Transcript EMP 방호시설의 설계 및 성능 검증 방안

전기설비기술기준 워크샵
2012. 4. 17
한국전력기술 송이철
전기설비기술기준 워크샵
1
EMP 위협
2
HEMP 관련 규격
3
HEMP 방호 성능 검증
4
HEMP 대책
5
결론
1. EMP 위협
앨빈 토플러 저서 <War and Anti-War>
 유엔의 승인을 받은 미공군의 B-2 스텔스 전략폭격기 북한의 핵시설 3개소 공격
 폭격기로부터 발사된 전자기폭탄(EMP-bome)에 의해 공격을 받음
 공격에 따라 핵기폭 장치 가까이서 근구하는 기술요원이 가벼운 화상을 입음
 반면에 핵시설 기폭장치의 고감도 전자구성품 용해(melt-down) 됨
미 의회가 북한·이란의 EMP 공격을 상정해 분석한 결과 400㎞ 상공에서
1~2 메가톤급 이상의 EMP탄이 터지면 미 대륙 절반에 걸쳐 전자 장비가
파괴되고 수조 달러의 경제적 피해가 발생할 것으로 예상됐다. 컴퓨터·차
량의 전자 시스템 파괴는 물론 송전 시스템도 고장 나 1년 이상 정전이 발
생하며, 산업 전체에 엄청난 영향을 미치는 것으로 예상했다. 컴퓨터 파괴
는 사회 시스템을 파괴하고 항공기·철도·차량의 가동 정지로 이어져 물
류가 중지될 것으로 봤다. EMP 폭발 몇 주 내에 굶어 죽는 사람들이 발생할
것으로 나타났다
전자폭탄(E폭탄, electronic bomb)의 공식 명칭은 "고전력 극초단파 빔
(HPMs, High Powered Microwave beams)”전자폭탄은 컴퓨터, 통신장
비 등 모든 전자기기를 파괴하는 것으로 전자기파 펄스를 이용해 사람에
게는 피해를 주지 않고 상대방의 전자장비를 무력화하는 신종 무기
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1. EMP 위협-HEMP 피해
-4-
1. EMP 위협
The Electromagnetic Environment
-5-
1. EMP 위협
EME(Electromagnetic Enviroment Effects)
EMC/EMI/RFI
RE, CE
HPEM
HPEM
RS, CS
High
HighPower
PowerElectroMagnetics
ElectroMagnetics
LEMP
LEMP
NEMP
NEMP
Lightning
LightningEMP
EMP
Direct
Lightning
Indirect
Lightning
Nuclear
NuclearEMP
EMP
NNEMP/IEMI
NNEMP/IEMI
Non-Nuclear
Non-NuclearEMP
EMP
Intentional
IntentionalEMI
EMI
HEMP
HPM
High Altitude
EMP
High Power
Microwave
UWB
Ultra-Wide Band
EMC: Electromagnetic Compatibility, EMI: Electromagnetic Interference, RFI: Radio Frequency Interference,
RE: Radiated Emission, CE: Conducted Emission, RS: Radiated Susceptibility, CS: Conductive Susceptibility
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1. EMP 위협
핵실험- HEMP
 미국 스타피쉬(Starfish) 실험: 1962년 존스턴 에톨 상공 400km에서 핵실험
(약 1MT)
 영향: 진앙지에서 1445km 떨어진 하와이 호놀롤루에 있는 전자장비의 오동작
 무선통신 30분 동안 두절
 도난 경보기, 공급 사이렌이 폭발과 동시에 울림, 가로등이 꺼짐
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1. EMP 위협
HEMP 시뮬레이션
 서울상공 70km 상공 폭발
 10kT 핵탄두 폭발
 최대 전계상승비 84.5kV/m
 Tan 가까이 14.3kV/m
 중국의 동북3성, 일본의 남서부 :
10~30 kV/m
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1. EMP 위협-HEMP 형태
IEC 61000-2-9
HEMP 형태
특징
피해대상 기기
E1
t<1μs
계전기 및 전자제어 기기
Upset-Relay:3.2kV, PLC/PC:0.5KV
다이오드, 트랜지스터 소손
E2
1μs<t<1s
뇌보호설비로 보호가능
E3
t>1s
10km 이상의 장거리 송전선로와 결합
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1. EMP 위협
낙뢰, HEMP, UWB 신호의 주파수 분포(IEC 61000-2-13)
비교 항목
HEMP
Lightning
E-bomb
전압 [kV/m]
50 kV/m
수 kV/m
수 kV/m
