BE 간선계산*

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L 배전설비

간선계산

간선계산
케이블 단락시 기계적 강도

단락전자력
선로정수
표피효과와 근접효과

배전전압을 결정하는요소
전압변동 (계산방법)
전압강하
절연전선의 허용전류

간선계산

☑️

간선계산

간선계산
케이블 단락시 기계적 강도

단락전자력
선로정수
표피효과와 근접효과

배전전압을 결정하는요소
전압변동 (계산방법)
전압강하
절연전선의 허용전류

💯기출문제

●A01대용량 동력설비의 간선규격 선정방법을 설명하시오

모범답안(동력설비의 간선규격 선정)

대용량 동력설비의 간선규격 선정 방법 설명

대용량 동력설비의 간선규격 선정은 설비의 안정적인 운영과 효율적인 전력 공급을 위해 매우 중요한 과정입니다. 간선의 규격을 잘못 선정하면 전압 강하, 과열, 단락 등 다양한 문제가 발생할 수 있습니다. 따라서 간선규격 선정 시에는 다음과 같은 요소들을 종합적으로 고려해야 합니다.

1. 부하 조건

  • 부하 용량: 연결될 부하의 총 용량을 정확히 산정해야 합니다.
  • 부하 특성: 부하의 종류(모터, 히터 등), 운전 방식, 부하 변동률 등을 고려해야 합니다.
  • 수용률: 설비가 최대 부하를 얼마나 사용하는지를 나타내는 수치로, 간선 용량을 결정하는 데 중요한 요소입니다.

2. 전압 강하

  • 허용 전압 강하율: 전압 강하가 너무 크면 부하에 공급되는 전압이 낮아져 설비의 성능이 저하될 수 있습니다.
  • 전선 길이: 전선이 길수록 전압 강하가 커지므로 전선 길이를 최소화해야 합니다.
  • 전선 재질: 알루미늄보다 구리가 전압 강하가 적지만, 가격이 비싸므로 경제성을 고려하여 적절한 재질을 선택해야 합니다.

3. 온도

  • 주위 온도: 주위 온도가 높을수록 전선의 허용 전류가 감소하므로 주위 온도를 고려해야 합니다.
  • 전선의 발열: 전류가 흐르면 전선이 발열하므로 전선의 허용 온도를 초과하지 않도록 해야 합니다.

4. 기계적 강도

  • 외부 충격: 외부 충격에 의한 손상을 방지하기 위해 충분한 기계적 강도를 가진 전선을 선택해야 합니다.
  • 설치 환경: 설치 환경에 따라 내열성, 내약품성 등이 요구될 수 있습니다.

5. 경제성

  • 초기 투자비: 전선 규격이 커질수록 초기 투자비가 증가하므로 경제성을 고려해야 합니다.
  • 운전 비용: 전력 손실은 운전 비용 증가로 이어지므로 전력 손실을 최소화해야 합니다.

간선규격 선정 절차

  1. 부하 조건 산정: 연결될 부하의 종류, 용량, 운전 시간 등을 파악하여 총 부하를 산정합니다.
  2. 전압 강하 계산: 허용 전압 강하율을 기준으로 전선의 단면적을 계산합니다.
  3. 온도 보정: 주위 온도에 따른 전선의 허용 전류를 보정합니다.
  4. 기계적 강도 검토: 설치 환경에 적합한 전선을 선정합니다.
  5. 경제성 분석: 초기 투자비와 운전 비용을 비교하여 최적의 전선 규격을 선정합니다.

간선규격 선정 시 고려해야 할 기준

  • 한국전기설비규정(KEC): 전기설비 설계 및 시공에 관한 법규로, 간선 규격 선정 시 반드시 준수해야 합니다.
  • 제조사의 카탈로그: 전선 제조사의 카탈로그를 참고하여 전선의 허용 전류, 온도 특성 등을 확인할 수 있습니다.

주의사항

  • 간선 규격을 너무 작게 선정하면: 전압 강하가 커지고, 과열될 위험이 있으며, 단락 사고 발생 시 큰 피해를 입을 수 있습니다.
  • 간선 규격을 너무 크게 선정하면: 초기 투자비가 증가하고, 공간 활용도가 낮아질 수 있습니다.

결론 대용량 동력설비의 간선규격 선정은 다양한 요소를 종합적으로 고려하여 신중하게 결정해야 합니다. 전문가의 도움을 받아 설비에 적합한 간선 규격을 선정하는 것이 좋습니다.

더 궁금한 점이 있으시면 언제든지 질문해주세요.

참고 자료:

  • 한국전기설비규정(KEC)
  • 전선 제조사 카탈로그
  • 전기설계 관련 서적

키워드: 대용량 동력설비, 간선규격, 전압 강하, 부하 조건, 온도, 기계적 강도, 경제성, KEC

이 설명이 도움이 되셨나요? 더 자세한 설명이나 다른 질문이 있으시면 언제든지 말씀해주세요.

혹시 다음과 같은 정보를 추가로 알고 싶으신가요?

  • 특정 부하에 대한 간선 규격 계산 예시
  • 전압 강하 계산 공식
  • 다양한 전선 종류의 특징 비교
  • 간선 설계 시 주의해야 할 사항

원하시는 정보를 알려주시면 더욱 자세하게 설명해 드리겠습니다.

●H02전압강하에 의한 케이블의 규격을 선정하는 방법에 대하여 설명하시오

모범답안(전압강하에 의한 케이블 규격)

전압강하란 전류가 도체를 흐를 때 도체의 저항으로 인해 전압이 감소하는 현상을 말합니다. 전력 시스템에서 전압강하는 부하에 공급되는 전압이 낮아져 설비의 성능 저하, 오동작 등을 유발할 수 있으므로 적절한 케이블 규격을 선정하는 것이 중요합니다.

전압강하 계산

전압강하(ΔV)는 다음과 같은 공식으로 계산됩니다.

\[ΔV = I × R\]
  • ΔV: 전압강하 (V)
  • I: 부하 전류 (A)
  • R: 도체 저항 (Ω)

도체 저항은 다음과 같은 공식으로 계산됩니다.

\[R = ρ × (L / A)\]
  • ρ: 도체의 비저항 (Ω·m)
  • L: 도체의 길이 (m)
  • A: 도체의 단면적 (m²)

케이블 규격 선정 절차

  1. 부하 전류 산정: 부하의 종류와 용량에 따라 필요한 전류를 계산합니다.
  2. 허용 전압강하율 설정: 설비의 종류와 중요도에 따라 허용되는 전압강하율을 정합니다. 일반적으로 2~5% 정도로 설정합니다.
  3. 도체 길이 산정: 전력원에서 부하까지의 거리를 측정합니다.
  4. 도체의 비저항 확인: 사용할 도체의 종류(구리, 알루미늄 등)에 따른 비저항 값을 확인합니다.
  5. 전압강하 계산: 위의 공식들을 이용하여 전압강하를 계산합니다.
  6. 케이블 단면적 선정: 계산된 전압강하가 허용 전압강하율 이하가 되도록 충분한 단면적의 케이블을 선정합니다.

케이블 규격 선정 시 고려 사항

  • 허용 전류: 선정된 케이블의 허용 전류가 부하 전류보다 커야 합니다.
  • 온도: 주변 온도에 따라 도체의 저항이 변하므로 온도 보정이 필요할 수 있습니다.
  • 기계적 강도: 케이블이 설치 환경에서 충분한 기계적 강도를 가져야 합니다.
  • 경제성: 케이블의 가격과 설치 비용을 고려하여 경제적인 측면도 고려해야 합니다.

