2018년 전기산업기사실기(필답형) 2회차 기출문제 정답·해설 페이지

전원 → 우측 3로 스위치 공통 단자 → 진행선 2가닥 → 중앙 3로 스위치 2개(4로 스위치 대용) → 진행선 2가닥 → 좌측 3로 스위치 공통 단자 → 등기구 → 전원 반대극 순으로 결선한다.

[해설]

점멸 개소가 두 곳이면 3로 스위치 2개면 되지만, 세 곳에서 점멸하려면 양 끝에 3로 스위치 2개, 가운데에 4로 스위치 1개가 필요하다. 이 문제는 4로 스위치를 따로 쓰지 않고 3로 스위치 2개를 서로 맞물려(진행 단자끼리 교차 접속) 4로 스위치 대용으로 쓴 것이어서 스위치가 모두 4개가 된다. 단선도의 심벌 S3×2 가 바로 그 뜻이다.

결선의 요령은 다음과 같다.

① 전원의 비접지 측을 한쪽 끝 3로 스위치의 공통 단자에 넣는다.

② 그 스위치의 진행 단자 2개를 가운데 4로(3로 2개 맞물림)의 한쪽 2단자에 잇는다.

③ 4로의 반대쪽 2단자를 다른 끝 3로 스위치의 진행 단자 2개에 잇는다.

④ 그 스위치의 공통 단자를 등기구에 넣고, 등기구의 나머지 단자를 전원의 접지 측으로 되돌린다.

이렇게 하면 어느 스위치를 조작하더라도 진행선의 도통 경로가 바뀌어 등이 켜지고 꺼진다. 점멸 개소를 하나 더 늘리려면 중간에 4로 스위치를 하나씩 더 넣으면 된다.

(1) 명칭 : 영상 변류기 / 역할 : 지락 사고 시 흐르는 영상 전류를 검출하여 지락 계전기에 공급한다.

(2)

　단상 변압기 3대를 Δ-Δ 결선으로 고쳐 그리고, 2차 중성점 접지는 하지 않는다.

(3) ㉠ 전압계용 전환 개폐기(VS)　㉡ 전류계용 전환 개폐기(AS)

[해설]

(1) ZCT(Zero-phase Current Transformer, 영상 변류기)는 3상 3선을 한꺼번에 관통시켜 세 상 전류의 벡터 합을 2차 측에 꺼내는 변류기다. 평상시에는 세 상 전류의 합이 0 이어서 출력이 없지만, 지락이 생기면 합이 0 이 아니게 되어 영상 전류가 검출된다. 이 출력을 지락 계전기(GR·SGR)에 넣어 지락 사고를 검출·차단한다. 지락 방향까지 판별하려면 GPT(접지형 계기용 변압기)에서 얻은 영상 전압과 함께 쓴다.

(2) 이 뱅크의 2차 측에는 3,000[V] 급 유도 전동기가 접속되어 있다. 단상 변압기 3대의 2차 정격이 3,150[V] 이므로 2차를 Y결선하면 선간 전압이 상전압의 $\sqrt{3}$ 배가 되어 $3{,}150 \times \sqrt{3} \fallingdotseq 5{,}456\,[\mathrm{V}]$ 로 올라가고, 전동기에 정격을 크게 넘는 전압이 걸린다. 따라서 2차는 Δ 결선이어야 하며, 1차도 Δ 이므로 전체는 Δ-Δ 결선이 된다. Δ 결선에는 중성점이 없으므로 2차 중성점 접지도 하지 않는다. Δ-Δ 는 제3고조파 여자 전류가 폐회로 안을 순환해 밖으로 나오지 않고, 한 대가 고장 나도 나머지 2대로 V결선 운전을 계속할 수 있다는 이점이 있다.

(3) 계기 한 대로 3상 각 상(또는 각 선간)을 돌려가며 읽기 위한 전환 개폐기다. 원 안에 십자를 그린 것은 전압계용 전환 개폐기 VS(Voltmeter change-over Switch), 원 안을 Y자로 3등분한 것은 전류계용 전환 개폐기 AS(Ammeter change-over Switch) 다. AS 를 조작할 때는 CT 2차가 개방되지 않도록 접점이 겹쳐 넘어가는 구조로 되어 있다.

