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]

(1) 인입 개폐기 ASS는 자동고장구분개폐기로, 수용가 구내 사고를 배전선로에서 분리해 파급을 막는다. LA는 피뢰기로 뇌서지·개폐서지를 대지로 방류한 뒤 속류를 차단한다. VCB는 진공차단기로, 진공 중의 높은 절연내력과 확산 소호를 이용해 부하전류와 고장전류를 차단한다. 계기용 변성기함 옆에 붙는 DM은 최대수요전력량계로, 일정 수요시간(보통 15분) 평균전력의 최댓값을 기록해 기본요금 산정의 근거가 된다. 같은 도면이 실린 다른 회차의 판본을 대조하면 이 자리의 약호는 DM으로 인쇄되어 있다(일부 교재에는 PF, 즉 전력퓨즈로 실려 있으나 도면상 PF는 별도 위치에 이미 표기되어 있어 중복이다).

(2) 변압기 용량은 합성 부하의 피상전력을 감당해야 하므로 설비용량에 수용률을 곱한 뒤 역률과 효율로 나눈다.

$P_t \ge \dfrac{P \cdot d}{\cos\theta \cdot \eta} = \dfrac{300 \times 0.6}{0.8 \times 0.8} = 281.25\,[\mathrm{kVA}]$

계산값 281.25[kVA]를 웃도는 변압기 표준용량은 100·150·200·300·500[kVA] 계열 중 300[kVA]이므로 300[kVA]를 선정한다.

(3) 22.9[kV-Y] 지중 인입에는 물의 침입으로 인한 수트리 열화를 막아야 하므로 CNCV-W(수밀형) 또는 트리 발생을 억제한 TR CNCV-W 케이블을 사용한다.

(4) TR₂ 계통과 비상발전기 회로가 점선 박스 안에서 서로 물려 있는 것은 상용전원이 정전되면 발전기 측으로 부하를 옮겨 붙이는 자동절체스위치(ATS)다. 두 전원이 동시에 투입되지 않도록 인터록이 걸려 있다.

(5) 22.9[kV] 수전 변압기는 1차 Δ, 2차 Y(중성점 접지) 결선이 표준이다. Δ 결선은 제3고조파 여자전류를 폐로 안에서 순환시켜 파형 왜곡을 줄이고, 2차 Y 결선은 중성점을 접지해 지락 보호와 상전압 공급을 가능하게 한다.

17.79[W/km]

[해설]

케이블 절연체에는 완전한 정전용량 외에 미소한 손실 성분이 있어, 인가전압 아래에서 열로 소비되는 전력이 유전체손이다. 선간전압 기준으로 정리하면

$P_d = 2\pi f C V^{2} \tan\delta$

$= 2\pi \times 60 \times 0.03 \times 10^{-6} \times (22.9 \times 10^{3})^{2} \times 0.003 = \mathbf{17.79}\,[\mathrm{W/km}]$

3심 케이블에서 상전압 $E = V/\sqrt{3}$를 써 3상분을 더해도 $3 \times 2\pi f C E^{2}\tan\delta = 2\pi f C V^{2}\tan\delta$로 같은 값이 나오므로 위 식을 그대로 쓰면 된다.

유전정접 $\tan\delta$는 절연물의 품질을 나타내는 지표로 XLPE는 대체로 0.0004 ~ 0.001, OF 케이블은 0.002 ~ 0.004 수준이다. 일부 교재에 이 문제의 유전체 역률이 0.03으로 실려 있으나 자릿수 오기이며, 실계통 케이블에서 3[%]에 달하는 유전정접은 성립하지 않는다.

(1) 1.65[m]

(2) 1.1[m]

[해설]

조명 설계에서 기준이 되는 높이 H는 천장이 아니라 작업면에서 등기구까지의 거리다. 천장 직부형이므로

$H = 4.1 - 0.8 = 3.3\,[\mathrm{m}]$

등기구와 벽 사이의 간격 $S_0$는 벽 쪽 조도가 떨어지지 않도록 다음 기준을 따른다.