○H03전압강하 계산에 있어서 정식계산식과 약식계산식을 들고 설명하시오

모범답안(전압강하 계산)

정식 계산식

전압강하(ΔV)는 도체의 저항(R), 흐르는 전류(I)의 곱으로 나타낼 수 있습니다. 이는 옴의 법칙의 직접적인 응용입니다.

정식 계산식:

\[\Delta e=E_s-E_r=K_D(R\cos\theta+X\sin\theta)\cdot I\cdot L[V]\]

여기서,

  • Δe: 전압강하 (V, 볼트)
  • I: 부하 전류 (A, 암페어)
  • R: 도체 저항 (Ω, 옴)

도체의 저항은 다시 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

R = ρ × (L / A)
  • ρ: 도체의 비저항 (Ω·m, 옴 미터)
  • L: 도체의 길이 (m, 미터)
  • A: 도체의 단면적 (m², 제곱미터)

정식 계산식을 활용한 전체 식:

ΔV = I × ρ × (L / A)

이 식은 매우 정확한 값을 제공하지만, 계산 과정이 복잡하고 다양한 변수를 고려해야 하므로 실제 현장에서는 약식 계산식을 더 많이 사용합니다.

약식 계산식

약식 계산식은 정식 계산식을 간략화하여 실무에서 빠르게 계산할 수 있도록 만든 식입니다. 일반적으로 도체의 비저항(ρ)과 단위 길이당 저항(Ω/m)을 일정한 값으로 가정하여 계산합니다.

단상 3선식 회로의 경우, 많이 사용되는 약식 계산식:

\[e(e’)=\frac{KLI}{1,000A}\]
  • L: 도체의 편도 길이 (m)
  • I: 부하 전류 (A)
  • A: 도체의 단면적 (mm²)

구리와 알루미늄의 k값

  • 구리: 일반적으로 구리의 k값은 17.8으로 많이 사용됩니다.
  • 알루미늄: 알루미늄의 k값은 구리에 비해 저항이 크므로 더 큰 값을 가지며, 일반적으로 30.8으로 사용됩니다.

정식 계산식과 약식 계산식의 비교

항목정식 계산식약식 계산식
정확도매우 정확약간의 오차 가능
계산 복잡도복잡간단
사용 용도정밀한 계산 필요 시현장에서 빠른 계산 시

○A04건물의 전력계통에서 간선에 대하여 설명하고 간선의 굵기를 결정짓는 요소에 대하여 설명하시오

모범답안(간선)

간선이란?

  • 정의:
    • 전력계통 중 인입점, 발전기 등의 전원에서 배전반, 변압기에 이르는 배전선로
    • 배전반에서 각각의 전등분전반, 동력제어반에 이르는 배전선로를 포함
  • 역할:
    • 전력 공급: 전력을 안정적으로 각 부하(조명, 콘센트, 전동기 등)에 공급
    • 전력 분배: 각 부하에 필요한 전력량을 적절하게 분배
  • 종류:
    • 조명용 간선: 조명기구, 콘센트 등에 전력을 공급합니다.
    • 동력용 간선: 전동기 등 큰 전력을 소비하는 기기에 전력을 공급합니다.
    • 특수용 간선: 컴퓨터, 의료기기 등 특수한 기기에 전력을 공급합니다.

간선 굵기 결정 요소

  • 부하 용량: 연결된 기기의 소비 전력이 클수록 더 많은 전류가 흐르므로 간선의 굵기가 두꺼워져야 합니다.
  • 전압: 전압이 낮을수록 같은 전력을 공급하기 위해 더 많은 전류가 필요하므로 간선의 굵기가 두꺼워져야 합니다.
  • 선로 길이: 선로가 길어질수록 전압 강하가 발생하므로 이를 보상하기 위해 간선의 굵기를 두껍게 해야 합니다.
  • 주위 온도: 주위 온도가 높아지면 도체의 저항이 증가하므로 전압 강하를 줄이기 위해 간선의 굵기를 두껍게 해야 합니다.
  • 허용 전압 강하율: 전압 강하율이 허용 기준을 초과하지 않도록 간선의 굵기를 결정해야 합니다.

간선 굵기 결정 방법

  1. 부하 용량 산정: 연결될 모든 부하의 용량을 합산하여 총 부하 용량을 산정합니다.
  2. 전류 계산: 전압과 부하 용량을 이용하여 흐르는 전류를 계산합니다.
  3. 전압 강하 계산: 선로 길이와 저항을 이용하여 전압 강하를 계산합니다.
  4. 표준 전선표 참조: 계산된 전류와 허용 전압 강하율을 기준으로 표준 전선표에서 적절한 굵기의 전선을 선정합니다.

간선 굵기 결정의 중요성

  • 전압 강하: 전압 강하가 크면 기기의 성능 저하, 수명 단축 등의 문제가 발생할 수 있습니다.
  • 발열: 간선의 굵기가 얇으면 발열이 심해져 화재의 위험이 증가할 수 있습니다.
  • 전력 손실: 전력 손실이 커져 에너지 효율이 저하될 수 있습니다.

○E05 교류도체 실효저항에 대하여 설명하시오

모범답안(교류도체 실효저항)

교류도체 실효저항이란?

직류에서 도체의 저항은 도체의 재질, 길이, 단면적에 의해 일정하게 결정됩니다. 하지만 교류에서는 여기에 추가적인 요소들이 작용하여 저항이 달라지는데, 이를 실효저항이라고 합니다.

실효저항은 교류가 흐를 때 도체 내부에서 발생하는 표피효과와 근접효과에 의해 직류 저항보다 커지는 값을 의미합니다.

표피효과와 근접효과

  • 표피효과 (Skin Effect): 교류가 도체를 통과할 때, 도체의 표면 부근에 전류가 집중되는 현상입니다. 주파수가 높아질수록 표피효과는 더욱 심해져 도체 내부의 전류 밀도가 감소하고, 결과적으로 도체의 실효저항이 증가하게 됩니다.
  • 근접효과 (Proximity Effect): 여러 개의 도체가 서로 가까이 위치할 때, 각 도체에 흐르는 교류가 서로에게 영향을 미쳐 전류 분포가 불균일해지는 현상입니다. 이 역시 실효저항을 증가시키는 요인입니다.

실효저항이 커지는 이유

  • 자기장 유도: 교류는 시간에 따라 방향과 세기가 변하는 자기장을 유도합니다. 이 자기장은 도체 내부에 맴돌이 전류를 발생시키고, 이 맴돌이 전류는 원래의 전류 흐름을 방해하여 추가적인 저항을 발생시킵니다.
  • 에너지 손실: 표피효과와 근접효과로 인해 도체 내부에서 열이 발생하고, 이는 에너지 손실로 이어집니다. 이러한 에너지 손실은 마치 추가적인 저항이 있는 것과 같은 효과를 나타냅니다.

실효저항의 중요성

  • 전력 손실: 실효저항이 커지면 전력 손실이 증가하여 시스템 효율이 저하됩니다.
  • 발열: 실효저항으로 인한 열 발생은 도체의 수명을 단축시키고, 주변 기기의 온도를 상승시켜 오동작을 유발할 수 있습니다.
  • 전자기 간섭: 실효저항 증가는 전자기 간섭을 유발하여 다른 시스템에 영향을 미칠 수 있습니다.

