2013.3 기출문제

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
\(W=\frac12CV^2\Rightarrow C=\dfrac{2W}{V^2}=\dfrac{2\times1}{1000^2}=2\times10^{-6}=2\,\mu F\).

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
두 선전하 사이 힘 \(f=\dfrac{\lambda^2}{2\pi\varepsilon_0 d}\)(부호 반대이므로 인력).

맥스웰 방정식
\[ \nabla\!\cdot\!D=\rho,\ \nabla\!\cdot\!B=0,\ \nabla\!\times\!E=-\tfrac{\partial B}{\partial t},\ \nabla\!\times\!H=J+\tfrac{\partial D}{\partial t} \]전자기 현상을 통합한 4개 방정식(변위전류 포함).

풀이
\(\nabla\cdot i=0\)은 전하 축적이 없는 정상전류를 의미하므로 시변 전하와 무관합니다.

기자력(MMF)
\[ F=NI=R_m\phi\,[\text{AT}] \]· \(N\): 권수, \(I\): 전류
자속을 만드는 원천으로, 자기회로에서 전압에 대응합니다.

풀이
\(F=NI\Rightarrow N=\dfrac{2000}{5}=400\)회.

압전효과
수정·로셸염 등에 기계적 압력을 가하면 전하(전압)가 나타나고(정효과), 반대로 전압을 걸면 변형이 생깁니다(역효과). 초음파·발진자·센서에 이용.

풀이
응력과 분극이 수직 → 횡효과.

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
\(\delta=\sqrt{\dfrac{2}{\omega\mu\sigma}}\)로 f·μ·σ가 클수록 얕아집니다.

상호인덕턴스
\[ M=k\sqrt{L_1L_2},\qquad V_2=M\frac{di_1}{dt} \]· \(k\): 결합계수(0~1), \(L_1,L_2\): 자기인덕턴스
한 코일 전류변화가 다른 코일에 유기하는 기전력의 비례상수입니다.

풀이
같은 자로: \(L_A\propto N_1^2\), \(M\propto N_1N_2\Rightarrow M=\dfrac{N_2}{N_1}L_A\).

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
\(\phi=BS=1\times1000\times10^{-6}=1\times10^{-3}\,\text{Wb}\).

철손(히스테리시스손·와전류손)
\[ P_h=\eta fB_m^{1.6},\qquad P_e=k f^2 B_m^2 t^2 \]와전류손은 성층(얇은 철판)으로 줄입니다. 둘의 합이 철손.

풀이
회전 1회마다 히스테리시스 루프 1주기 → 히스테리시스손이 발생합니다.

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
\(L=Q/V\)는 정전용량 공식으로 자기유도계수와 무관합니다.

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
평행 도선 인덕턴스 \(L=\dfrac{\mu_0}{\pi}\ln\dfrac{d}{r}\)(+내부분).

점전하의 전위
\[ V=\frac{Q}{4\pi\varepsilon_0 r}=9\times10^9\frac{Q}{r}\,[\text{V}] \]무한원 기준, 거리 \(r\)에 반비례(전계는 \(1/r^2\)). 여러 전하는 스칼라 합.

풀이
전계 반대 방향으로 이동하면 전위가 높아져 \(V_P=V_A+El\).

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 삽입으로 합성 정전용량이 증가합니다.

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 H의 접선성분·B의 법선성분이 연속입니다(H 법선은 불연속).

무한 직선도체가 만드는 자계
\[ H=\frac{I}{2\pi r}\,[\text{AT/m}] \]
· \(I\): 전류, \(r\): 도체로부터의 수직거리
자계는 거리에 반비례(\(H\propto1/r\))합니다. 거리가 2배면 자계는 1/2.

계산
\(H=\dfrac{I}{2\pi r}=\dfrac{10\pi}{2\pi\times5}=1\,\text{A/m}\).

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
스토크스 정리 \(\oint A\cdot dl=\displaystyle\int(\nabla\times A)\cdot dS\).

전기쌍극자
\[ V=\frac{M\cos\theta}{4\pi\varepsilon_0 r^2},\qquad E=\frac{M}{4\pi\varepsilon_0 r^3}\sqrt{1+3\cos^2\theta} \]· \(M=Q\delta\):쌍극자모멘트. 전위 \(\propto1/r^2\), 전계 \(\propto1/r^3\).

풀이
쌍극자 전계 \(E=\dfrac{M}{4\pi\varepsilon_0 r^3}\sqrt{1+3\cos^2\theta}\).

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
쌍극자 전계 \(\propto1/r^3\)(전위는 \(1/r^2\)).