(1) 벽면을 사용하지 않는 경우: $S_0 \le \dfrac{H}{2} = \dfrac{3.3}{2} = \mathbf{1.65}\,[\mathrm{m}]$

(2) 벽면을 사용하는 경우(벽 가까이에서 작업하는 경우): $S_0 \le \dfrac{H}{3} = \dfrac{3.3}{3} = \mathbf{1.1}\,[\mathrm{m}]$

참고로 등기구 상호 간의 간격은 $S \le 1.5H = 4.95\,[\mathrm{m}]$로 잡는다. 실의 가로·세로 치수는 등의 배치 개수를 정할 때 쓰이는 값이며 이 문제의 간격 계산에는 사용하지 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]

(1) 전압계 자체에 걸리는 전압과 그때 흐르는 전류의 비가 내부저항이다.

$r_v = \dfrac{V_v}{I} = \dfrac{45 \times 10^{-3}}{30 \times 10^{-3}} = \mathbf{1.5}\,[\mathrm{\Omega}]$

(2) 배율기는 전압계와 직렬로 넣어 측정 범위를 넓히는 저항이다. 전원전압 V가 배율기 $R_m$과 전압계 $r_v$에 저항비대로 나뉘므로 배율 $m = V / V_v$일 때

$R_m = r_v\left(\dfrac{V}{V_v} - 1\right) = 1.5 \times \left(\dfrac{100}{45 \times 10^{-3}} - 1\right)$

$= 1.5 \times (2{,}222.22 - 1) = 1.5 \times 2{,}221.22 = \mathbf{3{,}331.83}\,[\mathrm{\Omega}]$

즉 배율 약 2,222배를 얻기 위해 내부저항의 2,221배가 되는 저항을 직렬로 넣는 셈이다. 전류계의 측정 범위를 넓힐 때 쓰는 분류기는 반대로 병렬로 접속하며 $R_s = \dfrac{r_a}{m - 1}$가 된다는 점과 짝지어 기억하면 헷갈리지 않는다.

① 3  ② 5  ③ 6  ④ 8

[해설]

한국전기설비규정(KEC)의 수용가 설비에서의 전압강하 규정에 따르면, 저압으로 수전하는 A 유형은 조명 3[%], 기타 5[%]이고, 고압 이상으로 수전하는 B 유형은 조명 6[%], 기타 8[%]이다.

조명 회로의 한도가 더 엄격한 것은 전압이 조금만 떨어져도 광속과 수명이 눈에 띄게 나빠지기 때문이고, 고압 수전 쪽의 한도가 큰 것은 구내 배선 거리가 길어 전압강하가 커질 수밖에 없는 사정을 반영한 것이다.

표의 각주도 함께 외워 두어야 한다. 배선설비가 100[m]를 넘으면 초과분에 대해 미터당 0.005[%]씩 가산할 수 있지만, 가산분의 합계는 0.5[%]를 넘지 못한다. 예를 들어 190[m] 배선이라면 초과 90[m]에 대해 $90 \times 0.005 = 0.45\,[\%]$를 더할 수 있다.

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]

중성점을 어떤 임피던스로 대지에 묶느냐에 따라 지락전류의 크기와 건전상의 전위상승이 달라진다. 중성점을 띄우는 비접지방식, 저항을 통해 접지하는 저항접지방식, 도체로 직접 잇는 직접접지방식, 대지 정전용량과 병렬공진시켜 지락전류를 상쇄하는 소호리액터접지방식이 기본 4가지다.

국내 154[kV]·345[kV]와 같은 초고압 계통은 직접접지방식을 쓴다. 지락 시 건전상의 전위상승이 작아 기기의 절연을 낮출 수 있고(단절연·저감절연), 지락전류가 커서 보호계전기의 동작이 확실하다는 것이 장점이다. 반면 큰 지락전류에 따른 통신선 유도장해와 계통 충격은 단점이다.

유효접지란 1선 지락 시 건전상의 대지전압이 상규 대지전압의 1.3배를 넘지 않도록 접지임피던스를 조정한 상태를 말하며, 대칭좌표법으로는 $0 \le X_0 / X_1 \le 3$, $-1 \le R_0 / X_1 \le 1$의 범위로 규정한다.

(1) ① 돌침 ② 수평도체 ③ 메시도체

(2) ① 보호각법 ② 회전구체법 ③ 메시법

[해설]

외부피뢰시스템은 뇌격을 받아들이는 수뢰부시스템, 그 전류를 아래로 흘려보내는 인하도선시스템, 대지로 방류하는 접지극시스템으로 이루어진다. 이 가운데 수뢰부는 돌침·수평도체·메시도체를 단독으로 또는 조합해 구성하며, 건축물의 형상과 높이에 따라 조합이 달라진다.