실효저항을 줄이는 방법

  • 도체 단면적 증가: 도체의 단면적을 넓히면 표피효과의 영향을 줄일 수 있습니다.
  • 도체 분할: 하나의 굵은 도체 대신 여러 개의 가는 도체를 병렬로 연결하면 표피효과를 줄일 수 있습니다.
  • 저주파 사용: 주파수를 낮추면 표피효과가 감소합니다.
  • 도체 간 간격 유지: 근접효과를 줄이기 위해 도체 간 간격을 충분히 유지해야 합니다.
  • 자성체 사용 자제: 자성체는 자기장을 증폭시켜 표피효과를 악화시키므로 사용을 자제해야 합니다.

○H06전압변동률과 전압강하율에 대하여 설명하시오

모범답안(전압변동률과 전압강하율)

6️⃣전압강하율

1) 전압강하는 선로의 임피던스를 통해서 부하전류가 흐를때
전로의 임피던스에 의해 전압강하가 발생된다.
그결과로 나타나는 송전단 전압과 수전단 전압의 차를 말한다
2) 그러므로 전압강하는 선로의 임피던스의 크기, 부하전류의 크기, 부하의 역률에 영향을 받는다
3) 전압강하율은 선로의 전압강하를 수전단 전압으로 나누어
백분율로 나타낸 것
4) 전압강하율(e)의 수식적 표현과 그의 변형식

\[e=\frac {E _{s} -E _{r}} {E _{r}} \times 100\]\[=\frac{I(R\cos \theta +X\sin \theta )} {E _{r}} \times 100\]\[=\% R\cos\theta +\% X\sin \theta \]

\[e= \frac{E _{s} -E _{r}} {E _{r}} \times 100\]\[=\frac{I(R\cos \theta +X\sin \theta )} {E _{r}} \times 100\]\[=\frac{PR+QX} {E _{r}^{2}} \times 100\]

7️⃣전압변동률

1) 무부하시 전압에서 전부하가 인가되었을 때,
전압 변동의 범위를 나타낸다.

2) 전압 변동률의 수식표현

\[e = \frac{ V_{no} -V_n} {V_n } \times100\]

Vn₀ : 무부하시의전압, Vn : 전부하시의 전압(정격전압)

○H07케이블 포설조건이 전압강하에 미치는 영향

모범답안(전압강하)

전압강하에 영향을 미치는 주요 케이블 포설 조건

  • 케이블 길이: 케이블이 길어질수록 저항이 증가하여 전압강하가 커집니다. 따라서 장거리 송전에서는 대용량의 전류를 흘릴 수 있는 큰 단면적의 케이블을 사용하거나, 변전소를 추가하여 전압을 승압하는 방식을 사용합니다.
  • 케이블 종류 및 재질: 케이블의 종류와 재질에 따라 전기 저항이 달라집니다. 구리보다 알루미늄 케이블이 저항이 크므로, 같은 조건에서 알루미늄 케이블은 구리 케이블보다 전압강하가 더 크게 발생합니다.
  • 케이블 온도: 케이블 온도가 상승하면 도체의 저항이 증가하여 전압강하가 커집니다. 따라서 케이블 주변의 온도를 낮추거나, 케이블의 허용 전류를 줄여야 합니다.
  • 케이블 부설 방식: 지중 매설, 가공, 덕트 내 설치 등 부설 방식에 따라 케이블 주변의 온도, 습도 등의 환경 조건이 달라져 전압강하에 영향을 미칩니다.
  • 부하 전류: 부하 전류가 증가할수록 케이블에서 발생하는 전압강하가 커집니다. 따라서 케이블 용량을 충분히 확보해야 합니다.

전압강하를 줄이기 위한 방안

  • 케이블 단면적 증가: 케이블 단면적을 증가시키면 저항이 감소하여 전압강하를 줄일 수 있습니다.
  • 케이블 재질 개선: 저항이 낮은 구리 케이블을 사용하거나, 특수 합금 케이블을 사용하여 전압강하를 줄일 수 있습니다.
  • 케이블 온도 관리: 케이블 주변의 온도를 낮추기 위해 통풍이 잘 되는 곳에 설치하거나, 냉각 장치를 설치할 수 있습니다.
  • 케이블 경로 단축: 케이블 경로를 최대한 단축하여 전압강하를 줄일 수 있습니다.
  • 변압기 설치: 장거리 송전 시 중간에 변압기를 설치하여 전압을 승압하면 전압강하를 줄일 수 있습니다.

○A08전력간선 굵기 산정의 흐름도 제시

모범답안(전력간선 굵기 산정의 흐름)

1. 부하 용량 산정

  • 개별 부하 용량 파악: 연결될 모든 전기 기기(조명, 콘센트, 전동기 등)의 정격 용량을 확인합니다.
  • 수용률, 역률 고려: 부하의 종류와 사용 패턴에 따라 수용률과 역률을 고려하여 실제 소비 전력을 산정합니다.
  • 총 부하 용량 계산: 개별 부하 용량을 합산하여 총 부하 용량을 계산합니다.

2. 전류 계산

  • 전압 확인: 시스템의 공급 전압을 확인합니다.
  • 전력 공식 적용: 전력(P) = 전압(V) × 전류(I) × 역률(PF) 공식을 이용하여 필요한 전류를 계산합니다.

3. 전압 강하 계산

  • 선로 길이 측정: 전력이 공급되는 시작점부터 끝점까지의 거리를 측정합니다.
  • 전선 저항 계산: 선정한 전선의 종류와 길이에 따른 저항을 계산합니다.
  • 전압 강하 공식 적용: 전압 강하(V drop) = 전류(I) × 저항(R) 공식을 이용하여 전압 강하를 계산합니다.

4. 허용 전압 강하율 비교

  • 허용 전압 강하율 확인: 관련 규정이나 설계 기준에서 정한 허용 전압 강하율을 확인합니다.
  • 계산된 전압 강하와 비교: 계산된 전압 강하가 허용 전압 강하율 이내인지 확인합니다.

5. 전선 굵기 선정

  • 표준 전선표 참조: 계산된 전류와 허용 전압 강하율을 기준으로 표준 전선표에서 적절한 굵기의 전선을 선정합니다.
  • 안전율 고려: 장래 부하 증가 등을 고려하여 적절한 안전율을 적용하여 전선 굵기를 선정할 수 있습니다.

6. 기타 요소 고려

기계적 강도: 전선이 외부 충격이나 진동에 견딜 수 있는지 확인해야 합니다.

주위 온도: 주위 온도가 높을수록 전선의 허용 전류가 감소하므로 고려해야 합니다.

설치 환경: 매입, 노출 등 설치 환경에 따라 허용 전류가 달라질 수 있습니다.

○H09전력간선의 전압강하 계산에서 간이계산식과 정식계산식의 차이점을 들고 설명하시오

모범답안(전압강하 계산)

정식 계산식

전압강하(ΔV)는 도체의 저항(R), 흐르는 전류(I)의 곱으로 나타낼 수 있습니다. 이는 옴의 법칙의 직접적인 응용입니다.

정식 계산식:

\[\Delta e=E_s-E_r=K_D(R\cos\theta+X\sin\theta)\cdot I\cdot L[V]\]

여기서,

  • ΔV: 전압강하 (V, 볼트)
  • I: 부하 전류 (A, 암페어)
  • R: 도체 저항 (Ω, 옴)

도체의 저항은 다시 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

R = ρ × (L / A)
  • ρ: 도체의 비저항 (Ω·m, 옴 미터)
  • L: 도체의 길이 (m, 미터)
  • A: 도체의 단면적 (m², 제곱미터)

정식 계산식을 활용한 전체 식:

ΔV = I × ρ × (L / A)

이 식은 매우 정확한 값을 제공하지만, 계산 과정이 복잡하고 다양한 변수를 고려해야 하므로 실제 현장에서는 약식 계산식을 더 많이 사용합니다.