1.78[Ω]

[해설]

용량을 $P_a\,[\mathrm{kVA}]$, 선간 전압을 $V\,[\mathrm{kV}]$ 단위로 쓸 때 퍼센트 임피던스는

$\%Z = \dfrac{P_a Z}{10\,V^{2}}$

이므로 임피던스에 대하여 정리한 뒤 대입한다.

$Z = \dfrac{\%Z \times 10\,V^{2}}{P_a} = \dfrac{95 \times 10 \times 13.2^{2}}{93{,}000} = \dfrac{165{,}528}{93{,}000} = 1.7799\,[\Omega]$

소수 셋째 자리에서 반올림하여 1.78[Ω] 이다. 풀이 중간값을 1.779[Ω] 로 적어 둔 자료가 있으나 이는 반올림 자리만 다른 같은 값이며, 최종 답은 1.78[Ω] 로 적는다.

단위를 [V]·[VA] 로 통일해 $\%Z=\dfrac{P_a Z}{V^{2}}\times100$ 으로 계산해도 결과는 같다.

(1) DM : 최대 수요 전력량계 / VAR : 무효 전력량계

(2) 수량 3개, 정격 전압 18[kV]

(3) CNCV-W(수밀형) 또는 TR CNCV-W(트리 억제형)

(4)

　22,900[V] → Interrupter SW → PF → (분기 : LA 18[kV] + 접지) → MOF(접지, DM·VAR 접속) → COS → 변압기(Δ-Y, 양측 접지) → 부하 순으로 그린다.

[해설]

(1) DM(Demand Meter)은 일정 시간(보통 15분) 평균 전력의 최댓값을 기록하는 최대 수요 전력량계, VAR 은 무효 전력을 적산하는 무효 전력량계다. 두 계기는 MOF 의 2차 계량 회로에 접속되며, 답안에는 최대 수요 전력계·무효 전력계로 써도 된다. 무효 전력량은 역률을 산정해 요금에 반영하기 위해 계량한다.

(2) 피뢰기는 각 상마다 1개씩 필요하므로 3상 계통에서는 3개다. 정격 전압은 계통 전압과 중성점 접지 방식으로 정해지는데, 22.9[kV] 3상 4선 다중 접지 계통의 배전 선로용은 18[kV] 를 쓴다(같은 계통이라도 변전소용은 21[kV]).

(3) 22.9[kV-Y] 다중 접지 계통에는 CNCV-W(동심 중성선 수밀형 전력 케이블)가 표준으로 쓰인다. 동심 중성선 부분으로 물이 스미면 절연이 급격히 나빠지므로 수밀 컴파운드를 채운 수밀형을 쓰고, 여기에 수트리 발생을 억제하는 절연체를 적용한 것이 TR CNCV-W 다.

(4) 단선도는 배치도의 기기를 전력 흐름 순서대로 한 줄에 늘어놓으면 된다. 인입 → 개폐기(IS) → 전력 퓨즈(PF) → 피뢰기 분기(LA + 접지) → 계기용 변성기함(MOF, DM·VAR 접속) → 컷아웃 스위치(COS) → 변압기(Δ-Y) → 부하 순이다. 피뢰기는 보호할 기기보다 전원 측에, 그리고 되도록 가까이 설치해야 보호 효과가 크다.

도면과 관련해 두 가지를 짚어 둔다. 첫째, 배치도의 계기함 옆 상자에 문자 라벨이 빠진 자료가 있으나 이 상자는 MOF(13.2[kV]/110[V]) 이며, 정답 단선도에 MOF 와 여기에 붙는 DM·VAR 이 들어가야 하므로 배치도에서도 명기하는 것이 맞다. 둘째, 이 문항에 '변압기에 설치하는 접지공사의 종류'(외함 제1종·저압측 1단자 제2종)를 소문항으로 덧붙인 자료가 있는데, 제1종~제3종 접지공사라는 종별 구분은 한국전기설비규정(KEC) 시행으로 폐지되어 현재는 계통 접지(TN·TT·IT)와 보호 도체 규격으로 규정한다. 그래서 여기서는 그 소문항을 싣지 않았다.

