2009.7 기출문제

동심 구도체 콘덴서
\[ C=\frac{4\pi\varepsilon\,ab}{b-a} \]
· \(a\): 내구 반지름, \(b\): 외구 내반지름
전위차 \(V=\dfrac{Q}{4\pi\varepsilon}(\tfrac1a-\tfrac1b)\)에서 \(C=Q/V\)로 유도됩니다.

계산
\(C=4\pi\varepsilon_0\dfrac{ab}{b-a}=4\pi\varepsilon_0\dfrac{0.02\times0.04}{0.02}\approx4.45\,\text{pF}\).

솔레노이드 자계·자속·에너지
내부 \(H=nI\), \(B=\mu nI\), 자속 \(\phi=BS\), 저장에너지 \(W=\tfrac12LI^2=\tfrac12\mu H^2\cdot(부피)\). 무한 솔레노이드 외부 자계는 0.

풀이
무한 솔레노이드는 내부 균일, 외부 0.

전자유도·상호유도
\(e=-N\dfrac{d\phi}{dt}\)(렌츠 −부호), 운동기전력 \(e=Blv\), 상호유도 \(V_2=M\dfrac{di_1}{dt}\), \(M=k\sqrt{L_1L_2}\).

풀이
\(L\propto\dfrac{N^2}{l}\), N→N/2면 \(N^2\)이 1/4 → l도 1/4로.

정자계 핵심
직선 \(H=\dfrac{I}{2\pi r}\), 원형중심 \(H=\dfrac{I}{2a}\), 솔레노이드 \(H=nI\), \(B=\mu H\), 힘 \(F=BIl\sin\theta\), 자기저항 \(R_m=\dfrac{l}{\mu S}=\dfrac{NI}{\phi}\), 인덕턴스 \(L=\dfrac{N^2}{R_m}\).

풀이
경계에서 B 연속(수직) → \(H_1=\dfrac{H_0}{\mu_s}\).

변위전류
\[ i_d=\frac{\partial D}{\partial t}=\varepsilon\frac{\partial E}{\partial t} \]콘덴서처럼 전류가 흐르지 않는 유전체에서 전속밀도 \(D\)의 시간변화가 만드는 전류로, 맥스웰이 도입해 전자파 전파를 설명합니다.

풀이
\(i_d=C\dfrac{dv}{dt}=\omega CV_m\cos\omega t\).

포인팅 벡터
\[ \vec P=\vec E\times\vec H\,[\text{W/m}^2] \]전자파가 단위면적당 운반하는 전력(에너지 흐름)의 크기·방향을 나타냅니다.

풀이
포인팅 벡터 크기 \(EH\,[\text{W/m}^2]\).

평행도선 사이의 힘
\[ F=\frac{\mu_0 I_1I_2}{2\pi d}\,[\text{N/m}] \]같은 방향 전류는 흡인, 반대는 반발. 거리에 반비례.

풀이
\(F=BIl\sin\theta=0.2\times5\times0.9\times\sin30°=0.45\,\text{N}\).

동축·환상 인덕턴스
동축 \(L=\dfrac{\mu}{2\pi}\ln\dfrac{b}{a}\), 환상 \(L=\dfrac{\mu N^2 S}{2\pi r}=\dfrac{N^2}{R_m}\). 내부도체 자기인덕턴스분 별도.

풀이
\(L=\dfrac{\mu_0}{2\pi}\ln3\approx0.22\,\mu H/m\).

히스테리시스 손실
\[ P_h=\eta f B_m^{1.6}\,[\text{W}] \]자화-소자 시 자구 재배열로 생기는 손실. 주파수·최대자속밀도(스타인메츠 1.6승)에 비례. 히스테리시스 루프 면적 = 단위체적당 손실에너지.

풀이
B-H 기울기 \(=\dfrac{B}{H}=\mu\)(투자율).

정전계 핵심
쿨롱 \(F=9\times10^9\dfrac{Q_1Q_2}{r^2}\), 전계 \(E=\dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_0r^2}\), 전위 \(V=\dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_0r}\), 용량 \(C=\dfrac{Q}{V}\), 에너지 \(W=\tfrac12CV^2\), 경계 \(E_{1t}=E_{2t},\ D_{1n}=D_{2n}\).

풀이
자유전자가 원자(이온)와 충돌하며 열(줄열)이 발생합니다.

패러데이 전자유도 법칙
\[ e=-N\frac{d\phi}{dt} \]쇄교자속의 시간변화율에 비례하는 기전력이 유기되고, (−)는 이를 방해하는 방향(렌츠 법칙)입니다.

풀이
패러데이 \(\nabla\times E=-\dfrac{\partial B}{\partial t}\).

정전계 핵심
쿨롱 \(F=9\times10^9\dfrac{Q_1Q_2}{r^2}\), 전계 \(E=\dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_0r^2}\), 전위 \(V=\dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_0r}\), 용량 \(C=\dfrac{Q}{V}\), 에너지 \(W=\tfrac12CV^2\), 경계 \(E_{1t}=E_{2t},\ D_{1n}=D_{2n}\).

풀이
\(P=\dfrac{W}{4\pi r^2}=EH=\dfrac{E^2}{377}\)로 전계를 구합니다.