약식 계산식

약식 계산식은 정식 계산식을 간략화하여 실무에서 빠르게 계산할 수 있도록 만든 식입니다. 일반적으로 도체의 비저항(ρ)과 단위 길이당 저항(Ω/m)을 일정한 값으로 가정하여 계산합니다.

단상 3선식 회로의 경우, 많이 사용되는 약식 계산식:

\[e(e’)=\frac{K 17.8LI}{1,000A}\]
  • L: 도체의 편도 길이 (m)
  • I: 부하 전류 (A)
  • A: 도체의 단면적 (mm²)

정식 계산식과 약식 계산식의 비교

항목정식 계산식약식 계산식
정확도매우 정확약간의 오차 가능
계산 복잡도복잡간단
사용 용도정밀한 계산 필요 시현장에서 빠른 계산 시

어떤 계산식을 사용해야 할까요?

  • 정확한 값이 필요한 경우: 정식 계산식을 사용합니다. 예를 들어, 고가의 장비나 안전과 직결되는 설비에 대한 계산을 할 때입니다.
  • 빠르게 대략적인 값을 알고 싶은 경우: 약식 계산식을 사용합니다. 현장에서 간단한 계산을 통해 적절한 케이블 규격을 선정할 때 유용합니다.

○A10국토교통부 건축전기설비설계기준에서 정의된 간선의 굵기를 결정하는주요 요소 5가지와 간선계산을 할 때 주요 요소 3가지를 서술하시오

모범답안(간선의 굵기)

1. 국토교통부 건축전기설비설계기준에서 정의된 간선 굵기를 결정하는 주요 요소 5가지

  • 허용전류: 전선의 종류, 규격, 설치 환경 등에 따라 흐를 수 있는 최대 전류 값입니다. 이는 전선이 과열되지 않고 안전하게 사용될 수 있는 범위를 나타냅니다.
  • 전압강하: 전선에 전류가 흐르면 전압이 떨어지는 현상으로, 전압강하가 과도하게 발생하면 기기의 성능 저하, 오동작 등을 유발할 수 있습니다. 따라서 허용 전압강하율 이내로 유지해야 합니다.
  • 기계적 강도: 전선은 설치 환경에서 외부 충격이나 진동 등에 견딜 수 있는 충분한 기계적 강도를 가져야 합니다.
  • 열적 안정성: 전선은 주변 온도 변화, 단락사고 등에 의한 열적 스트레스에도 안전하게 견딜 수 있어야 합니다.
  • 경제성: 초기 투자 비용과 유지보수 비용을 고려하여 경제적인 측면에서 최적의 전선을 선정해야 합니다.

2. 간선 계산 시 주요 요소 3가지

  • 부하 용량: 연결될 모든 부하(조명, 콘센트, 전동기 등)의 용량을 합산하여 총 부하 용량을 산정합니다. 부하 용량이 클수록 흐르는 전류가 많아지므로 더 굵은 전선이 필요합니다.
  • 선로 길이: 전력이 공급되는 시작점부터 끝점까지의 거리를 측정합니다. 선로가 길어질수록 전압 강하가 발생하므로 더 굵은 전선이 필요합니다.
  • 전압: 시스템의 공급 전압을 확인합니다. 전압이 낮을수록 같은 전력을 공급하기 위해 더 많은 전류가 필요하므로 더 굵은 전선이 필요합니다.

3.간선 계산 절차

  • 부하 용량 산정: 각 부하의 용량을 합산하여 총 부하 용량을 산정합니다.
  • 전류 계산: 전압과 부하 용량을 이용하여 흐르는 전류를 계산합니다.
  • 전압 강하 계산: 선로 길이와 저항을 이용하여 전압 강하를 계산합니다.
  • 허용 전압 강하율 비교: 계산된 전압 강하가 허용 전압 강하율 이내인지 확인합니다.
  • 표준 전선표 참조: 계산된 전류와 허용 전압 강하율을 기준으로 표준 전선표에서 적절한 굵기의 전선을 선정합니다.
  • 기타 요소 고려: 주위 온도, 설치 환경, 기계적 강도 등을 고려하여 최종적으로 전선 굵기를 결정합니다.

○H11수용가 설비에서 설비 인입구와 부하점사이의 전압강하 허용기준

모범답안(전압강하 허용기준)

3)허용전압강하

저압배전선에서의 허용전압강하는 간선과 분기회로에서 각각 표준전압의 2[%]이하로 한다. 그렇지만 전기 사용장소 안에 설치된 변압기에서 공급하는 경우의 간선은 3[%]이하로 할 수 있다. 변압기 또는 인입점에서 부하까지 거리가 60[m]가 넘는 경우는 다음 표를 참조

변압기2차에서
최원단 부하까지의 거리[m]
구내에 설치된 변압기에서 공급시[%] 전기사업자로부터 저압으로 직접공급시[%]
60초과
120이하
5(이하)4(이하)
120초과
200이하
6(이하)5(이하)
200초과7(이하)6(이하)

○I12전선허용전류의 종류별특징

모범답안(전선허용전류의 종류별특징)

허용 전류에 영향을 미치는 요인

  • 전선의 종류: 구리, 알루미늄 등 도체 재질, 단일심, 연선 등의 구조에 따라 열전도율, 저항이 달라져 허용 전류가 변합니다.
  • 전선의 굵기: 단면적이 클수록 더 많은 전류를 흘릴 수 있어 허용 전류가 커집니다.
  • 설치 환경: 공기 중, 지중, 관내 등 설치 환경에 따라 냉각 조건이 달라져 허용 전류가 변합니다. 주변 온도, 습도, 풍속 등도 영향을 미칩니다.
  • 절연체: 전선을 감싸는 절연체의 종류와 두께에 따라 허용 온도가 달라지고, 이에 따라 허용 전류도 변합니다.
  • 부설 방식: 다수의 전선이 근접하여 부설될 경우, 상호 간의 유도 작용으로 발열이 증가하여 허용 전류가 감소할 수 있습니다.

허용 전류의 종류

  • 연속 허용 전류: 전선이 장시간 안정적으로 운전될 수 있는 최대 전류 값입니다. 일반적으로 전기 설비 설계 시 가장 많이 고려되는 값입니다.
  • 단시간 허용 전류: 일정 시간 동안만 흘릴 수 있는 최대 전류 값으로, 예를 들어 모터 기동 시와 같이 순간적으로 큰 전류가 필요한 경우에 사용됩니다.
  • 긴급 허용 전류: 비상 상황에서 일정 시간 동안만 흘릴 수 있는 최대 전류 값으로, 매우 제한적인 상황에서만 사용해야 합니다.

허용 전류 선정 시 고려 사항

  • 전기 설비 규정: 각 국가 및 지역별로 전기 설비 규정에 허용 전류에 대한 기준이 명시되어 있습니다. 이를 준수해야 합니다.
  • 제조사의 데이터: 전선 제조사에서 제공하는 카탈로그나 데이터 시트를 참고하여 허용 전류를 확인해야 합니다.
  • 설치 환경: 전선이 설치될 환경 조건을 정확히 파악하여 허용 전류를 산정해야 합니다.
  • 부하 특성: 부하의 종류와 크기에 따라 필요한 전류량을 계산하고, 여기에 적절한 안전율을 더하여 전선을 선정해야 합니다.

허용 전류를 초과했을 때 발생하는 문제

  • 발열: 전류가 증가하면 발열량이 증가하여 절연 파괴, 화재 등의 위험이 발생할 수 있습니다.
  • 전압 강하: 전선의 저항으로 인해 전압 강하가 발생하여 전기 기기의 성능이 저하될 수 있습니다.
  • 수명 단축: 과전류가 흐르면 전선의 수명이 단축될 수 있습니다.