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
히스테리시스손 \(P_h\propto f\)이므로 회전수 증가 시 증가합니다.

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
\(E=-\nabla V=(-2,-5z,-5y)=(-2,0,-5)\), \(|E|=\sqrt{4+25}\approx5.39\).

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
z평면 특성근이 단위원 내부에 있어야 안정.

라플라스·과도 핵심
\(1\to\tfrac1s,\ e^{-at}\to\tfrac1{s+a},\ \sin\omega t\to\tfrac{\omega}{s^2+\omega^2}\), 시정수 \(\tau=L/R\) 또는 \(RC\)(최종값 63.2%), 초기값 \(\lim_{s\to\infty}sF\)·최종값 \(\lim_{s\to0}sF\).

풀이
대역폭이 넓을수록 응답이 빨라집니다.

\(G(s)=\dfrac{1}{s}\)의 보드 이득 (\(\omega=0.1\))
\(|G(j\omega)|=\dfrac{1}{\omega}=\dfrac{1}{0.1}=10\)
\[ G[\text{dB}]=20\log_{10}10=20\,\text{dB} \]적분요소는 저주파에서 이득이 큽니다(ω↓ → 이득↑).

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.

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
프로그램제어는 목표값에 의한 분류입니다.

회로 미분방정식
KVL/KCL로 세운 미분방정식을 라플라스변환해 대수식으로 풀고 역변환합니다(초기조건 포함).

풀이
\(i(t)=\dfrac{E}{R}(1-e^{-Rt/L})\).

라우스(Routh) 안정도 판별
특성방정식 계수로 라우스 표를 만들어 제1열의 부호변화 횟수 = s평면 우반면(불안정) 근의 개수입니다. 부호변화가 없으면 안정.

풀이
라우스 1열: \(1,\ 11,\ \frac{22-40}{11}=-1.6,\ 40\) → 부호변화 2회 → 2개.

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
부귀환 \(\dfrac{G}{1+GH}\).

제어요소(PID)
P: 응답↑·잔류편차, I: 편차 제거·응답느림, D: 응답 빠름·안정도↑. 진상보상은 위상여유·응답속도 개선.

풀이
미분(진상) 특성을 갖는 진상 보상기로 사용됩니다.

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
감쇠계수가 크면 위상여유가 크고 안정(감쇠성 좋음)합니다.

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
π형에서 \(B=Z\)(직렬 가지 임피던스).

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
RC 저역통과 \(\dfrac{1}{1+sRC}\).

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
\(\frac{E}{s}(1-e^{-Ts})\).

톱니파(sawtooth)의 파형률
\[ 파형률=\frac{실효값}{평균값} \]0~\(V_m\)까지 선형으로 증가하는 톱니파는
실효값 \(=\dfrac{V_m}{\sqrt3}\), 평균값 \(=\dfrac{V_m}{2}\)이므로
\[ 파형률=\frac{V_m/\sqrt3}{V_m/2}=\frac{2}{\sqrt3}\approx1.155 \]참고로 파고율(=최대/실효)\(=\dfrac{V_m}{V_m/\sqrt3}=\sqrt3\approx1.732\).

시정수 \(\tau\)
\(RL:\ \tau=L/R\), \(RC:\ \tau=RC\) [s]. 최종값의 63.2%에 도달하는 시간, 클수록 응답이 느립니다.

풀이
RL 회로 시정수 \(\tau=\dfrac{L}{R}\).

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
모든 독립전원을 제거(전압원 단락, 전류원 개방)한 뒤 a-b에서 본 임피던스.

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
키르히호프 전압법칙(전압분배)으로 a-b 전위차를 계산합니다.

3상 결선
Y: \(V_l=\sqrt3V_p\), \(I_l=I_p\). Δ: \(V_l=V_p\), \(I_l=\sqrt3I_p\). 선전류=상전압/임피던스 등으로 계산.

풀이
Y결선 상전압 \(E/\sqrt3\), \(I=\dfrac{E}{\sqrt3\sqrt{R^2+X^2}}\).

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
병렬 회로 역률 \(\cos\theta=\dfrac{X}{\sqrt{R^2+X^2}}\)(어드미턴스 기준).

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
푸리에: 우함수 → cos·직류항, 기함수 → sin항.

연가(transposition)
선로를 구간마다 위치 교대해 3상 선로정수(L·C)를 평형화. 통신선 유도장해·직렬공진을 방지합니다.

풀이
연가는 코로나 손실과는 무관합니다.

