2019년 전기산업기사실기(필답형) 1회차 기출문제 정답·해설 페이지

① 순한시 계전기

② 정한시 계전기

③ 반한시 계전기

④ 반한시성 정한시 계전기

[해설]

한시 계전기는 고장 전류의 크기와 동작 시간을 어떤 관계로 묶어 두었느냐로 갈린다.

• 순한시 계전기: 정정값을 넘으면 시간 지연 없이 즉시 동작한다.

• 정한시 계전기: 전류 크기와 관계없이 미리 정해 둔 일정 시간이 지나면 동작한다.

• 반한시 계전기: 전류가 클수록 동작 시간이 짧아지는 반비례 특성을 갖는다.

• 반한시성 정한시 계전기: 낮은 전류 구간에서는 반한시로 움직이다가 어느 값을 넘으면 정한시로 넘어간다.

같은 분류 체계에서 계단한시 계전기, 순시 비례한시 계전기를 함께 드는 자료도 있으나, 이 문항은 4가지만 요구하므로 위 네 가지를 대표로 적으면 된다.

(1) 차단기 투입 코일

(2) 차단기 트립 코일

[해설]

기구 번호 52는 교류 차단기(AC circuit breaker)를 뜻하고, 뒤에 붙는 알파벳이 그 차단기에 딸린 보조 요소를 가리킨다.

• 52C의 C는 close(투입)로, 조작 전원을 받아 차단기를 닫아 주는 투입 코일이다.

• 52T의 T는 trip(개방)으로, 보호계전기 접점이 닫히면 여자되어 차단기를 열어 주는 트립 코일이다.

같은 계열로 52X는 투입 보조 계전기, 52a·52b는 차단기의 주회로와 연동하는 보조 접점을 나타낸다.

(1) 21,068[V]

(2) 10분

[해설]

전로의 절연내력 시험전압은 접지방식과 최대사용전압 구간에 따라 정해진 배율을 최대사용전압에 곱해 구한다.

22.9[kV]는 중성점 다중접지식이면서 7[kV] 초과 25[kV] 이하 구간에 들어가므로 배율은 0.92다.

$V_{t}=22{,}900\times0.92=\mathbf{21{,}068}\,[\mathrm{V}]$

시험 방법은 전로와 대지 사이에 이 시험전압을 연속으로 10분간 인가해 견디는지 보는 것이다. 다중접지 계통의 배율 0.92가 1보다 작은 것은 중성점이 여러 곳에서 접지돼 지락 시 건전상 전위 상승이 작기 때문이며, 비접지 계통(1.5·1.25배)과 대비된다.

(1) ① 49.23[kW]  ② 43.64[kW]  ③ 46.15[kW]

(2) ① 62.79[kVA]  ② 49.47[kVA]  ③ 58.87[kVA]

[해설]

최대수용전력은 설비용량에 수용률을 곱한 뒤 부등률로 나눠 얻는다.

$\text{최대수용전력}=\dfrac{\sum(\text{설비용량}\times\text{수용률})}{\text{부등률}}$

(1)

① A군은 두 부하가 함께 걸리므로 각각의 수용전력을 더한 뒤 부등률로 나눈다. $P_{A}=\dfrac{50\times0.6+85\times0.4}{1.3}=\dfrac{30+34}{1.3}=\mathbf{49.23}\,[\mathrm{kW}]$

② $P_{B}=\dfrac{60\times0.8}{1.1}=\dfrac{48}{1.1}=\mathbf{43.64}\,[\mathrm{kW}]$

③ $P_{C}=\dfrac{100\times0.6}{1.3}=\dfrac{60}{1.3}=\mathbf{46.15}\,[\mathrm{kW}]$

(2) 변압기 용량은 [kVA]이므로 유효전력을 역률로 나누고, 변압기 자체 손실을 감안해 효율로 한 번 더 나눈다.

