수변전·조명·동력설비 — 받고 밝히고 돌린다

수변전·조명·동력은 합쳐서 4~5문항이다

이 세 갈래를 한 편에 묶은 이유는 하나다. 전기를 받아 쓰기까지의 흐름이 하나로 이어지기 때문이다. 한전에서 전기를 받아오는 수전설비가 있고, 그 전기로 방을 밝히는 조명설비가 있고, 모터를 돌리는 동력설비가 있다. 수도로 치면 수도계량기가 수전, 수도꼭지가 조명, 세탁기가 동력이다. 계량기에서 꼭지까지 파이프가 하나로 이어지듯 전기도 하나의 흐름이다.

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시험에서 이 단원의 색깔은 명확하다. 개념만 묻는 문항보다 계산이 섞인 문항이 많다. 역률개선용 콘덴서 용량을 구하라, 등 몇 개를 달아야 하는지 구하라 하는 식이다. 공식 두세 개만 손으로 익히면 점수로 바로 연결되는 단원이다. 예를 들어 역률 0.8을 0.95로 올리는 문제는 형태가 정해져 있으니 한 번 풀어 보면 다음엔 금방 풀린다.

수전설비 — 전기를 받아 쓸 수 있게 만드는 길

수전설비는 전력회사의 선로에서 건물 안으로 전기를 들여오는 길 전부를 가리킨다. 흐름을 먼저 세우고 개별 기기는 뒤에서 하나씩 보겠다. 순서는 정해져 있다. 인입선이 건물까지 들어온다. 단로기가 있다. 전력용 퓨즈와 차단기가 있다. 계기용변성기가 있다. 변압기가 있다. 마지막으로 배전반에서 각 층, 각 기계로 전기를 나눈다.

각 기기가 하는 일을 한 문장씩 적는다. 인입선은 전기를 건물까지 데려온다. 단로기는 회로를 통째로 열어 닫는 문이다. 전력용 퓨즈는 지나치게 큰 전류가 흐르면 끊어져 사고를 막는다. 차단기는 흐르는 전류를 끊을 수 있는 스위치다. 계기용변성기는 큰 전기값을 재기 좋게 줄여 준다. 변압기는 높은 전압을 낮은 전압으로 바꾼다. 배전반은 나눠 주는 판이다.

고압으로 받는 건물이 많다. 교류 1킬로볼트를 넘고 7킬로볼트 이하가 고압이다. 그 위는 특고압이라 부른다. 2021년에 바뀐 옛 값인 교류 600볼트 기준을 아직 문제로 볼 수 있으니 옛 값과 지금 값을 헷갈리지 마라. 지금 기준은 저압이 교류 1킬로볼트 이하, 직류 1.5킬로볼트 이하다. 예를 들어 6.6킬로볼트로 수전하는 건물은 고압 수전이다.

단로기와 차단기는 여는 순서가 정해져 있다

결론부터 말한다. 끊을 때는 차단기를 먼저 열고 단로기를 나중에 연다. 넣을 때는 그 반대다. 단로기를 먼저 넣고 차단기를 나중에 넣는다. 이유는 두 기기의 능력 차이에 있다.

차단기는 전류가 흐르는 상태에서도 회로를 끊을 수 있게 만들어져 있다. 아크(불꽃 방전)를 스스로 꺼 주는 장치를 안에 갖고 있다. 단로기는 그런 장치가 없다. 그래서 무부하 상태에서만 열고 닫는다. 전류가 흐르는 채로 단로기를 열면 끊는 순간 아크가 튀고, 이 아크가 공중에서 회로를 다시 잇거나 사람을 덮친다.

비유하자면 수도꼭지와 변 밸브다. 수도꼭지는 물이 흐르는 중에도 잠글 수 있게 설계됐다. 변 밸브는 물을 임의로 끊으라고 만든 게 아니다. 그래서 물을 끊을 때는 꼭지부터 잠그고 변 밸브를 손댄다. 전기도 마찬가지다. 부하 전류는 차단기가 끊는다. 단로기는 끊긴 회로를 시각적으로 확실히 떼어 놓는 구실만 한다. 정비하러 들어가는 사람이 "이 선은 확실히 끊겼다"를 눈으로 확인하는 문이 단로기다.

시험에는 순서를 거꾸로 묻는 선지가 자주 나온다. "투입 시 단로기 먼저, 개방 시 단로기 먼저" 같은 식이다. 짝으로 외워라. 끊는 쪽은 차단기가 앞선다. 넣는 쪽은 단로기가 앞선다.

