전기산업기사 개념 정리

개요

정전계는 움직이지 않는 전하가 만드는 전기의 세계입니다. 두 전하 사이의 힘은 쿨롱의 법칙에 따라 거리의 제곱에 반비례하고, 한 점의 전계 세기도 거리의 제곱에 반비례합니다. 반면 전위는 거리에 한 번만 반비례한다는 점을 꼭 구분해 두어야 합니다. 계산에서는 1 ÷ (4πε₀) 를 9 × 10⁹ 으로 바꾸어 쓰면 편합니다.

콘덴서는 전하를 모아 두는 장치로, 모이는 전하량은 정전용량과 전압의 곱입니다. 평행판 콘덴서의 정전용량은 극판 넓이에 비례하고 간격에 반비례합니다. 여러 개를 연결할 때는 저항과 반대로 병렬일 때 그대로 더하고, 직렬일 때는 용량이 작은 쪽에 더 큰 전압이 걸립니다.

유전체는 전기가 통하지 않지만 전계 안에서 내부 전하가 한쪽으로 쏠리는 물질입니다. 이 쏠림을 분극이라 하고, 유전체를 채우면 정전용량이 비유전율만큼 커집니다. 전원을 떼어 낸 상태라면 전하가 그대로이므로 전압이 줄고, 전원을 연결한 상태라면 전압이 그대로이므로 전하가 늘어납니다. 두 유전체가 맞닿은 면에서는 전계의 접선 성분과 전속 밀도의 법선 성분이 이어집니다.

개요

전류가 흐르면 그 둘레에 자계가 생깁니다. 무한히 긴 직선 전류는 거리에 반비례하는 자계를 만들고, 원형 코일의 중심에는 권수와 전류에 비례하고 반지름의 2배에 반비례하는 자계가 생깁니다. 정사각형처럼 유한한 직선으로 이루어진 코일은 변마다 자계를 구해 더하는 비오-사바르 법칙으로 풉니다.

앙페르의 주회 법칙은 닫힌 길을 따라 자계를 더하면 그 안을 지나는 전류와 같다는 법칙입니다. 원통 도체 안쪽에서는 길 안에 들어오는 전류만 생각하므로 자계가 중심으로부터의 거리에 비례하고, 바깥에서는 거리에 반비례합니다.

자계 속의 전류는 힘을 받으며, 그 방향은 플레밍의 왼손 법칙으로 정합니다. 나란한 두 도선은 전류 방향이 같으면 서로 끌어당기고, 힘은 두 전류의 곱에 비례하며 거리에 한 번 반비례합니다. 자기 회로는 전기 회로처럼 기자력을 자기 저항으로 나누어 자속을 구하고, 물질은 비투자율에 따라 강자성체, 상자성체, 반자성체로 나눕니다.

개요

코일을 지나는 자속이 바뀌면 코일에 기전력이 생기는데, 이것이 전자 유도입니다. 기전력의 크기는 권수와 자속 변화의 빠르기에 비례하고(패러데이 법칙), 방향은 자속의 변화를 방해하는 쪽입니다(렌츠의 법칙). 자계 속에서 도체가 움직일 때 생기는 기전력은 플레밍의 오른손 법칙으로 구하며, 발전기의 원리가 됩니다.

코일 자신의 전류가 바뀔 때 생기는 기전력을 자기 유도라 하고, 그 정도를 나타내는 값이 자기 인덕턴스입니다. 인덕턴스는 권수의 제곱에 비례하며, 코일에 저장되는 에너지는 인덕턴스와 전류 제곱의 곱의 절반입니다. 두 코일을 직렬로 이을 때 자속이 더해지면 2M 을 더하고, 빼지면 2M 을 뺍니다.

교류가 흐르는 철심과 도체에서는 몇 가지 손실과 현상이 생깁니다. 최대 자속 밀도가 일정하면 와전류손은 주파수의 제곱에 비례하며, 철심을 얇은 판으로 겹쳐 줄입니다. 주파수가 높을수록 전류가 도체 표면으로 몰리는 표피 효과도 커집니다.

개요

송전 선로는 발전소에서 만든 전기를 멀리 있는 변전소까지 보내는 길입니다. 선로에는 저항, 인덕턴스, 정전용량 같은 전기적 성질이 있는데 이를 선로 정수라고 부릅니다. 전선 사이 거리를 넓히면 인덕턴스는 커지고 정전용량은 작아지는 것처럼, 두 값은 늘 반대로 움직입니다.