$P_{T}=\dfrac{\text{최대수용전력}}{\cos\theta\times\eta}$

① $\dfrac{50\times0.6+85\times0.4}{1.3\times0.8\times0.98}=\mathbf{62.79}\,[\mathrm{kVA}]$

② $\dfrac{60\times0.8}{1.1\times0.9\times0.98}=\mathbf{49.47}\,[\mathrm{kVA}]$

③ $\dfrac{100\times0.6}{1.3\times0.8\times0.98}=\mathbf{58.87}\,[\mathrm{kVA}]$

B군만 역률이 0.9인 점을 놓치기 쉽다. 또 (1)에서 반올림한 값을 (2)에 다시 넣으면 ②는 49.48, ③은 58.86으로 끝자리가 어긋난다. 반올림은 최종 단계에서 한 번만 하는 것이 원칙이므로 반올림 전 값으로 계산한 49.47·58.87[kVA]가 맞다.

20[μF]

[해설]

콘덴서가 내는 무효전력은 $Q=2\pi fCV^{2}$이므로, 필요한 정전용량은 이 식을 $C$에 대해 풀어 얻는다.

$C=\dfrac{Q}{2\pi fV^{2}}=\dfrac{1\times10^{3}}{2\pi\times60\times380^{2}}=1.837\times10^{-5}\,[\mathrm{F}]=18.37\,[\mu\mathrm{F}]$

계산값 18.37[μF]는 표에 없는 값이다. 콘덴서 용량이 계산값보다 작으면 목표한 1[kVA]를 얻지 못하므로, 계산값 바로 위의 표준값인 20[μF]를 고른다.

$10\,[\mu\mathrm{F}]\lt15\,[\mu\mathrm{F}]\lt18.37\,[\mu\mathrm{F}]\lt\mathbf{20}\,[\mu\mathrm{F}]$

표준 정전용량표가 함께 주어지는 문항은 계산값을 그대로 답하는 것이 아니라 반드시 표에서 고른 값을 답해야 한다.

(1) ① 과전류 계전기  ② 전류계  ③ 선택 지락 계전기  ④ 부족 전압 계전기  ⑤ 지락 과전압 계전기  ⑥ 영상 전압계

(2) ⑦ 전력 퓨즈 — 단락전류를 끊어 사고가 번지는 것을 막는다

    ⑧ 개폐기 — 전동기의 기동과 정지를 위해 회로를 여닫는다

    ⑨ 직렬 리액터 — 제5고조파를 억제해 전압 파형을 개선한다

    ⑩ 방전 코일 — 개방 후 콘덴서에 남은 잔류 전하를 방전시킨다

    ⑪ 전력용 콘덴서 — 지상 무효전력을 보상해 역률을 개선한다

(3) 75.68[kVA]

[해설]

(1) 도면에서 어느 변성기의 2차에 물려 있는지를 보면 계전기 종류가 잡힌다.

• ①은 CT 2차에 직결돼 있으므로 과전류를 감지하는 과전류 계전기(OCR), ②는 그 뒤에 붙은 전류계(A)다.

• ③은 ZCT의 영상전류와 GPT의 영상전압을 함께 받는 위치에 있으므로 지락 회선을 가려내는 선택 지락 계전기(SGR)다. 같은 입력을 쓰는 지락 방향 계전기(DGR)로 적은 자료도 있다.

• ④는 GPT 2차 전압을 감시해 전압이 규정 이하로 떨어지면 동작하는 부족 전압 계전기(UVR), ⑤는 영상전압이 커지면 동작하는 지락 과전압 계전기(OVGR), ⑥은 영상전압의 크기를 지시하는 영상 전압계다. 그 사이의 EL×3은 어느 상이 지락됐는지 알려 주는 접지 표시등이다.

(2) ⑦~⑧은 주회로 개폐·보호 요소, ⑨~⑪은 역률 개선용 콘덴서 설비 한 벌이다. 전력 퓨즈는 단락 대전류를 빠르게 끊고, 개폐기는 전동기를 기동·정지시킨다. 콘덴서(⑪) 앞에 두는 직렬 리액터는 콘덴서 용량의 6[%] 정도(이론상 4[%])로 잡아 제5고조파에 대해 회로가 유도성이 되게 만들어 파형을 개선하고, 방전 코일은 회로를 열었을 때 콘덴서에 남은 전하를 빼내 감전과 재투입 시 과전압을 막는다.