계기용변성기 — 큰 전기를 작게 줄여 재는 장치

고압 수전 회로의 전압은 수천 볼트, 전류는 수백 암페어다. 이런 값을 계기와 계전기에 그대로 넣을 수는 없다. 계기용변성기가 큰 값을 작은 표준값으로 줄여 준다. 줄여진 값에 정해진 비율을 곱하면 원래 값이 되니 재는 것은 안전해지고 계기는 하나로 여러 회로에 쓸 수 있다.

둘로 나뉜다. 계기용변압기(PT, 높은 전압을 낮춰 주는 변압기)는 전압을 줄인다. 2차 정격전압은 110볼트다. 계기용변류기(CT, 큰 전류를 작게 줄여 주는 변류기)는 전류를 줄인다. 2차 정격전류는 5암페어다. 예를 들어 6,600볼트 회로에 붙은 PT의 비율이 60 대 1이면 2차에 110볼트가 나온다.

둘의 금기를 갈라 외워라. PT의 2차를 단락하면 안 된다. CT의 2차를 운전 중에 열면 안 된다. 특히 CT 쪽이 시험과 현장에서 모두 중요하다. 왜 열면 위험한지 원리로 보자.

변압기는 1차와 2차의 암페어턴수가 같아지려는 성질이 있다. 1차에 큰 전류가 흐르는데 2차를 열어 버리면 2차 전류가 사라진다. 그러면 1차 전류 전부가 자속을 만드는 데 쓰인다. 철심이 포화되고 2차 단자에 높은 전압이 유도된다. 전류를 억지로 막으니 전압이 치솟는 것이다. 사람이 감전되고 절연이 뚫린다. 그래서 계기를 바꿀 때는 2차측을 단락시켜 놓고 작업한다. 수도관을 막으면 압력이 치솟는 것과 같은 이치다.

역률이 낮으면 무엇이 손해인가

결론은 간단하다. 역률이 낮으면 같은 일을 하려고 더 큰 전류를 보내야 한다. 교류회로 편에서 본 역률 이야기를 설비 쪽으로 이어 받는 대목이다. 역률은 유효전력과 피상전력의 비다. 전기기계가 받는 전력의 일부는 코일이 만드는 자기장에 쓰이고 일로 돌아오지 않는다. 이 몫이 크면 역률이 낮다.

예를 들어 10킬로와트 모터를 역률 1.0으로 돌리면 100볼트에서 100암페어면 된다. 역률이 0.5로 떨어지면 200암페어를 보내야 한다. 일의 양은 같은데 전선에 흐르는 전류는 두 배다.

전류가 두 배면 손해가 세 겹으로 쌓인다. 첫째, 전력손실이 커진다. 손실은 전류의 제곱에 비례해 붙으니 전류가 두 배면 손실은 네 배다. 둘째, 전압강하가 커진다. 모터 쪽에 도달하는 전압이 낮아진다. 셋째, 설비 여유가 줄어든다. 변압기와 전선의 용량을 낭비하는 셈이다. 거기에 역률이 낮으면 전기요금 할증이 붙는다. 그래서 역률을 높이는 것이 설비 관리의 기본이다. 높이는 방법이 다음 대목의 콘덴서다.

역률개선용 콘덴서 용량은 이렇게 구한다

역률을 올리려면 콘덴서를 붙인다. 얼마짜리를 붙여야 하는지가 계산 문제다. 식부터 정본 그대로 세운다.

쓰는 법 · $P$ 는 유효전력, $\cos\theta_1$ 은 개선 전 역률, $\cos\theta_2$ 는 개선 후 역률이다.

이 식의 구조를 읽어라. 괄호 안은 개선 전 탄젠트에서 개선 후 탄젠트를 뺀 것이다. 탄젠트는 무효전력을 유효전력으로 나눈 값이다. 그래서 같은 형태를 짧게 이렇게도 쓴다.

쓰는 법 · 숫자를 넣어 보자. $P = 100$ 킬로와트, 역률 0.8을 0.95로 올리는 경우다.

