전기기사 전력공학 송전·배전·수변전 단원별 완전 정복

핵심 공식·회로도·기출 전략을 한 번에 — 전력공학 고득점 필수 가이드

전기기사 시험 대비 🔴 고급 KEC 2023 IEC 60617

01 / 개요

전력공학 과목 개요 및 학습 전략

전기기사 필기 시험에서 전력공학은 20문항이 출제되며, 송전·배전·수변전 세 단원이 전체 출제 비중의 70% 이상을 차지합니다. 이 과목은 단순 암기보다 개념 이해와 계산 능력을 동시에 요구하기 때문에, 공식의 유도 과정을 함께 이해하는 것이 장기 기억에 훨씬 효과적입니다. 특히 송전선로의 등가회로 해석, 단락 용량 계산, 배전 방식의 보호 협조는 매년 빠짐없이 출제되는 핵심 영역입니다. 단원별 개념을 독립적으로 암기하기보다는 발전소 → 송전 → 배전 → 수변전으로 이어지는 전력 흐름 전체를 하나의 그림으로 이해하는 통합적 접근이 고득점의 열쇠입니다.

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송전

발전소에서 생산된 전력을 초고압·고압 상태로 장거리 전송하는 단계입니다. 등가회로(단거리·중거리·장거리), ABCD 상수, 전압강하 및 전력손실 계산이 핵심 출제 영역입니다. 코로나 현상, 인덕턴스·커패시턴스 분포 정수 선로 해석도 반드시 학습해야 합니다.

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배전

변전소에서 수용가 인근까지 전력을 분배하는 단계로, 방사형·환상형·망상형 배전 방식이 비교 출제됩니다. 전압 조정 방법(승압기, 콘덴서 뱅크), 보호 협조(퓨즈·리클로저·섹셔널라이저)의 동작 순서가 자주 출제됩니다. 배전 손실 저감 대책과 역률 개선도 중요한 계산 항목입니다.

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수변전

수용가 구내에서 수전한 특고압을 저압으로 변환·공급하는 설비 일체를 말합니다. 변압기 병렬 운전 조건, 단락 용량 계산, 차단기 정격, 보호계전기 선정이 핵심 출제 포인트입니다. 단선결선도(SLD) 해석 능력은 필기와 실기 모두에서 요구됩니다.

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보호·안정도

전력계통의 고장 시 신속하게 고장 구간을 분리하고 정상 운전을 회복하는 보호 협조 체계를 이해해야 합니다. 정태 안정도·동태 안정도·과도 안정도의 개념과 한계 전력 계산, 동요 방지 대책(신속 차단, AVR, PSS)이 전기기술사 수준의 심화 문제로도 출제됩니다. 기사 필기 수준에서는 정태 안정도 개념과 전력원선도 해석이 우선입니다.

02 / 단선결선도

송전·배전·수변전 계통 단선결선도 (Single Line Diagram)

그림 1. 발전소 154kV → 22.9kV 배전 → 380V 수변전까지의 전력 계통 단선결선도(SLD). 특고압(적색), 배전압(주황), 저압(청색), 접지(녹색)로 전압 등급을 구분하였으며, 차단기(CB)·단로기(DS)·변압기·피뢰기(LA)·계기용 변압기(PT/CT)의 표준 기호를 IEC 60617 기준으로 표기하였습니다.

03 / 기기 구성

주요 기기별 역할 및 선정 기준

전력 계통을 구성하는 각 기기는 수전·변전·배전·보호의 역할을 분담하며, 전기기사 시험에서는 기기별 기능과 선정 기준 계산이 단골 출제 항목입니다. 차단기 정격 차단 용량은 단락 전류와 직결되므로 단락 임피던스 계산을 함께 이해해야 합니다. 변압기는 %임피던스, 병렬 운전 조건, 결선 방식(△-Y, Y-Y, △-△)이 핵심이며, 결선 방식에 따른 위상 변위도 중요합니다. 보호계전기는 동작 특성 곡선(TCC)을 통해 상위·하위 기기 간 보호 협조를 실현하므로, 동작 시간과 배율의 개념을 수치로 익혀야 합니다.