선로에 전류가 흐르면 저항과 리액턴스 때문에 전압이 떨어지고 열로 전력을 잃습니다. 3상에서는 전압 강하를 √3 I(Rcosθ + Xsinθ)로, 전력 손실을 3I²R 로 계산합니다. 같은 전력을 보낼 때 전압을 높이면 전류가 줄어 손실이 크게 줄어들기 때문에 송전은 높은 전압으로 합니다.

선로의 길이에 따라 계산 방법이 달라져, 짧은 선로는 저항과 인덕턴스만, 중거리 선로는 T형·π형 회로, 긴 선로는 분포 정수 회로로 봅니다. 긴 선로에서는 정전용량 때문에 충전 전류가 흐르고, 비가 오거나 기압이 낮은 날에는 코로나가 생기기 쉽습니다. 직류 송전은 리액턴스가 작용하지 않아 먼 거리 송전에 유리하지만 변압과 차단이 어렵습니다.

개요

전력 계통에서 단락이나 지락 같은 고장이 나면 큰 전류가 흘러 설비가 망가질 수 있습니다. 고장 전류를 쉽게 계산하려고 %임피던스를 쓰는데, 정격 전류가 흐를 때 임피던스에서 떨어지는 전압이 정격 전압의 몇 %인지를 나타낸 값입니다. 단락 전류와 단락 용량은 정격 값에 100 ÷ %Z 를 곱해 구합니다.

여러 기기의 %임피던스를 더할 때는 먼저 같은 기준 용량으로 바꾸어야 합니다. %임피던스는 기준 용량에 비례하므로, 기준 용량이 기기 용량의 절반이면 %임피던스도 절반이 됩니다.

중성점 접지 방식에 따라 지락 고장의 모습이 달라집니다. 직접 접지는 건전상 전압 상승이 가장 작고, 소호 리액터 접지는 리액터와 대지 정전용량을 공진시켜 지락 전류를 거의 없앱니다. 고장을 찾아 끊는 일은 보호 계전기와 차단기가, 번개 같은 이상 전압은 피뢰기가 맡습니다.

개요

배전은 변전소에서 가정과 공장까지 전기를 나누어 보내는 단계입니다. 단상 2선식, 단상 3선식, 3상 3선식 같은 방식이 있으며, 같은 전압과 전류라면 전선 1가닥당 보낼 수 있는 전력은 방식마다 다릅니다. 단상 3선식은 중성선이 끊어지면 양쪽 전압이 불평형이 되므로 중성선에 퓨즈를 넣지 않습니다.

배전 선로를 나뭇가지처럼 뻗는 수지상식은 싸지만, 고리 모양으로 잇는 루프식은 고장 때 반대쪽으로 공급할 수 있어 신뢰도가 높습니다. 수용가의 전기 사용 특성은 수용률, 부하율, 부등률로 나타내는데, 부등률은 각 최대 수요의 합을 합성 최대 수요로 나눈 값이라 항상 1 이상입니다.

공장처럼 전동기가 많은 곳은 역률이 낮아 무효 전류가 많이 흐릅니다. 전력용 콘덴서를 달아 역률을 높이면 선로 전류가 줄어 손실과 전압 강하가 줄어듭니다. 필요한 콘덴서 용량은 유효 전력에 개선 전후 tanθ 의 차이를 곱해 구합니다.

개요

화력 발전은 연료를 태워 만든 증기로 터빈을 돌립니다. 물은 급수 펌프, 보일러, 과열기, 터빈, 복수기를 차례로 돌며 랭킨 사이클을 이룹니다. 효율을 높이기 위해 터빈에서 일한 증기를 다시 데우는 재열 사이클과, 터빈 중간에서 증기를 빼내 급수를 데우는 재생 사이클을 씁니다.

원자력 발전은 우라늄의 핵분열 열로 증기를 만듭니다. 감속재는 중성자의 속도를 늦추고, 제어재는 중성자를 흡수하여 반응의 세기를 조절합니다. 제어봉 재료로는 붕소, 카드뮴, 하프늄이 쓰입니다.

수력 발전은 물이 떨어지는 힘으로 수차를 돌립니다. 발전 출력은 9.8 × 유량 × 낙차 × 효율로 구합니다. 양수 발전소에서 물을 끌어올릴 때는 반대로 9.8 × 유량 × 양정을 효율로 나누어 필요한 입력을 구합니다.

