2019년 전기산업기사실기(필답형) 3회차 기출문제 정답·해설 페이지

단선 전 소비 전력의 $\dfrac{1}{2}$배로 줄어든다.

[해설]

단선 전에는 저항 $R$ 3개가 △로 연결되어 각 저항에 선간 전압 $E$가 그대로 걸린다.

$P_1 = 3 \times \dfrac{E^{2}}{R} = \dfrac{3E^{2}}{R}\,[\mathrm{W}]$

P점이 끊어지면 L3로 가는 한 갈래가 없어지고, 살아 있는 L1–L2 두 선 사이에서 회로를 다시 본다. △의 한 변에 있던 저항 $R$은 L1–L2에 그대로 걸리고, 나머지 두 저항은 단선점을 지나지 않는 경로로 이어져 $R + R = 2R$의 직렬이 되어 역시 L1–L2 사이에 걸린다. 결국 $R$과 $2R$의 병렬이다.

$R_0 = \dfrac{R \times 2R}{R + 2R} = \dfrac{2}{3}R\,[\Omega]$

$P_2 = \dfrac{E^{2}}{R_0} = \dfrac{E^{2}}{\dfrac{2}{3}R} = \dfrac{3E^{2}}{2R}\,[\mathrm{W}]$

두 전력을 나누면 답이 나온다.

$\dfrac{P_2}{P_1} = \dfrac{\dfrac{3E^{2}}{2R}}{\dfrac{3E^{2}}{R}} = \mathbf{\dfrac{1}{2}}$

같은 계산을 저항별로 확인해도 된다. $R$ 하나에는 $\dfrac{E^{2}}{R}$, 직렬이 된 $2R$ 쪽에는 $\dfrac{E^{2}}{2R}$이 소비되어 합이 $\dfrac{3E^{2}}{2R}$로 같다. 즉 한 상이 끊어지면 3상 평형 저항 부하의 소비 전력은 절반이 된다.

28.57[%]

[해설]

단상 3선식 설비 불평형률은 중성선과 각 전압측 전선 사이에 걸린 부하의 차를 총 부하설비용량의 1/2로 나누어 백분율로 나타낸 값이다.

분자에는 L1–N 8[kVA]와 N–L2 5[kVA]의 차가 들어가고, 선간(L1–L2) 8[kVA]는 분모의 총 설비용량에만 포함된다.
불평형률 = (8 − 5) / {(8 + 5 + 8) × 1/2} × 100
= 3 / 10.5 × 100 = 28.57[%]

혼동 주의: 단상 3선식의 기준은 40[%] 이하이고, 3상 3선식·3상 4선식의 기준은 30[%] 이하다.

(1) 유접점 회로

X : $\overline{A_1}$ b접점 → $A_2$ a접점 직렬 경로와 $A_1$ a접점 → $A_4$ a접점 직렬 경로를 병렬로 묶고, 그 뒤에 $A_3$ a접점을 직렬로 넣어 램프 X로 보낸다.

Y : $\overline{A_1}$ → $\overline{A_3}$ → $\overline{A_4}$ b접점 3개 직렬 경로와 $A_1$ → $A_3$ → $A_4$ a접점 3개 직렬 경로를 병렬로 묶고, 그 뒤에 이미 그려져 있는 $\overline{A_2}$ b접점을 거쳐 램프 Y로 보낸다.

Z : $A_1$ a접점 → $\overline{A_3}$ b접점을 직렬로 두고, 그 뒤에 $A_2$ a접점과 $A_4$ a접점을 병렬로 붙여 램프 Z로 보낸다.

(2) 무접점 회로

X : AND($\overline{A_1}$, $A_2$, $A_3$)와 AND($A_1$, $A_3$, $A_4$)의 출력을 OR

Y : AND($\overline{A_1}$, $\overline{A_2}$, $\overline{A_3}$, $\overline{A_4}$)와 AND($A_1$, $\overline{A_2}$, $A_3$, $A_4$)의 출력을 OR

Z : AND($A_1$, $A_2$, $\overline{A_3}$)와 AND($A_1$, $\overline{A_3}$, $A_4$)의 출력을 OR

[해설]

동작표에서 출력이 1인 행을 곱항으로 모아 공통인수를 묶은 간이화 논리식이 그대로 회로의 설계도다.