(3) 역률 개선용 콘덴서 용량은 개선 전후의 무효전력 차다.

$Q_{c}=P\left(\dfrac{\sin\theta_{1}}{\cos\theta_{1}}-\dfrac{\sin\theta_{2}}{\cos\theta_{2}}\right)=260\times\left(\dfrac{\sqrt{1-0.85^{2}}}{0.85}-\dfrac{\sqrt{1-0.95^{2}}}{0.95}\right)$

$=260\times(0.6197-0.3287)=\mathbf{75.68}\,[\mathrm{kVA}]$

역률이 좋아질수록 괄호 안의 뒤 항이 작아져 필요한 콘덴서 용량은 커진다. 100[%]까지 끌어올리려면 $260\times0.6197=161.1\,[\mathrm{kVA}]$가 든다.

(1) 직렬 갭, 특성 요소

(2) ① 충격방전 개시전압이 낮을 것 ② 상용주파 방전 개시전압이 높을 것 ③ 방전 내량이 크고 제한전압은 낮을 것 ④ 속류 차단 능력이 클 것

(3) 방전 중 피뢰기 단자에 남는 충격전압

(4) 속류를 끊을 수 있는 상용주파 교류 최고전압

(5) 피뢰기 단자에 충격전압을 가했을 때 방전이 시작되는 전압

[해설]

(1) 갭형 피뢰기는 평상시 전류를 막아 주는 직렬 갭과, 방전 뒤 저항이 급격히 커져 속류를 줄이는 특성 요소(SiC)가 직렬로 이어진 구조다. 요즘 널리 쓰이는 갭리스형은 비직선 저항 특성이 뛰어난 산화아연(ZnO) 특성 요소만으로 만들어 직렬 갭이 없다.

(2) 구비 조건은 "이상전압에는 빨리 열리고, 상용주파에는 열리지 않으며, 열린 뒤에는 확실히 닫힌다"로 요약된다. 즉 충격방전 개시전압은 낮게, 상용주파 방전 개시전압은 높게, 방전 내량은 크고 제한전압은 낮게, 속류 차단 능력은 크게 하는 것이다.

(3) 제한전압은 피뢰기가 방전하고 있는 동안 그 단자 사이에 걸려 남아 있는 충격전압으로, 뒤에 있는 기기가 실제로 받는 전압이다. 이 값이 피보호기기의 절연강도(BIL)보다 충분히 낮아야 보호가 성립한다.

(4) 정격전압은 방전을 끝낸 피뢰기가 속류를 끊고 정상 상태로 되돌아갈 수 있는 상용주파 교류 전압의 최고 한도(선간이 아닌 대지 기준 실효값)를 말한다.

(5) 충격방전 개시전압은 단자에 충격파를 인가했을 때 피뢰기가 방전을 시작하는 순간의 전압값이다. 상용주파 방전 개시전압과 짝을 이루는 개념으로, 앞의 것은 낮을수록, 뒤의 것은 높을수록 좋다.

① CB형

② PF-CB형

③ PF-S형

[해설]

큐비클은 수전 설비 일체를 금속 외함에 담은 폐쇄형 배전반으로, 주차단장치를 무엇으로 두느냐가 분류 기준이 된다.

• CB형: 주차단장치를 차단기(CB)로 구성한 형식. 과전류계전기와 짝지어 과부하·단락을 모두 차단하며 용량이 큰 수전설비에 쓴다.

• PF-CB형: 전력퓨즈(PF)와 차단기를 함께 쓰는 형식. 단락 대전류는 퓨즈가 끊고, 그 밖의 개폐와 과부하 차단은 차단기가 맡는다.

• PF-S형: 전력퓨즈와 고압 개폐기(S)를 조합한 형식. 차단기를 두지 않아 구성이 간단하고 값이 싸므로 비교적 작은 용량의 수전설비에 적용한다.

16[A] 분기회로 4회로

[해설]

분기회로 수는 부하의 피상전력을 한 회로가 감당할 수 있는 피상전력으로 나눠 구한다. 형광등은 역률이 있으므로 [W]를 그대로 쓰지 않고 [VA]로 바꿔야 한다.