정자계 핵심
직선 \(H=\dfrac{I}{2\pi r}\), 원형중심 \(H=\dfrac{I}{2a}\), 솔레노이드 \(H=nI\), \(B=\mu H\), 힘 \(F=BIl\sin\theta\), 자기저항 \(R_m=\dfrac{l}{\mu S}=\dfrac{NI}{\phi}\), 인덕턴스 \(L=\dfrac{N^2}{R_m}\).

풀이
모든 전하가 거리 a에 있어 \(V=\dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_0 a}\).

전자유도·전자파 핵심
\(e=-N\dfrac{d\phi}{dt}=Blv\), 상호유도 \(V_2=M\dfrac{di_1}{dt}\), \(M=k\sqrt{L_1L_2}\), 변위전류 \(i_d=\dfrac{\partial D}{\partial t}\), 전파속도 \(v=\dfrac1{\sqrt{\mu\varepsilon}}\), 포인팅 \(P=E\times H\).

풀이
유도계수는 음(−)의 값을 갖습니다.

전자유도·전자파 핵심
\(e=-N\dfrac{d\phi}{dt}=Blv\), 상호유도 \(V_2=M\dfrac{di_1}{dt}\), \(M=k\sqrt{L_1L_2}\), 변위전류 \(i_d=\dfrac{\partial D}{\partial t}\), 전파속도 \(v=\dfrac1{\sqrt{\mu\varepsilon}}\), 포인팅 \(P=E\times H\).

풀이
콘덴서에서 전도전류와 변위전류가 같아 전류가 연속됩니다.

유전체 경계조건
· 전계의 접선성분 연속: \(E_{1t}=E_{2t}\)
· 전속밀도의 법선성분 연속: \(D_{1n}=D_{2n}\)
굴절 법칙: \(\dfrac{\tan\theta_1}{\tan\theta_2}=\dfrac{\varepsilon_1}{\varepsilon_2}\) (유전율 큰 쪽으로 더 벌어짐).

풀이
경계에서 E의 접선·D의 법선이 연속하며 굴절합니다.

전류·저항 핵심
옴 \(V=IR\), \(R=\rho\dfrac{l}{S}\), 온도 \(R_t=R_0(1+\alpha t)\), 전류밀도 \(J=\sigma E=nev_d\), 접지저항 반구 \(\dfrac{\rho}{2\pi a}\).

풀이
전류밀도 \(J=\dfrac{I}{S}=\dfrac{1}{\pi(2.5\times10^{-3})^2}\).

정전계 핵심
쿨롱 \(F=9\times10^9\dfrac{Q_1Q_2}{r^2}\), 전계 \(E=\dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_0r^2}\), 전위 \(V=\dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_0r}\), 용량 \(C=\dfrac{Q}{V}\), 에너지 \(W=\tfrac12CV^2\), 경계 \(E_{1t}=E_{2t},\ D_{1n}=D_{2n}\).

풀이
유전체 경계 문제는 영상전하를 도입해 힘을 구합니다.

전하밀도·전속
가우스 법칙 \(\oint D\!\cdot\!dS=Q\), \(\nabla\!\cdot\!D=\rho\). 전속밀도 \(D=\varepsilon E\), 전속선의 원천은 (+)전하.

풀이
전속(전기력선 D의 선속)은 매질과 무관하게 변하지 않습니다.

정전계 핵심
쿨롱 \(F=9\times10^9\dfrac{Q_1Q_2}{r^2}\), 전계 \(E=\dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_0r^2}\), 전위 \(V=\dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_0r}\), 용량 \(C=\dfrac{Q}{V}\), 에너지 \(W=\tfrac12CV^2\), 경계 \(E_{1t}=E_{2t},\ D_{1n}=D_{2n}\).

풀이
각 도체 전하와 반지름으로 전위를 중첩해 구합니다.

제어공학 핵심
전달함수 \(G=\dfrac{C}{R}\), 부궤환 \(\dfrac{G}{1+GH}\), 메이슨 \(\dfrac{\sum P_k\Delta_k}{\Delta}\), 라우스(1열 부호변화=우반면근), 정상편차 \(e_{ss}=\lim_{s\to0}\dfrac{sR}{1+GH}\), 2차계 감쇠비 \(\zeta\).

풀이
목표값 일정 유지 → 정치제어.

제어계의 형(type)
개루프 전달함수 \(G(s)H(s)\)에 포함된 원점 극점(적분기 \(1/s\))의 개수가 그 계의 ‘형’입니다.

형	적분기 수	계단입력 정상편차
0형	0	유한(\(\frac{1}{1+K_p}\))
1형	1	0
2형	2	0(램프도 0)

이 문제 — \(G(s)H(s)=\dfrac{K}{Ts+1}\)에는 원점 극점(1/s)이 없으므로 0형입니다. (계단입력 정상편차가 유한)

\(G(j\omega)=K(j\omega)^2\)의 보드 기울기
\(|G|=K\omega^2\) → 이득[dB]\(=20\log K+40\log\omega\).
주파수 10배마다 \(40\log10=40\)dB 증가:
\[ 기울기=+40\,\text{dB/dec} \]\((j\omega)^n\)은 \(+20n\)dB/dec(미분 성분), \(1/(j\omega)^n\)은 \(-20n\)dB/dec.

상태방정식·특성방정식
\[ \dot x=Ax+Bu,\quad y=Cx \Rightarrow G(s)=C(sI-A)^{-1}B \]특성방정식은 \(|sI-A|=0\)(또는 전달함수 분모=0)이며, 그 근(극점)이 시스템 응답·안정도를 결정합니다.