개요

직류 발전기의 유기 기전력은 극수, 도체 수, 자속, 회전 속도에 비례하고 병렬 회로 수에 반비례합니다. 중권은 병렬 회로 수가 극수와 같고, 파권은 항상 2 입니다. 같은 기계라도 권선 방식에 따라 기전력이 달라지므로 병렬 회로 수를 먼저 확인해야 합니다.

분권 발전기는 전기자 전류가 부하 전류와 계자 전류로 나뉩니다. 그래서 유기 기전력은 단자 전압에 전기자 전류 × 전기자 저항을 더해 구합니다. 무부하 전압과 정격 전압의 차이를 정격 전압으로 나눈 것이 전압 변동률입니다.

브러시 아래에서 전류 방향이 바뀌는 정류가 나쁘면 불꽃이 생기는데, 보극이 이를 막아 줍니다. 직류 전동기의 속도는 전압 제어, 계자 제어, 저항 제어로 바꿀 수 있으며, 워드 레오나드 방식과 일그너 방식은 넓은 범위를 부드럽게 조절하는 전압 제어입니다.

개요

동기기는 회전 속도가 전원 주파수와 극수로 정해지는 기계입니다. 동기 속도는 120f ÷ p 이므로, 속도와 주파수를 알면 극수도 구할 수 있습니다. 극수가 많을수록 천천히 돌아 수력 발전기처럼 느린 원동기에 맞습니다.

동기 발전기의 출력은 유기 기전력과 단자 전압의 곱을 동기 리액턴스로 나누고 부하각의 sin 을 곱해 구합니다. 3상이면 1상 출력에 3을 곱합니다. 단락비는 %동기 임피던스의 역수(100 ÷ %Zs)로, 클수록 전압 변동이 작고 안정도가 좋은 대신 기계가 무겁습니다.

무부하로 돌리는 동기 전동기를 동기 조상기라 하며, 여자를 조절해 무효 전력을 주고받습니다. 과여자이면 콘덴서처럼, 부족 여자이면 리액터처럼 작용합니다. 부하가 갑자기 변해 속도가 흔들리는 난조는 회전자 자극 면의 제동 권선으로 막습니다.

개요

변압기는 철심에 감은 두 권선으로 교류 전압을 바꾸는 기계입니다. 손실은 부하와 상관없는 철손과 부하 전류의 제곱에 비례하는 동손으로 나뉩니다. 두 손실이 같아지는 부하에서 효율이 가장 높으며, 그 부하율은 철손을 전부하 동손으로 나눈 값의 제곱근입니다.

변압기의 특성은 시험으로 구합니다. 무부하 시험으로 철손과 여자 전류를, 단락 시험으로 동손과 임피던스 전압(%임피던스)을 구합니다. 변압기 기름은 절연과 냉각을 함께 맡으므로 절연 내력이 크고 점도가 낮으며 인화점은 높고 응고점은 낮아야 합니다.

3상 결선에서 Δ-Y 나 Y-Δ 는 1차와 2차 사이에 30° 위상차가 생깁니다. 변압기를 병렬 운전하면 부하는 용량을 %임피던스로 나눈 값에 비례해 나뉘므로, %임피던스가 작은 변압기가 더 많이 맡습니다. 단권 변압기는 권선을 함께 써서 효율이 높지만 1차와 2차가 절연되지 않습니다.

개요

3상 유도 전동기는 고정자의 회전 자계를 회전자가 조금 늦게 따라 도는 기계입니다. 그 늦은 정도를 슬립이라 하며, 회전 속도는 동기 속도에 (1 - 슬립)을 곱해 구합니다. 회전자 전류의 주파수는 전원 주파수에 슬립을 곱한 값이라 운전 중에는 매우 낮습니다.

1차 입력에서 1차 손실을 빼면 2차 입력이 되고, 2차 입력은 2차 동손과 기계적 출력으로 1 : s : (1 - s) 비율로 나뉩니다. 그래서 2차 입력에 (1 - s)를 곱하면 기계적 출력이 됩니다.

권선형 유도 전동기는 2차 회로에 저항을 넣어 기동 전류를 줄이고 기동 토크를 키웁니다. 2차 저항을 슬립으로 나눈 값이 같으면 같은 토크가 나오는 성질을 비례 추이라 합니다. 회전 방향은 전원 3선 중 2선을 바꾸면 반대가 됩니다.