기기명	IEC번호	역할	전압/용량	선정기준
진공차단기 (VCB)	IEC 62271-100	고장 전류 차단, 회로 개폐	22.9kV / 정격 차단 전류 25kA	단락 용량 ≥ 3상 단락 전류 × √3 × 정격전압 계산값
단로기 (DS)	IEC 62271-102	무전압·무전류 상태에서 회로 분리 (가시적 개방)	22.9kV / 600A 이상	부하 전류 차단 능력 없음 — 반드시 CB 개방 후 조작
주변압기 (TR)	IEC 60076	전압 강압, 계통 절연, 임피던스 매칭	154/22.9kV 또는 22.9/0.38kV, 용량 kVA	최대 수용 전력 / 역률 / %Z(병렬 운전 시 용량비 비례)
피뢰기 (LA)	IEC 60099-4	낙뢰·개폐 서지 흡수, 기기 절연 보호	정격전압 ≥ 1.25 × 선간전압 / √3	속류 차단 능력, 에너지 흡수 용량 kJ/kV 확인
계기용 변류기 (CT)	IEC 61869-2	대전류를 5A(또는 1A)로 변환하여 계측·보호	1차 정격 전류 / 변류비 5P20(정밀도·부담)	부담(Burden), 과전류 배율, 정밀도 계급(0.5, 1, 5P) 선정
과전류계전기 (OCR)	IEC 60255-151	과부하·단락 전류 검출 시 CB에 트립 신호 발생	동작 전류 설정: 부하 전류의 150~200%	상위 CB와 보호 협조(TCC 곡선) — 시간-전류 특성 일치

04 / 전력 흐름

전력 흐름 단계별 해설

전기기사 시험에서 '전력 흐름' 관련 문제는 특정 단계의 손실·전압강하·안정도를 계산하는 형태로 출제됩니다. 각 단계의 목적과 주요 수식을 연결지어 이해하면 계산 문제에서 실수를 줄일 수 있습니다. 아래 5단계 흐름은 발전소 출발부터 수용가 최종 단자까지의 전 과정을 나타내며, 각 단계에서 어떤 손실과 전압 변동이 발생하는지 명확히 파악하는 것이 핵심입니다. 특히 3단계 배전과 4단계 수변전에서의 전압 조정 방법은 시험 빈출 항목이므로 역률과 용량 계산을 함께 숙달해야 합니다.

발전 및 승압 (Generation & Step-Up)

발전기에서 생산된 전력(일반적으로 11~22kV)은 승압 변압기(GSU)를 통해 154kV 또는 345kV로 승압됩니다. 전압을 높이면 전류가 줄어 I²R 전력손실이 대폭 감소하므로, 장거리 송전 효율이 극대화됩니다. 전기기사 시험에서는 승압비(a = V₁/V₂), 변압기 효율, %임피던스를 이용한 단락 전류 계산이 자주 출제됩니다. 발전기 내부 임피던스, 동기 리액턴스, 역률 각도 관계도 함께 정리해 두세요.

송전 선로 (Transmission Line)

154kV 이상의 초고압 계통에서 전력을 장거리 전송하며, 선로의 저항(R)·인덕턴스(L)·커패시턴스(C)·컨덕턴스(G) 분포 정수로 표현합니다. 단거리 선로(수십 km 이하)는 R·L만 고려하고, 중거리 선로(수백 km)는 T형 또는 π형 등가회로, 장거리 선로는 쌍곡선 함수를 사용하는 분포 정수 회로로 해석합니다. ABCD 상수(4단자 정수)는 송전단 전압·전류와 수전단 전압·전류를 행렬로 연결하며, 전기기사·기술사 모두 핵심 계산 항목입니다. 페란티 현상(경부하 시 수전단 전압 상승)과 코로나 임계전압 공식도 반드시 숙지하세요.

배전 계통 (Distribution System)

변전소에서 22.9kV(또는 6.6kV)로 강압된 전력을 수용가 근처까지 공급하는 단계이며, 방사형·환상형·망상형 배전 방식이 대표적입니다. 방사형은 구성이 단순하고 경제적이나 고장 시 광범위 정전이 발생하고, 환상형은 배전 신뢰도가 높으며 망상형은 대도시 지하 계통에 적용됩니다. 전압 조정 수단으로는 승압기(Step-voltage regulator), 분로 콘덴서(역률 개선), On-load tap changer(OLTC)가 활용됩니다. 보호 협조는 변전소 메인 CB → 선로 VCB → 리클로저 → 섹셔널라이저 → 퓨즈 순서로 선택적 차단을 구현합니다.