풀이
\(1+G=0\Rightarrow(s+1)(s+3)+(s+2)=s^2+5s+5\).

회로이론 핵심
\(Z=\sqrt{R^2+X^2}\), \(X_L=\omega L,\ X_C=\tfrac1{\omega C}\), 공진 \(f_0=\dfrac1{2\pi\sqrt{LC}}\), 실효값 \(\tfrac{V_m}{\sqrt2}\), 전력 \(P=VI\cos\theta\), 테브낭 등가.

풀이
\(L[\delta]=1\), \(Z[\delta]=1\)로 단위임펄스가 같습니다.

전달함수 \(G(s)\)
모든 초기값을 0으로 놓았을 때 출력의 라플라스변환 ÷ 입력의 라플라스변환입니다.
\[ G(s)=\frac{C(s)}{R(s)} \]선형시불변(LTI) 시스템의 입출력 관계를 \(s\)영역에서 나타냅니다.

풀이
\(\dfrac{I(s)}{E_i(s)}=\dfrac{1}{Ls+R+\frac{1}{Cs}}\).

근궤적의 가지 수·점근선
가지 수 = 개루프 극점 수(또는 max(극점,영점)). 무한대로 가는 점근선 수 = (극점수 − 영점수), 점근선 각 \(=\dfrac{(2k+1)180°}{n-m}\).

풀이
근궤적 수 = 극점 수 = 4.

보드선도
이득 \(20\log|G|\)[dB]와 위상을 주파수 대수축에 표시. 절점(코너)주파수에서 기울기 ±20dB/dec 변화.

풀이
\(\omega_0=\dfrac{1}{T}=\dfrac{1}{10}=0.1\,\text{rad/s}\).

메이슨 이득공식(신호흐름선도·블록선도)
\[ \frac{C}{R}=\frac{\sum_k P_k\Delta_k}{\Delta},\quad \Delta=1-\sum L_i+\sum L_iL_j-\cdots \]· \(P_k\): k번째 전향경로 이득, \(L\): 루프이득, \(\Delta_k\): 그 경로와 접하지 않는 루프만 남긴 값
단일 루프면 \(\dfrac{C}{R}=\dfrac{P}{1-L}\).

풀이
메이슨 공식.

메이슨 이득공식(신호흐름선도·블록선도)
\[ \frac{C}{R}=\frac{\sum_k P_k\Delta_k}{\Delta},\quad \Delta=1-\sum L_i+\sum L_iL_j-\cdots \]· \(P_k\): k번째 전향경로 이득, \(L\): 루프이득, \(\Delta_k\): 그 경로와 접하지 않는 루프만 남긴 값
단일 루프면 \(\dfrac{C}{R}=\dfrac{P}{1-L}\).

풀이
내부 루프부터 순차적으로 축약하여 C를 구합니다.

특성(파동)임피던스
\[ Z_0=\sqrt{\frac{Z}{Y}}\ \xrightarrow{\text{무손실}}\ \sqrt{\frac{L}{C}} \]선로 진행파가 느끼는 임피던스로 길이와 무관합니다.

풀이
\(Z_0=\sqrt{\dfrac{R+j\omega L}{G+j\omega C}}\).

4단자망 파라미터
Z(임피던스)·Y(어드미턴스)·ABCD(전송)·H(하이브리드)로 입출력 전압·전류 관계를 표현합니다. 대칭·가역 조건에 따라 파라미터 간 관계가 있습니다.

풀이
\(B\)는 임피던스 차원(\(\frac{V}{I}\)).

라플라스 변환
\[ F(s)=\int_0^\infty f(t)e^{-st}dt \]주요쌍: \(1\!\to\!\tfrac1s\), \(t\!\to\!\tfrac1{s^2}\), \(e^{-at}\!\to\!\tfrac1{s+a}\), \(\sin\omega t\!\to\!\tfrac{\omega}{s^2+\omega^2}\), \(\cos\omega t\!\to\!\tfrac{s}{s^2+\omega^2}\). 미분방정식을 대수식으로 바꿔 회로·제어 해석에 씁니다.

풀이
\(\frac{E}{s}(1-e^{-Ts})\).

3상 회로 핵심
Y: \(V_l=\sqrt3V_p,\ I_l=I_p\); Δ: \(V_l=V_p,\ I_l=\sqrt3I_p\). 전력 \(P=\sqrt3V_lI_l\cos\theta\), 2전력계 \(P=W_1+W_2\), 대칭분(영상·정상·역상).

풀이
\(P=\sqrt3 V_L I_L\cos\theta=\sqrt3\times300\times40\times0.8\approx16627\,\text{W}\).

교류회로의 전류
\[ I=\frac{V}{Z},\quad Z=\sqrt{R^2+(X_L-X_C)^2},\quad X_L=\omega L,\ X_C=\frac1{\omega C} \]전류는 임피던스 크기로 나눠 구하고, 위상은 \(\theta=\tan^{-1}\frac{X}{R}\)만큼 전압과 차이납니다.

풀이
옴의 법칙·키르히호프 전압법칙으로 전류를 구합니다.

비정현파 실효값
\[ V=\sqrt{V_0^2+V_1^2+V_2^2+\cdots} \]직류분과 각 고조파 실효값(=최대값/√2)의 제곱합의 제곱근. 위상은 무관합니다.