펄스 상승시간
2~5 ns
1.5μs
70~80μs
펄스 유지시간
수 μs
50μs
100μs
반경 수백 km
특정
-10- 지역
특정 지역
피해반경
1. EMP 위협-HPEM
러시아의 HPEM 발생기
특성/명칭
출력(kV)
안테나입력
(MW)
안테나 타입
발생기와 측정
점간 거리
(m)/E(kV/m)
tr(ps)
Max 반복 주파
수(Hz)
수직/수평 지향
성
Sniffer
Sniffer-M
E-140/64
Gigawatt
150
170
137
500
450
578
370
5000
Parabola
Reflector
Dia:2.6m
Lattice Ant. 144
TEM,
size : 2 x2㎡
Lattice Ant. 64
TEM,
size :1.2x1.2㎡
Mono TEM
size:0.66x0.4㎡
27.5/10
100/10
50/10
45/10
-
250
200
98
500
1000
50
10
±5.3
±7.5/8.5
±7.5/9.7
±10.5/12
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1. EMP 위협
변전소
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1. EMP 위협
E1 HEMP Impacts on the Power Grid
1. High voltage substation controls and communications
2. Power generation facilities
 PLC((Programmable Logic Controllers) E1 HEMP fail voltage-0.6kV, 3.3kV
 유도전압: 수직케이블-70kV, 수평 매설케이블-20kV
3. Power control centers
 컴퓨터 및 통신시설: E1 HEMP fail voltage-0.5kV, 건물 차폐 및 등전위본딩 대책
4. Distribution line insulators
 시험파형(파두장): 1.2μs, E1 HEMP 파형: 5ns
5. Distribution transformers
 Lightning surge arrester가 빠른 E1 HEMP transients으로 부터 보호하지 못함
 High-Frequency Protection Concepts for the Electric Power Grid, 2010, Oak Ridge National Laboratory
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2. HEMP 관련 규격
-14-
2. HEMP 관련 규격
HEMP IEC TC 77C
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3. HEMP 방호 성능 검증
SE (Shielding Effectiveness) Test
 차폐효과 요구수준 (MIL STD 188-125-1&2)
 철(Fe) 또는 구리(Cu) 이용 차폐
 차폐성능 시험 시 모든 시설의 정상적인 작동 상태 하에서 수행
PCI (Pulsed Current Injection) Test
 펄스 전류를 외부 케이블에 인가, 차폐벽 내부로 유입되는 양이 허용
한계치 이내인지 검증
 펄스종류: short pulse, Intermediate pulse, Long Pulse
CWI (Continous Wave Immersion) Test
 방사 연속파(CW) 전계를 전자기 장벽의 외부 표면에 조사(illumination)
하고 전자기 장벽 내부의 응답 전계를 측정하고 차폐 결함과 부적절하게 방호
된 개구 침입점을 규명하는 시험
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3. HEMP 방호 성능 검증
HEMP 방사성 내성 시험 레벨
Mil STD 461E
RS105
Mil STD 2169
IEC 61000-4-25
50
0.5(R1)~50(R7)
상승시간(10~90%)
1.8~2.8 ns
2.0~2.5 ns
진폭 최대값의 50%
23 ns±5 ns
25~30 ns
비교 항목
전계 [kV/m]
시험주파수
100kHz~300MHz
IEC Early HEMP(R7) & RS105 파형
전자기파 차폐 성능기준(SE)
※ SE = 위협레벨-내성레벨+안전마진
위협레벨 : 50kV/m, 내성레벨: 10V/m, 안전마진: 8dB(REG 1.180)
SE(dB) ≥ 20log [(50kV/m)/(10V/m)]+8[dB] = 82 [dB]
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3. HEMP 방호 성능 검증
HEMP 전도내성 시험 레벨 (IEC 61000-4-25)
시험레벨 1Voc [V]
Isc [A]
파형
EC1
100
1
감쇠정현파
EC2
250
2.5
감쇠정현파
EC3