수변전 설비 (Customer Substation)

수용가 구내 수변전실에서 22.9kV를 380V/220V로 강압하여 건물 내 부하에 공급하는 최종 변환 단계입니다. 수전 방식에는 1회선 수전(소규모), 2회선 수전(중규모, 예비 회선 확보), 스팟 네트워크(대규모 빌딩)가 있으며, 수용 면적과 부하 크기에 따라 선정합니다. 단락 용량 계산(Ps = √3 × V × Is) 및 변압기 %Z를 이용한 단락 전류 산출이 시험 빈출 계산입니다. 최대 수용 전력 = 설비 용량 × 수요율, 부하율 = 평균 전력 / 최대 전력 공식도 반드시 암기하세요.

부하 공급 및 역률 관리 (Load Supply & PF Management)

380V 저압 모선에서 동력부하(모터)·조명·전열 등 각종 수용가 부하에 전력을 공급하며, 이 단계에서 역률 관리가 매우 중요합니다. 역률이 낮으면 무효 전력 소비가 증가하여 선로 전류가 커지고, 전압강하와 전력손실이 증가하며 한전의 역률 위약금이 부과됩니다. 콘덴서 용량 계산(Qc = P(tan θ₁ - tan θ₂))으로 목표 역률 달성에 필요한 콘덴서 용량을 산출하는 문제가 전기기사 시험에 매년 출제됩니다. 역률 개선 후 전압강하 감소, 선로 손실 저감, 변압기 용량 여유 증가 효과도 함께 이해해야 합니다.

05 / KEC 기준

현장 실무 포인트 및 수험 전략

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ABCD 상수 암기법

ABCD 상수는 A(무차원, 수전단 전압 기여), B(임피던스 차원, 전류→전압), C(어드미턴스 차원, 전압→전류), D=A(대칭 4단자)로 외우면 됩니다. 단거리 선로에서는 A=D=1, B=Z, C=0이 되므로 계산이 단순화됩니다. 중거리 선로는 T형(직렬 Z/2, 병렬 Y)과 π형(병렬 Y/2, 직렬 Z)을 구분하여 행렬식으로 유도하는 연습이 필요합니다. 기출 문제에서 ABCD 행렬이 주어지고 수전단 전압을 구하는 문제가 자주 출제되므로, 행렬 곱셈 연산을 빠르게 할 수 있도록 반복 훈련하세요.

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단락 용량 계산 공식 정리

3상 단락 전류 Is = Vn / (√3 × Z_total)이며, 단락 용량 Ps = √3 × Vn × Is = Vn² / Z_total로 계산합니다. %임피던스를 이용한 단락 전류 계산 Is = (100 / %Z) × In도 반드시 숙지해야 합니다. 변압기 뱅크를 직렬·병렬 연결할 때 합성 임피던스가 어떻게 변하는지 기본 회로 이론과 연결하여 이해해야 오류를 줄일 수 있습니다. 기준 용량(Base MVA)이 바뀌면 %Z 값도 비례하여 환산해야 하므로, 퍼유닛(per unit) 계산법 연습이 기술사 수준 대비에도 필수적입니다.

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페란티 현상 vs 전압강하 구분

페란티 현상은 경부하 또는 무부하 상태에서 선로 커패시턴스의 충전 전류로 인해 수전단 전압이 송전단 전압보다 높아지는 현상으로, 장거리·케이블 선로에서 주로 발생합니다. 반면 부하 전류가 증가할수록 저항·인덕턴스 전압강하가 커져 수전단 전압이 낮아지는 전압강하 현상이 발생합니다. 이 두 현상을 혼동하여 오답 처리되는 경우가 많으므로, 부하 크기에 따른 전압 변화 방향을 명확히 정리해 두세요. 대책으로는 페란티: 분로 리액터 설치, 전압강하: 직렬 콘덴서 또는 승압기 적용이라는 점도 함께 암기하세요.

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역률 개선 콘덴서 용량 계산

역률을 cos θ₁에서 cos θ₂로 개선할 때 필요한 콘덴서 용량은 Qc = P(tan θ₁ - tan θ₂) [kvar]로 계산합니다. 여기서 P는 부하의 유효 전력(kW)이고, θ₁·θ₂는 개선 전·후의 역률각입니다. 시험에서는 전력 삼각형을 먼저 그려서 풀면 실수를 방지할 수 있으며, 역률 개선 후 선로 전류 감소량(ΔI)과 전력손실 감소량(ΔP_loss = I₁²R - I₂²R)까지 연계 계산하는 고급 문제도 출제됩니다. 역률 개선으로 인해 변압기 부하 전류가 줄어들면 동일 변압기로 더 많은 유효 전력을 공급할 수 있다는 개념적 이해도 함께 갖추세요.