고장·보호 핵심
단락전류 \(I_s=\dfrac{100}{\%Z}I_n\), 차단용량 \(P_s=\sqrt3V_nI_s\), 지락 \(I_g=3I_0\)(대칭좌표법), 보호계전기 시한(순한시·정한시·반한시)으로 협조.

풀이
단락보호는 과전류계전기(OCR)가 적합합니다.

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
직렬 4개 \(=4\times2000=8000\,\text{M}\Omega\).

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
단순 비접지는 사고확대 방지 대책이 아닙니다.

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
교류는 변압기로 전압 변성이 용이합니다.

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
단로기는 고장·부하전류 차단능력이 없습니다.

안정도 향상 대책
직렬리액턴스↓(복도체·직렬콘덴서·병행2회선), 전압변동↓(속응여자·계통연계), 고장 신속제거(고속차단·재폐로), 중간조상 설치.

풀이
리액턴스는 감소시켜야 합니다.

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
동량 비교에서 3상 4선식이 가장 경제적(적음).

보호계전기 시한·협조
순한시(즉시)·정한시(일정)·반한시(전류↑→동작 빠름)·반한시성정한시. 후비보호와 동작시간·전류를 계단적으로 협조시킵니다.

풀이
반한시정한시는 큰 전류에서 정한시가 됩니다.

배전·수용 핵심
수용률 \(=\dfrac{최대수용}{설비용량}\), 부등률 \(=\dfrac{개별최대합}{합성최대}(\ge1)\), 부하율 \(=\dfrac{평균}{최대}\), 역률개선 \(Q_c=P(\tan\theta_1-\tan\theta_2)\).

풀이
동기조상기는 연속조정·진상/지상 모두, 콘덴서는 진상만·계단조정.

화력발전 열효율
\[ \eta=\frac{860W}{BH}\times100\,[\%] \](W:kWh, B:연료kg, H:발열량kcal/kg, 1kWh=860kcal)

풀이
\(\eta=\dfrac{860\,PG}{BH}\times100\,[\%]\).

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
종속접속 \(B_0=A_1B_2+B_1D_2\)(행렬 곱).

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
감속재 온도계수 = 온도 변화에 따른 반응도 변화(음이면 자기제어).

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
대지귀로 인덕턴스는 등가높이 h로 \(L=0.05+0.4605\log\dfrac{2h}{r}\).

인터록(interlock)
차단기(CB)가 열린 상태에서만 단로기(DS)를 조작할 수 있도록 하는 오조작 방지 연동장치입니다.

풀이
인터록: 차단기 개방 상태에서만 단로기를 조작하도록 하는 안전장치.

배전·수용 핵심
수용률 \(=\dfrac{최대수용}{설비용량}\), 부등률 \(=\dfrac{개별최대합}{합성최대}(\ge1)\), 부하율 \(=\dfrac{평균}{최대}\), 역률개선 \(Q_c=P(\tan\theta_1-\tan\theta_2)\).

풀이
연부하율 \(=\dfrac{E}{W\times8760}\times100\,[\%]\).

선로의 특성임피던스
\[ Z_0=\sqrt{\frac{L}{C}}=138\log\frac{D}{r}\,[\Omega] \]가공선 약 300~500Ω, 케이블 수십Ω. 진행파 반사·투과 계산의 기준입니다.

풀이
\(Z_0=\sqrt{Z_{sc}Z_{oc}}=\sqrt{300\times1200}=600\,\Omega\).

고장·보호 핵심
단락전류 \(I_s=\dfrac{100}{\%Z}I_n\), 차단용량 \(P_s=\sqrt3V_nI_s\), 지락 \(I_g=3I_0\)(대칭좌표법), 보호계전기 시한(순한시·정한시·반한시)으로 협조.

풀이
\(P_s=\sqrt3 V_n I_s\).

조속기·수압철관
조속기는 부하변동에 따라 수차 유량을 조절해 회전수 유지. 조압수조(surge tank)는 수격작용을 완화합니다.

풀이
조속기가 예민하면 난조(속도 진동)가 발생합니다.

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
무부하 충전선로 개폐 시 개폐서지로 이상전압이 크게 발생합니다.

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
2차 저항 기동은 권선형 전용입니다.

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
동기전동기는 역률 1(또는 진상) 운전이 가능.

정류자·편간전압
정류자편 사이 평균전압 \(e_c=\dfrac{pE}{k}\)(정류자편수 k). 편간전압이 크면 섬락 위험.

풀이
\(e_c=\dfrac{E\cdot p}{K}=\dfrac{230\times4}{162}\approx5.68\,\text{V}\).

변압기 병렬운전
극성·권수비·%Z 일치. 부하분담은 용량에 비례, %임피던스에 반비례. %Z 다르면 순환전류.