500
5
감쇠정현파
EC4
1000
10
감쇠정현파
EC5
2000
20
감쇠정현파
EC6
4000
40
감쇠정현파
EC7
4000
80
5/50ns
EC8
8000
160
5/50ns
EC9
16000
320
5/50ns
EC10
25000
500
25/500ns
EC11
160kV
320
10/100ns
IC3
1000
25
10/700μs
LC2
400
1.33
1초/60초
LC3
400
25
1초/60초
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EC10
LC3
3. HEMP 방호 성능 검증
초기 HEMP에 대한 전도성 내성 시험 레벨 적용 예 (IEC 61000-4-25)
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3. HEMP 방호 성능 검증
감쇠진동파
비교 항목
CS116
IEC 61000-4-12(2000)
IEC 61000-4-18(2006)
시험레벨
0.1A~5A-신호선
Level 2: 1kV(5A)-신호선
Level 3: 2kV(10A)-전원선
Level 3: 2kV
Level 4: 4kV
시험주파수
10/100kHz,
1/10/30/100MHz
100kHz 또는 1MHz
3/10 or 30MHz
상승시간
75ns
75ns
5ns
반복율
2초당 1펄스 이상
40/s(100kHz), 400/s(1MHz)
5000/s
IEC 61000-4-12
CS 116
-20-
3. HEMP 방호 성능 검증
EFT(급속과도파)
비교 항목
CS115
IEC 61000-4-4
시험레벨
5A-전원선
2A-신호선
Level 3—2kV(5.6 A)-전원선
Level 3—1kV(2.8 A)-신호선
상승시간
2ns
5ns
유지시간
30ns
50ns
시험시간
1분
1분
반복율
30Hz
5 또는 100 kHz
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3. HEMP 방호 성능 검증
EFT 시험결과
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4. HEMP 대책-전자파 보호개념
-23-
4. HEMP 대책
HEMP 보호 방법-건물
Zone
보호 방법
1
철근 콘크리트
2
차폐실
3
차폐실
4
기기 차폐
-24-
4. HEMP 대책
High-Frequency EM coupling 저감(1)
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4. HEMP 대책
High-Frequency EM coupling 저감(2)
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4. HEMP 대책-방호시설
※ 주요 전력 기간시설에 대한 HEMP 방호시설 설치기준 제정 필요
전자파 차폐효과 측정 기준
HEMP 방호기준
MIL STD 285 차폐시설의 감쇄특성 측정 MIL STD 188-125-1 고정시설
IEEE 299 차폐효과 측정기준
MIL STD 188-125-2 이동기기
-27-
4. HEMP 대책-방호기술
HEMP 피해 형태
HEMP 방호대상
스마트그리드 전력망

전기 전자 장비 및 시스템에 영향
-
트랜지스터, 다이오드 Burn out 송배전망 및 변전소
-
CPU, 마이크로 프로세서
Shielding
•단계적 차폐기술
•공기배기구
•케이블(Power & signal)
•Door
•Connector
발전소
HEMP 방호대책
차폐패널
EMP 방호 문
Filtering(신호,전원)
Bonding(접속)
Honeycomb(통풍구)
Grounding
Filtering
Isolation
•PCB
•Case
•System & Sub system
•Signal & Power
•접지 본딩 기술
•Power Lines
•Interface Siignal
•RF signal
•Digital & Analoge
•Grounding
•대용량 & 소용량
회로
-28-
4. HEMP 대책-방호기술
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5. 결론
미래의 전쟁은 전쟁은 고출력 전자파를 이용한 전자전 대세
중요 전력시설에 대한 HEMP 방호 기준 정립 시급
HEMP 방호 설계 및 시공 기술 개발
MIL STD 461F, RS105 시험 적용에 대한 검토가 필요
HEMP가 고려되지 않은 Smart Grid와 원자력발전소 필수 계측제어 설비
에 대한 EMP Shelter 및 EMP 기기검증에 대한 연구 필요
전기설비기술기준: 중요 전력 설비에 대한 EMP 보호등급 지정 및 등급별
보호대책 및 기기검증에 대한 규정의 도입에 대한 연구 필요
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