●E13 교류도체의 실효저항 계산시 적용하는표피효과 계수와 근접효과계수에 대하여 설명하시오

모범답안(교류도체의 실효저항 계산시)

교류 도체의 실효 저항이란?

직류 회로에서 도체의 저항은 도체의 재질, 길이, 단면적에 의해 일정하게 결정됩니다. 하지만 교류 회로에서는 주파수가 높아질수록 도체 내부의 전류 분포가 불균일해지는 현상이 발생하는데, 이를 표피 효과근접 효과라고 합니다. 이러한 효과들로 인해 교류 도체의 저항은 직류 저항보다 증가하게 되며, 이렇게 증가된 저항을 실효 저항이라고 합니다.

표피 효과 계수

  • 정의: 교류 전류가 도체 내부를 흐를 때, 도체 표면에 전류가 집중되는 현상을 표피 효과라고 합니다. 이러한 현상으로 인해 도체 내부의 유효 단면적이 감소하고, 결과적으로 저항이 증가하게 됩니다. 표피 효과 계수는 이러한 저항 증가 비율을 나타내는 값입니다.
  • 영향 요인:
    • 주파수: 주파수가 높아질수록 표피 효과가 심해져 표피 효과 계수가 커집니다.
    • 도체의 투자율: 투자율이 높은 도체일수록 표피 효과가 심해집니다.
    • 도체의 단면적: 단면적이 클수록 표피 효과가 심해집니다.
  • 계산: 표피 효과 계수는 일반적으로 도체의 기하학적 형상, 재질, 주파수 등을 고려한 복잡한 수식을 통해 계산됩니다. 정확한 값을 얻기 위해서는 전자기학적인 해석이 필요합니다.

근접 효과 계수

  • 정의: 여러 개의 도체가 서로 가까이 위치할 때, 각 도체에 흐르는 교류 전류에 의해 다른 도체에 유도 전류가 발생하고, 이 유도 전류가 원래의 전류 분포를 변화시키는 현상을 근접 효과라고 합니다. 이로 인해 도체의 저항이 추가적으로 증가하게 됩니다. 근접 효과 계수는 이러한 저항 증가 비율을 나타내는 값입니다.
  • 영향 요인:
    • 도체 간의 간격: 도체 간의 간격이 좁을수록 근접 효과가 심해져 근접 효과 계수가 커집니다.
    • 도체의 배치: 도체의 배치 형태에 따라 근접 효과의 정도가 달라집니다.
  • 계산: 근접 효과 계수 역시 표피 효과 계수와 마찬가지로 복잡한 수식을 통해 계산됩니다. 일반적으로는 유한요소법과 같은 수치 해석 기법을 이용하여 계산합니다.

실효 저항 계산

실효 저항은 직류 저항에 표피 효과 계수와 근접 효과 계수를 곱하여 계산합니다.

실효 저항 = 직류 저항 × 표피 효과 계수 × 근접 효과 계수

실효 저항 계산의 중요성

  • 전력 손실 계산: 실효 저항이 증가하면 전력 손실이 증가하므로, 전력 시스템 설계 시 정확한 전력 손실을 예측하기 위해 실효 저항을 정확하게 계산해야 합니다.
  • 온도 상승 계산: 전력 손실은 열에너지로 변환되어 도체의 온도를 상승시키므로, 도체의 온도 상승을 예측하고 적절한 냉각 방법을 선택하기 위해 실효 저항을 고려해야 합니다.
  • 전압 강하 계산: 실효 저항이 증가하면 전압 강하가 커지므로, 부하에 공급되는 전압을 정확하게 예측하기 위해 실효 저항을 고려해야 합니다.

○H14전압강하에 관한 벡터도를 그리고 기본식을 설명하시오

모범답안(전압강하 벡터도, 기본식)

전압강하 벡터도

전압강하는 전류와 전압의 위상차에 따라 벡터로 표현할 수 있습니다. 일반적으로 저항 성분에 의한 전압강하와 리액턴스 성분에 의한 전압강하로 나누어 생각하며, 이들을 벡터 합성하여 전체 전압강하를 구합니다.

  • 송전단 전압 (Vs): 전원에서 공급되는 전압
  • 수전단 전압 (Vr): 부하에 공급되는 전압
  • 전압강하 (Vdrop): 송전단 전압과 수전단 전압의 차이
  • 저항 성분에 의한 전압강하 (IR):
    • 저항(R)에 전류(I)가 흐를 때 발생하는 전압강하입니다.
    • 전류와 전압의 위상이 일치합니다.
  • 리액턴스 성분에 의한 전압강하 (IX):
    • 인덕턴스(L) 또는 커패시턴스(C)에 의해 발생하는 리액턴스(X)에 전류(I)가 흐를 때 발생하는 전압강하입니다.
    • 전류와 전압의 위상이 90도 차이납니다.
  • 위상각 (θ): 전류와 전압 사이의 위상차

전압강하 기본식

\[Vdrop = √[(IR)² + (IX)²] \]

전압강하의 영향

  • 전력 손실: 전압강하로 인해 전력 손실이 발생합니다.
  • 부하 전압 저하: 부하에 공급되는 전압이 낮아져 부하의 성능이 저하될 수 있습니다.
  • 전압 변동률 증가: 부하 변동에 따라 전압 변동이 커져 전력 시스템의 안정성을 저해할 수 있습니다.

9️⃣전압강하를 줄이기 위한 방안

  • 케이블 단면적 증가: 케이블 단면적을 증가시키면 저항이 감소하여 전압강하를 줄일 수 있습니다.
  • 케이블 재질 개선: 저항이 낮은 구리 케이블을 사용하거나, 특수 합금 케이블을 사용하여 전압강하를 줄일 수 있습니다.
  • 케이블 온도 관리: 케이블 주변의 온도를 낮추기 위해 통풍이 잘 되는 곳에 설치하거나, 냉각 장치를 설치할 수 있습니다.
  • 케이블 경로 단축: 케이블 경로를 최대한 단축하여 전압강하를 줄일 수 있습니다.
  • 변압기 설치: 장거리 송전 시 중간에 변압기를 설치하여 전압을 승압하면 전압강하를 줄일 수 있습니다.

○E15도체의 근접효과에 대하여 설명하시오

모범답안(도체의 근접효과)

2️⃣근접효과(ProximityEffect)

1)정의

  • 도체가 평행배치될 때 양전류의 상호작용에 의해 2개의 선이 서로 가깝거나 먼 부분의 전류밀도가 증가하는데 이를 근접효과

2)현상

  • 표피효과는 근접효과의 일종으로 1가닥의 도체인 경우에 나타나는 현상인데 비해, 근접효과는 2가닥 이상의 평형도체에서 볼 수 있는 현상
  • 주파수가 높을수록, 도체가 근접배치될 수록 현저하게 나타난다.
  • 양도체에 같은 방향의 전류가 흐를 경우 바깥쪽의 전류밀도가 높아지고, 그 반대인경우에는 가까운 쪽의 전류밀도가 높아진다

3)영향을 주는 요소

  • 사용 주파수가 높아지면 높아질수록 증가한다
  • 양 도체 간에 간격이 좁으면 좁을수록 증가한다
  • 양 도체 간에 근접면적이 크면 클수록 급접효과가 더 심해짐

4)대책

  • 양 도체 간의 단면적을 작게 할 것
  • 사용 주파수를 낮출것
  • 절연 전선을 사용할것
  • 양 도체간의 간격을 넓힐것

○C16선로정수를 구성하는 요소를 들고 설명하시오

모범답안(선로정수)

1️⃣선로정수란?