부하 용량: $P_{a}=\dfrac{60\times100}{0.65}\times1.0=9{,}230.77\,[\mathrm{VA}]$

한 회로의 허용 용량: $200\times16\times0.8=2{,}560\,[\mathrm{VA}]$

회로 수: $N=\dfrac{9{,}230.77}{2{,}560}=3.61\;\Rightarrow\;\mathbf{4}$회로

나눈 값에 소수가 남으면 남는 부하를 실을 회로가 더 필요하므로 언제나 절상한다. 수용률이 100[%]라 부하 용량을 그대로 쓴 점, 분기회로 정격의 80[%]까지만 걸도록 한 여유율을 분모에 곱한 점이 계산의 두 축이다.

참고로 같은 문제를 15[A] 분기회로로 놓은 자료도 있는데, 그 경우 $\dfrac{9{,}230.77}{200\times15\times0.8}=3.85$로 역시 4회로가 되어 답은 달라지지 않는다.

(1) 광속 — 복사속을 눈의 시감도로 환산한 빛의 양 / [lm]

(2) 조도 — 어떤 면이 단위면적당 받아들이는 광속 / [lx]

(3) 광도 — 어떤 방향으로 단위 입체각당 내보내는 광속 / [cd]

[해설]

측광량은 "빛의 양 → 면이 받는 양 → 광원이 내보내는 세기"의 순서로 갈래가 잡힌다.

• 광속(luminous flux, F): 광원이 내는 복사 에너지 가운데 사람 눈이 밝기로 느끼는 몫만 시감도로 가중해 합한 양이다. 단위는 [lm](루멘).

• 조도(illuminance, E): 피조면이 단위면적당 받는 광속으로 $E=\dfrac{F}{A}\,[\mathrm{lx}]$. 단위는 [lx](럭스)이며 $1\,[\mathrm{lx}]=1\,[\mathrm{lm/m^{2}}]$이다. 광원에서 멀어질수록 거리의 제곱에 반비례한다.

• 광도(luminous intensity, I): 광원이 특정 방향으로 단위 입체각당 내보내는 광속으로 $I=\dfrac{F}{\omega}\,[\mathrm{cd}]$. 단위는 [cd](칸델라)이며 SI 기본단위다.

덧붙여 광원이나 반사면의 겉보기 밝기를 나타내는 휘도($L$)는 단위면적·단위입체각당 광속으로 [cd/m²], 단위면적에서 나가는 광속인 광속발산도($R$)는 [rlx]로 나타낸다.

(1) 300[kW]

(2) 400[kW]

(3) 550[kW]

[해설]

종합 최대수용전력은 설비용량에 수용률을 곱해 각 수용가의 최대수용전력을 구한 뒤, 최대가 되는 시각이 서로 어긋나는 정도인 부등률로 나눠 얻는다.

(1) 전등 $P_{L}=\dfrac{600\times0.6}{1.2}=\mathbf{300}\,[\mathrm{kW}]$

(2) 동력 $P_{M}=\dfrac{800\times0.8}{1.6}=\mathbf{400}\,[\mathrm{kW}]$

(3) 전등과 동력의 종합 최대수용전력을 다시 상호 부등률 1.4로 나눈 다음, 배전선로에서 잃는 10[%]를 얹어 준다.

$P=\dfrac{300+400}{1.4}\times(1+0.1)=500\times1.1=\mathbf{550}\,[\mathrm{kW}]$

손실 10[%]는 변전소가 더 내보내야 하는 몫이므로 나누는 것이 아니라 곱해 준다는 점에 주의한다. 부등률은 항상 1 이상이며 값이 클수록 부하가 서로 다른 시각에 몰려 설비를 작게 잡을 수 있다는 뜻이다.

7.2[lx]

[해설]

광원과 P점을 잇는 거리 $r$는 높이 3[m]와 수평거리 4[m]가 만드는 직각삼각형의 빗변이므로

$r=\sqrt{3^{2}+4^{2}}=5\,[\mathrm{m}]$, $\cos\theta=\dfrac{3}{5}=0.6$

수평면 조도는 거리 역제곱 법칙에 입사각의 여현을 곱해 구한다.