풀이
\(V=\sqrt{100^2+50^2+30^2}=\sqrt{13400}\approx115.8\,\text{V}\).

대칭좌표법(대칭분)
불평형 3상을 영상·정상·역상 성분으로 분해:
\[ V_0=\tfrac13(V_a+V_b+V_c),\ V_1=\tfrac13(V_a+aV_b+a^2V_c),\ V_2=\tfrac13(V_a+a^2V_b+aV_c) \]\(a=1\angle120°\). 각 고장별로 대칭분 회로를 연결해 해석합니다.

풀이
a연산자를 이용한 대칭좌표 변환으로 대칭분을 구합니다.

회로이론 핵심
\(Z=\sqrt{R^2+X^2}\), \(X_L=\omega L,\ X_C=\tfrac1{\omega C}\), 공진 \(f_0=\dfrac1{2\pi\sqrt{LC}}\), 실효값 \(\tfrac{V_m}{\sqrt2}\), 전력 \(P=VI\cos\theta\), 테브낭 등가.

풀이
인덕터 전압 \(e_L=Ee^{-Rt/L}\)(초기 E에서 감소).

회로이론 핵심
\(Z=\sqrt{R^2+X^2}\), \(X_L=\omega L,\ X_C=\tfrac1{\omega C}\), 공진 \(f_0=\dfrac1{2\pi\sqrt{LC}}\), 실효값 \(\tfrac{V_m}{\sqrt2}\), 전력 \(P=VI\cos\theta\), 테브낭 등가.

풀이
정 K형 필터 \(Z_1 Z_2=K^2\).

대칭 n상 성형(Y)결선의 선간-상전압 위상차
\[ \theta=\frac{\pi}{2}-\frac{\pi}{n}=\frac{n-2}{2n}\times180° \]n=5 대입
\[ \theta=\frac{5-2}{2\times5}\times180°=\frac{3}{10}\times180°=54° \]확인 — 3상이면 \(\dfrac{1}{6}\times180°=30°\)(익숙한 값). 상수가 많을수록 위상차가 커집니다.
선간전압 크기는 \(V_l=2\sin\dfrac{\pi}{n}\times V_p\)입니다.

선로정수 핵심
인덕턴스 \(L=0.05+0.4605\log\dfrac{D}{r}\)[mH/km], 정전용량 \(C=\dfrac{0.02413}{\log(D/r)}\)[μF/km], 충전전류 \(I_c=2\pi fCE\), 등가선간거리 \(D_e=\sqrt[3]{D_{12}D_{23}D_{31}}\).

풀이
\(v=\dfrac{1}{\sqrt{LC}}\).

가공지선
철탑 최상부에 가설한 접지선. 직격뢰 차폐(차폐각 작을수록 효과↑)·유도뢰 경감·통신선 유도장해 저감 역할. 뇌전류를 대지로 방류.

풀이
가공지선은 송전전력 증대와 무관합니다.

선로정수 핵심
인덕턴스 \(L=0.05+0.4605\log\dfrac{D}{r}\)[mH/km], 정전용량 \(C=\dfrac{0.02413}{\log(D/r)}\)[μF/km], 충전전류 \(I_c=2\pi fCE\), 등가선간거리 \(D_e=\sqrt[3]{D_{12}D_{23}D_{31}}\).

풀이
이 식은 정상분 V₁입니다.

배전 보호기기
리클로저(재폐로차단)-섹셔널라이저(무전압 시 개방) 조합으로 순간고장 자동복구. 전력퓨즈는 후비보호·소형.

풀이
선로개폐기(LS)는 무부하(충전전류) 개폐만 가능.

차단기 차단·소호
영전류점에서 아크를 소호. 매질별 유입·진공·SF6·가스. 재점호(용량성 소전류 차단 시), 재폐로(고장 후 자동 재투입)로 신뢰도 향상.

풀이
진상 충전전류 차단 시 재점호가 발생하기 쉽습니다.

역률 개선 콘덴서 용량 공식
\[ Q_c=P(\tan\theta_1-\tan\theta_2)\ [\text{kVA}] \]
P는 유효전력(kW), θ₁·θ₂는 개선 전·후 역률각입니다.

① \(\cos\theta\to\tan\theta\) (직각삼각형으로 sin·tan 산출)
\(\cos\theta_1=0.8\Rightarrow\sin\theta_1=0.6\Rightarrow\tan\theta_1=\dfrac{0.6}{0.8}=0.75\)
\(\cos\theta_2=1\Rightarrow\sin\theta_2=0\Rightarrow\tan\theta_2=0\) (역률 100%는 무효전력 0)

② 대입
\[ Q_c=160\times(0.75-0)\approx120\,\text{kVA} \]

무효전력 관점(왜 이 식인가) — 콘덴서는 유효전력 P는 그대로 두고 지상 무효전력만 진상으로 상쇄합니다.
· 개선 전 무효전력 \(Q_1=P\tan\theta_1=160\times0.75=120\)kVar
· 개선 후 무효전력 \(Q_2=P\tan\theta_2=160\times0=0\)kVar
· 필요 콘덴서 = 줄일 무효전력 \(=Q_1-Q_2\approx120\)kVar(kVA)

팁 — tan을 못 외우면 \(\tan\theta=\dfrac{\sqrt{1-\cos^2\theta}}{\cos\theta}\)로 항상 계산합니다.

