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건축전기설비기술사 서브노트 300제 11번 | 전력계 및 회로 기본계산 (2전력계법, 3상 순시전력 증명, p.u법, 중첩의 원리)

올어바웃 기술사 2026. 10. 29. 23:41
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서브노트 300제 · 11번 · 중요도 ★
주제: 전력계 및 회로 기본계산 — 전력계 지시전력 계산 / 3상 평형회로 순시전력 증명 / p.u법 임피던스 계산 / 기본회로 전류계산

1. 서론

1) 의의

  • 전력계 지시값, 순시전력, 단위법(p.u), 기본회로 해석은 고장계산·전력계통 해석의 기초 도구로, 1~2교시 계산형 문제로 출제됨
  • 각 유형은 풀이 틀(공식과 절차)이 정해져 있어, 부호·기준값·위상각만 정확히 다루면 확실한 득점원이 됨

2) 구성

  • 2장: 전력계 지시전력 계산 — 전력계 원리, 지시값 계산, 2전력계법
  • 3장: 순시전력 증명 — 3상 평형회로 순시전력의 총합이 일정함을 증명
  • 4장: p.u법 계산 — 기준값 설정, 기준 변환, 변압기·선로 p.u 임피던스
  • 5장: 기본회로 전류계산 — 중첩의 원리·절점해석 적용
  • 6장: 결론 — 계산 실수 방지 포인트

2. 전력계 지시전력 계산

1) 전력계 원리와 지시값 (117회 2교시 4번 유형)

  • 구조: 전류코일은 부하와 직렬, 전압코일은 부하와 병렬로 연결 (류직압병)
  • 지시값: 전압코일에 걸린 전압 V_p와 전류코일 전류 I_c로 결정 → W = |V_p|·|I_c|·cos(V_p와 I_c의 위상차) = Re(V_p·I_c*)
  • 주의: 전압코일이 상전압이 아닌 선간전압에 걸리면 위상차가 φ가 아닌 (30° ± φ)가 되므로 결선을 먼저 확인해야 함
  • 풀이 순서: 결선 확인(코일 위치) → 페이저 계산(V_p, I_c) → 위상차 → 지시값 (결페위지)

2) 2전력계법 (3상 3선식)

구분 관계식
유효전력 P = W₁ + W₂ (평형·불평형 모두 성립, 블론델 정리)
지시값 (평형, 지상 φ) W₁ = V·I·cos(30° − φ), W₂ = V·I·cos(30° + φ) (V: 선간전압, I: 선전류)
무효전력 (평형) Q = √3(W₁ − W₂)
역률 (평형) cosφ = (W₁ + W₂) / [2√(W₁² + W₂² − W₁W₂)]
역률 0.5 (φ = 60°) W₂ = 0
역률 0.5 미만 W₂ < 0 → 전력계 접속을 반대로 하여 읽고 음(−)으로 합산
  • 계산 예: 선간 380 V, 선전류 10 A, 역률 0.8(지상, φ = 36.87°) 평형부하
  • W₁ = 380 × 10 × cos(−6.87°) ≈ 3,773 W, W₂ = 380 × 10 × cos(66.87°) ≈ 1,493 W
  • P = W₁ + W₂ ≈ 5,265 W (= √3 × 380 × 10 × 0.8 ✓), Q = √3 × (3,773 − 1,493) ≈ 3,949 Var (= √3 × 380 × 10 × 0.6 ✓)

3. 순시전력 증명

1) 3상 평형회로 순시전력의 총합 (103회 1교시 12번 유형)

단계 전개
① 상별 전압·전류 v_a = √2V·sinωt, i_a = √2I·sin(ωt − θ) / b·c상은 각각 −120°, −240° 이동
② a상 순시전력 p_a = v_a·i_a = 2VI·sinωt·sin(ωt − θ) = VI[cosθ − cos(2ωt − θ)]
③ b·c상 p_b = VI[cosθ − cos(2ωt − θ − 240°)], p_c = VI[cosθ − cos(2ωt − θ − 480°)]
④ 합산 p = 3VIcosθ − VI[cos(x) + cos(x − 240°) + cos(x − 480°)], x = 2ωt − θ
⑤ 소거 −480° ≡ −120° 이므로 괄호 안은 크기 같고 120° 간격인 세 코사인의 합 = 0
⑥ 결론 p = 3VIcosθ = P (일정) → 순시전력 총합이 시간과 무관하며 유효전력과 같음
  • 증명 흐름: 곱(v·i) → 전개(곱→합 공식) → 합산(3상) → 소거(120° 대칭) (곱전합소)