$E_h=\dfrac{I}{r^{2}}\cos\theta=\dfrac{300}{5^{2}}\times\dfrac{3}{5}=12\times0.6=\mathbf{7.2}\,[\mathrm{lx}]$

광원 높이 $h$만으로 정리하면 $E_h=\dfrac{I}{h^{2}}\cos^{3}\theta=\dfrac{300}{3^{2}}\times0.6^{3}=7.2\,[\mathrm{lx}]$로 같은 값이 나온다. 참고로 P점의 법선 조도는 $\dfrac{300}{5^{2}}=12\,[\mathrm{lx}]$, 수직면 조도는 $\dfrac{300}{5^{2}}\times\dfrac{4}{5}=9.6\,[\mathrm{lx}]$이다.

(1) ① 자동 고장 구분 개폐기  ② 피뢰기  ③ 진공 차단기  ④ 최대 수요 전력량계

(2) 281.25[kVA] → 표준 용량 300[kVA] 선정

(3) CNCV-W 케이블(수밀형) 또는 TR CNCV-W 케이블(트리 억제형)

(4) 자동 절체 개폐기(ATS)

(5) 위 그림과 같이 1차 권선 3개를 차례로 이어 삼각형으로 닫고(Δ), 2차 권선 3개는 한쪽 끝을 한 점에 모아 중성점을 만든다(Y).

[해설]

(1) ① ASS(Automatic Section Switch)는 수용가 구내 고장을 스스로 알아내 계통에서 떼어 내는 자동 고장 구분 개폐기다. ② LA(Lightning Arrester)는 뇌 서지를 대지로 흘려보내는 피뢰기다. ③ VCB(Vacuum Circuit Breaker)는 진공 중의 높은 절연내력과 소호 능력을 이용한 진공 차단기다. ④ DM(Demand Meter)은 일정 시간마다의 평균 수요전력 중 최댓값을 기록하는 최대 수요 전력량계다.

(2) 변압기 용량은 설비용량에 수용률을 곱한 뒤 역률과 효율로 나눈다.

$P_{T}=\dfrac{300\times0.6}{0.8\times0.8}=\dfrac{180}{0.64}=281.25\,[\mathrm{kVA}]$

변압기 표준 용량은 3, 5, 7.5, 10, 15, 20, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 500, 750, 1,000[kVA]로 정해져 있으므로 281.25[kVA]를 담을 수 있는 300[kVA]를 고른다. 계산값보다 작은 250[kVA]를 고르면 과부하가 된다.

(3) Ⓐ는 케이블 헤드(CH)로 들어오는 22.9[kV-Y] 지중 인입 구간이다. 이 구간에는 물이 스며들지 않도록 만든 CNCV-W(수밀형) 케이블을, 수트리 열화까지 억제하려면 TR CNCV-W(트리 억제형) 케이블을 쓴다.

(4) Ⓑ는 TR₂ 뒤쪽 점선 상자 안에 있는 전환 접점으로, 상용 전원이 끊기면 부하를 비상 발전기(G) 쪽으로 자동으로 옮겨 주는 자동 절체 개폐기(ATS)다.

(5) 단선도의 Δ-Y 기호를 복선도로 펼치면, 1차는 첫 권선의 끝을 다음 권선의 처음에 잇는 식으로 세 권선을 고리 모양으로 닫아 Δ 결선을 만들고, 2차는 세 권선의 한쪽 끝을 모두 한 점(중성점)에 모으고 반대쪽 끝에서 3상을 뽑아 Y 결선을 만든다. 1차와 2차 권선은 서로 전기적으로 이어지지 않는다.

(1) 계통의 대전류를 계측·보호기기가 받을 수 있는 소전류(정격 2차 전류 5[A] 이하)로 변성하여 계기와 계전기에 공급한다.

(2) 변류기 2차 단자에 접속할 수 있는 부하 임피던스의 한도를 [VA]로 나타낸 값

[해설]

(1) 수전 계통에는 수백~수천 [A]가 흐르므로 계기나 계전기를 직접 물릴 수 없다. 변류기는 이 대전류를 정격 2차 전류 5[A](또는 1[A])급의 소전류로 낮춰 전류계·전력계·과전류계전기 등에 넘겨 주고, 동시에 고압 주회로와 계측 회로를 전기적으로 갈라놓아 취급자를 보호한다.