선로정수 핵심
인덕턴스 \(L=0.05+0.4605\log\dfrac{D}{r}\)[mH/km], 정전용량 \(C=\dfrac{0.02413}{\log(D/r)}\)[μF/km], 충전전류 \(I_c=2\pi fCE\), 등가선간거리 \(D_e=\sqrt[3]{D_{12}D_{23}D_{31}}\).

풀이
\(F=BIl\sin\theta=0.2\times5\times0.9\times0.5=0.45\,\text{N}\).

선로정수 핵심
인덕턴스 \(L=0.05+0.4605\log\dfrac{D}{r}\)[mH/km], 정전용량 \(C=\dfrac{0.02413}{\log(D/r)}\)[μF/km], 충전전류 \(I_c=2\pi fCE\), 등가선간거리 \(D_e=\sqrt[3]{D_{12}D_{23}D_{31}}\).

풀이
송전용량 \(P=k\dfrac{V^2}{l}\)(전압 제곱에 비례, 거리에 반비례).

복도체·다도체
한 상을 여러 가닥으로 나눔. 효과: 등가반지름↑ → 인덕턴스↓·정전용량↑ → 송전용량 증대, 코로나 임계전압 상승(코로나 억제). 단점: 소도체간 흡인력·페란티, 스페이서 필요.

풀이
복도체는 등가반지름을 키워 코로나를 방지합니다.

캐비테이션(공동현상)
수차에서 국부 저압으로 물이 기화→기포 붕괴로 침식·진동·효율저하. 대책: 흡출수두 제한·비속도 낮춤·재료 개선.

풀이
과부하 운전은 캐비테이션을 조장합니다.

화력발전소 열효율
\[ \eta=\frac{860\,W}{B\,H}\times100\,[\%] \]
· \(W\): 발전전력량[kWh], \(B\): 연료소비량[kg], \(H\): 발열량[kcal/kg]
· 860 = 1kWh를 열량으로 환산(1kWh=860kcal). 발생한 전기에너지 ÷ 투입 연료열량.

계산
\(\eta=\dfrac{860\times30000}{15000\times6000}\times100\approx28.7\%\).

선로정수 핵심
인덕턴스 \(L=0.05+0.4605\log\dfrac{D}{r}\)[mH/km], 정전용량 \(C=\dfrac{0.02413}{\log(D/r)}\)[μF/km], 충전전류 \(I_c=2\pi fCE\), 등가선간거리 \(D_e=\sqrt[3]{D_{12}D_{23}D_{31}}\).

풀이
계통 분할은 리액턴스를 증가시킵니다.

전선·정격
도전율 크고 인장강도 크며 비중 작고 값싼 전선(경동선·ACSR). 복도체 등가반지름 \(r_e=\sqrt[n]{r\cdot d^{n-1}}\).

풀이
\(r_e=\sqrt{r\cdot s}=\sqrt{0.4\times40}=4\,\text{cm}\).

계통 안정도·기타
4단자정수 \(\begin{bmatrix}A&B\\C&D\end{bmatrix}\)(\(AD-BC=1\)), 안정도 향상(리액턴스↓·속응여자·고속차단), 페란티(경부하 수전단 전압상승).

풀이
B점 병렬 합성이 \(Z_1\)과 같으면 무반사: \(Z_1=\dfrac{Z_2Z_3}{Z_2+Z_3}\).

원자로 감속재
고속 중성자를 열중성자로 감속시켜 핵분열을 지속시킵니다. 경수·중수·흑연 등 사용(질량수 작고 흡수단면적 작을수록 유리).

풀이
고속중성자 감속은 감속재의 역할.

부등률
\[ 부등률=\frac{각 부하 최대전력의 합}{합성 최대전력}\ (\ge1) \]최대수요가 시간적으로 분산될수록 커지며, 설비용량을 줄일 수 있습니다.

풀이
개별최대합 \(=90+245=335\), 부등률 \(=\dfrac{335}{279}\approx1.2\).

송전선로의 충전용량
선로의 대지정전용량 \(C\)에 전압을 걸면 진상 충전전류가 흘러 무효전력(충전용량)이 발생합니다.
\[ Q_c=3\,\omega C E^2=3\times2\pi f C\times\Big(\frac{V}{\sqrt3}\Big)^2=2\pi f C V^2 \]
· \(E=V/\sqrt3\): 상전압, \(V\): 선간전압, \(C\): 1상 작용정전용량(전체 = 단위길이×선로길이)
3상이므로 3배, 상전압의 제곱에 비례합니다.
핵심 — 충전용량은 정전용량과 전압(제곱)·주파수로 정해지며, 부하 역률·저항과는 무관합니다.

선로정수 핵심
인덕턴스 \(L=0.05+0.4605\log\dfrac{D}{r}\)[mH/km], 정전용량 \(C=\dfrac{0.02413}{\log(D/r)}\)[μF/km], 충전전류 \(I_c=2\pi fCE\), 등가선간거리 \(D_e=\sqrt[3]{D_{12}D_{23}D_{31}}\).

풀이
제5고조파는 Δ결선 순환 또는 직렬리액터로 억제.