  • 선로정수는 전력선과 같은 전송선로가 가지는 고유한 특성을 나타내는 값
  • 전선마다 저항, 인덕턴스, 정전용량, 누설 컨덕턴스라는 고유한 특성을 가지고 있는데, 이러한 특성들을 통틀어 선로정수라고 합니다.

2️⃣선로정수 구성요소

1)저항(R)🌐

  • 전류의 흐름을 방해하는 성질
  • 전선 자체의 재질, 굵기, 길이 등에 따라 달라집
  • 전력 손실의 주요 원인
  • 단위는 옴(Ω)
  • 직류 도체저항
\[r_0=\frac{10^3}{58\times S\times \sigma}\times K_1\times K_2\times K_3\times K_4[\Omega/km]\]
  • 온도계수

도체가 금속이기 때문에 저항에 온도계수가 있고 통전에 의하여 온도가 상승하면 저항이 커진다

  • 교류도체 실효저항

r=직류저항*(1+표피효과계수+근접효과계수)

  • 표피효과
    • 도체에 전류가 흐르면 자속에 의한 기전력으로 전류 밀도는 내부로 들어갈수록 작아지고 위상각도 늦어진다
    • 이러한 경향은 주파수의 증가 시 더욱 심하여 전류는 거의 표면에 집합한다
    • 이러한 현상을 표피효과라 하며 표피효과 때문에 도체의 단면적은 실효적으로 축소되는 결과가 나타난다.
  • 근접효과
    도체가 평행 배치될때 양 전류의 상호작용에 의해 2개의 선이 서로 가깝거나 먼 부분의 전류밀도가 증가한 현상

2)인덕턴스(L)

  • 코일과 같이 도선에 전류가 흐를 때 자기장이 발생하여 전류의 변화를 방해하는 성질
  • 전류의 변화에 따라 유도 기전력이 발생하여 전압 강하를 일으킵니다.
  • 전력선로의 구조, 주파수 등에 따라 달라집니다.
  • 단위는 헨리(H)입니다.
\[e=-L\frac{di}{dt}=-N\frac{d\phi}{dt}\] \[L=\frac{d\phi}{di}\]
  • 송배전선로의 인덕턴스(작용 인덕턴스)
\[L=L_e+L’_e=0.05+0.4605\log\frac{D}{r}[mH/km]\]

3)정전용량(C)

  • 도체와 도체 사이 또는 도체와 대지 사이에 전하 Q로 인해 나타나는 전압과의 비례정수를 정전용량C라 함[F]
  • 고주파수에서는 정전용량의 영향이 커져 전력 손실이 발생
  • 단위는 패럿(F)
  • 송배전선로 정전용량(작용 정전용량)
\[C=C_s+3C_m=\frac{0.02413}{\log\frac{D}{r}}[\mu F/km]\]

4)누설 콘덕턴스(G)

  • 절연체를 통한 전류 누설을 나타내는 값
  • 절연체의 상태, 온도, 습도 등에 따라 달라집
  • 전력 손실을 야기하고, 절연 파괴의 원인이 될 수 있습니다.
  • 단위는 지멘스(S)

3️⃣선로정수의 중요성

  • 전력 손실: 저항에 의해 전력이 열에너지로 변환되어 손실
  • 전압 강하: 선로의 길이가 길어지거나 부하가 증가하면 전압이 강하
  • 안정도: 선로정수는 시스템의 안정도에 영향을 미쳐, 과도한 전류 흐름이나 전압 변동을 야기
  • 보호 계전기 설정: 보호 계전기를 설정하는데 필요한 기본적인 데이터를 제공

●E17표피효과는 케이블에 영향을 준다. 표피효과와 표피두께는 주파수와 재질의 특성에 의하여 어떻게 결정되는지 설명하시오

모범답안(표피효과)

1️⃣표피효과(Skin Effect)

1)정의

  • 도체에 교류가 흐를 때 교번자속에 의한 기계전력에 의해 도체내부의 전류밀도는 균일하지 않고 전선 바깥으로 갈수록 커지는 경향이 있는데 이를 표피효과
  • 도체 단면적은 실효적으로 축소되는 결과를 초래한다

2)원인

  • 전류가 일정한 상태에서 전선 단면적 내의 중심부일수록 전류가 만드는 전자속과 쇄교하므로 같은 단면적을 통과하는 자력선 괘교수가 커져 인덕턴스가 증가하여 전류의 흐름을 방해하기 때문이다.
  • 중심부일수록 위상각이 늦어져 전류가 도체 외부로 몰리게 된다

3)영향을 주는 요소

  • 침투깊이
    (침투깊이가 작다는 것은 표피효과가 크다는 의미)
\[\delta=\frac{1}{\sqrt{\pi f\mu\sigma}}\]
  • 주파수, 전선단면적, 도전율, 투자율이 클수록 증가하고 온도에 반비례한다

4)개선대책

중공연선을 사용한다

가공선-복도체, 지중선-분할도체를 사용한다

○H18.3상4선식공급방식의 전압강하 계산식에서 전선의 재질이 구리, 알루미늄인 경우 k값을 각각 구하시오

모범답안(전압강하 계산식)

3상 4선식 공급 방식의 전압 강하 계산

3상 4선식 공급 방식에서 전압 강하를 계산하는 일반적인 식은 다음과 같습니다.

\[ΔV = \frac{k * L * I}{A × 1000}\]

ΔV: 전압 강하 (V)
k: 전선 재질, 온도 등에 따른 상수
L: 선로 길이 (m)
I: 부하 전류 (A)
A: 도체 단면적 (㎟)

여기서 k값은 전선의 재질, 온도, 부하율 등 다양한 요소에 따라 달라지는 상수입니다.

구리와 알루미늄의 k값

  • 구리: 일반적으로 구리의 k값은 17.8으로 많이 사용됩니다.
  • 알루미늄: 알루미늄의 k값은 구리에 비해 저항이 크므로 더 큰 값을 가지며, 일반적으로 30.8으로 사용됩니다.

즉, 같은 조건에서 알루미늄 전선을 사용하면 구리 전선에 비해 전압 강하가 더 크게 발생합니다.

k값에 영향을 미치는 요인

  • 전선 재질: 구리, 알루미늄 등 전선의 재질에 따라 도전율이 다르므로 k값이 달라집니다.
  • 온도: 온도가 상승하면 전선의 저항이 증가하여 k값이 커집니다.
  • 부하율: 부하율이 높아질수록 전류가 증가하여 전압 강하가 커지므로 k값에 영향을 미칠 수 있습니다.

k값을 구하는 방법

  • 전기 설비 기술 기준: 한국전기안전공사에서 발행하는 전기 설비 기술 기준에 각종 전선의 k값이 표로 제공됩니다.
  • 전선 제조사 카탈로그: 전선 제조사에서 제공하는 카탈로그에도 k값이 명시되어 있습니다.
  • 전기 설계 프로그램: 전기 설계 프로그램을 이용하여 다양한 조건에 따른 k값을 계산할 수 있습니다.

●H19단거리선로의 옴법 전압강하 계산식을 등가회로 및 벡터도를 그려서 설명하고 옥내 배선전압강하계산식을 설명하시오

모범답안(옴법 전압강하)

단거리 선로의 옴법 전압 강하

1. 옴법 전압 강하란?

전류가 흐르는 도체(전선)에서 전류에 의해 발생하는 저항으로 인해 전압이 떨어지는 현상을 말합니다. 즉, 송전선로의 양 끝단 사이에 전압 차이가 발생하는 것을 의미합니다.