배치는 보호각법·회전구체법·메시법의 세 가지로 검토한다. 보호각법은 수뢰부 끝점에서 그은 보호각 안쪽을 보호범위로 보는 방법으로 높이가 낮은 건축물에 적용하고, 회전구체법은 피뢰레벨별 반지름의 구체를 굴렸을 때 구체가 닿지 않는 영역을 보호범위로 보아 모든 경우에 쓸 수 있으며, 메시법은 지붕처럼 평평한 면을 그물눈 모양 도체로 덮는 방법이다. 실제 설계에서는 이 방법들을 함께 적용해 보호되지 않는 부분이 없도록 한다.

(1) 20[kVA]

(2) 30[kVA] — 주파수 변동과 리액터·콘덴서의 용량 오차를 고려하여 콘덴서 용량의 6[%]를 적용하기 때문

[해설]

(1) 제5고조파에 대하여 회로가 유도성이 되려면 리액터의 유도리액턴스가 콘덴서의 용량리액턴스보다 커야 하고, 두 값이 같아지는 직렬공진 조건이 이론상의 경계다.

$5\omega L = \dfrac{1}{5\omega C} \quad \Rightarrow \quad \omega L = \dfrac{1}{25} \cdot \dfrac{1}{\omega C} = 0.04 \cdot \dfrac{1}{\omega C}$

즉 리액터 용량은 콘덴서 용량의 4[%]이므로

$Q_L = 500 \times 0.04 = \mathbf{20}\,[\mathrm{kVA}]$

(2) 4[%]는 공진점 그 자체여서 계통 주파수가 조금만 흔들리거나 리액터·콘덴서의 실제 용량이 공칭값과 어긋나면 유도성을 잃고 오히려 고조파가 확대될 수 있다. 그래서 여유를 두어 6[%]를 적용한다.

$Q_L = 500 \times 0.06 = \mathbf{30}\,[\mathrm{kVA}]$

제3고조파까지 문제가 되는 계통에서는 $3\omega L \gt 1/(3\omega C)$를 만족해야 하므로 $11\,[\%]$ 이상(실용상 13[%])의 리액터를 쓴다.

Y = B

[해설]

회로를 앞에서부터 읽으면 위쪽 OR 게이트의 출력은 $A + B$, 인버터를 거친 입력이 들어가는 아래쪽 OR 게이트의 출력은 $\overline{A} + B$이고, 두 출력이 AND 게이트로 합쳐진다.

$Y = (A + B)(\overline{A} + B)$

전개하면

$Y = A\overline{A} + AB + \overline{A}B + BB = 0 + AB + \overline{A}B + B$

$= B(A + \overline{A} + 1) = B \cdot 1 = \mathbf{B}$

분배법칙 $(X + Y)(X + Z) = X + YZ$를 B에 대해 바로 적용하면 $Y = B + A\overline{A} = B + 0 = B$로 한 줄에 정리된다. 즉 이 회로의 출력은 입력 A와 무관하며 B를 그대로 내보내는 것과 같다.

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 층간·상간 단락, 권선과 철심 사이의 지락 등으로 나타나며, 고장 시 발생하는 가스·압력·전류 불평형을 잡아내는 방식으로 검출한다. 답으로 인정되는 장치는 다음과 같다.

① 부흐홀츠 계전기 — 변압기 본체와 콘서베이터를 잇는 관에 설치해 아크로 생긴 분해가스와 유류의 급격한 흐름을 검출한다.

② 비율차동 계전기 — 1차와 2차의 전류차가 통과전류에 대해 일정 비율을 넘으면 동작하며, 여자돌입전류에 의한 오동작을 막기 위해 고조파 억제 기능을 둔다.

③ 충격압력 계전기 — 탱크 내부의 급격한 압력 상승을 검출한다.

④ 방압 안전장치 — 압력이 한계를 넘으면 파열판이 터져 탱크의 파손을 막는다.

⑤ 유온계(온도계 계전기) — 절연유의 온도 상승을 감시해 경보·차단을 낸다.

이 가운데 3가지를 쓰면 되며, 전기적 검출(비율차동)과 기계적 검출(부흐홀츠·충격압력)을 섞어 적는 것이 무난하다.

24.5[m]

[해설]

부하 중심점은 각 부하전류를 가중치로 삼은 거리의 평균 지점으로, 전선 굵기 산정이나 간선 인출 위치를 정할 때 쓴다.

먼저 각 부하점의 전류를 구한다(단상 2선식, 100[V]).