개요

전력 변환 장치는 무엇을 무엇으로 바꾸는지로 구분합니다. 정류기는 교류를 직류로, 인버터는 직류를 교류로, 초퍼는 직류 전압을 다른 직류 전압으로, 사이클로컨버터는 교류를 주파수가 다른 교류로 바로 바꿉니다.

다이오드 정류에서 직류 평균 전압은 단상 반파가 교류 실효값의 0.45배, 단상 전파가 0.9배입니다. 사이리스터(SCR)를 쓰면 켜는 시점인 점호각으로 출력 전압을 조절할 수 있으며, 저항 부하 단상 반파에서는 0.45E 에 (1 + cosα) ÷ 2 를 곱합니다.

개요

직류 회로에서는 저항의 직렬·병렬 연결을 정리하는 것이 기본입니다. 병렬 부분을 먼저 하나로 합친 뒤 직렬로 더하면 전체 저항과 전류를 쉽게 구할 수 있습니다. 두 저항의 병렬 합성은 곱을 합으로 나누어 구합니다.

정현파 교류는 실효값으로 나타내며, 실효값은 최대값을 √2 로 나눈 값입니다. 코일의 리액턴스는 주파수에 비례하고 콘덴서의 리액턴스는 주파수에 반비례합니다. 저항, 코일, 콘덴서가 함께 있으면 두 리액턴스를 서로 빼서 임피던스를 구합니다.

교류 전력은 실제로 쓰이는 유효 전력, 오가기만 하는 무효 전력, 둘을 합친 피상 전력으로 나뉩니다. 역률은 유효 전력을 피상 전력으로 나눈 값이며, 전력은 저항에서만 소비됩니다. 직렬 공진에서는 두 리액턴스가 같아져 임피던스가 가장 작고 전류가 가장 크며, 공진의 날카로움은 선택도 Q 로 나타냅니다.

개요

3상 교류는 크기가 같고 위상이 120° 씩 다른 세 전압으로 이루어집니다. Y 결선은 선전류와 상전류가 같고 선간 전압이 상전압의 √3 배이며, Δ 결선은 반대로 전압이 같고 선전류가 상전류의 √3 배입니다. 문제에서 결선 방식을 먼저 확인하고 상전압과 상전류를 구하는 습관이 중요합니다.

3상 전력은 선간 전압과 선전류로 구할 때 √3 을 곱하고, 한 상의 전력으로 구할 때는 3을 곱합니다. 2전력계법은 전력계 두 대로 3상 전력을 재는 방법으로, 두 지시값의 합이 전체 전력이고 한쪽이 0 이면 역률은 0.5 입니다.

회로망 정리는 복잡한 회로를 단순하게 바꾸는 도구입니다. 테브난의 정리는 회로를 전압원과 직렬 임피던스로, 노튼의 정리는 전류원과 병렬 임피던스로 바꿉니다. 중첩의 정리와 테브난 임피던스를 구할 때 쉬게 할 전압원은 단락, 전류원은 개방합니다.

개요

스위치를 넣거나 끊은 직후 회로가 새로운 상태로 옮겨 가는 동안의 변화를 과도 현상이라고 합니다. 변화의 빠르기는 시정수로 나타내며, R-C 회로는 R × C, R-L 회로는 L ÷ R 입니다. 콘덴서 충전에서 시정수만큼 시간이 지나면 콘덴서 전압은 전원 전압의 약 63.2% 에 이릅니다.

찌그러진 주기 파형은 푸리에 급수로 직류분, 기본파, 고조파의 합으로 나눌 수 있습니다. 실효값은 각 성분 실효값의 제곱합의 제곱근이고, 전력은 같은 주파수 성분끼리만 구해 더합니다. 파형이 얼마나 찌그러졌는지는 고조파 실효값을 기본파 실효값으로 나눈 왜형률로 나타냅니다.

라플라스 변환은 시간 함수를 s 함수로 바꾸어 과도 현상을 쉽게 풀게 해 줍니다. 4단자망은 입력과 출력 단자의 전압·전류 관계를 A, B, C, D 네 정수로 나타내며, 직렬 임피던스 하나만 있으면 B 가 그 임피던스입니다. 송전선처럼 긴 선로는 분포 정수 회로로 다루고, 손실이 없으면 특성 임피던스는 √(L ÷ C) 입니다.