끝까지 계산해 보자. 역률 0.8의 탄젠트는 $\frac{\sqrt{1 - 0.64}}{0.8} = \frac{0.6}{0.8} = 0.75$ 다. 역률 0.95의 탄젠트는 $\frac{\sqrt{1 - 0.9025}}{0.95} = \frac{0.3122}{0.95} \approx 0.328$ 다. 그러므로 $Q = 100 \times (0.75 - 0.328) = 42.2$ 킬로바어다. 약 42.2킬로바어짜리 콘덴서를 붙이면 된다. 곱하는 $P$ 가 크면 콘덴서도 커진다. 괄호 안의 차이는 역률을 얼마나 끌어올리느냐가 정한다. 식을 외우기보다 "탄젠트 차이에 유효전력을 곱한다"로 읽어 두면 문제가 바뀌어도 흔들리지 않는다.

조명의 네 가지 값 — 광속·광도·조도·휘도

네 값을 통째로 외우면 섞인다. 「무엇을 재는가」로 갈라 세워라. 전구에서 나오는 쪽이 있고, 비치는 대상 쪽이 있고, 보는 사람 쪽이 있다.

광속은 전구가 내는 빛의 총량이다. 단위는 루멘이다. 병뚜껑을 열고 사방으로 쏟는 물의 총량이라고 생각하라. 광도는 어느 한 방향으로 내보내는 세기다. 단위는 칸델라다. 스포트라이트처럼 한쪽으로 몰아 주면 그 방향의 광도는 커진다. 광속이 같아도 흩어느냐 모으느냐에 따라 광도가 달라진다.

조도는 면이 받는 밝기다. 단위는 럭스다. 럭스는 제곱미터당 루멘이다. 책상 위가 얼마나 밝은지를 잰다. 시험에 나오는 조도 계산의 조도가 이것이다. 휘도는 눈에 보이는 밝기다. 단위는 제곱미터당 칸델라다. 같은 조도라도 면이 반짝이면 눈에는 더 밝게 보인다. 검은 천과 흰 종이를 같은 빛에 놓으면 조도는 같지만 휘도는 다르다.

예를 들어 광속 1,600루멘 등 하나가 2제곱미터 책상 위에 빛을 고루 뿌리면 조도는 이론상 800럭스다. 루멘을 면적으로 나누면 럭스가 나온다는 관계만 기억해도 네 값이 어긋나지 않는다. 송신 쪽이 광속과 광도, 수신 쪽이 조도, 감각 쪽이 휘도다. 이렇게 셋으로 쪼개 붙여 두면 시험장에서 헷갈리지 않는다.

조도 계산 — 등 몇 개를 달아야 하나

방의 넓이와 목표 조도가 주어지면 등 개수를 구하는 문제가 나온다. 식부터 세운다.

쓰는 법 · $E$ 는 조도 럭스, $F$ 는 한 등의 광속 루멘, $U$ 는 조명률, $N$ 은 등 개수, $M$ 은 보수율(유지율), $A$ 는 면적 제곱미터다.

이 식을 등 개수로 뒤집으면 문제의 답이 나온다.

쓰는 법 · 40제곱미터 사무실을 300럭스로 밝히려 한다. 한 등의 광속이 5,000루멘이고 조명률 0.6, 보수율 0.8로 잡으면 $N = \frac{300 \times 40}{5000 \times 0.6 \times 0.8} = \frac{12000}{2400} = 5$ 개다.

기호 하나씩 읽어 보자. $F U M$ 은 분모에 있다. 한 등이 내는 빛이라도 전부 바닥에 닿지 않는다. 천장과 벽에 흡수되는 몫을 빼고 실제로 쓰이는 비율이 조명률 $U$ 다. 시간이 지나면 램프가 늙고 기구에 먼지가 앉는다. 처음보다 밝기가 줄어드는 것을 미리 깎아 두는 비율이 보수율 $M$ 이다. 둘 다 분모에 있으니 그 값이 작을수록 같은 밝기를 내려면 등이 더 많이 필요하다. 분모가 작으면 몫이 커지는 법이다.

점광원 하나가 비추는 밝기에는 별도의 법칙이 붙는다. 거리의 역제곱 법칙이다. 직각으로 받을 때 $E = \frac{I}{r^2}$ 다. 광도 $I$ 가 100칸델라인 등에서 2미터 떨어진 점의 조도는 $\frac{100}{4} = 25$ 럭스다. 거리가 두 배면 조도는 넷째 칸, 즉 네 분의 일이 된다. 거리 제곱이 분모에 붙었으니 두 배는 네 분의 일, 세 배는 아홉 분의 일이다. 손전등을 멀리 대면 급격히 어두워지는 이유가 이것이다.