(2) 정격 부담은 2차 측에 물릴 수 있는 부담(burden)의 한계를 피상전력으로 표시한 것으로, 2차 전류와 접속 임피던스로부터

$P=I_{2}^{2}Z\,[\mathrm{VA}]$

로 계산한다. 예를 들어 $I_{2}=5\,[\mathrm{A}]$, $Z=0.4\,[\Omega]$이면 부담은 $5^{2}\times0.4=10\,[\mathrm{VA}]$다. 실제 접속 부담이 정격 부담을 넘으면 비오차·위상각 오차가 커져 계전기가 오동작한다.

참고로 통전 중에 2차 회로를 열면 여자전류가 전부 자화에 쓰여 2차에 고전압이 유기되므로, 점검 시에는 반드시 2차를 단락시켜야 한다.

(1) 54.44[%]

(2) 97.58[%]

[해설]

(1) 일부하율은 하루 평균전력을 그날의 최대전력으로 나눈 값이다.

사용 전력량 $W=30\times4+24\times8+8\times10=120+192+80=392\,[\mathrm{kWh}]$

평균전력 $P_{avg}=\dfrac{392}{24}=16.33\,[\mathrm{kW}]$, 최대전력 30[kW]이므로

$F=\dfrac{392/24}{30}\times100=\mathbf{54.44}\,[\%]$

(2) 전일효율은 하루 출력 전력량을 (출력 + 철손 + 동손) 전력량으로 나눈 값이다.

철손은 부하와 무관하게 24시간 내내 생긴다. $W_{i}=0.2\times24=4.8\,[\mathrm{kWh}]$

동손은 부하율의 제곱에 비례하므로 시간대별로 나눠 더한다.

$W_{c}=0.5\left\{4\times\left(\dfrac{30}{30}\right)^{2}+8\times\left(\dfrac{24}{30}\right)^{2}+10\times\left(\dfrac{8}{30}\right)^{2}\right\}=0.5\times(4+5.12+0.711)=4.92\,[\mathrm{kWh}]$

$\eta_{d}=\dfrac{392}{392+4.8+4.92}\times100=\dfrac{392}{401.72}\times100=\mathbf{97.58}\,[\%]$

역률이 1.0이라 [kW]와 [kVA]가 같아 부하율을 전력비로 바로 잡을 수 있었다. 변압기 용량 30[kVA]는 최대부하 30[kW]가 곧 전부하임을 확인시켜 주는 값이다.

(1) 78[A]

(2) 54[cell]

(3) 118.95[Ah]

[해설]

(1) 부하 전류 — 부하가 모두 100[V]에 걸리므로 총 소비전력을 전압으로 나눈다.

$I=\dfrac{40\times120+60\times50}{100}=\dfrac{4{,}800+3{,}000}{100}=\mathbf{78}\,[\mathrm{A}]$

(2) 셀 수 — 허용 최저전압을 방전종지전압으로 나눈 값 이상이어야 한다.

$n=\dfrac{90}{1.7}=52.94\;\Rightarrow\;53\,[\mathrm{cell}]$

절상한 53[cell]에 문제 조건대로 1[cell]을 더해 $n=53+1=\mathbf{54}\,[\mathrm{cell}]$이 된다. 셀 수는 소수로 둘 수 없으므로 반올림이 아니라 반드시 절상한다.

(3) 축전지 용량 — 형식 HS, 온도 5[℃], 방전시간 30분, 방전종지전압 1.7[V]가 만나는 칸에서 $K$를 읽는다.

$K=1.22$이므로 경년 용량 저하율(보수율) $L=0.8$을 적용하면

$C=\dfrac{1}{L}KI=\dfrac{1}{0.8}\times1.22\times78=\mathbf{118.95}\,[\mathrm{Ah}]$

표에서 CS형 칸에만 값이 둘씩 적혀 있는데, 이는 용량 구분(900[Ah] 초과/이하)에 따른 것이라 HS형을 고르는 이 문제에서는 쓰이지 않는다.