개요

전기설비기술기준 과목은 먼저 전압을 어떻게 나누는지에서 시작합니다. 한국전기설비규정(KEC)은 전압을 저압·고압·특고압으로 나누고, 교류와 직류의 경계값이 서로 다르다는 점을 꼭 구분해야 합니다. 직류 전로의 구분을 묻는 문제가 나오면 교류 기준을 그대로 쓰지 않도록 주의합니다.

접지 시스템은 전원 쪽과 설비 쪽을 각각 어떻게 대지와 연결하는지에 따라 TN·TT·IT 계통으로 나뉩니다. 이름의 첫째 글자는 전원 쪽, 둘째 글자는 노출 도전부(평소 전기가 흐르지 않는 기기 외함) 쪽을 뜻하고, TN 계통은 중성선과 보호 도체를 함께 쓰는지에 따라 다시 나뉩니다. 글자의 뜻만 이해하면 외우지 않아도 설명을 골라낼 수 있습니다.

접지 도체와 보호 도체는 굵기와 시설 방법이 자주 출제됩니다. 보호 도체는 선도체 굵기에 따라 단계적으로 정해지고, 접지 도체는 피뢰 시스템이 연결되는지에 따라 최소 굵기가 달라집니다. 고압·특고압 설비와 변압기 중성점 접지의 접지 도체는 사람이 닿을 수 있는 곳에 고정 설비로 시설될 때 몰드 등으로 덮고, 금속체를 따라 내릴 때는 접지극 위치에 별도 조건이 붙습니다.

고압과 저압을 결합하는 변압기의 중성점 접지 저항은 1선 지락 전류와 자동 차단 시간으로 계산합니다. 혼촉 시 저압 쪽 대지 전압이 150V 를 넘는 경우에는 차단이 빠를수록 분자 값이 커져 더 큰 저항값이 허용됩니다. 이 밖에 절연 저항을 재기 어려울 때의 누설 전류 기준, 전선 접속 시 세기 유지 기준도 함께 정리해 둡니다.

개요

저압 배선은 공사 방법마다 관 두께와 지지점 간격이 정해져 있습니다. 합성수지관, 금속관, 케이블 공사의 숫자가 서로 비슷해 헷갈리기 쉬우므로, 재료가 무르거나 휘기 쉬울수록 지지점을 촘촘히 둔다는 원리로 묶어 기억하면 좋습니다. 콘크리트에 묻는 금속관은 무게를 견디도록 더 두껍게 합니다.

과전류 보호는 설계 전류, 보호 장치 정격 전류, 케이블 허용 전류의 크기 순서를 이해하는 것이 핵심입니다. 보호 장치는 평소 전류에는 동작하지 않고 케이블이 견딜 수 있는 한계를 넘기 전에 동작해야 합니다. 배선 차단기는 주택용과 산업용의 동작 배수가 다르다는 점도 자주 묻습니다.

주택은 일반인이 전기를 쓰는 곳이라 옥내 전로의 대지 전압을 제한합니다. 전기 울타리처럼 사람이 직접 닿을 수 있는 특수 시설은 사용 전압을 더 낮게 묶어 둡니다. 특고압을 받아 저압이나 고압으로 내리는 배전용 변압기는 1차 전압과 2차 전압 범위가 정해져 있습니다.

개요

가공 전선로는 전선을 공중에 띄워 보내는 시설이라 높이, 굵기, 처짐, 지지물의 튼튼함이 모두 기준으로 정해져 있습니다. 높이는 장소마다 다르므로 도로 횡단, 철도 횡단, 횡단보도교, 그 밖의 일반 장소를 나눠서 기억합니다. 특고압은 전압이 높아질수록 높이가 계단식으로 올라가며, 끝수를 올려 세는 계산이 자주 나옵니다.

지지물은 기초가 넘어지지 않도록 안전율을 두고, 땅에 묻히는 깊이(근입)를 전장에 따라 정합니다. 전장 15m 이하는 비율로, 그보다 길면 정해진 값으로 계산하므로 어느 구간에 해당하는지부터 확인해야 합니다. 고압 가공 전선은 처짐을 정할 때 재질에 따른 안전율을 적용합니다.

지중 전선로는 땅에 바로 묻는 경우 위에서 누르는 무게가 있는지에 따라 깊이가 달라집니다. 가공 전선이 건물 지붕 위로 지날 때는 사람이 올라갈 수 있으므로 옆쪽보다 위쪽에 더 큰 이격 거리를 둡니다. 케이블처럼 절연이 튼튼한 전선은 이격 거리를 줄일 수 있다는 점도 함께 정리합니다.