전력이다.

3상 케이블은 선간전압 V로 정리하면 아래 식 하나로 1[km]분 손실이 나온다.
P_d = 2πfCV²tanδ
= 2π × 60 × 0.03×10^-6 × (22.9×10³)² × 0.003
= 17.79[W/km]

혼동 주의: 상전압 E = V/√3으로 한 상씩 구해 3배 해도 3 × 2πfCE²tanδ = 2πfCV²tanδ이므로 값이 같다.

(1) 1.65[m]

(2) 1.1[m]

[해설]

등기구와 벽 사이 간격 S₀는 작업면에서 광원까지의 높이 H를 기준으로 정하며, 천장 직부형이므로 천장 높이에서 작업면 높이를 뺀다.
H = 4.1 − 0.8 = 3.3[m]

벽면을 쓰지 않을 때는 S₀ ≤ H/2 를 적용한다.
S₀ ≤ 3.3/2 = 1.65[m]

벽면을 쓸 때(벽 가까이에서 작업할 때)는 벽 쪽 조도를 더 확보하려고 S₀ ≤ H/3 으로 좁힌다.
S₀ ≤ 3.3/3 = 1.1[m]

혼동 주의: 등기구끼리의 간격은 S ≤ 1.5H 이고, 실의 가로·세로 치수는 이 간격 계산에 쓰지 않는다.

16[A] 분기 4회로

[해설]

형광등은 역률이 1보다 작으므로 소비전력을 역률로 나눈 피상전력으로 부하를 잡아야 한다.

$P_a = \dfrac{40}{0.8} \times 180 \times 1 = 9{,}000\,[\mathrm{VA}]$

16[A] 분기회로 하나가 실제로 담당하는 용량은 정격의 80[%]까지이므로

$220 \times 16 \times 0.8 = 2{,}816\,[\mathrm{VA}]$

$N = \dfrac{9{,}000}{2{,}816} = 3.20$ → 절상하여 4회로

분기회로 수는 소수점 이하를 반드시 절상한다. 3회로로 하면 남는 0.2회로분의 부하를 실을 곳이 없기 때문이다.

(1)

(2) L₁ = $\overline{X_1} \cdot \overline{X_2} \cdot \overline{X_3}$  /  L₂ = $X_1 + X_2 + X_3$

(3)

상·하 두 모선 사이에 세로 회로 5개를 둔다. 앞의 세 회로는 BS₁·BS₂·BS₃의 a접점으로 각각 코일 X₁·X₂·X₃를 여자시킨다. 네 번째 회로는 X₁·X₂·X₃의 b접점 3개를 직렬로 이어 L₁에 연결하고, 다섯 번째 회로는 같은 계전기의 a접점 3개를 병렬로 묶어 L₂에 연결한다.

[해설]

(1) 조건을 그대로 옮기면 입력이 $X_1 X_2 X_3 = 000$인 행만 L₁ = 1, L₂ = 0이고, 나머지 일곱 행은 모두 L₁ = 0, L₂ = 1이다. 두 출력이 언제나 반대이므로 $L_2 = \overline{L_1}$이다.

(2) L₁은 참이 되는 행이 하나뿐이므로 그 행의 곱항이 곧 논리식이다.

$L_1 = \overline{X_1} \cdot \overline{X_2} \cdot \overline{X_3}$

L₂는 나머지 일곱 개의 곱항을 모두 더해도 되지만, $L_2 = \overline{L_1}$에 드모르간의 정리를 적용하는 편이 훨씬 간단하다.

$L_2 = \overline{\overline{X_1} \cdot \overline{X_2} \cdot \overline{X_3}} = X_1 + X_2 + X_3$

(3) 논리곱은 접점의 직렬, 논리합은 접점의 병렬로 옮긴다. 부정 $\overline{X}$는 b접점, 긍정 $X$는 a접점이므로 L₁ 회로는 b접점 3개 직렬, L₂ 회로는 a접점 3개 병렬이 된다. 접점 수는 코일 구동용 3개를 빼면 출력 회로에 6개로, 이보다 줄일 수 없다.