조명 방식은 효율과 눈부심을 맞바꾼다

빛을 어디로 보내느냐에 따라 조명 방식이 다섯으로 갈린다. 빛이 아래로 직접 가느냐, 천장에 한 번 튕겨 오느냐의 차이다. 순서대로 늘어놓는다. 직접조명, 반직접조명, 전반확산조명, 반간접조명, 간접조명.

직접조명은 램프의 빛을 거의 그대로 아래로 보낸다. 빛이 낭비 없이 바닥에 닿으니 효율이 가장 좋다. 대신 눈에 램프가 들어오면 부시고 그림자가 진하다. 창고나 공장 같이 넓고 손이 빠른 곳에 쓴다. 간접조명은 빛을 전부 천장이나 벽에 쏴서 그 면이 다시 방을 비추게 한다. 눈이 부시지 않고 그림자가 부드럽다. 대신 빛이 면에 흡수되는 만큼 효율이 떨어진다. 같은 밝기를 내려면 등이 더 많이 필요하니 전기도 더 든다.

가운데 세 방식은 이 둘의 중간 단계다. 반직접조명은 빛의 대부분을 아래로, 조금을 위로 보낸다. 전반확산조명은 위아래로 고루 흩는다. 반간접조명은 대부분을 위로 보낸다. 간접 쪽으로 한 칸씩 갈수록 효율은 떨어지고 눈부심과 그림자는 준다. 하나를 얻으면 하나를 잃는 맞바꿈이다. 예를 들어 서재에서 램프를 눈높이에 그대로 노출하면 밝기는 충분해도 책이 눈에 든다. 그래서 덮개를 씌워 반직접으로 돌리는 식이다. 시험에는 "간접조명의 특징은" 하고 물으면 눈부심 감소와 효율 저하를 함께 묻는다.

전동기 배선은 기동전류를 견뎌야 한다

전동기는 막 켜는 순간 정격보다 훨씬 큰 전류를 먹는다. 회전자가 멈춰 있는 상태에서는 역기전력이 없어서 전류를 막을 것이 없기 때문이다. 돌기 시작하면 속도가 오르고 역기전력이 커지며 전류가 내려온다. 그 짧은 순간에 전선이 뜨거워져도 견디게 배선을 굵게 잡는 것이다.

규정을 정본대로 쓴다. 전동기 분기회로의 전선은 정격전류 합계가 50암페어 이하면 그 합계의 1.25배, 50암페어를 넘으면 1.1배 이상의 허용전류를 가져야 한다. 예를 들어 정격전류 합계가 40암페어면 50암페어다. 40에 1.25를 곱한 값이다. 합계가 60암페어면 66암페어다. 60에 1.1을 곱한 값이다. 50을 경계로 배율이 바뀐다. 예사 전선 계산보다 한 단계 굵게 나오는 셈이다.

보호 기기의 구분도 있다. 과부하와 단락은 다른 사고다. 맡는 기기도 다르다. 과부하(정격보다 조금 큰 전류가 오래 흐르는 상태)는 열동계전기(서멀 릴레이, 금속이 닿는 온도차로 동작하는 계전기)나 전자식 과전류계전기가 막는다. 열이 차오르는 데 시간이 걸리는 사고이니 기동전류 정도로는 동작하지 않게 설정한다. 단락은 순식간에 흐르는 큰 전류이다. 차단기와 퓨즈가 끊는다. 전동기를 평소에 여닫는 것은 전자접촉기(마그네트, 전자석으로 접점을 움직이는 스위치)의 구실이다. 세 기기를 줄로 잇지 마라. 과부하는 계전기, 단락은 차단기, 여닫기는 접촉기다.

축전지 — 정전이 나도 꺼지지 않게

정전이 나면 소등 표시와 비상등은 살아 있어야 한다. 이때 전기를 대주는 것이 축전지다. 축전지 설비는 네 덩어리로 이루어진다. 축전지, 충전장치, 보안장치, 제어장치다. 평소에는 충전장치가 축전지를 가득 채워 둔다. 정전이 되면 축전지가 방전하며 부하를 받고, 전기가 돌아오면 다시 충전한다. 물탱크를 채워 두었다고 수도가 끊겼을 때 쓰는 것과 같다.