2) 의미

구분 단상 3상 평형
순시전력 2배 주파수(2f)로 맥동, 순간적으로 음(−)이 되기도 함 항상 일정
전동기 토크 맥동 토크 → 진동·소음 맥동 없는 균일 토크
적용 의미 소용량 부하 대용량 전동기·발전기·송전에 3상 방식을 쓰는 이유

4. p.u법 계산

1) 기준값 설정

  • 정의: p.u(단위법) 값 = 실제값 / 기준값 (%값 = p.u × 100)
  • 기준 설정: 기준용량 S_base(전 계통 공통) · 기준전압 V_base(구역별) → 기준류(전류)·기준임피던스 유도 (용전류임)
기준량 관계식 (3상)
기준용량 S_base [MVA] — 계통 전체 공통
기준전압 V_base [kV, 선간] — 변압기 권선비로 구역마다 환산
기준전류 I_base = S_base / (√3·V_base)
기준임피던스 Z_base = V_base² / S_base [Ω]
기준 변환 Z_new = Z_old × (S_new / S_old) × (V_old / V_new)²

2) 변압기·선로 p.u 임피던스 계산 (97회 4교시 2번 유형)

  • 조건: 계통 기준 100 MVA·13.5 kV, 변압기 T7 권선비 3.31, 변압기 저항 무시
  • ② 구역 기준전압: V_base2 = 13.5 / 3.31 ≈ 4.08 kV → Z_base2 = 4.08² / 100 ≈ 0.166 Ω
대상 예시 계산 (가정값) 결과
변압기 T7 정격 10 MVA, 13.8/4.16 kV, X = 7% 가정 → 0.07 × (100/10) × (13.8/13.5)² ≈ 0.731 p.u
선로 Z1 2차측 선로 임피던스 0.5 Ω 가정 → 0.5 / 0.166 ≈ 3.01 p.u
  • ※ 변압기 정격·선로 임피던스는 풀이 흐름 설명용 가정값이며, 실제 시험 그림의 값을 대입해야 함
  • 핵심: 변압기 정격전압(13.8 kV)과 계통 기준전압(13.5 kV)이 다르면 (V_old/V_new)² 보정을 반드시 적용함
  • p.u법 장점: 변압기 1·2차 환산 불필요(양측 p.u 동일), 기기 크기에 관계없이 값의 범위가 일정해 이상치 파악이 쉬움

5. 기본회로 전류계산

1) 해석 방법 선택 (117회 1교시 13번 유형)

방법 적용 상황 핵심
중첩의 원리 전원이 여러 개인 선형회로 전압원은 단락, 전류원은 개방하고 하나씩 풀어 합산
절점(노드) 해석 미지 절점 전압이 적을 때 KCL: 절점에서 나가는 전류의 합 = 0
메시(망로) 해석 폐회로 수가 적을 때 KVL: 폐회로 전압 강하의 합 = 기전력
테브난·노턴 특정 지로 전류만 필요할 때 등가 전원 + 등가 임피던스 (1번 서브노트 참고)

2) 계산 예 — 전압원·전류원 혼합 회로

  • 회로(가정): V₀ = 10 V가 R₁ = 2 Ω을 거쳐 절점 A에 연결, 전류원 I₀ = 5 A가 절점 A로 주입, R₂ = 3 Ω이 절점 A와 기준점 사이에 연결
  • 절점해석: (V_A − 10)/2 + V_A/3 = 5 → V_A(1/2 + 1/3) = 10 → V_A = 12 V
  • 결과: I₂ = 12/3 = 4 A, I₁ = (10 − 12)/2 = −1 A (가정 방향과 반대로 1 A, 즉 전압원 쪽으로 흐름)
  • 검산(중첩): V₀만 → I₁ = I₂ = 2 A / I₀만 → I₂ = 5 × 2/5 = 2 A, I₁ = −5 × 3/5 = −3 A → 합 I₁ = −1 A, I₂ = 4 A ✓
  • ※ 소자값·배치는 가정값이며, 실제 시험 회로 그림에 맞춰 같은 절차로 풀어야 함

6. 결론

  • 기본계산 4유형은 전력계(결페위지) → 순시전력(곱전합소) → p.u(용전류임) → 회로해석(중첩·절점)의 정형화된 틀로 정리됨
  • 성패는 코일 결선과 위상각, 기준전압 구역 구분, 전류 방향 부호를 정확히 처리하는 데 달려 있음
  • 실무에서는 2전력계법 측정, %Z·p.u 기반 고장전류 계산, 3상 평형 운전 관리에 그대로 활용됨

참고 및 출처

※ 법령·기준은 개정될 수 있으므로 최신 규정을 확인할 것.

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