2019.8 기출문제

표피두께(침투깊이)
\[ \delta=\sqrt{\frac{2}{\omega\mu\sigma}}=\frac{1}{\sqrt{\pi f\mu\sigma}} \]주파수·투자율·도전율이 클수록 얇아져 전류가 표면에 집중됩니다.

풀이
침투깊이(표피두께) \(\delta=\sqrt{\dfrac{2}{\omega\mu k}}=\dfrac{1}{\sqrt{\pi f\mu k}}\). f·μ·k가 클수록 얇아집니다.

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
강자성체 3대 특성: 고투자율·자기포화·히스테리시스. 와전류는 전자유도 현상으로 강자성체 고유특성이 아닙니다.

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
\(e=M\dfrac{di}{dt}=0.3\times10^{-3}\times\dfrac{10\times10^3}{0.01}=300\,\text{V}\).

\(B=\phi/S=\dfrac{3\times10^{-4}}{15\times10^{-4}}=0.2\)T. \(F=\dfrac{B^2 S}{2\mu_0}=\dfrac{0.2^2\times15\times10^{-4}}{2\times4\pi\times10^{-7}}\approx23.9\,\text{N}\).

솔레노이드 내부 자계
\[ H=nI\,[\text{AT/m}]\ (n=N/l) \]길이에 비해 충분히 긴 솔레노이드 내부는 균일, 외부는 0에 가깝습니다.

풀이
무한장 솔레노이드 단위길이당 인덕턴스 \(L=\mu S n^2\) (권수의 제곱에 비례).

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
도전율 순: 은 > 구리 > 금 > 알루미늄. 저항률이 가장 작은 것은 은(Ag)입니다.

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
\(B=\mu_0 H=\dfrac{\mu_0 I}{2\pi R}\,[\text{Wb/m}^2]\).

자계 속 전류(전하)가 받는 힘
\[ \vec F=I\vec l\times\vec B=q\vec v\times\vec B,\quad F=BIl\sin\theta \]방향은 플레밍 왼손법칙(전동기).

풀이
로런츠 힘 \(F=qvB=qv(\mu_0 H)=\mu_0 qvH\).

원통좌표 curl의 \(a_\phi\)성분 \(=-\dfrac{\partial A_z}{\partial r}=-5\sin\phi\), \(a_r\)성분 \(=\dfrac1r\dfrac{\partial A_z}{\partial\phi}=5\cos\phi\). \(\phi=90°\)면 \(-5a_\phi\).

자성체·영구자석의 성질
영구자석 재료는 잔류자기 \(B_r\)와 보자력 \(H_c\)가 모두 큰(히스테리시스 면적 넓은) 경자성체. 전자석·철심은 보자력이 작은 연자성체를 씁니다.

풀이
\(R=\rho\dfrac{\ell}{A}\)로 저항은 길이에 비례합니다(반비례 아님). ③이 틀립니다.

\(B=\nabla\times A\), 패러데이 법칙 \(\nabla\times E=-\dfrac{\partial B}{\partial t}\)에서 \(E=-\dfrac{\partial A}{\partial t}\)(전위항 제외).

자화의 세기(자화) \(J\)
\[ J=\mu_0(\mu_r-1)H=\chi H\,[\text{Wb/m}^2] \]
· \(H\): 자계의 세기[AT/m], \(\mu_r\): 비투자율, \(\mu_0=4\pi\times10^{-7}\)
자성체가 외부 자계에 의해 자화된 정도를 나타내며 \(B=\mu_0 H+J\)의 \(J\)항입니다.

계산
\(J=\mu_0(\mu_r-1)H=4\pi\times10^{-7}\times599\times3000\approx2.26\,\text{Wb/m}^2\).

정전 흡인력·에너지
\[ f=\frac{\sigma^2}{2\varepsilon_0}=\frac12\varepsilon_0E^2\,[\text{N/m}^2],\quad W=\tfrac12CV^2=\tfrac12QV \]극판 단위면적당 흡인력은 전계 제곱에 비례합니다.

