Transcript 1 - 한국전력기술

2015. 9. 2
한국전력기술㈜
품질안전환경처
송이철 부장
1
EMP 위협
2
해외 동향
3
HEMP 관련 규격
4
결론
HEMP 방호 성능 검증
붙임2
HEMP 대책
1. EMP 위협
EMP
Electro Magnetic Pulse
LEMP
MEMP
Lightning EMP
Nuclear EMP
Direct
Lightning
NNEMP/IEMI
Non-Nuclear EMP
Intentional EMI
HEMP
HPEM
High Altitude
EMP
High Power
Electro magnetic
Indirect
Lightning
EMP 탄
HPM 무기
1
High power
Microwave
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
 토마호크(Tomahawk) 순항미사일 탄두에 EMP탄
적용
 JADM 유도시스템을 적용한 항공기 투하용 유도
EMP탄 개발
 이라크전에서 개발 중인 시험용 EMP폭탄을 사용
2
1. EMP 위협
북한 EMP 무기 위협
[2010년 11월 북한 연평도 포격]
북한의 HPM 무기로 인해 연평부대의 포병레이더(AN/TPQ-37)가 먹통이 되어 공격원점
을 찾지 못해 논밭에 포탄을 쏟았을 가능성 제기
[2011년 CIA 출신 핵무기 전문가 프라이 박사 VOA 인터뷰]
북한이 단 한번의 공격으로 통신망과 전력망을 무력화 시킬 수 있는 슈퍼 EMP 폭탄을
개발 가능성 언급
[2014년 하원 군사위원회 청문회, CIA 전 국장]
2004년 러시아 두뇌유출로 인해 러시아 EMP 폭탄 기술이 북한에 이전되었고, 앞으로
중국과 러시아를 따라 잡을 것으로 증언
대응 현황
- 주요 공공시설에 대한 EMP 대응 관련 법 및 제도 개정 중
- 군시설, 정부 중요설비 및 금융 전산센터에 EMP 방호설비 구축
- 합동참모본부(전쟁지휘 본부): EMP 방호성능 특급 적용(차폐율-100dB)
- 미 하원에 EMP 폭탄에 대비하는 방패법안(Shield Act, HR 2417)이 제안된 상태
3
1. EMP 위협
4
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
5
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
2008년 미의회 보고서(CRS 보고서)) (2007년 9월, 볼티모어 세지지 정책그룹과 IAN 연구소)
대기권 40~100km에 HEMP 폭발
- 피해반경: 800km, 전력, 통신망: 50% 파괴(장기간 정전 발생)
- 피해금액: 7700억 달러(GDP의 7%)
- 컴퓨터 제어 시스템의 붕괴에 항공기·철도·차량의 가동
- EMP 폭발 몇 주 내에 굶어 죽는 사람들이 발생
6
정지에 따른 물류 시스템 마비
1. EMP 위협-HEMP 형태
IEC 61000-2-9
HEMP 형태
특징
피해대상 기기
E1
수 ns
계전기 및 전자제어 기기; UpsetRelay:3.2kV, PLC/PC:0.5KV
다이오드, 트랜지스터 소손
E2
1μs<t<1s
뇌보호설비로 보호가능
E3
수십초~수분, 태양 흑점 폭발에 따른
변압기, 계전기, 계측 및 제어 기기
지자기 폭풍에 따른 GIC와 유사
7
1. EMP 위협-GIC에 따른 피해
태양 흑점 폭발에 따른 지자기 폭풍에 의해 발생한 GIC(Geomagnetically
Induced Current)에 따른 원자력발전소 변압기 파손사례
 Salem-1/Yankee, 미국, 1989/1991
8
1. EMP 위협
낙뢰, HEMP, HPM 주파수 분포(IEC 61000-2-13)
비교 항목
HEMP
Lightning
HPEM
전압 [kV/m]
~100 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 지역
특정 지역
피해반경
9
1. EMP 위협-HPM
자료: 정연춘,“전자파 보안 기술 동향”2010
10
1. EMP 위협-HPM
소형고출력 전자기파 발생 장치 민간에서 유통(Diehl EM Emitter, 러시아)
 120 kV/m, 350 MHz 감쇠 진동 정현파 발생
 초당 5개의 펄스를 30분간 연속 동작
 크기: 50×50×20 cm(28 kg)
11
1. EMP 위협-EMP 침입경로
변전소
12
1. EMP 위협
Testing EM Vulnerability of Grid Components
High electric field impact on electronics testing: a 24 kV/m electric field
causes a frequency shift in of an oscillator utilizing a JFET technology
operational amplifier
13
2. 해외 동향-유럽
YVL A11
302. Under Section 3 of the Government Decree (734/2008)
Design shall also account for the possibility that any person or group
attempting unlawful action may have conventional weapons and explosives
or ones based on an electromagnetic, chemical or biological impact, as well
as information and expertise unavailable to the public.