(1) 1.5[Ω]

(2) 3,331.83[Ω]

[해설]

전압계 내부저항은 최대 눈금 전압을 그때 흐르는 전류로 나눈 값이다.
r = V/I = 45×10⁻³ / 30×10⁻³
r = 1.5[Ω]

배율기는 전압계에 직렬로 넣어 측정 범위를 넓히는 저항으로, 배율 m = V/V_v 일 때 R_m = r(m − 1) 이다.
R_m = 1.5 × (100 / 0.045 − 1) = 1.5 × 2,221.22
R_m = 3,331.83[Ω]

혼동 주의: 전류계 범위를 넓히는 분류기는 병렬로 접속하며 R_s = r/(m − 1) 이다.

① 3  ② 5  ③ 6  ④ 8

[해설]

KEC 수용가 설비의 전압강하 기준은 수전 방식(저압·고압 이상)과 부하 종류(조명·기타)로 나뉜다.

• 저압으로 수전하는 A 유형은 조명 3[%], 기타 5[%]이다.
• 고압 이상으로 수전하는 B 유형은 조명 6[%], 기타 8[%]이다.

조명 쪽이 더 엄격한 것은 전압이 조금만 떨어져도 밝기와 수명이 크게 나빠지기 때문이다. 고압 수전은 구내 배선이 길어서 한도를 넓게 잡았다.

혼동 주의: 배선이 100[m]를 넘는 부분은 미터당 0.005[%]씩 늘릴 수 있지만, 늘어난 양의 합계는 0.5[%]를 넘을 수 없다.

144[kW]

[해설]

3상 3선식의 선로 전압강하는 $e = \sqrt{3}\,I(R\cos\theta + X\sin\theta)$이고, 수전전력은 $P = \sqrt{3}\,V_r I \cos\theta$이다. 두 식에서 전류 I를 소거하면 전압강하율 $\varepsilon = e / V_r$는

$\varepsilon = \dfrac{P(R + X\tan\theta)}{V_r^{\,2}} \quad \Rightarrow \quad P = \dfrac{\varepsilon \cdot V_r^{\,2}}{R + X\tan\theta}$

역률 0.8이면 $\sin\theta = 0.6$, $\tan\theta = 0.6/0.8 = 0.75$이므로

$P = \dfrac{0.1 \times (3 \times 10^{3})^{2}}{2.5 + 5 \times 0.75} = \dfrac{900{,}000}{6.25} = 144{,}000\,[\mathrm{W}]$

따라서 수전 가능한 전력은 144[kW]이다.

검산하면 $I = \dfrac{144{,}000}{\sqrt{3} \times 3{,}000 \times 0.8} = 34.64\,[\mathrm{A}]$, $e = \sqrt{3} \times 34.64 \times (2.5 \times 0.8 + 5 \times 0.6) = 300\,[\mathrm{V}]$로 $300/3{,}000 = 10\,[\%]$가 되어 조건과 맞는다.

(1) ① 비접지방식 ② 저항접지방식 ③ 직접접지방식 ④ 소호리액터접지방식

(2) 직접접지방식

(3) 1.3배

[해설]

중성점 접지방식은 중성점을 대지에 어떤 임피던스로 잇느냐에 따라 나뉘며, 이 방식이 지락전류의 크기와 건전상 전위상승을 결정한다.

• 비접지방식 — 중성점을 대지에 잇지 않는다.
• 저항접지방식 — 저항을 거쳐 접지해 지락전류를 제한한다.
• 직접접지방식 — 중성점을 도체로 대지에 바로 잇는다.
• 소호리액터접지방식 — 대지 정전용량과 병렬공진하는 리액터로 지락전류를 거의 0으로 상쇄한다.