풀이
권수비 15, 2차 \(=100/15=6.67\)V. 가극성 \(=106.7\)V, 감극성 \(=93.3\)V.

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(슬립만 이동).

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
비철극기 \(P=\dfrac{EV}{X_s}\sin\delta\), \(\delta=90°\)에서 최대.

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
Δ-Y 결선의 상·선 전압/전류 변환을 반영해 전열기 전력·전류를 계산합니다.

서보·스테핑 모터
서보모터: 위치·속도 제어용, 기동토크 크고 응답 빠름, 관성 작음. 스테핑모터: 펄스 1개당 일정 각 회전 → 디지털 위치제어에 적합.

풀이
스테핑 모터 속도는 펄스 주파수에 비례합니다.

VVVF(가변전압 가변주파수)
\(N=\dfrac{120f}{P}(1-s)\)에서 주파수를 바꿔 속도제어. 자속 일정 위해 \(V/f\) 일정 제어(인버터). 농형 유도기 속도제어의 대표.

풀이
농형은 주파수·전압 제어.

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
\(V_{20}=V_2(1+\varepsilon)=115\times1.02\approx117.3\,\text{V}\).

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
9차(=3의 배수)는 영상분으로 회전자계를 만들지 않습니다.

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
콘덴서 기동형은 기동토크·역률이 우수합니다.

변압기 전압변동률 — %저항강하 p, %리액턴스강하 q

전압변동률은 부하 역률각 \(\theta\)에 대해:
\[ \varepsilon=p\cos\theta+q\sin\theta\,[\%] \](\(p\): %저항강하, \(q\): %리액턴스강하)

① 역률 100% (\(\cos\theta=1,\ \sin\theta=0\))
\[ \varepsilon=p\cdot1+q\cdot0=p=3\ \Rightarrow\ \boxed{p=3} \]② 역률 80% 지상 (\(\cos\theta=0.8,\ \sin\theta=0.6\))
\[ \varepsilon=p\cdot0.8+q\cdot0.6=4 \]\[ 3\times0.8+0.6q=4\ \Rightarrow\ 2.4+0.6q=4\ \Rightarrow\ q=\frac{1.6}{0.6}\approx2.67 \]∴ p=3, q=\(\dfrac{8}{3}\approx2.67\) → 정답 ① (p=3, q≈2.67).

※ 핵심: 역률 1일 때 변동률 = %저항강하 p이므로 p를 바로 얻고, 다른 역률의 변동률 식에 대입해 q를 구합니다. 참고로 최대 변동률 \(=\sqrt{p^2+q^2}=\sqrt{3^2+2.67^2}\approx4.0\%\)(=%임피던스강하).
오답: ② p=4·③ q=3·④ p=q 는 위 계산과 맞지 않습니다.

유도전동기 기동법
· 농형: 전전압·Y-Δ(전류 1/3)·리액터·기동보상기
· 권선형: 2차 저항기동(비례추이로 기동토크↑)
기동전류를 억제하면서 필요한 기동토크를 확보하는 방식을 선택합니다.

풀이
전동기 \(E=V-I_aR_a=120-40\times0.15=114\,\text{V}\).

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

풀이
분포권·단절권이 고조파를 줄여 파형을 개선합니다.

변압기 보호·냉각
부흐홀츠계전기(내부고장 가스 검출), 콘서베이터(유면 변동 흡수·열화 방지), 절연유(냉각·절연). 비율차동계전기로 내부고장 보호.

풀이
절연유는 인화점이 높아야 합니다.

전기자 반작용
전기자 전류가 만든 자속이 주자속에 영향을 주는 현상.
· 발전기: 지상부하→감자, 진상부하→증자, 저항부하→교차(편자)
· 대책: 보상권선·보극. 직류기에서는 중성축 이동·정류 불량을 유발.

풀이
동기전동기에서 진상전류는 증자, 지상전류는 감자(발전기와 반대).

변압기 병렬운전 조건
① 극성이 같을 것 ② 권수비(정격전압)가 같을 것 ③ %임피던스가 같을 것 ④ 저항:리액턴스 비가 같을 것 (3상은 상회전방향·각변위도 일치). 부하분담은 %임피던스에 반비례합니다.

풀이
계자전류를 조정해 기전력을 바꿔 부하분담을 조정합니다.

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
상수가 많으면 맥동률이 줄고 효율이 향상됩니다.

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
자기여자 방지는 부족여자(지상) 운전으로 진상전류를 흡수합니다.