(1) 1.7　(2) 0.8　(3) 1.4

(4) 1.5　(5) 0.6　(6) 1.2　(단위 : [m])

[해설]

수전설비의 배전반 등이 지켜야 할 최소 유지 거리는 아래 표와 같다. 조작·계측을 위해 사람이 서는 앞면이 가장 넓고, 점검만 하는 뒷면이 가장 좁다는 것이 기준을 외우는 요령이다.

즉 특고압 배전반은 앞면 1.7[m] · 뒷면 0.8[m] · 열 상호 간 1.4[m], 고압·저압 배전반은 앞면 1.5[m] · 뒷면 0.6[m] · 열 상호 간 1.2[m] 이다. 고압 배전반과 저압 배전반은 같은 값을 쓰므로 표에서 한 행으로 묶여 있고, 변압기 등은 앞·뒤 모두 0.6[m], 열 상호 간 1.2[m], 기타의 면 0.3[m] 이 추가로 규정된다.

거리 값은 벽·구조물 등 장애물이 있는 쪽을 기준으로 잰 값이며, 표에 실린 수치는 모두 최솟값이므로 실제 설계에서는 이보다 크게 잡는다.

2,000[kVA]

[해설]

전동기를 기동할 때 발전기 단자에 생기는 순시 전압 강하율을 $e$, 발전기의 과도 리액턴스를 $x_d$, 전동기의 기동 용량을 $P_s$ 라 하면, 전압 강하를 $e$ 이내로 억제하기 위한 발전기 용량 조건은 다음과 같다.

$P_G \ge \left(\dfrac{1}{e}-1\right)\times x_d \times P_s$

주어진 값을 그대로 대입하면

$P_G \ge \left(\dfrac{1}{0.2}-1\right)\times 0.25 \times 2{,}000 = 4 \times 0.25 \times 2{,}000 = 2{,}000\,[\mathrm{kVA}]$

따라서 이 전동기를 기동·운전하려면 2,000[kVA] 이상의 자가 발전기가 필요하다. 기동 용량과 발전기 용량이 우연히 같아진 것은 $\left(\dfrac{1}{e}-1\right)x_d = 4\times0.25 = 1$ 이 되었기 때문이며, 허용 전압 강하를 더 작게 잡으면 필요한 발전기 용량은 그만큼 커진다.

360[kW]

[해설]

변성기 2차 측에서 읽은 전력에 전압비와 전류비를 함께 곱하면 1차 측 실제 전력이 된다.

$P = P_{2} \times (\text{PT}\,\text{비}) \times (\text{CT}\,\text{비})$

PT 비는 $\dfrac{6{,}600}{110} = 60$, CT 비는 $\dfrac{100}{5} = 20$ 이므로

$P = 300 \times 60 \times 20 = 360{,}000\,[\mathrm{W}] = \mathbf{360}\,[\mathrm{kW}]$

PT·CT 를 2대씩 쓴 것은 3상 3선식에서 V결선(2전력계법)으로 3상 전력을 재기 위한 것이며, 두 전력계 지시값의 합이 이미 3상 전력 300[W] 로 주어져 있으므로 여기에 $\sqrt{3}$ 등을 다시 곱하지 않는다.

(1) 절연 저항계(메거)

(2) 휘트스톤 브리지

(3) 콜라우시 브리지

(4) 후크온 미터(클램프 미터)

(5) 접지 저항계(어스 테스터)

[해설]

측정하려는 저항의 크기와 회로 조건에 따라 계측기가 갈린다.

① 변압기의 절연 저항은 [MΩ] 급의 고저항이므로 직류 고전압을 걸어 측정하는 절연 저항계를 쓴다. 답안에는 '메거'라고 써도 된다.

② 검류계의 내부 저항은 수 [Ω]~수백 [Ω]의 중저항이어서, 4개의 저항 변을 평형시켜 미지 저항을 구하는 휘트스톤 브리지가 적합하다.