2. 등가 회로 및 벡터도

단거리 선로를 등가 회로로 표현하면 다음과 같습니다.

  • Vs: 송전단 전압
  • Vr: 수전단 전압
  • I: 부하 전류
  • R: 선로 저항

벡터도는 다음과 같이 표현할 수 있습니다.

  • Vs: 송전단 전압 벡터
  • Vr: 수전단 전압 벡터
  • IR: 전압 강하 벡터 (저항 성분)
  • θ: 전류와 전압 사이의 위상각 (단상 회로에서는 0도)

3. 옴법 전압 강하 계산식

\[ΔV = IR\]
  • ΔV: 전압 강하 (V)
  • I: 부하 전류 (A)
  • R: 선로 저항 (Ω)

4. 단거리 선로의 옴법 전압 강하 특징

  • 선로의 저항이 클수록, 부하 전류가 클수록 전압 강하가 커집니다.
  • 단거리 선로에서는 리액턴스 성분을 무시할 수 있으므로 옴의 법칙을 직접 적용하여 계산합니다.

옥내 배선 전압 강하 계산

옥내 배선의 경우, 단거리 선로와 마찬가지로 옴의 법칙을 이용하여 전압 강하를 계산할 수 있습니다. 다만, 옥내 배선은 다양한 분기 회로와 부하가 연결되어 있으므로 각 회로별로 전압 강하를 계산하고 합산해야 합니다.

1. 옥내 배선 전압 강하 계산식

\[ΔV = Σ(IR)\]
  • ΔV: 전체 전압 강하 (V)
  • I: 각 회로의 전류 (A)
  • R: 각 회로의 저항 (Ω)
  • Σ: 모든 회로에 대한 합

2. 옥내 배선 전압 강하 고려 사항

  • 전압 강하율: 일반적으로 전압 강하율은 3% 이하로 유지하도록 권장됩니다.
  • 전압 강하가 큰 영향을 미치는 부하: 전동기, 조명 등 부하의 종류에 따라 전압 강하에 대한 민감도가 다릅니다.
  • 배선 방식: 단상, 3상, 다중 접지 등 배선 방식에 따라 계산 방법이 달라질 수 있습니다.

○H20직류2선식의 전압강하 계산식 s=0.356LI/S[V]을 유도하시오

모범답안(전압강하 계산식 유도)

1. 문제 이해 및 가정

  • 직류 2선식: 한 쌍의 도체를 통해 직류 전류가 흐르는 간단한 회로 형태입니다.
  • 전압 강하: 전류가 흐르면서 전선의 저항으로 인해 전압이 떨어지는 현상입니다.
  • 주어진 식: s = 0.356LI/S (s: 전압 강하, L: 선로 길이, I: 전류, S: 도체 단면적)
  • 목표: 위 식을 유도하는 과정을 설명합니다.

2. 유도 과정

2.1. 옴의 법칙 적용

  • 옴의 법칙: V = IR (V: 전압, I: 전류, R: 저항)
  • 전압 강하: ΔV = IR

2.2. 저항 계산

  • 저항: R = ρL/A (ρ: 비저항, L: 길이, A: 단면적)
  • 위 식을 옴의 법칙에 대입하면, ΔV = I * (ρL/A)

2.3. 상수 도입

  • 상수 도입: ρ/A 부분을 상수 k로 치환하면, ΔV = kLI
  • 일반적으로 구리 도체를 사용하는 경우, 상수 k의 값은 다양한 조건에 따라 달라지지만, 근사적으로 k = 0.356 (V/A·m²/mm²) 값을 사용합니다.
  • 이 값은 도체의 재질, 온도, 주변 환경 등에 따라 변할 수 있으므로 참고용으로 사용해야 합니다.

2.4. 단위 조정

  • 위 식에서 단위를 조정하면, ΔV = 0.356LI/S (V)가 됩니다.
    • L: m (미터)
    • I: A (암페어)
    • S: mm² (제곱밀리미터)

3. 최종 식

따라서 직류 2선식에서의 전압 강하를 계산하는 식은 다음과 같습니다.

s = 0.356LI/S

4. 유도 결과 해석

  • 전압 강하는 선로 길이(L), 전류(I)에 비례하고, 도체 단면적(S)에 반비례합니다.
  • 상수 0.356은 구리 도체를 사용할 때 근사적으로 사용되는 값이며, 다른 조건에서는 값이 달라질 수 있습니다.
  • 이 식은 단순화된 모델이며, 실제 계산에서는 온도, 주변 환경, 도체의 종류 등 다양한 요소를 고려해야 합니다.

5. 주의 사항

  • 단위: 각 변수의 단위를 정확히 맞춰야 합니다.
  • 근사값: 상수 0.356은 근사값이므로, 정확한 계산을 위해서는 관련 자료를 참고하여 적절한 값을 사용해야 합니다.
  • 복잡한 회로: 복잡한 회로에서는 각 구간별로 전압 강하를 계산하여 합산해야 합니다.

●B21.케이블 단락 시 기계적 강도에 대하여 다음 사항을 설명하시오

1)단락 시 기계적 강도 계산의 필요성 및 강도 계산 프로세스
2)열적 용량
3)단락 전자력
3)3심 케이블 단락 기계력

모범답안(단락시 기계적 강도)

1️⃣기계적 강도의 계산 필요성

  • 케이블 손상 방지: 단락 시 발생하는 강력한 전자력으로 인해 케이블이 손상될 수 있습니다. 이를 방지하고 시스템의 안전성을 확보하기 위해 기계적 강도 계산이 필요합니다.
  • 시스템 안정성 유지: 케이블 손상은 시스템 전체의 안정성을 위협하며, 화재 등의 심각한 사고로 이어질 수 있습니다.
  • 적절한 케이블 선정: 단락 전류를 견딜 수 있는 적절한 규격과 종류의 케이블을 선정하기 위해 기계적 강도 계산이 필수적입니다.

2️⃣강도계산 프로세스

  • 단락 전류 계산: 시스템의 단락 조건을 분석하여 단락 전류를 계산합니다.
\[S^2K^2\ge I^2t\] \[I=\frac{SK}{\sqrt t}\]

S:케이블의단면적[㎟]
K:케이블 절연물의 열적용량계수[CV 143]
I:단락전류[A]
t:단락 고장시간[sec]

  • 전자력 계산: 단락 전류를 이용하여 케이블에 작용하는 전자력을 계산합니다.
\[F=K\times 2.04\times 10^{-8}\times\frac{I^2_m}{D}[kg/m]\]


K:케이블배역에 따른 정수(삼각배열 K=0.866)
Im:단락최대값(비대칭)[A]
D:케이블중심간격[m]

  • 케이블의 기계적 특성 고려: 케이블의 재질, 단면적, 구조 등을 고려하여 기계적 강도를 계산합니다.
    • 신축: Cable에 전류가 흐르면 도체는 발열하고 온도가 상승하며, 온도 상승으로 도체는 팽창 계수에 따른 신장이 생긴다.
    • 진동: 진동에 의한 건물과의 공진 검토
    • 지지금구 및 케이블 근접 부속품 발열
    • 포설 시 케이블에 가해지는 힘: 연속(상시) 허용장력, 측압

  • 안전율 적용: 계산된 기계적 강도에 안전율을 적용하여 실제 케이블에 작용하는 하중을 고려합니다.
  • 강도 비교: 계산된 기계적 강도와 케이블의 허용 강도를 비교하여 케이블의 적합성을 판단합니다.