유접점은 곱을 직렬, 합을 병렬로 옮긴다. $A_1$ a접점과 $\overline{A_1}$ b접점을 모선 쪽에 하나씩만 두고 X·Y·Z가 나눠 쓰면 최소 접점 수가 된다.

• X — $A_3$가 공통이므로 ($\overline{A_1}$·$A_2$)와 ($A_1$·$A_4$) 병렬 뒤에 $A_3$ a접점을 직렬로 둔다.
• Y — $\overline{A_2}$가 공통이므로 b접점 3개 직렬과 a접점 3개 직렬을 병렬로 묶어 $\overline{A_2}$ b접점으로 보낸다.
• Z — $A_1$·$\overline{A_3}$ 직렬 뒤에 $A_2$와 $A_4$ a접점 병렬을 붙인다.

무접점은 곱항 하나가 AND 게이트, 합이 OR 게이트이며 NOT으로 만든 부정 신호 버스에서 필요한 입력을 끌어온다. Z는 $A_1\overline{A_3}(A_2+A_4)$를 전개해 3입력 AND 두 개의 OR로 그린다.

220.82[V]

[해설]

단상 2선식은 가는 선과 오는 선 두 가닥 모두에서 전압강하가 생기므로 전압강하를 e = 2IR로 잡는다.

I = P ÷ V_r = 3,000 ÷ 220 = 13.64[A]
e = 2 × 13.64 × 0.03 = 0.82[V]
V_s = V_r + e = 220 + 0.82 = 220.82[V]

혼동 주의: 3상 3선식은 e = √3IR, 단상 3선식·3상 4선식은 e = IR(1선 기준)이다.

(1) ① 평상시 부하 전류를 안전하게 통전한다 ② 단락 전류 등 고장 전류가 흐르면 즉시 용단되어 전로와 기기를 보호한다

(2) 용단되면 재투입이 불가능하다.

(3) ① 차단기 ② 개폐기 ③ 단로기

(4) 한류형 전력 퓨즈(PF)와 고압 개폐기(S)

[해설]

(1) 전력 퓨즈의 역할은 평상시와 사고 시로 갈린다. 평상시에는 부하 전류를 녹지 않고 안전하게 통전해야 하고, 사고 시에는 단락 전류를 비롯한 고장 전류를 신속히 차단해 전로와 기기를 지켜야 한다. 특히 한류형 퓨즈는 단락 전류가 최댓값에 이르기 전에 끊어 통과 에너지를 크게 줄인다.

(2) 퓨즈는 자기 몸이 녹아서 차단하는 소자다. 그래서 한 번 용단되면 다시 넣을 수 없고 교체해야 한다. 3상 중 한 상만 끊어져 결상 운전이 될 수 있다는 점, 과부하 영역에서 보호 협조를 잡기 어렵다는 점도 함께 지적되지만 가장 큰 단점은 재투입 불가다.

(3) 표를 위에서부터 읽으면 답이 하나로 정해진다. 네 가지 동작을 모두 할 수 있는 ①은 차단기다. 부하 전류 개폐와 과부하 차단까지는 되지만 단락 차단을 못 하는 ②는 개폐기이며, 무부하 상태의 회로 분리만 가능한 ③은 단로기다.

퓨즈가 무부하 분리와 단락 차단은 되면서 부하 개폐와 과부하 차단이 안 되는 것과, 단로기가 무부하 분리만 되는 것을 대비해 두면 표를 통째로 외우지 않아도 된다.

(4) 큐비클은 주 차단 장치를 무엇으로 꾸미느냐로 이름이 갈린다.

이름의 S가 개폐기(Switch)를 뜻하므로 PF-S형 = 전력 퓨즈 + 고압 개폐기로 읽으면 된다.

(1) 59.52[%]

(2) 91.85[%]

[해설]

부하율은 평균전력 ÷ 최대전력이고, 역률은 최대전력 시점의 유효전력 ÷ 3상 피상전력(√3VI)이다.