③ 전해액은 직류를 흘리면 분극·전기 분해가 일어나므로 직류 브리지를 쓸 수 없다. 가청 주파수의 교류 전원과 수화기를 쓰는 콜라우시 브리지로 측정한다.

④ 배전선의 전류는 선로를 끊지 않고 도체를 물어 측정해야 하므로 후크온 미터를 쓴다.

⑤ 접지극의 접지 저항은 보조 접지극 2개를 박고 전위 강하법으로 측정하는 접지 저항계(어스 테스터)로 구한다. 접지 저항 역시 대지를 통한 측정이어서 교류를 쓰는 콜라우시 브리지법으로 답해도 정답으로 인정된다.

① 내습·내진성이 우수하다.

② 소형·경량화가 가능하다.

③ 유지 보수 및 점검이 쉽다.

[해설]

몰드 변압기는 권선을 에폭시 수지로 완전히 몰딩한 건식 변압기로, 절연유를 쓰지 않는 데서 장점이 갈라져 나온다.

■ 장점(표준 목록)

· 절연유가 없어 화재의 염려가 없고 자기 소화성·난연성이 있다.

· 권선이 수지로 밀봉되어 내습·내진성이 좋다.

· 절연유와 유조가 없으므로 소형·경량화가 가능하다.

· 절연유 여과·교체가 필요 없어 보수·점검이 쉽다.

· 무부하손이 적어 전력 손실이 작다.

· 코로나 특성과 임펄스 강도가 우수하다.

■ 단점

· 충격파 내전압이 낮아 서지에 대한 대책(서지 흡수기 등)이 필요하다.

· 가격이 비싸다.

3가지만 쓰라고 했으므로 위 장점 가운데 어느 세 가지를 골라 써도 정답으로 인정된다.

심벌 :

[해설]

계기용 변성기는 계측·보호 회로가 직접 다루기 어려운 큰 전류와 높은 전압을 안전한 크기로 낮추어 주는 기기이며, 전류를 낮추는 것이 변류기(CT), 전압을 낮추는 것이 계기용 변압기(PT)다.

■ 변류기(CT) — 1차 측이 주회로 도체 그 자체이거나 소수 회 감긴 권선이고, 2차 정격 전류는 5[A] 로 통일되어 있다. 심벌은 관통 도체에 2차 권선 한 개가 붙은 모양으로 그린다. 운전 중 2차 측을 개방하면 철심이 포화되어 고전압이 유기되므로, 계기를 떼어낼 때는 반드시 2차 단자를 단락시켜야 한다.

■ 계기용 변압기(PT) — 1차 측을 선로에 병렬로 접속하며 2차 정격 전압은 110[V] 로 통일되어 있다. 심벌은 마주 놓인 두 개의 권선으로 그린다. CT 와 반대로 2차 측을 단락하면 큰 단락 전류가 흘러 소손되므로 2차 회로에는 퓨즈(PF)를 넣어 보호한다.

두 기기를 한 함에 넣어 전력량 계량용으로 쓰는 것이 계기용 변성기함(MOF)이다.

① 극성이 일치할 것

② 권수비와 1·2차 정격 전압이 같을 것

③ %임피던스 강하가 같을 것

[해설]

병렬 운전 조건은 '순환 전류를 만들지 않고, 부하를 용량에 비례해서 나눠 갖게 하라'는 두 요구로 정리된다.

① 극성이 어긋나면 두 변압기의 2차 기전력이 서로 더해져 2차 권선을 통해 큰 순환 전류가 흐르고 곧바로 소손된다.

② 권수비(정격 전압)가 다르면 2차 기전력에 차가 생겨 부하가 없어도 순환 전류가 흐른다.

③ %임피던스 강하가 다르면 부하 전류가 용량에 비례해서 분담되지 않아 한쪽만 과부하가 된다. 부하 분담은 %임피던스에 반비례한다.