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보호 협조 곡선(TCC) 읽기

보호 협조는 고장 전류 크기에 따라 하위 보호기기(퓨즈·섹셔널라이저)가 먼저 동작하고 상위 CB는 나중에 동작하도록 시간-전류 특성(TCC) 곡선을 조정하는 것입니다. 전기기사 시험에서는 특정 고장 전류 크기에서 퓨즈와 계전기의 동작 시간을 비교하는 문제가 출제됩니다. TCC 곡선에서 퓨즈의 최소 용단(minimum melt) 곡선과 최대 차단(total clearing) 곡선의 차이를 이해하고, 그 사이에 상위 리클로저 동작 특성이 위치해야 협조가 성립함을 기억하세요. 리클로저의 재투입 횟수(보통 3회) 및 최종 잠금(lock-out) 동작도 시험 빈출 내용입니다.

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변압기 온도·효율 관련 계산

변압기 효율 η = P_출력 / P_입력 = P_출력 / (P_출력 + P_철손 + P_동손)이며, 최대 효율 조건은 철손 Pi = 부하율² × 동손 Pc_full일 때 성립합니다. 시험에서는 부하율 m이 주어지고 그 부하율에서의 동손을 Pc = m² × Pc_full로 계산한 후 효율을 구하는 문제가 자주 출제됩니다. 올해 기사 시험에서도 최대 효율 부하율 m = √(Pi/Pc_full)을 구하는 계산 문제가 출제되었으므로, 이 공식은 반드시 암기해야 합니다. 변압기 온도 상승과 열화 수명 관계(아레니우스 법칙), 절연 내력 등급(A·E·B·F·H)도 기술사 수준 출제 항목이므로 심화 학습 시 참고하세요.

07 / 시험 포인트

전기기사·기술사 빈출 포인트

ABCD 상수와 4단자 정수 계산: 단거리·중거리·장거리 선로별 등가회로와 ABCD 행렬값을 반드시 구분하여 암기해야 합니다. 특히 중거리 선로의 T형과 π형 등가회로에서 각 ABCD 원소값이 다르므로, 주어진 조건에 따라 정확한 등가회로를 선택하는 것이 관건입니다. 수전단 전압·전류를 ABCD 행렬로 표현한 뒤 역행렬이나 직접 대입으로 송전단 값을 역산하는 계산 연습을 충분히 하세요. 기사 시험에서 ABCD 관련 문제는 매 회차 1~2문항 출제되므로 반드시 확실히 다져야 할 영역입니다.
단락 전류 및 단락 용량 계산: %임피던스법을 이용한 3상 단락 전류(Is), 단락 용량(Ps = √3VIs), 차단기 정격 선정 과정이 매년 출제됩니다. 기준 용량 변환 시 %Z' = %Z × (기준 MVA_new / 기준 MVA_old) 공식을 활용하여 복수의 임피던스를 합산할 수 있어야 합니다. 1선 지락, 2선 단락, 3상 단락 고장의 고장 전류 크기 순서(3상 > 2선 > 1선)와 대칭 좌표법(정상·역상·영상 분량)의 기본 개념도 기술사 시험 수준에서 출제됩니다. 차단기 정격 차단 용량은 최악 조건(무한 모선 단락)에서의 단락 용량 이상으로 선정해야 한다는 원칙을 이해하세요.
전력 계통 안정도 개념 및 대책: 정태 안정도는 소 교란에 대한 계통의 복귀 능력이며, 최대 전송 가능 전력 Pmax = (V₁ × V₂) / X로 표현됩니다. 과도 안정도는 대규모 사고(단락, 탈락) 후 계통이 새로운 평형점에 안착하는지 여부이며, 동요 방지 대책으로 고속 차단(차단기 동작 시간 단축), 자동 전압 조정기(AVR), 전력계통 안정화 장치(PSS), 고속 재투입이 활용됩니다. 기사 시험에서는 안정도의 정의와 향상 대책을 서술하는 문제, 기술사 시험에서는 등면적 법칙(Equal Area Criterion)을 이용한 과도 안정도 판별 문제가 출제됩니다. 부하 증가 시 전압 위상각 δ가 90°를 초과하면 정태 안정도 한계를 넘는다는 개념도 정확히 이해해야 합니다.
변압기 병렬 운전 조건 4가지: 변압기를 병렬 운전하기 위한 조건은 ① 권수비(변압비)가 같을 것, ② %임피던스가 같을 것(부하 분담 균등), ③ 극성이 같을 것(가극성·감극성 혼용 불가), ④ 결선 방식의 위상 변위가 같을 것(Δ-Y와 Y-Y 혼용 불가)입니다. 권수비가 다르면 무부하 순환 전류가 흐르고, %Z가 다르면 용량에 비례하지 않고 %Z에 반비례하여 부하를 분담하므로 과부하 기기가 발생합니다. 시험에서 병렬 운전 조건 중 틀린 것을 고르는 문제, 부하 분담 전류 계산 문제 모두 출제 빈도가 높습니다. 3권선 변압기, 단권 변압기(Auto transformer)의 절약 용량(자기 용량 / 2권선 환산) 계산도 기사 실기와 기술사 1차 시험에 출제된 바 있습니다.