일 부하율 = (전력량 ÷ 24) ÷ 최대전력 × 100
= (100 ÷ 24) ÷ 7 × 100
= 59.52[%]

역률 = P ÷ (√3VI) × 100
= 7,000 ÷ (√3 × 220 × 20) × 100 = 7,000 ÷ 7,621 × 100
= 91.85[%]

혼동 주의: 전동기 정격 11[kVA]는 어느 계산에도 쓰지 않는 잉여 조건이다.

(1) ① 절연유를 쓰지 않아 화재·폭발의 우려가 없다 ② 소형·경량으로 만들 수 있다 ③ 코로나 개시 전압과 임펄스 강도가 높다

(2) ① 서지에 약해 별도의 보호 대책이 있어야 한다 ② 옥외 설치가 곤란하고 대용량 제작이 어렵다 ③ 충격파 내전압이 낮아 진공 차단기와 함께 쓰면 서지 흡수기를 시설해야 한다

[해설]

몰드 변압기는 권선을 에폭시 수지로 굳힌 건식 변압기라, 절연유가 없다는 데서 장단점이 모두 나온다.

• 화재·폭발 우려 없음 — 탈 기름이 없어 옥내·지하 수전실에 두기 좋다.
• 소형·경량 — 절연 거리가 짧아 크기와 무게가 줄어든다.
• 코로나 개시 전압·임펄스 강도가 높음 — 진공 주형으로 내부 공극이 없어 부분방전이 잘 생기지 않는다.
• 서지에 약함 — 순간적인 서지에 대한 절연 내력이 유입형보다 낮아 별도 보호가 필요하다.
• 옥외 설치·대용량 제작 곤란 — 수지가 직사광선·빗물에 약하고 대형 주형이 어렵다.
• 진공 차단기와 조합 시 서지 흡수기 필요 — 충격파 내전압이 낮아 VCB 개폐 서지로부터 보호해야 한다.

혼동 주의: 장점의 코로나·임펄스 특성은 공극 없는 수지 절연의 품질을 가리킨다.

단점의 낮은 충격파 내전압은 순간 서지에 대한 기준충격절연강도(BIL)가 유입형보다 낮다는 뜻이다.

(1) 173.21[kW]

(2) 157.61[%]

[해설]

V결선 출력은 단상 변압기 1대 용량의 √3배이고, 역률이 1이면 [kVA] 값이 그대로 [kW]가 된다.

P_V = √3 × P₁ × cosθ
= √3 × 100 × 1
= 173.21[kW]

과부하율 = 부하 ÷ V결선 공급능력 × 100
= 273 ÷ 173.21 × 100
= 157.61[%]

혼동 주의: V결선의 출력비 57.7[%]·이용률 86.6[%]는 과부하율과 다른 지표다.

① 글로우 스타터 회로(예열 기동형)

② 순시 기동 회로

③ 래피드 스타트 회로(속시 기동형)

[해설]

형광등은 방전등이라 켜는 순간 필라멘트 예열과 높은 시동 전압이 필요하고, 이것을 처리하는 방식에 따라 점등 회로가 나뉜다.

• 글로우 스타터 회로 — 점등관이 붙었다 떨어지며 필라멘트를 예열하고, 회로가 끊기는 순간 안정기의 유도 기전력으로 방전을 일으킨다.
• 순시 기동 회로 — 예열 없이 높은 전압을 곧바로 걸어 즉시 켜지만 전극 소모가 크다.
• 래피드 스타트 회로 — 안정기 안의 예열 권선이 예열과 전압 인가를 동시에 처리해 점등관 없이 1초 안팎에 켜진다.

외우는 요령: 예열 후 기동은 글로우 스타터, 예열 없이 기동은 순시, 예열하며 기동은 래피드 스타트다.

2.42[%]

[해설]

2차를 단락하고 1차 정격 전류가 흐를 때의 1차 전압이 임피던스 전압이고, 그때의 입력이 임피던스 와트(동손)다. 이 둘로 %강하를 구해 전압 변동률 식에 넣는다.