이 밖에 각 변압기의 내부 저항과 누설 리액턴스의 비가 같을 것이 네 번째 조건으로 함께 실리기도 한다. 이 비가 다르면 두 변압기 전류의 위상이 어긋나 합성 전류가 커지기 때문이다. 3상 변압기라면 여기에 상회전 방향과 각 변위가 같을 것이 추가된다.

참고로 이 문항을 '단권 변압기의 병렬 운전 조건'으로 옮긴 자료가 있으나, 제시된 정답은 위와 같은 일반 변압기의 병렬 운전 조건이므로 발문을 그대로 두고 읽으면 된다.

출력 논리식 : $P010 = P000\cdot P001 + P000\cdot P002\cdot P004 + P003\cdot P002\cdot P001 + P003\cdot P004$

[해설]

원 회로의 P002 는 위·아래 두 행을 세로로 잇는 브리지 접점이다. 계전기 회로라면 이 접점을 통해 전류가 좌→우, 우→좌 어느 방향으로도 흐를 수 있지만, PLC 는 왼쪽 모선에서 오른쪽 모선으로 한 방향으로만 연산하므로 브리지를 그대로 옮길 수 없다.

따라서 출력이 성립하는 모든 경로(도통 경로)를 하나씩 찾아 직렬조로 펴고, 그것들을 병렬로 묶어 준다.

· 위 행만 타는 경로 : $P000 \cdot P001$

· 위 행으로 들어가 브리지로 내려와 아래 행으로 나가는 경로 : $P000 \cdot P002 \cdot P004$

· 아래 행으로 들어가 브리지로 올라와 위 행으로 나가는 경로 : $P003 \cdot P002 \cdot P001$

· 아래 행만 타는 경로 : $P003 \cdot P004$

이 네 항을 병렬(OR)로 묶으면

$P010 = P000\cdot P001 + P000\cdot P002\cdot P004 + P003\cdot P002\cdot P001 + P003\cdot P004$

가 되고, 이를 4행 병렬 래더로 그리면 브리지 없이 같은 동작을 하는 회로가 된다. 브리지 접점 P002 가 두 개의 행에 중복해서 나타나는 것이 이 유형의 핵심이다.

(1) 비접지 방식, 저항 접지 방식, 직접 접지 방식, 소호 리액터 접지 방식

(2) 1.3배

[해설]

중성점 접지 방식은 중성점과 대지 사이에 무엇을 넣느냐로 갈린다. 아무것도 넣지 않으면 비접지, 저항을 넣으면 저항 접지, 도체로 직접 이으면 직접 접지, 대지 정전 용량과 병렬 공진하는 리액터를 넣으면 소호 리액터 접지다.

1선 지락이 생기면 건전상의 대지 전압이 올라가는데, 그 상승 정도는 접지 방식에 따라 다르다. 비접지·소호 리액터 접지에서는 건전상 전압이 상전압의 $\sqrt{3}$ 배(약 1.73배)까지 오르지만, 중성점을 견고하게 접지하면 상승이 억제된다.

계통의 대칭분 임피던스가 $\dfrac{X_0}{X_1} \le 3$, $\dfrac{R_0}{X_1} \le 1$ 을 만족하여 건전상의 전압 상승이 평상시 대지 전압의 1.3배를 넘지 않도록 접지 임피던스를 조정한 것을 유효 접지라 한다.

전압 상승이 작으면 그만큼 낮은 절연 계급의 기기를 쓸 수 있어 절연 저감(단절연)이 가능하고, 지락 전류가 커져 지락 계전기의 동작이 확실해진다. 우리나라의 154[kV]·345[kV] 송전 계통이 직접 접지(유효 접지)를 채용하는 이유가 여기에 있다. 대신 지락 전류가 커서 통신선 유도 장해와 차단기 부담이 커진다.

(1) $MC = (PB_1 + MC)\cdot\overline{PB_2}$

(2) $RL = MC$

(3) $GL = \overline{MC}$

[해설]

회로를 위에서 아래로 따라가며 직렬은 곱(AND), 병렬은 합(OR), b접점은 부정(NOT)으로 옮기면 된다.