축전지에는 두 갈래가 있다. 연축전지의 공칭전압은 셀당 2.0볼트다. 알칼리축전지는 셀당 1.2볼트다. 예를 들어 연축전지 54셀을 이으면 108볼트다. 알칼리로 같은 108볼트를 만들려면 90셀이 필요하다. 시험에는 셀 수와 전압을 서로 묻는 문항이 자주 나온다.

필요한 용량을 구하는 식이 있다.

쓰는 법 · $L$ 은 보수율, $K$ 는 용량환산시간, $I$ 는 방전전류다.

구조를 읽어라. 보수율 $L$ 이 분모에 있다. 그러니 이 계산은 여유를 두는 계산이다. 축전지는 낡고 온도가 내려가면 실제로 꺼낼 수 있는 양이 준다. 그 감소를 미리 보상하라고 1을 보수율로 나눈다. 보수율이 1보다 작으면 용량은 그만큼 커진다. 분모가 작아지면 몫이 커지는 법이다. 방전전류 $I$ 와 환산시간 $K$ 는 분자에 있으니 둘 중 무엇이 커도 필요 용량은 커진다.

이 단원의 계산에서 놓치는 조건

세 가지 함정이 반복해 나온다. 각각 왜 그렇게 되는지까지 알아 두라. 조건을 놓치면 식은 맞는데 답이 틀린다.

첫째, 역률 계산에서 개선 전과 후를 바꿔 넣는 것이다. $Q$ 를 구하는 식에서 $\cos\theta_1$ 이 개선 전이고 $\cos\theta_2$ 가 개선 후다. 괄호 안은 전에서 후를 뺀다. 순서를 바꾸면 답이 음수가 나온다. 음수의 콘덴서는 없으니 답이 나오지 않아 다행이지만, 탄젠트 값 자체를 서로 뒤집어 계산해 양수로 나오는 함정도 있다. 숫자를 대입하기 전에 어느 쪽이 0.8이고 어느 쪽이 0.95인지부터 줄에 적어라.

둘째, 조도 식에서 보수율과 조명률을 섞는 것이다. 둘은 구실이 다르다. 조명률은 빛이 천장과 벽에 흡수되고 바닥에 닿는 비율이다. 보수율은 먼지와 노후로 밝기가 줄어드는 것을 깎아 주는 비율이다. 둘 다 분모에 붙지만 이름이 다르다. 문제가 주는 값을 어느 기호에 넣을지 글자를 읽고 정하라. $N$ 개수 식과 $E$ 조도 식을 왕복 변형할 때도 $M$ 의 위치가 바뀌지 않는다는 점을 확인하라.

셋째, 전동기 전선 굵기에서 합계 전류 기준을 놓치는 것이다. 배율은 전동기 하나의 정격전류가 아니라 분기회로 전동기들의 정격전류 합계에 곱한다. 예를 들어 25암페어짜리 두 대가 한 분기회로에 있으면 기준은 50암페어다. 한 대만 놓고 31.25암페어를 구하면 틀린다. 거기에 50암페어를 넘느냐 못 넘느냐로 1.25배와 1.1배가 갈린다. 합계부터 구하고 배율을 정하라.

설비 기기 이름과 역할표

이 단원의 기기를 하나의 표로 모아 둔다. 이름과 하는 일, 그리고 주의할 점만 적는다.

계산은 손으로 한 번 끝까지 해 봐야 안다

이 단원의 계산은 종류가 정해진 세 가지다. 역률개선 콘덴서 용량, 조도 계산의 등 개수, 전동기 전선 굵기. 눈으로 읽어서는 실력이 붙지 않는다. 손으로 한 번씩 끝까지 풀어 보라.

복습법을 제시한다. 먼저 역률 문제 하나를 고른다. 유효전력 100킬로와트를 역률 0.8에서 0.95로 올리는 것으로 좋다. 탄젠트 두 개를 따로 구해 줄에 적고, 차이에 100을 곱해 마지막 자리까지 쓴다. 다음으로 조도 문제 하나를 고른다. 면적과 목표 조도, 한 등의 광속을 스스로 정하고 조명률과 보수율을 곱해 분모를 만든 뒤 등 개수를 구한다. 나누어 떨어지지 않으면 올림하는 이유까지 한 문장으로 적어 보라. 이 두 번을 거치면 식이 어디에 왜 붙어 있는지가 손에 익는다. 그다음에는 조건을 바꿔 낸 문제도 같은 줄길로 풀리게 된다.