%z = 170 ÷ 6,600 × 100 = 2.58[%]
%p = 700 ÷ (50 × 10³) × 100 = 1.4[%]
%q = √(2.58² − 1.4²) = 2.17[%]

지상 역률 0.8이면 sinθ = 0.6이다.
ε = %p·cosθ + %q·sinθ = 1.4 × 0.8 + 2.17 × 0.6
ε = 2.42[%]

혼동 주의: 진상 역률이면 ε = %p·cosθ − %q·sinθ로 부호가 바뀐다.

(1) 개폐 서지 등의 이상 전압으로부터 변압기·전동기 같은 전력 기기를 보호한다.

(2) 개폐 서지를 발생시키는 차단기의 후단(2차 측)과 보호하려는 기기의 전단 사이에 병렬로 시설한다.

[해설]

서지 흡수기는 구조가 피뢰기와 비슷한 일종의 옥내용 피뢰기다. 그러나 노리는 대상이 다르다. 피뢰기(LA)가 선로로 침입하는 뇌 서지를 인입구에서 처리한다면, 서지 흡수기는 구내에서 차단기가 개폐할 때 스스로 만들어 내는 개폐 서지·순간 과도 전압을 처리한다. 특히 진공 차단기(VCB)는 전류 재단(current chopping)으로 급준파를 만들기 때문에 서지 흡수기가 필요하다.

따라서 시설 위치는 서지를 만드는 쪽과 서지에 약한 쪽 사이로 정해진다. 즉 차단기 2차 측 주회로에서 한 점을 분기해 선로와 대지 사이에 병렬로 넣고, 반대편 단자는 반드시 접지한다.

보호 대상이 되는 대표적인 기기는 몰드 변압기·건식 변압기, 고압 전동기, 콘덴서, 그리고 반도체 소자를 쓰는 기기다. 이들은 충격파 내전압이 낮아 개폐 서지에 직접 노출되면 절연이 파괴되기 쉽다.

정격은 계통 공칭 전압에 따라 정해진다.

(1)

① 단로기(DS) — 무부하 상태에서 회로를 개폐하고, 기기를 전로에서 분리한다.

② 피뢰기(LA) — 이상 전압이 침입하면 대지로 방전시키고 속류를 차단한다.

④ 전력 수급용 계기용 변성기(MOF) — 전력량 계량을 위해 고전압·대전류를 저전압·소전류로 변성해 전력량계에 준다.

⑤ 계기용 변압기(PT) — 고전압을 저전압으로 변성해 계기·계전기의 전원으로 쓴다.

⑥ 전압계용 전환 개폐기(VS) — 전압계 1대로 3상 각 상의 전압을 골라 재는 개폐기.

⑦ 차단기(CB) — 부하 전류를 개폐하고 단락·과부하·지락 등 사고 전류를 차단한다.

⑧ 과전류 계전기(OCR) — 과전류를 검출해 차단기의 트립 코일을 여자시킨다.

⑨ 계기용 변류기(CT) — 대전류를 소전류로 변성해 계기·계전기에 공급한다.

⑬ 전류계용 전환 개폐기(AS) — 전류계 1대로 3상 각 상의 전류를 골라 재는 개폐기.

(2) 1차 $\dfrac{22{,}900}{\sqrt{3}}\,[\mathrm{V}]$, 2차 110[V]

(3) Y 결선

(4) ⑪ 10/5, ⑫ 40/5

(5) 상용 전원과 예비 전원(발전기)이 동시에 투입되는 것을 막기 위한 인터록

[해설]

수전 단선결선도에는 인입구부터 개폐·보호·계량·측정 기기가 차례로 놓인다.

• 단로기(DS)는 부하전류를 끊지 못하므로 무부하 상태에서만 회로를 열어 기기를 전로에서 분리한다.
• 피뢰기(LA)는 침입한 이상전압을 대지로 방전시키고, 방전 뒤 이어서 흐르려는 속류를 차단한다.
• MOF는 PT와 CT를 한 함에 넣은 전력수급용 변성기로, 전력량계에 저전압·소전류를 공급한다.
• 계기용 변압기(PT)는 고전압을 110[V]로 낮춰 계기와 계전기의 전원으로 쓴다.
• 전압계용 전환개폐기(VS)와 전류계용 전환개폐기(AS)는 계기 1대로 3상 각 상의 값을 바꿔 가며 재게 해 준다.
• 차단기(CB)는 부하전류를 개폐하고 단락·과부하·지락 같은 사고전류를 차단한다.
• 과전류계전기(OCR)는 CT 2차 전류로 과전류를 검출해 차단기의 트립코일을 여자시킨다.
• 계기용 변류기(CT)는 대전류를 5[A]급 소전류로 바꿔 계기와 계전기에 보낸다.