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
부호가 반대이므로 인력, 크기 \(\dfrac{\lambda^2}{2\pi\varepsilon_0 d}\).

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

해당 규정
가공공동지선으로 여러 장소를 연결하고 규정 접지저항을 만족시킵니다.

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

해당 규정
양쪽 나전선 이격 1.5m 이상(케이블 0.5m).

전동기 보호
정격 0.2kW 초과 전동기에는 과부하(과전류) 보호장치를 시설합니다(과열·소손 방지). 단, 취급자 상시 감시·구조상 소손 우려 없는 경우 등은 생략 가능.

해당 규정
과부하 시 자동차단 또는 경보장치를 시설합니다(0.2kW 이하 등 예외).

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

해당 규정
시가지 특고압은 지락·단락 시 1초 이내 자동차단.

옥내(주택) 배선
대지전압 300V 이하, 욕실 등 습기장소 콘센트는 누전차단기(인체보호 15mA·0.03초), 타임스위치(현관등 소등) 등 규정을 적용합니다.

해당 규정
점검불가 은폐·건조 장소는 금속관·합성수지관·케이블 공사.

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
15~25kV 특고압 전선-지지물 이격 20cm 이상.

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
특고압 애자장치 갑종 풍압 1039Pa.

배선공사·전선 규정
공사방법(금속관·가요전선관·금속덕트·케이블 등)별 시설조건과 전선 굵기·절연·접지 기준을 적용합니다. 저압·고압·특고압 및 장소(습기·전개 등)에 따라 허용 공사방법이 다릅니다.

해당 규정
저압 가공인입선에 나전선은 사용 불가.

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

해당 규정
전식 우려 시 배류시설·절연 등 전식방지 조치를 합니다.

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

해당 규정
합성수지관 등 관 공사에는 나전선 사용 불가.

배선공사·전선 규정
공사방법(금속관·가요전선관·금속덕트·케이블 등)별 시설조건과 전선 굵기·절연·접지 기준을 적용합니다. 저압·고압·특고압 및 장소(습기·전개 등)에 따라 허용 공사방법이 다릅니다.

해당 규정
400V 이상, 접촉 우려 없음 → 제3종 접지공사(현행 통합접지).

전기설비 시설기준(KEC)
대상 설비·장소의 안전(감전·화재·기계적 손상 방지)을 위한 시설방법·이격·접지·보호 규정을 적용합니다. 각 보기가 규정에 부합하는지 판단합니다.

해당 규정
전차선로에 전력을 공급하는 전선을 급전선이라 합니다.

조가용선
케이블을 매다는 강선. 인장강도 5.93kN(또는 단면적 22mm² 아연도철연선) 이상, 케이블과 함께 접지하고 규정 간격으로 조가합니다.

해당 규정
고압 가공케이블 조가용선 22mm² 이상 아연도강연선.

가공전선의 도로 횡단 높이
저압·고압·특고압 가공전선이 도로를 횡단할 때 지표상 6m 이상이어야 합니다(횡단보도교·철도는 별도).

해당 값
고압 가공전선 도로 횡단 지표상 6m 이상.

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
철탑 표준 경간 600m 이하.

절연내력 시험전압 (10분간 견딤)

최대사용전압	배수(최저값)
7kV 이하	×1.5 (최저 500V)
7~60kV 이하	×1.25 (최저 10.5kV)
60kV 초과 중성점 비접지	×1.25
60kV 초과 중성점 접지	×1.1 (최저 75kV)
60kV 초과 중성점 직접접지	×0.72

회전기는 ×1.5(7kV이하)/직류시험 ×1.6·2분.
해당 값
직접접지(60kV 초과) \(154000\times0.72=110880\,\text{V}\).

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

해당 규정
선로길이 5km 이상 고압 가공전선로 등에 개폐·보안장치를 시설합니다.

저·고압 가공전선과 건조물의 이격거리 (그림)

가공전선이 건조물에 접근할 때 조영재 위치별 최소 이격거리:

위치	저·고압 기준
상부 조영재 위쪽	2m 이상 (절연전선·케이블 1m)
상부 조영재 옆쪽·아래쪽	1.2m 이상 ← 본 문제 (케이블 0.4m, 접촉우려 없으면 0.8m)

따라서 상부 조영재 옆쪽 이격거리는 1.2m 이상입니다.

왜 1.5m가 아닌가
보기 ②의 1.5m는 특고압(35kV 이하) 가공전선의 옆·아래쪽 이격 값입니다. 이 문제는 저·고압이므로 1.2m가 맞습니다(전압등급을 혼동하면 오답).
∴ 정답 ① 1.2m 이상.