08 / 안전

작업 안전 수칙

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활선 작업 절대 금지 (De-energization 원칙)

수변전 설비 점검·수리 시에는 반드시 전원을 차단하고 잠금-표지(LOTO: Lockout-Tagout)를 실시해야 합니다. 22.9kV 특고압 회로의 경우 인체가 0.9m 이내로 접근하면 섬락 위험이 있으므로, KEC 351 규정에 따른 안전 이격 거리를 반드시 준수해야 합니다. 차단기 개방 후에도 잔류 전하가 있을 수 있으므로, 접지 단락봉(접지 바)을 이용하여 잔류 전하를 방전시킨 후 작업에 착수해야 합니다. 전기 작업은 반드시 2인 1조로 진행하고, 감시자가 상시 대기하는 체계를 유지해야 합니다.

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LOTO(잠금·표지) 절차 준수

모든 에너지 차단 포인트(차단기, 단로기, 콘덴서 방전 단자)에 개인별 잠금 장치와 "작업 중 투입 금지" 표지판을 설치해야 합니다. 복수의 작업자가 동시에 작업할 경우 각자 별도의 잠금 장치를 적용하여, 한 명의 잠금 해제만으로 전원이 투입되는 사고를 방지해야 합니다. 산업안전보건기준에 관한 규칙 제319조~제321조에 따라 에너지 차단 작업 표준 절차서(SOP)를 사전에 작성하고 승인받아야 합니다. LOTO 실수로 인한 전기 감전 사망 사고는 매년 발생하고 있으므로, 절차서 준수 여부를 작업 전·중·후 3단계로 확인해야 합니다.

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적합한 개인 보호구(PPE) 착용

전기 작업 시에는 절연 장갑(전압 등급에 맞는 1000V·7500V·17000V 등급), 절연 안전화, 절연 안전모, 절연 방호복을 착용해야 합니다. 아크 플래시(Arc Flash) 위험 구역에서는 아크 에너지 계산(cal/cm²)을 바탕으로 아크 방호 등급에 맞는 FR(Flame Resistant) 복장을 착용해야 하며, 이는 NFPA 70E 기준을 따릅니다. 절연 장갑은 사용 전 핀홀 검사(공기 팽창 시험)를 실시하고, 6개월마다 정기 내전압 시험을 받아야 하며, 시험 합격 스티커가 붙어있는 것만 사용해야 합니다. 고전압 환경에서는 금속 시계·반지·체인 등 도전성 액세서리를 반드시 제거해야 합니다.

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작업 전 위험성 평가 및 TBM 실시

전기 작업 착수 전에는 위험성 평가(Risk Assessment) 결과를 바탕으로 위험 요인과 저감 대책을 확인하는 TBM(Tool Box Meeting)을 반드시 실시해야 합니다. 작업 범위·순서·비상 대응 절차(심폐소생술, 화재 대피 경로, 비상 연락망)를 작업 전 전원이 숙지해야 하며, 작업 허가서(Permit to Work) 발급 후 승인된 내용 범위 내에서만 작업을 진행해야 합니다. 수변전실 주변에 소화기(CO₂ 또는 할론 대체제), 절연 구조대, 심폐소생술 안내판을 비치하고, 위치를 모든 작업자에게 사전 공지해야 합니다. 작업 완료 후에는 임시 접지 바 제거, 방호구 철거, 잠금 해제 순서를 역순으로 진행하고, 전원 투입 전 최종 안전 확인(Clear and Close) 절차를 수행해야 합니다.

MBAR

전동기 절연 저항 측정 완전 정복! 메거 측정법·KEC 기준값 해석 비교표 포함"

전기기사 전력공학 송전·배전·수변전 핵심 공식 30선 단원별 완전 정리