등가선간거리 (기하평균거리)
3상 전선의 배치가 비대칭이면 각 상의 인덕턴스·정전용량이 달라진다. 완전 연가(transposition)를 하면 세 상의 평균값을 쓸 수 있고, 이때 대표 거리로 세 상호거리의 기하평균인 등가선간거리를 사용한다.\[ D_e=\sqrt[3]{D_{12}\,D_{23}\,D_{31}} \]

일직선(수평) 배치 대입
전선 1·2·3이 간격 \(D\)로 일직선에 있으면(그림):\[ D_{12}=D,\quad D_{23}=D,\quad D_{31}=2D \]\[ D_e=\sqrt[3]{D\cdot D\cdot 2D}=\sqrt[3]{2D^3}=\sqrt[3]{2}\,D \]정답은 ① \(\sqrt[3]{2}\,D\) (\(\approx1.26D\)).

보기 검토
• ② \(D\): 세 거리를 모두 \(D\)로 본 경우(양 끝 전선 간 \(2D\)를 놓침)
• ③ \(2D\): 가장 먼 \(D_{31}\)만 취한 값
• ④ \(\sqrt3\,D\): 정삼각형(3각) 배치 등 다른 배치의 값이며 일직선 배치가 아님

참고 — 정삼각형 배치면 \(D_{12}=D_{23}=D_{31}=D\)라 \(D_e=D\)가 된다. 배치에 따라 등가선간거리가 달라진다.

3상 차단기의 차단용량
\[ P_s=\sqrt3\,V_n I_s\,[\text{MVA}] \]
· \(V_n\): 정격(선간)전압, \(I_s\): 정격차단전류
또는 \(P_s=\dfrac{100}{\%Z}P_n\). 단락 시 계통이 감당해야 할 용량입니다.

계산
\(P_s=\dfrac{100}{\%Z}P_n=\dfrac{100}{0.25}\times10000=4\times10^6\text{kVA}=4000\,\text{MVA}\).

임피던스전압·%임피던스
2차 단락 상태에서 1차에 정격전류가 흐르도록 가한 전압. \(\%Z=\dfrac{V_z}{V_{1n}}\times100\). 전압변동률·단락전류 계산의 기준.

풀이
임피던스 전압 = 정격전류를 흘릴 때 내부 임피던스 전압강하.

변압기 핵심
\(E=4.44fN\phi_m\), 권수비 \(a=\dfrac{N_1}{N_2}=\dfrac{V_1}{V_2}\), 전압변동률 \(\varepsilon=p\cos\theta+q\sin\theta\), 최대효율(철손=동손), 병렬운전(극성·권수비·%Z 일치).

풀이
층간단락은 차동(비율차동)계전기로 보호합니다.

유도전동기 핵심
\(N_s=\dfrac{120f}{P},\ N=N_s(1-s),\ f_2=sf\), 전력분배 \(P_2:P_{c2}:P_o=1:s:(1-s)\), 토크 \(T\propto V^2\), 비례추이(2차저항), 기동 Y-Δ(1/3).

풀이
토크 \(\propto V^2\): \(0.8^2=0.64\)배.

변압기 유기전압
\[ E=4.44\,f\,N\,\phi_m=4.44\,f\,N\,B_m S\,[\text{V}] \]
· \(f\): 주파수, \(N\): 권수, \(\phi_m=B_mS\): 최대자속, \(B_m\): 최대자속밀도, \(S\): 철심 단면적
계수 4.44 = \(2\pi/\sqrt2\)(정현파 실효값 환산). 1턴당이면 \(E/N=4.44fB_mS\).

계산
\(E_1=4.44fN_1\phi_m=4.44fN_1 B_m S\).

변압기 핵심
\(E=4.44fN\phi_m\), 권수비 \(a=\dfrac{N_1}{N_2}=\dfrac{V_1}{V_2}\), 전압변동률 \(\varepsilon=p\cos\theta+q\sin\theta\), 최대효율(철손=동손), 병렬운전(극성·권수비·%Z 일치).

풀이
입력 \(=10000/0.8=12500\)W, 총손실 2500W, 가변손 \(=2500-1300=1200\,\text{W}\).

분권전동기 특성 계산 순서
① 전기자전류: \(I_a=I-I_f\) (전체전류에서 계자전류를 뺌)
② 역기전력: \(E=V-I_aR_a\) (전동기는 단자전압에서 전기자저항 강하를 뺌)
③ 토크: \(T=\dfrac{EI_a}{\omega}=\dfrac{EI_a}{2\pi N/60}\)
· \(V\): 단자전압, \(R_a\): 전기자저항, \(N\): 회전수
핵심 — 발전기는 \(E=V+I_aR_a\), 전동기는 \(E=V-I_aR_a\)로 부호가 반대입니다.

유도전동기 최대토크
최대토크는 2차저항과 무관하게 일정하고, 발생 슬립은 \(s_{mT}=\dfrac{r_2}{x_2}\)입니다. 2차저항을 키우면 최대토크 슬립이 커집니다(비례추이).

풀이
최대토크는 2차 저항과 무관하여 변하지 않습니다(비례추이).

직류기 핵심
\(E=\dfrac{pZ\phi N}{60a}=k\phi N\)(중권 a=p·파권 a=2), 발전기 \(E=V+I_aR_a\)·전동기 \(E=V-I_aR_a\), 토크 \(T=k\phi I_a\), 정류 개선(보극·보상권선).

풀이
직권은 부하에 따라 속도가 변합니다(정속도 아님).

전기자 권선법
· 중권: 병렬회로수 \(a=p\)(극수), 저전압·대전류, 균압환 필요
· 파권: \(a=2\), 고전압·소전류
분포권·단절권으로 고조파를 줄이고 파형을 개선합니다.