풀이
유리판 삽입으로 합성 정전용량이 커지고 전계 분포가 바뀌어 흡인력이 약 2.5배로 증가합니다(전압 일정, 직렬 유전체 계산).

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
전자파는 E·H의 진동방향이 진행방향에 수직인 횡파입니다. '수평인 종파'라 한 ③이 틀립니다.

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
거리벡터 \(Q-P=(1,-2,2)\), \(|r|=3\). 인력이라 −100μC은 P 쪽(−방향)으로 당겨져 힘 \(\approx-10i+20j-20k\,[\text{N}]\).

표면전하밀도 \(\sigma=\dfrac{Q}{4\pi a^2}\), 정전응력 \(f=\dfrac{\sigma^2}{2\varepsilon_0}=\dfrac{Q^2}{32\pi^2\varepsilon_0 a^4}\).

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
두 도체를 연결(등전위)하면 합성 정전용량 \(C=C_1+C_2+2M\).

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
가우스 법칙(원통) \(E\cdot2\pi r\ell=\dfrac{\lambda\ell}{\varepsilon}\) → \(E=\dfrac{\lambda}{2\pi\varepsilon r}\).

공기층(d/2) \(C_a=2C_0\), 유전체층(d/2) \(C_d=2\times2C_0=4C_0\). 직렬 \(C=\dfrac{2\cdot4}{2+4}C_0=\dfrac43 C_0=\dfrac43\,\mu F\).

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
변위전류 \(J_d=\dfrac{\partial D}{\partial t}\)는 유전체(콘덴서)에서 전속밀도 변화로 흐릅니다.

1차 지연요소의 벡터궤적 \(G(j\omega)=\dfrac{K}{1+j\omega T}\)

주요 점
• \(\omega=0\): \(G=K\) → 실수축 위 점 \((K,0)\).
• \(\omega\to\infty\): \(G\to0\) → 원점.
• \(\omega=\dfrac{1}{T}\): \(G=\dfrac{K}{1+j}=\dfrac{K}{2}(1-j)\) → 크기 \(\dfrac{K}{\sqrt2}\), 위상 \(-45^\circ\).

왜 반원인가
\(\dfrac{1}{G}=\dfrac{1+j\omega T}{K}\)에서 실수부가 \(\dfrac{1}{K}\)로 일정합니다. 실수부가 일정한 \(1/G\)의 자취는 G평면에서 원이 되며, 이 원은 원점과 \((K,0)\)을 지름으로 합니다 (중심 \((K/2,\,0)\), 반지름 \(K/2\)).
\(\omega\gt0\)이면 \(\operatorname{Im}(G)\lt0\)이므로 아래쪽 반원(제4사분면)만 그립니다.
∴ 궤적은 실수축 아래 제4사분면의 반원.
※ 위상이 \(0^\circ\)(ω=0) → \(-45^\circ\)(ω=1/T) → \(-90^\circ\)(ω→∞)로 변하며 반원을 그립니다.

근궤적(Root Locus)
이득 \(K\)를 0→∞로 변화시킬 때 특성방정식 근이 \(s\)평면에서 그리는 자취입니다. 극점(×)에서 출발해 영점(○) 또는 무한대로 이동하며, 가지 수 = 극점 수, 실축상 규칙·점근선으로 개형을 그립니다. 근이 우반면에 들어가는 \(K\)가 안정한계.

풀이
근궤적이 우반면에 있으면 불안정입니다. 안정 조건이라 한 ④가 틀립니다.

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
정상상태 추종 성능(위치편차) 시험에는 단위계단함수가 널리 쓰입니다.