(1) 기동 버튼 $PB_1$(a접점)과 자기유지용 $MC$ a접점이 병렬로 묶여 하나의 노드를 이루고, 여기에 정지 버튼 $PB_2$(b접점)가 직렬로 이어져 MC 코일을 여자시킨다. 그러므로 $MC = (PB_1 + MC)\cdot\overline{PB_2}$ 이다. $PB_1$ 을 눌러 MC 가 여자되면 그 순간 MC a접점이 닫히므로, 손을 떼어 $PB_1$ 이 열려도 자기유지되어 계속 동작한다. 정지시키려면 $PB_2$ 를 눌러 b접점을 열어 주어야 한다.

(2) RL 은 MC 의 a접점 하나만 거쳐 점등되므로 $RL = MC$, 즉 운전 중에 켜지는 표시등이다.

(3) GL 은 MC 의 b접점을 거치므로 $GL = \overline{MC}$, 즉 정지 중에 켜지는 표시등이다. 두 표시등은 항상 서로 반대로 점등된다.

부정 기호는 답안에 문자 위 가로줄($\overline{PB_2}$)로 그려도 되고 $PB_2$ 옆에 b접점임을 밝혀 써도 된다.

66.67[%]

[해설]

부하율은 일정 기간의 평균 전력이 최대 수용 전력에 대해 차지하는 비율이다.

$\text{부하율} = \dfrac{\text{평균 전력}}{\text{최대 수용 전력}} \times 100\,[\%]$

먼저 곡선 아래 면적(하루 사용 전력량)을 구간별로 더한다.

$W = 150\times4 + 250\times4 + 400\times4 + 500\times8 + 200\times4 = 8{,}000\,[\mathrm{kWh}]$

평균 전력은 이를 24시간으로 나눈 값이다.

$P_{avg} = \dfrac{8{,}000}{24} = 333.33\,[\mathrm{kW}]$

최대 수용 전력은 12~20시 구간의 500[kW] 이므로

$\text{부하율} = \dfrac{333.33}{500}\times100 = \mathbf{66.67}\,[\%]$

부하율이 높을수록 설비가 고르게 쓰인다는 뜻이고, 낮을수록 최대 부하에 맞춘 설비가 대부분의 시간 동안 놀고 있다는 뜻이다.

(1) 전압 스위칭형 SPD, 전압 제한형 SPD, 복합형 SPD

(2) 1포트 SPD, 2포트 SPD

[해설]

SPD 는 과도적인 과전압을 제한하고 서지 전류를 대지로 분류(分流)시켜 기기를 보호하는 장치로, 분류 축이 두 가지다.

■ 기능(동작 특성)에 따른 3종류

① 전압 스위칭형 — 서지가 없을 때는 높은 임피던스를 유지하다가 서지가 오면 순간적으로 낮은 임피던스로 불연속적으로 전환된다. 에어 갭, 가스 방전관, 사이리스터 등이 소자로 쓰인다.

② 전압 제한형 — 서지 전압이 커질수록 임피던스가 연속적으로 낮아져 전압을 눌러 준다. 산화아연(ZnO) 바리스터, 서지 억제형 다이오드 등이 쓰인다.

③ 복합형 — 위 두 가지 소자를 함께 넣어 두 특성을 모두 갖는 형식이다.

■ 구조(단자 구성)에 따른 2종류

① 1포트 SPD — 단자가 한 쌍뿐이며 보호할 선로에 병렬로 접속한다.

② 2포트 SPD — 입력 한 쌍·출력 한 쌍의 단자를 갖고 선로에 직렬로 삽입하여 감쇠 특성을 함께 갖는다.

한편 일부 교재는 이 문항을 '종류 3가지와 기능 2가지'로 옮기고 기능란에 '과도적인 과전압 제한'·'서지 전류의 분류'를 적어 두었는데, 이 두 문구는 SPD 의 정의를 설명하는 도입 수식구이지 분류 항목이 아니다. 같은 문항이 다른 회차에 재출제될 때도 축은 언제나 '기능상 3종·구조상 2종'이며, 이쪽 판본에는 구조상 분류(1포트·2포트)가 통째로 빠져 있다.