22.9[kV-Y] 계통의 PT는 한 상과 대지 사이에 연결되므로 1차는 상전압 22,900/√3[V], 2차는 표준값 110[V]다. 380/220[V] 변압기는 중성선을 끌어내 두 전압을 함께 쓰기 위해 2차를 Y 결선한다.

CT 1차 정격은 부하전류의 1.5배를 계산한 뒤 그 이상의 표준값으로 올려 정한다.
250[kVA]: 250 / (√3 × 22.9) × 1.5 = 9.45[A] → 10/5
1,000[kVA]: 1,000 / (√3 × 22.9) × 1.5 = 37.82[A] → 40/5

파선으로 이어진 장치는 인터록이다. 상용전원과 발전기가 동시에 투입되어 비동기 병렬 운전이나 역송전이 일어나는 것을 막는다.

16[mm²]

[해설]

부하가 여러 점에 나뉘어 걸린 회로는 전 부하가 부하 중심점에 몰려 있다고 보고 굵기를 정한다. 부하 중심까지의 거리는 각 부하 용량으로 가중 평균한 거리다.

$L = \dfrac{\sum P_i L_i}{\sum P_i} = \dfrac{1{,}100 \times (12 + 18 + 24 + 30 + 36 + 42)}{1{,}100 \times 6} = \dfrac{162}{6} = 27\,[\mathrm{m}]$

여섯 부하의 용량이 모두 1,100[W]로 같으므로 가중 평균은 거리의 산술 평균과 같아진다.

전 부하 전류는 220[V] 단상이므로

$I = \dfrac{P}{V} = \dfrac{1{,}100 \times 6}{220} = 30\,[\mathrm{A}]$

전기 방식별 전선 단면적 산정식은 다음과 같다.

단상 2선식이므로 계수 35.6을 쓴다.

$A = \dfrac{35.6 \times 27 \times 30}{1{,}000 \times 2} = 14.418\,[\mathrm{mm^2}]$

계산값보다 크면서 가장 가까운 표준 공칭 단면적을 고른다. 공칭 단면적은 1.5, 2.5, 4, 6, 10, 16, 25, 35, 50, 70, 95, 120, 150[mm²] 순이므로 14.418[mm²] 바로 위인 16[mm²]이 답이다. 10[mm²]으로 내리면 전압강하가 2[V]를 넘으므로 반드시 올림해야 한다.

300[kVA]

[해설]

변압기 용량은 최대 수용 전력(설비 용량 × 수용률)을 역률로 나눠 피상 전력으로 바꾼 값이다. 수용가가 하나뿐이라 부등률은 1로 본다.

P_m = 350 × 0.6 = 210[kW]
P_a = 210 ÷ 0.7
P_a = 300[kVA]

300[kVA]는 변압기 표준 용량에 있으므로 올리지 않고 그대로 선정한다.

127.35[A]

[해설]

역률이 다른 부하가 섞여 있으면 전류를 단순히 더하지 않고 유효분과 무효분으로 나눠 벡터 합성한다. 전열기는 역률을 1로 보므로 유효분만 있다.

전동기 전류(합계 60[kW])
I_M = 60×10³ ÷ (√3 × 380 × 0.75) = 121.55[A]
유효분 = 121.55 × 0.75 = 91.16[A], 무효분 = 121.55 × 0.6614 = 80.40[A]

전열기 전류
I_H = 5×10³ ÷ (√3 × 380) = 7.60[A]

합성 전류
I = √((91.16 + 7.60)² + 80.40²) = 127.35[A]

혼동 주의: 전동기 전류에 1.1배를 곱해 단순 합산하는 옛 간이식으로 풀면 141.31[A]가 나와 답이 달라진다. 역률이 주어졌으면 벡터 합성으로 푼다.