2차계의 안정 조건
특성방정식 \(s^2+a_1 s+a_0=0\)(2차)이 안정하려면 모든 계수가 양수이면 충분·필요합니다. (2차식은 계수가 모두 양수이면 라우스 표 제1열에 부호변화가 없어 두 근이 모두 좌반면)

주어진 식 \(s^2+K s+(2K-1)=0\) 의 계수 조건:
• \(s^2\) 계수 \(=1 \gt 0\) (항상 만족)
• \(s\) 계수 \(=K\) → \(K \gt 0\)
• 상수항 \(=2K-1\) → \(2K-1 \gt 0\) → \(K \gt \dfrac12\)

두 조건 \(K \gt 0\) 와 \(K \gt \dfrac12\) 를 모두 만족해야 하므로, 더 강한 조건인 \(K \gt \dfrac12\) 가 답입니다.
※ 라우스 표로도 확인 — \(s^2\)행: \(1,\ 2K-1\) / \(s^1\)행: \(K\) / \(s^0\)행: \(2K-1\). 제1열 \((1,\ K,\ 2K-1)\)이 모두 양수여야 하므로 \(K \gt 0\) 그리고 \(2K-1 \gt 0\), 결국 \(K \gt \dfrac12\).

상태공간 → 전달함수

\(sX=AX+BU\Rightarrow X=(sI-A)^{-1}BU\), 출력 \(Y=CX+DU\)에 대입하면
\[ G(s)=C(sI-A)^{-1}B+D \]
핵심은 \((sI-A)^{-1}\)로 역행렬을 취한다는 점(스칼라의 \(\tfrac{1}{s-a}\)에 대응). \(D\)는 입력이 출력으로 직접 전달되는 성분으로, 대부분의 회로에서는 \(D=0\)입니다. 분모 \(|sI-A|\)가 특성방정식이 되어 극점을 정합니다. [[state-to-tf]]와 함께 보세요.

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
제1열 부호변화 횟수 = 우반평면(불안정) 근의 수입니다.

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 폐루프 전달함수 \(\dfrac{C}{R}=\dfrac{G}{1+GH}\).

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 \(T=\dfrac{\sum P_k\Delta_k}{\Delta}\), \(\Delta=1-\sum L\) → 단일루프면 \(\dfrac{P}{1-L}\).

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
\(A+\overline{A}=1\)입니다(0이 아님). ①이 틀립니다.

z 변환(이산시스템)
\[ F(z)=\sum_{n=0}^{\infty}f(nT)z^{-n} \]샘플링된 신호를 다루며 \(z=e^{sT}\). 주요쌍: 단위계단 \(\tfrac{z}{z-1}\), \(e^{-aT}\to\tfrac{z}{z-e^{-aT}}\). 이산제어계의 전달함수·안정도(단위원 기준)에 사용.

풀이
\(\mathcal{Z}[e^{-at}]=\dfrac{z}{z-e^{-aT}}\).

영상 성분
3상 동상인 영상분(\(I_0=\tfrac13(I_a+I_b+I_c)\))에 대한 임피던스. 지락(1선지락) 시 \(3I_0\)가 대지로 흐르며 중성점 접지에 의존합니다.

풀이
\(Z_{01}=\sqrt{\dfrac{AB}{CD}},\ Z_{02}=\sqrt{\dfrac{BD}{AC}}\).

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

풀이
RL 시정수 \(\tau=\dfrac{L}{R}=\dfrac{40\times10^{-3}}{20}=2\times10^{-3}\,\text{s}\).

왜형률(THD)
\[ THD=\frac{\sqrt{\sum_{n\ge2}V_n^2}}{V_1}\times100\,[\%] \]기본파 대비 고조파 성분의 비율. 정현파는 0%, 클수록 파형이 일그러짐. 무왜형파는 고조파가 없는 파형.

풀이
왜형률 \(=\dfrac{\sqrt{20^2+30^2+40^2}}{56}=\dfrac{\sqrt{2900}}{56}\approx0.96\).

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
n상 성형 \(V_l=2V_p\sin\dfrac{\pi}{n}\). n=6이면 \(2V_p\sin30°=V_p\).

대칭분·불평형률
\(V_0,V_1,V_2\)(영상·정상·역상). 불평형률 \(=\dfrac{역상분}{정상분}\times100\%\).