국내 154[kV]·345[kV] 계통은 직접접지방식을 쓴다. 지락이 나도 건전상 전위상승이 작아 기기 절연을 낮출 수 있고(단절연), 보호계전기도 확실하게 동작하기 때문이다.

유효접지는 1선 지락 때 건전상의 대지전압이 상규 대지전압의 1.3배를 넘지 않도록 접지한 상태다.

(1) ① 돌침 ② 수평도체 ③ 메시도체

(2) ① 보호각법 ② 회전구체법 ③ 메시법

[해설]

한국전기설비규정(KEC)의 외부피뢰시스템은 수뢰부·인하도선·접지극 시스템으로 이루어지며, 수뢰부는 돌침·수평도체·메시도체를 단독 또는 조합해 구성한다.

수뢰부 배치는 다음 세 방법으로 검토한다.

• 보호각법 — 수뢰부 끝에서 그은 보호각 안쪽을 보호범위로 보며 낮은 건축물에 쓴다.
• 회전구체법 — 피뢰레벨별 반지름의 구를 굴려 구가 닿지 않는 곳을 보호범위로 보며 모든 경우에 쓸 수 있다.
• 메시법 — 평평한 지붕면을 그물눈 모양 도체로 덮어 보호한다.

외우는 요령: 구성요소는 「침·선·그물」, 배치법은 「각·구·그물」로 짝지어 기억한다.

(1) 20[kVA] (콘덴서 용량의 4[%])

(2) 30[kVA] (콘덴서 용량의 6[%]) — 이론값 4[%]는 제5고조파 공진점 그 자체여서, 주파수 변동과 리액터·콘덴서의 용량 오차가 있으면 회로가 용량성이 되어 오히려 고조파가 확대될 수 있다. 그래서 여유를 둔 6[%]를 적용하여 돌입전류 억제와 파형 개선 효과까지 확실히 얻는다.

[해설]

직렬리액터는 제5고조파에 대해 회로를 유도성으로 만들어야 하므로 5ωL > 1/(5ωC)가 조건이고, 두 값이 같아지는 공진점이 이론상의 경계다.

경계 조건에서 이론 용량을 구한다.
ωL = (1/25) × 1/(ωC) = 0.04 × 1/(ωC)
Q_L = 500 × 0.04 = 20[kVA]

4[%]는 공진점 그 자체이다. 그래서 주파수가 변하거나 리액터·콘덴서 용량에 오차가 있어 리액턴스가 모자라면 회로가 용량성이 되어 고조파가 오히려 커진다.

그래서 여유를 둔 6[%]를 적용하며, 돌입전류 억제와 파형 개선 효과도 확실하게 얻는다.
Q_L = 500 × 0.06 = 30[kVA]

혼동 주의: 제3고조파까지 문제가 되는 계통에서는 11[%] 이상(실제로는 13[%])의 리액터를 쓴다.

Y = B

[해설]

위아래 두 OR 게이트의 출력을 AND로 묶은 회로이며, 분배법칙 (X+Y)(X+Z)=X+YZ로 한 번에 정리된다.

위쪽 OR 게이트는 A+B를, 인버터를 거친 A가 들어가는 아래쪽 OR 게이트는 A̅+B를 출력한다.
$Y=(A+B)(\overline{A}+B)$
$=B+A\overline{A}=B+0=B$

A와 A̅을 곱하면 항상 0이 되므로, 출력은 A와 관계없이 B를 그대로 내보낸다.

175[kW]

[해설]

양수에 필요한 동력은 물의 무게에 양정을 곱한 일률을 펌프 효율로 나누고 여유계수를 곱해 구한다. 물 1[m³]의 무게가 $9.8\,[\mathrm{kN}]$이므로

$P = \dfrac{9.8\,Q H}{\eta} \times k$

$= \dfrac{9.8 \times 1 \times 10}{0.7} \times 1.25 = 140 \times 1.25 = \mathbf{175}\,[\mathrm{kW}]$

여기서 $Q$는 매초 양수량[m³/s], $H$는 전양정[m]이다. 유량이 분당 또는 시간당으로 주어지면 반드시 초당으로 환산해야 한다. 축동력 140[kW]에 25[%] 여유를 준 것이 여유계수 1.25이다.