3️⃣열적용량

  • 정의: 물체가 열을 흡수하거나 방출할 때 온도 변화에 저항하는 정도를 나타내는 물리량입니다.
  • 케이블에서의 의미: 단락 시 발생하는 열에 의해 케이블의 온도가 상승하는 것을 억제하는 역할을 합니다. 열적 용량이 클수록 온도 상승 속도가 느려져 케이블 손상 위험이 감소합니다.
  • 영향 요소: 케이블의 재질, 단면적, 절연체 종류 등에 따라 달라집니다.
  • 충전에 의한 줄열은 온도를 상승시킴과 동시에, 외기온도와의 차이는 절연물을 통하여 외부로 발산된다
  • 수초 이하의 단락전류로 도체에 발생된 열은 도체온도를 상승시키는 데 모두 소비된다
\[S^2K^2(케이블열적용량)\le I^2t(차단기동작 열적용량)\]

4️⃣단락 전자력 🌐

  • 정의: 전류가 흐르는 도체 주변에 자기장이 형성되고, 이 자기장이 다른 도체에 힘을 작용하는 현상입니다. 단락 시에는 매우 큰 전류가 흐르므로 강력한 전자력이 발생합니다.
  • 영향: 케이블을 변형시키거나 파괴할 수 있으며, 인접한 다른 기기에 영향을 미칠 수 있습니다.
  • 계산: 전자력은 전류의 제곱에 비례하므로, 단락 전류가 클수록 전자력도 커집니다.
\[F=K\times 2.04\times 10^{-8}\times\frac{I^2_m}{D}[kg/m]\]

5️⃣3심 케이블 단락 기계력

  • 3심 케이블: 3개의 도체가 한 묶음으로 구성된 케이블입니다.
  • 단락 시 기계력: 3심 케이블의 경우, 각 도체 사이에 전자력이 작용하여 케이블이 서로 밀거나 당기는 힘이 발생합니다.
  • 복잡성: 3심 케이블의 단락 기계력 계산은 단일 도체에 비해 복잡하며, 각 도체 간의 상호 작용을 고려해야 합니다.
  • 고려 사항: 케이블의 배치, 간격, 지지 방식 등에 따라 기계력의 분포가 달라질 수 있습니다.

  • 케이블에 단락이 생기면 다음 식에 의하여 기계력이 생기고 3심케이블에서 축 방향장력과 비틀림 모멘트가 발생한다. 따라서 3심 케이블은 트리플렉스형을 사용한다
  • 3심 케이블 단락 장력
\[T=\frac{3rFP\sqrt{(2\pi r)^2+P^2}}{(2\pi r)^2}[kg]\] \[Q=\frac{3rFP\sqrt{(2\pi r)^2+P^2}}{2\pi}[kg\cdot m]\]

T:축방향장력[kg]
F:전자력[kg/m]
P:피치[m]
r:케이블 중심간격[m]
Q:비틀림 모멘트[kg m]

○E22전기 설비에서 배선의 표피효과와 근접효과에 대하여 설명하시오

모범답안(표피효과와 근접효과)

1️⃣표피효과(Skin Effect)

1)정의

  • 도체에 교류가 흐를 때 교번자속에 의한 기계전력에 의해 도체내부의 전류밀도는 균일하지 않고 전선 바깥으로 갈수록 커지는 경향이 있는데 이를 표피효과
  • 도체 단면적은 실효적으로 축소되는 결과를 초래한다

2)원인

  • 전류가 일정한 상태에서 전선 단면적 내의 중심부일수록 전류가 만드는 전자속과 쇄교하므로 같은 단면적을 통과하는 자력선 괘교수가 커져 인덕턴스가 증가하여 전류의 흐름을 방해하기 때문이다.
  • 중심부일수록 위상각이 늦어져 전류가 도체 외부로 몰리게 된다

3)영향을 주는 요소

  • 침투깊이
    (침투깊이가 작다는 것은 표피효과가 크다는 의미)
\[\delta=\frac{1}{\sqrt{\pi f\mu\sigma}}\]
  • 주파수, 전선단면적, 도전율, 투자율이 클수록 증가하고 온도에 반비례한다

4)개선대책

  • 중공연선을 사용한다
  • 가공선-복도체, 지중선-분할도체를 사용한다

2️⃣근접효과(ProximityEffect)

1)정의

  • 도체가 평행배치될 때 양전류의 상호작용에 의해 2개의 선이 서로 가깝거나 먼 부분의 전류밀도가 증가하는데 이를 근접효과

2)현상

  • 표피효과는 근접효과의 일종으로 1가닥의 도체인 경우에 나타나는 현상인데 비해, 근접효과는 2가닥 이상의 평형도체에서 볼 수 있는 현상
  • 주파수가 높을수록, 도체가 근접배치될 수록 현저하게 나타난다.
  • 양도체에 같은 방향의 전류가 흐를 경우 바깥쪽의 전류밀도가 높아지고, 그 반대인경우에는 가까운 쪽의 전류밀도가 높아진다

3)영향을 주는 요소

  • 사용 주파수가 높아지면 높아질수록 증가한다
  • 양 도체 간에 간격이 좁으면 좁을수록 증가한다
  • 양 도체 간에 근접면적이 크면 클수록 급접효과가 더 심해짐

4)대책

  • 사용 주파수를 낮출것
  • 절연 전선을 사용할것
  • 양 도체간의 간격을 넓힐것
  • 양 도체 간의 단면적을 작게 할 것

○I23전기설비 기술기준 및 판단기준에서 정하는 옥내 저압간선의 시설기준에 따라 다음을 설명하시오

1)간선에 사용하는 전선의 허용전류
2)간선으로부터 분기하는 전로에서 과전류 차단기를 생략할 수 있는 조건

모범답안()

1. 간선에 사용하는 전선의 허용전류

전기설비 기술기준에서는 옥내 저압간선에 사용하는 전선의 허용전류에 대해 다음과 같은 기준을 제시하고 있습니다.

  • 전선 종류 및 규격: 사용하는 전선의 종류(IV, VV 등), 규격(단면적)에 따라 허용전류가 달라집니다.
  • 설치 환경: 전선의 설치 환경 (매입, 표면, 관내 등), 주위 온도 등에 따라 허용전류가 달라집니다.
  • 다발 설치: 여러 개의 전선을 다발로 설치할 경우, 열발생으로 인해 허용전류가 감소할 수 있습니다.

허용전류 결정 방법:

  1. 전기설비기술기준: 해당 전선의 종류, 규격, 설치 환경 등에 따른 허용전류를 표에서 찾아 적용합니다.
  2. 제조사 카탈로그: 전선 제조사에서 제공하는 카탈로그를 참고하여 허용전류를 확인할 수 있습니다.
  3. 전기설계 프로그램: 전기설계 프로그램을 이용하여 다양한 조건에 따른 허용전류를 계산할 수 있습니다.

2. 간선으로부터 분기하는 전로에서 과전류 차단기를 생략할 수 있는 조건

  • 길이 3m 이하: 분기되는 전로의 길이가 3m 이하일 경우
  • 전류: 분기되는 전로의 전류가 해당 간선의 허용전류의 35% 미만일 경우
  • 부하: 분기되는 전로에 다른 전로를 접속하지 않을 경우

●H24다음 그림을 이용하여 아래 사항을 설명하시오

백터도를 이용하여 전압강하식을 유도
3상4선식 전압강하 계산식 e=0.0178*L*I/A[V]을 유도

간선계산

간선계산
케이블 단락시 기계적 강도

단락전자력
선로정수
표피효과와 근접효과

배전전압을 결정하는요소
전압변동 (계산방법)
전압강하
절연전선의 허용전류

🌐V1020T24


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