풀이
정상분 \(V_1=\frac13(V_a+aV_b+a^2V_c)\). (영상분은 단순 평균, 역상분은 a↔a² 교환)

선로의 특성(파동)임피던스
\[ Z_0=\sqrt{\frac{Z}{Y}}=\sqrt{\frac{R+j\omega L}{G+j\omega C}}\ \xrightarrow{\text{무손실}}\ \sqrt{\frac{L}{C}} \]
· \(L\): 단위길이 인덕턴스, \(C\): 단위길이 정전용량
선로에 진행파가 느끼는 임피던스로, 길이와 무관하게 \(\sqrt{L/C}\)로 정해집니다.

계산
\(Z_0=\sqrt{\dfrac{L}{C}}=\sqrt{\dfrac{96\times10^{-3}}{0.6\times10^{-6}}}=\sqrt{160000}=400\,\Omega\).

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
커패시터는 전압, 인덕터는 전류가 급변할 수 없습니다(에너지 연속).

\(\tan\theta=\sqrt3\dfrac{W_1-W_2}{W_1+W_2}=\sqrt3\dfrac{200}{800}=0.433\), \(\theta=23.4°\), \(\cos\theta\approx91.8\%\).

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
\(X_L=2\pi fL=2\pi\times60\times0.1=37.7\,\Omega\). \(I=\dfrac{100}{37.7}\approx2.65\,\text{A}\).

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
시간 이동된 임펄스 \(\mathcal{L}[\delta(t-T)]=e^{-Ts}\).

콘덴서 설치 후 수전점 피상전력
콘덴서는 무효전력만 줄이고 유효전력은 그대로 둡니다.
· 유효전력 \(P=500\times0.8=400\)kW
· 개선 전 무효전력 \(Q=500\times0.6=300\)kvar (\(\sin\theta=0.6\))
· 콘덴서 100kVA 설치 후 무효전력 \(Q'=300-100=200\)kvar
· 개선 후 피상전력 \(S'=\sqrt{P^2+Q'^2}=\sqrt{400^2+200^2}\approx450\,\text{kVA}\)

즉 부하(수전점)가 500kVA→450kVA로 줄어 설비 여유가 생기고 선로 손실도 감소합니다.
참고로 개선 후 역률 \(\cos\theta'=\dfrac{P}{S'}=\dfrac{400}{450}\approx0.89\)로 향상됩니다.

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
가공지선은 대지정전용량으로 유도전압을 낮추는 차폐효과가 있습니다. '유도전압을 키운다'는 ④가 틀립니다.

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
DS(단로기)는 소호장치가 없어 부하·고장전류를 차단하지 못합니다(무부하 개폐용).

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
플리커 경감은 공급전압을 높이고 계통을 강화(단락용량↑)합니다. '전압을 낮춘다'는 방안이 아닙니다.

1선 지락·영상전류
지락전류 \(I_g=3I_0\). 대칭분(영상·정상·역상) 회로를 직렬 연결해 해석하며, 접지방식에 크게 의존합니다.

풀이
1선 지락 \(I_g=3I_0=\dfrac{3E}{Z_0+Z_1+Z_2}\).

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
낙차 방법 분류: 댐식·수로식·댐수로식·유역변경식. 양수식은 운용(발전방식) 분류입니다.

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
변성기 정격부담은 2차 회로가 소비하는 피상전력 VA(볼트암페어)로 표시합니다.

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
차폐재는 중성자·감마선의 외부 유출을 차단하고 방열 역할을 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
연가는 선로정수를 평형시켜 유도장해·직렬공진을 방지합니다. 대지정전용량 감소와는 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
계통연계 시 배후전력이 커져 단락전류는 오히려 증가합니다. ④가 틀립니다.

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
지락 과전류 계전기(OCGR)는 전류만으로 동작해 전압요소가 필요 없습니다.

수력 발전
출력 \(P=9.8QH\eta\,[\text{kW}]\), 특유속도 \(N_s=N\dfrac{P^{1/2}}{H^{5/4}}\). 낙차·유량이 출력을 결정.

풀이
흡출관은 반동수차 출구~방수면 사이 낙차를 회수해 유효낙차를 늘립니다.

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

풀이
인터록은 차단기가 열린 상태에서만 단로기 조작이 가능하도록 해 부하전류 개폐 사고를 막습니다.