풀이
직류기는 폐로권을 사용하며 개로권은 아닙니다.

유도전동기 핵심
\(N_s=\dfrac{120f}{P},\ N=N_s(1-s),\ f_2=sf\), 전력분배 \(P_2:P_{c2}:P_o=1:s:(1-s)\), 토크 \(T\propto V^2\), 비례추이(2차저항), 기동 Y-Δ(1/3).

풀이
상순 반전 시 역회전 \(N_s=-1800\), \(s=\dfrac{-1800-1750}{-1800}\approx1.97\).

위상제어 정류(SCR)
점호각 \(\alpha\)를 조절해 출력 직류전압을 제어합니다.
\[ 단상전파:\ V_d=\frac{2\sqrt2\,E}{\pi}\cos\alpha,\quad 3상:\ V_d=1.35E\cos\alpha \]\(\alpha\)가 커질수록 출력전압이 낮아지며, 유도부하에서는 환류다이오드로 역률·맥동을 개선합니다.

풀이
SCR로 점호각(위상)을 조정해 실효전압을 바꿉니다.

변압기·기기 최대효율 조건
\[ 철손(고정손)=동손(부하손) \]철손은 부하와 무관, 동손 \(\propto I^2\). 두 손실이 같아지는 부하율 \(m=\sqrt{P_i/P_c}\)에서 효율 최대.

풀이
철손=동손이 되는 부하율 \(\sqrt{\dfrac{P_i}{P_c}}\)에서 최대효율.

변압기 핵심
\(E=4.44fN\phi_m\), 권수비 \(a=\dfrac{N_1}{N_2}=\dfrac{V_1}{V_2}\), 전압변동률 \(\varepsilon=p\cos\theta+q\sin\theta\), 최대효율(철손=동손), 병렬운전(극성·권수비·%Z 일치).

풀이
\(부하용량=자기용량\times\dfrac{V_h}{V_h-V_l}=1\times\dfrac{3200}{200}=16\,\text{kVA}\).

직류기·유도기 특성 관계
토크 \(T=k\phi I_a\), 단자전압 \(V=E\pm I_aR_a\)(발전+/전동−), 유도기 \(P_2:P_{c2}:P_o=1:s:1-s\). 여자·부하 조건으로 계산.

풀이
동기와트(=2차입력)를 동기속도로 나눠 토크를 구합니다.

동기기 핵심
\(E=4.44fN\phi K_w\), 단락비 \(K_s=\dfrac{100}{\%Z_s}\), 동기임피던스 \(Z_s=\dfrac{V_{oc}/\sqrt3}{I_{sc}}\), V곡선(여자로 역률조정), 난조 방지 제동권선, 병렬운전(기전력·위상·주파수·파형).

풀이
반작용 전동기는 돌극 릴럭턴스 차로 토크를 냅니다.

동기기 핵심
\(E=4.44fN\phi K_w\), 단락비 \(K_s=\dfrac{100}{\%Z_s}\), 동기임피던스 \(Z_s=\dfrac{V_{oc}/\sqrt3}{I_{sc}}\), V곡선(여자로 역률조정), 난조 방지 제동권선, 병렬운전(기전력·위상·주파수·파형).

풀이
기전력 위상차가 있을 때 동기화 전류가 흐릅니다.

유도기 전력·토크
\[ P_2:P_{c2}:P_o=1:s:(1-s),\quad 동기와트=P_2,\quad 2차효율=1-s \]동기와트로 토크를 표시. s<0이면 발전기.

풀이
s<0은 유도발전기로 동작(전동기 아님).

유도기 전력·토크
\[ P_2:P_{c2}:P_o=1:s:(1-s),\quad 동기와트=P_2,\quad 2차효율=1-s \]동기와트로 토크를 표시. s<0이면 발전기.

풀이
동기와트 = 토크(동기속도 기준).

역첨두전압(PIV)
정류소자가 견뎌야 할 최대 역전압. 단상전파 \(PIV=2\sqrt2E\) 등 회로별로 다르며, 여유를 두고 소자를 선정합니다.

풀이
직렬 연결은 역전압 분담으로 내압을 높입니다.

전력변환 핵심
단상전파 \(V_d=0.9E\), 3상전파·6상반파 \(V_d=1.35E\), 위상제어 \(V_d\cos\alpha\), 맥동률(3상전파 최소), 역첨두전압 PIV, 인버터/컨버터/사이클로컨버터.

풀이
게이트로 소호 가능한 GTO는 전류 제어로 과전압 파괴를 막습니다.

지지물 강도·시설
지지물 종별(목주·A종·B종·철탑) 강도·상정하중·기초 안전율 2.0, 이도 안전율, 발판볼트 지표상 1.8m 이상 등을 적용합니다.

해당 규정
철탑은 지선으로 강도를 분담시킬 수 없습니다.

특수장소·기구 시설
출퇴표시등·전기온상·수중조명·전기욕기·의료장소·방전등 등은 감전·화재 위험이 커 사용전압·절연·누전차단·접지에 대한 전용 규정을 적용합니다.

해당 규정
네온변압기 외함은 제3종 접지공사.

전기설비 시설기준(KEC)
전압등급·장소·대상물에 따른 시설방법·이격·높이·굵기·접지·보호 규정을 적용해 감전·화재·기계적 손상을 방지합니다.