$I_B = \dfrac{100 \times 3}{100} = 3\,[\mathrm{A}], \quad I_C = \dfrac{100 \times 5}{100} = 5\,[\mathrm{A}], \quad I_D = \dfrac{100 \times 2}{100} = 2\,[\mathrm{A}]$

전원 A에서 각 부하까지의 거리는 B가 20[m], C가 20 + 5 = 25[m], D가 20 + 5 + 5 = 30[m]이다.

$L = \dfrac{\sum (I \cdot l)}{\sum I} = \dfrac{3 \times 20 + 5 \times 25 + 2 \times 30}{3 + 5 + 2} = \dfrac{245}{10} = \mathbf{24.5}\,[\mathrm{m}]$

부하가 가장 큰 C(5[A])가 25[m] 지점에 있어 중심점이 그 부근으로 당겨진 결과다.

(1) 45.58[A]

(2) 80[A]

[해설]

(1) 조건에서 효율과 역률을 고려하지 않으므로 설계전류는 3상 전력식에서 바로 얻는다.

$I_B = \dfrac{P}{\sqrt{3}\,V} = \dfrac{30 \times 10^{3}}{\sqrt{3} \times 380} = \mathbf{45.58}\,[\mathrm{A}]$

(2) 전동기 회로의 차단기는 두 가지를 동시에 만족해야 한다.

㉠ 연속 사용에 견딜 것: $I_n \ge I_B = 45.58\,[\mathrm{A}]$

㉡ 기동전류로 불필요하게 트립되지 않을 것: 기동전류는 전부하전류의 8배이고 기동시간에 대한 규약동작배율이 5배이므로

$I_n \ge \dfrac{I_B \times \beta}{\gamma} = \dfrac{45.58 \times 8}{5} = 72.93\,[\mathrm{A}]$

두 조건 중 큰 값인 72.93[A] 이상이면서 표에 있는 표준 정격전류는 80[A]이므로 이를 선정한다.

기동 돌입전류(순시 여자돌입)까지 검토하는 방식도 있으나, 그 계산에는 돌입배수·비대칭계수처럼 이 문제의 [조건]에 주어지지 않은 값이 필요하다. 주어진 조건만으로 판단하면 ㉡이 결정 조건이며 결과는 같은 80[A]다.

5[Ω]

[해설]

거리계전기는 계기용변성기의 2차측 전압과 전류로 임피던스를 재므로, 1차측 임피던스는 PT비로 나뉘고 CT비만큼 커진 값으로 보인다.

$Z_r = Z_1 \times \dfrac{n_{CT}}{n_{PT}} = 70 \times \dfrac{500/5}{154{,}000/110}$

여기서 $n_{CT}$는 CT비, $n_{PT}$는 PT비이다.

$= 70 \times \dfrac{100}{1{,}400} = \mathbf{5}\,[\mathrm{\Omega}]$

정리하면 2차 임피던스는 1차 임피던스에 CT비를 곱하고 PT비로 나눈 값이다. 전압은 $110/154{,}000$배로 줄고 전류는 $5/500$배로 줄므로, 그 비인 임피던스는 $1/14$배가 된다.

200[W]

[해설]

지그재그(교호) 배치에서는 등이 양쪽에 번갈아 서므로 등 1기가 담당하는 노면 면적은 도로 폭 B와 등 간격 S의 곱의 절반이다.

$A = \dfrac{B \cdot S}{2} = \dfrac{25 \times 30}{2} = 375\,[\mathrm{m^2}]$

조도 계산식 $F \cdot U \cdot N = E \cdot A \cdot D$에서 감광보상률 D는 유지율 M의 역수($D = 1/M$)이므로, 등 1기(N = 1)의 필요 광속은

$F = \dfrac{E \cdot A}{U \cdot M} = \dfrac{5 \times 375}{0.30 \times 0.75} = 8{,}333.33\,[\mathrm{lm}]$

표에서 8,333.33[lm]을 포함하는 구간은 7,700 ~ 8,500[lm]이므로 200[W] 수은등을 선정한다.

도로조명에서 배치 방식이 바뀌면 등 1기의 담당 면적도 달라진다. 한쪽(편측) 배치와 양쪽 마주보기(대칭) 배치는 $A = B \cdot S$, 지그재그 배치는 그 절반, 도로 중앙에 한 줄로 세우는 중앙 배치는 $A = B \cdot S / 2$로 잡는다는 점을 함께 정리해 두면 좋다.