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
단상 3선식은 2선식보다 전압강하가 작고 배전효율이 높습니다(전선량 절감).

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
전력원선도로 최대전력·손실·역률·조상용량은 알 수 있으나 코로나손은 알 수 없습니다.

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
가공선은 도체 간격이 넓어 인덕턴스가 크고 정전용량은 작습니다(지중선은 반대).

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

코로나 임계전압
\[ E_0=24.3\,m_0m_1\delta d\log\frac{D}{r}\,[\text{kV}] \]이 전압 이상에서 코로나 발생. 표면계수·상대공기밀도·전선 굵기·선간거리가 클수록 임계전압↑(코로나 억제).

풀이
임계전압 \(E_0\propto\delta\)(상대공기밀도). 공기밀도가 낮으면 임계전압이 낮아져 코로나가 잘 생깁니다. ③이 아님.

수용률
\[ 수용률=\frac{최대수용전력}{설비용량}\times100\,[\%]\ (\le100) \]설비를 동시에 얼마나 쓰는지의 비율입니다.

풀이
설비용량 합 \(=500+600+400+100=1600\)W. 수용률 \(=\dfrac{1200}{1600}\times100=75\%\).

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
케이블 손실은 도체 저항손·유전체손·시스손. 철손은 철심이 있는 기기(변압기 등)의 손실입니다.

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
돌발 단락 초기 전류는 누설 리액턴스로 제한됩니다(저항 아님). ②가 틀립니다.

기동·전력변환 소자
유도기 기동: Y-Δ(전류 1/3)·리액터·기동보상기·2차저항. SCR(사이리스터)은 게이트로 점호각 \(\alpha\)를 제어해 정류·위상제어에 사용.

풀이
SCR은 도통 시 양극 전압강하가 작습니다(약 1~2V). ③이 틀립니다.

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
수소냉각은 완전 밀폐형이어야 합니다(수소 누설·폭발 방지). '반폐형'이라 한 ④가 틀립니다.

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
단상 유도전동기는 기동 시 회전자계가 없어 기동토크가 0 → 별도 기동장치(분상·콘덴서·반발 등)가 필요합니다.

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
몰드변압기는 에폭시 몰딩으로 절연·난연성이 우수합니다. 절연레벨이 낮다고 한 ④가 가답안 기준 오답(확정답안은 전항정답 처리).

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
역방향 슬립 \(=\dfrac{N_s-(-N)}{N_s}=\dfrac{N_s+N}{N_s}=2-s\).

전동기 출력 \(=100/0.9=111.1\)kW, 입력 \(=111.1/0.9=123.5\)kW. \(I=\dfrac{123500}{\sqrt3\times3300\times0.9}\approx24\,\text{A}\).

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
유도발전기 주파수는 계통 주파수로 정해지며 회전속도로 바꿀 수 없습니다. ③이 틀립니다.

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
부하분담 \(\propto\dfrac{\text{용량}}{\%Z}\). 분담이 용량에 비례하려면 %Z가 용량에 반비례해야 합니다.

속도특성·제어
유도기 \(N=\dfrac{120f}{P}(1-s)\): 주파수·극수·2차저항 제어. 직류기 \(N=\dfrac{V-I_aR_a}{k\phi}\): 전압·계자·저항 제어.

풀이
부하 증가 시 속도강하 큰 순: 직권 > 가동복권 > 분권 > 차동복권(차동복권은 오히려 상승 경향).

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
컨버터·정류기·인버터는 전력변환기기. 유도전동기는 전기→기계 에너지 변환 기기입니다.

유도전동기 속도제어
\(N=\dfrac{120f}{P}(1-s)\)에서 세 인자를 조절: ① 주파수 제어(VVVF) ② 극수 변환 ③ 2차저항/2차여자(슬립 제어). 직류기는 계자·전압(워드레너드)·저항 제어.

풀이
농형은 2차 회로 접근이 안 되므로 극수 변환법(또는 주파수 제어)을 씁니다. 2차 저항·여자·종속은 권선형용.