해당 규정
대지전압 150V 이하 저압전로 절연저항 0.1MΩ 이상(개정 전 기준).

타임스위치 시설
· 숙박시설·주택 현관등: 정해진 시간(예 3분) 후 소등되는 타임스위치
· 관광호텔 등은 1분 이내 소등 등 규정에 맞춰 시설.

해당 규정
현관 조명 타임스위치는 3분 이내 소등.

접지(KEC 계통접지)
TN·TT·IT 계통. 접지도체 굵기·접지저항 기준을 적용하고, 접지선은 손상 방지를 위해 방호합니다.

해당 규정
15kV 이하 다중접지 합성 접지저항 1km마다 30Ω 이하.

전기설비 시설기준(KEC)
전압등급·장소·대상물에 따른 시설방법·이격·높이·굵기·접지·보호 규정을 적용해 감전·화재·기계적 손상을 방지합니다.

해당 규정
아크가 생기는 기구는 목재 등 가연물과 이격거리를 확보합니다.

전기설비 시설기준(KEC)
전압등급·장소·대상물에 따른 시설방법·이격·높이·굵기·접지·보호 규정을 적용해 감전·화재·기계적 손상을 방지합니다.

해당 규정
7kV 이하 회전기 시험전압 = 최대사용전압의 1.5배.

전기설비 시설기준(KEC)
전압등급·장소·대상물에 따른 시설방법·이격·높이·굵기·접지·보호 규정을 적용해 감전·화재·기계적 손상을 방지합니다.

해당 규정
수상전선로는 캡타이어케이블 등을 쓰고 부잔교 등으로 지지합니다.

발·변전소 설비
주요 기기(변압기·발전기·조상설비)의 자동차단 보호, 수소냉각(순도 85% 이하 경보), 압축공기장치 등 시설기준을 적용합니다.

해당 규정
주요 변압기 필수 계측은 전압·전류·전력이며 역률계는 의무가 아닙니다.

전기설비 시설기준(KEC)
전압등급·장소·대상물에 따른 시설방법·이격·높이·굵기·접지·보호 규정을 적용해 감전·화재·기계적 손상을 방지합니다.

해당 규정
통신설비는 전력선의 유도작용으로부터 안전하게 시설합니다.

병가·접근·이격
동일 지지물 병가 순서(고압 위·저압 아래)와 전압등급별 이격거리, 건조물·도로·타 전선·약전류선 접근 시 이격을 적용합니다.

해당 규정
전차선 교차 시 강화된 보안공사 규정을 적용합니다.

전기설비 시설기준(KEC)
전압등급·장소·대상물에 따른 시설방법·이격·높이·굵기·접지·보호 규정을 적용해 감전·화재·기계적 손상을 방지합니다.

해당 규정
구내 조명용 가공전선로 경간 30m 이하.

병가·접근·이격
동일 지지물 병가 순서(고압 위·저압 아래)와 전압등급별 이격거리, 건조물·도로·타 전선·약전류선 접근 시 이격을 적용합니다.

해당 규정
조영재를 따라 붙이는 고압 애자공사 지지점 간 2m 이하.

지지물 시설·강도
가공전선로 지지물(목주·철주·철근콘크리트주·철탑)은 풍압하중 등 상정하중에 견디는 강도, 기초 안전율 2.0 이상, 규정 근입깊이를 확보해야 합니다.

해당 규정
시가지 특고압 지지물로 목주는 사용 불가.

특수장소·기구 시설
출퇴표시등·전기온상·수중조명·전기욕기·의료장소·방전등 등은 감전·화재 위험이 커 사용전압·절연·누전차단·접지에 대한 전용 규정을 적용합니다.

해당 규정
유희용 전차는 사용전압이 제한됩니다(직류 60V, 교류 40V 등).

발·변전소 설비
주요 기기(변압기·발전기·조상설비)의 자동차단 보호, 수소냉각(순도 85% 이하 경보), 압축공기장치 등 시설기준을 적용합니다.

해당 규정
혼촉 이상전압 보호를 위해 피뢰기(방전장치)를 시설합니다.

옥내 대지전압 제한
백열전등·방전등 등 옥내전로의 대지전압은 300V 이하로 제한합니다(감전·화재 위험 저감).

해당 규정
옥내 대지전압 제한
백열전등·방전등 등을 공급하는 옥내전로의 대지전압은 300V 이하로 제한합니다(주택은 원칙적으로 300V 이하, 감전·화재 위험 저감 목적).

해당 규정
조명 옥내전로 대지전압 300V 이하.

지락·자동차단 보호
금속외함 기계기구·옥내전로 등에는 지락 시 자동차단(누전차단기 등)을 시설합니다. 사용전압·장소별 감도·시설 예외를 확인합니다.

해당 규정
0.5초 이내 차단 시 제2종 접지저항 값(300/I) 적용이 완화됩니다.

전식(전기부식) 방지
전철 귀선 누설전류에 의한 지중금속 부식을 배류법(직접·선택·강제배류)으로 방지합니다.

해당 규정
전식방지 배류시설에는 선택배류기·강제배류기를 사용합니다.

과전류·지락 보호
간선·분기회로에 과부하·단락 보호장치를 시설하고, 분기점~보호장치 거리(3m·8m 규정), 지락 시 자동차단을 적용합니다.

해당 규정
뱅크용량 10000kVA 이상은 내부고장 자동차단.