문제의 역률 100[%] 조건은 이 계산에 쓰이지 않는다. 소요동력은 유효전력이므로 역률과 무관하며, 이 값은 전동기의 피상전력이나 전부하전류를 구할 때에만 필요하다.

① 부흐홀츠 계전기 ② 비율차동 계전기 ③ 충격압력 계전기

[해설]

변압기 내부고장은 권선의 단락·지락 때 생기는 가스·압력 상승·전류 불평형을 잡아내 검출한다.

• 부흐홀츠 계전기 — 본체와 콘서베이터 사이 배관에 달아, 아크로 생긴 분해가스와 기름이 갑자기 흐르는 것을 검출한다.
• 비율차동 계전기 — 1·2차 전류의 차가 통과전류의 일정 비율을 넘으면 동작하는 전기적 보호장치다.
• 충격압력 계전기 — 탱크 안의 압력이 갑자기 오르는 것을 검출한다.

외우는 요령: 기계적 검출(부흐홀츠·충격압력) 2개와 전기적 검출(비율차동) 1개로 묶어서 기억한다.

24.5[m]

[해설]

부하 중심점은 각 부하전류를 가중치로 둔 거리의 가중평균이다.
L = Σ(I·l) ÷ ΣI

단상 100[V]이므로 부하전류는 B 3[A], C 5[A], D 2[A]이다. 전원에서 떨어진 거리는 B 20[m], C 25[m], D 30[m]이다.

L = (3×20 + 5×25 + 2×30) ÷ (3 + 5 + 2)
= 245 ÷ 10 = 24.5[m]

전압이 모두 같으므로 전류 대신 전력(300·500·200[W])을 가중치로 써도 결과가 같다.

(1) 45.58[A]

(2) 80[A]

[해설]

역률·효율을 계산에 넣지 않으므로 설계전류는 3상 전력식에서 바로 구한다.
I_B = P / (√3·V) = 30×10³ / (√3 × 380)
I_B = 45.58[A]

차단기는 설계전류 이상이면서 기동전류에 트립되지 않아야 하므로 기동전류 배수를 규약동작배율로 나눈 값 이상을 고른다.
I_n ≥ I_B × 8 / 5 = 45.58 × 1.6 = 72.93[A]

72.93[A] 이상인 표준 정격 중 가장 작은 80[A]를 선정한다.

5[Ω]

[해설]

거리계전기는 PT·CT 2차측의 전압과 전류로 임피던스를 잰다. 그래서 계전기에는 1차 임피던스에 CT비를 곱하고 PT비로 나눈 값이 보인다.

Z_r = Z₁ × (CT비 / PT비)
= 70 × (500/5) / (154,000/110)
= 70 × 100 / 1,400 = 5[Ω]

혼동 주의: 전압은 PT비만큼, 전류는 CT비만큼 줄어든다. 따라서 임피던스를 환산할 때는 CT비가 분자, PT비가 분모에 온다.

200[W]

[해설]

도로 양쪽 지그재그 배치에서 등 1기가 맡는 노면 면적은 도로 폭 × 등 간격의 절반이다.

A = 25 × 30 / 2 = 375[m²]

FUN = EAD에서 감광보상률 D = 1/유지율이므로 등 1기의 필요 광속은 F = EA / (UM)이다.

F = 5 × 375 / (0.3 × 0.75)
F = 8,333.33[lm]

8,333.33[lm]이 7,700~8,500[lm] 구간에 들므로 200[W] 수은등을 고른다.

혼동 주의: 편측·중앙 배치는 A = BS, 양쪽 대칭·지그재그 배치는 A = BS/2로 잡는다.