유기기전력
동기기 \(E=4.44fN\phi K_w\), 직류기 \(E=\dfrac{pZ}{60a}\phi N=k\phi N\).
· \(f\):주파수, \(N\):권수/회전수, \(\phi\):매극자속, \(K_w\):권선계수, \(a\):병렬회로수(중권 p·파권 2)
기전력은 자속과 속도(주파수)에 비례합니다.

풀이
\(E=V+I_a R_a=100+50\times0.2=110\,\text{V}\).

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
최대전력전달 조건 \(a^2 R_2=R_1\) → \(a=\sqrt{R_1/R_2}=\sqrt{10}\).

변압기 전압변동률
\[ \varepsilon=p\cos\theta+q\sin\theta\,[\%] \]· \(p\): %저항강하, \(q\): %리액턴스강하, \(\theta\): 부하 역률각
최대값은 \(\sqrt{p^2+q^2}\)(=%임피던스강하), 역률 1이면 \(\varepsilon=p\).

풀이
\(\varepsilon=p\cos\theta+q\sin\theta=3\times0.8+4\times0.6=2.4+2.4=4.8\%\).

전력변환기
인버터(DC→AC), 컨버터(AC→DC), 사이클로컨버터(AC→직접 다른 주파수 AC), VVVF로 유도기 속도제어.

풀이
회전자계와 같은 방향으로 회전시키면 상대속도가 줄어 \(f_c\lt f_1\)이 됩니다.

동기기 시험
무부하포화시험(→철손·유기전압)과 3상단락시험(→동기임피던스·단락비). 두 곡선으로 특성을 구합니다.

풀이
단락 시 큰 지상전류의 전기자 반작용(감자작용)으로 자속이 억제돼 포화되지 않아 단락곡선이 직선이 됩니다.

단권변압기 — 자기용량 vs 부하용량 (그림)

단권변압기는 1·2차가 권선을 공유하며, 직렬권선(승압분 \(V_1-V_2\))과 분로(공통)권선으로 나뉩니다.
• 부하용량(선로에 전달되는 전력): \(P_{부하}=V_1 I_1\)
• 자기용량(실제 변성되는 권선 용량, 직렬권선 몫): \(P_{자기}=(V_1-V_2)\,I_1\)
\[ \frac{P_{자기}}{P_{부하}}=\frac{(V_1-V_2)I_1}{V_1 I_1}=\frac{V_1-V_2}{V_1} \]승압분 \((V_1-V_2)\)만큼만 권선이 필요 → 일반 변압기보다 소형·경제적(동량·손실↓).

결선별 비교 (Y결선은 각 상이 위 관계 그대로)

결선	자기용량 / 부하용량
단상 · Y	\(\dfrac{V_1-V_2}{V_1}\) ← 본 문제
Δ	\(\dfrac{V_1^2-V_2^2}{\sqrt3\,V_1 V_2}\)
V	\(\dfrac{2}{\sqrt3}\cdot\dfrac{V_1-V_2}{V_1}\)

※ Y결선은 상전압 기준으로 단상과 동일한 비가 됩니다. 오답 ①③은 \(\sqrt3\) 인자가 붙은 다른 결선(Δ·V)용 형태입니다.
∴ 정답 ② \(\dfrac{V_1-V_2}{V_1}\).

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
변압기 보호: 비율차동·과전류·온도·부흐홀츠 계전기. 임피던스(거리)계전기는 송전선 보호용입니다.

유도전동기 원선도(헤이랜드)
무부하·구속시험 자료로 원을 그려 전류·역률·효율·토크·출력을 도식적으로 구합니다.

풀이
헤일런드 원선도의 원 지름은 \(\dfrac{E}{x}\)(누설 리액턴스에 반비례)입니다.

경간·높이 규정
지지물 종류·전압·장소(시가지·도로·철도)별 최대경간과 지표상 최소높이를 적용합니다(시가지는 강화).

해당 규정
철탑 경간은 600m 이하(A종 150m, B종 250m). 고압·특고압 공통 철탑 표준경간입니다.

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

해당 규정
크기 1m³ 이상인 지중함에는 가스 방산용 통풍장치를 시설합니다.

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

해당 규정
35kV 이하: 울타리 높이와 충전부까지 거리의 합 5m 이상(160kV까지 6m).

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
회전기 절연내력: 교류 최대사용전압의 1.5배(7kV 이하), 직류로 시험 시 그 1.6배. 각 규정 배수·시간을 정확히 암기하세요. (표 문제 유사 대체)

지중전선로 매설깊이 (직접매설식)
· 차량 등 중량물의 압력을 받는 곳: 1.0m 이상
· 기타(압력 없는 곳): 0.6m 이상
관로식·암거식·직접매설식이 있으며, 직접매설식은 견고한 트로프에 넣습니다.

해당 값
중량물 압력 우려 장소는 1.0m(100cm) 이상, 기타 장소는 0.6m 이상 매설합니다.

이격거리 규정
충전부·전선과 다른 시설물이 접촉·근접해 생기는 사고를 막기 위한 최소 간격입니다. 대상물(약전류·건조물·식물·도로 등)과 전압 등급에 따라 값이 정해집니다.

해당 규정
저압 가공전선과 건조물 조영재 옆쪽 이격거리는 1.2m 이상입니다.

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

해당 규정
혼촉 시 대지전압 150V 초과 + 2초 이내 자동차단 → 제2종 접지저항을 150Ω 이하까지 완화합니다.

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

해당 규정
옥내간선 굵기는 부하의 허용전류(및 전압강하·기계적 강도)로 결정합니다.

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

해당 규정
특고압 가공전선로 및 선로길이 5km 이상의 고압 가공전선로에 시설합니다.

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

해당 규정
폭연성 분진·화약류 장소는 금속관 공사 또는 케이블 공사(캡타이어 제외)로 시공합니다.

가공전선·통신선의 지표상 높이 (대표값)

구분	높이
도로 횡단	6m 이상
철도·궤도 횡단	레일면상 6.5m 이상
횡단보도교 위(저·고압)	노면상 3.5m 이상
일반 장소	5m 이상

해당 값
강체방식 직류 전차선 높이는 지표상 5m 이상입니다.(구 규정 기준)

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

해당 규정
다른 옥내전로(정격 15A 이하 등)에 접속하는 길이 15m 이하 분기는 개폐기를 생략할 수 있습니다.

유도장해 방지
전력선이 통신선에 주는 정전·전자유도장해를 이격·연가·차폐선·중성점 저항접지 등으로 억제합니다.

해당 규정
지중전선의 누설전류·유도작용이 약전류전선에 장해를 주므로 충분히 이격합니다.

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

해당 규정
외부 반도전층은 절연층과 밀착되어야 하며 쉽게 분리되면 안 됩니다. ④가 틀립니다.

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

해당 규정
주택·아파트 현관등은 3분 이내 소등 타임스위치를 시설합니다.(숙박업 객실 입구등은 1분)

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

해당 규정
발전기 고정자 온도는 계측하지만 회전자 온도는 계측 의무 대상이 아닙니다.

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

해당 규정
전등 옥내전로의 대지전압은 300V 이하로 제한합니다.

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-고압 병가 시 특고압 전선은 경동연선 50mm²(인장 21.67kN) 이상을 사용합니다.

이격거리 규정
충전부·전선과 다른 시설물이 접촉·근접해 생기는 사고를 막기 위한 최소 간격입니다. 대상물(약전류·건조물·식물·도로 등)과 전압 등급에 따라 값이 정해집니다.

해당 규정
약전류전선과의 이격거리는 원칙적으로 2m 이상으로 합니다.

지지물 기초 안전율
가공전선로 지지물(철탑 제외)의 기초 안전율은 2.0 이상이어야 합니다(상정하중의 2/3를 적용하는 이상 시에는 1.33까지). 지지물이 넘어지지 않도록 하는 기준.

해당 값
지지물 기초 안전율은 최소 2 이상(이상 시 등 특별한 경우 1.33)입니다.