IAEA-CN-133/37 REGULATORY ASPECTS OF OLKILUOTO 3 NUCLEAR POWER
PLANT (EPR-1600) (2005)
The following external hazards are taken into consideration in the design of OL3:
- safe shutdown earthquake (SSE)
- airplane crash (APC)
- explosion pressure wave (EPW)
- HEMP/HPEM
14
2. 해외 동향-미국
NUREG 0933 Generic Safety Issues: Issue 20: Electromagnetic
Pulse on Nuclear Power Plants (Rev. 1)
Historical Background
This concern was raised because of the potential for a high-altitude nuclear weapon detonation
causing a large electromagnetic pulse (EMP) which subsequently could induce large currents
and voltages in electrical systems. The concern was that sensitive electronics at nuclear power
plants could be irreparably damaged. In addition, Petitions for Rulemaking on EMP (PRM-50-32,
32A, and 32B) have been filed.
Safety Significance
This issue is unique because of its ability to affect more than one plant at the same time. Portions
of a nuclear power plant's electrical, instrumentation and control systems may be disabled due to
the large currents and voltages which could be induced. Loss of critical systems such as offsite
power, emergency onsite power, etc., could lead to loss of core cooling with subsequent core
melt.
The original concern was that sensitive electronics would be irreparably damaged, but it now
appears that, if failure occurred, it would likely be only momentary (i.e., trip breakers, etc.) and
the failed equipment could be restored to service to continue core heat removal.
15
2. 해외 동향-미국
NUREG/CR-3069, "Interaction of Electromagnetic Pulse with Commercial Nuclear Power Plant
Systems," U.S. Nuclear Regulatory Commission, February 1983.
NUREG-0153, "Staff Discussion of 12 Additional Technical Issues Raised by Responses to the
November 3, 1976
Memorandum from Director, NRR to NRR Staff," U.S. Nuclear Regulatory Commission, 1976.
SECY-82-157A, "Status Report on the NRR Investigation of the Effects of Electromagnetic Pulse
(EMP) on Nuclear Power Plants," U.S. Nuclear Regulatory Commission, July 16, 1982. SECY-81641, "Electromagnetic Pulse (EMP)—Effects on Nuclear Power Plants," U.S. Nuclear Regulatory
Commission, November 5, 1981. [8202090418, 8111250553]
SECY-82-157, "Status Report on the Evaluation of the Effects of Electromagnetic Pulse (EMP) on
Nuclear Power Plants," U.S. Nuclear Regulatory Commission, April 13, 1982. [8205050108]
SECY-83-367, "Staff Study of Electromagnetic Pulse (EMP) Effects on Nuclear Power Plants and
Discussion of Related Petitions for Rulemaking (PRM-50-32, 32A, and 32B)," U.S. Nuclear
Regulatory Commission, September 6, 1983. [8312210152]
Memorandum for W. Dircks from S. Chilk, "SECY-83-367—Staff Study of Electromagnetic Pulse
(EMP) Effects on Nuclear Power Plants and Discussion of Related Petition for Rulemaking (PRM50-32, 32A, and 32B)," November 15, 1983. [8402270019]
16
2. 해외 동향-미국
NUREG/CR-3069(1983) Interaction of Electromagnetic Pulse with
Commercial Nuclear Power Plant Systems
Typical EMP Values
 Peak Electric Fields: 10-50 kV/m
 Pulse Rise Tim : 5~10 ns
 Pulse Duration : 0.5~1 ps
 Peak Power Density: 1~5 MW/m2
 Total Energy Density: 0.1~0.9 J/m2
-19-
2. 해외 동향-미국
NUREG/CR-3069(1983) Interaction of Electromagnetic Pulse with
Commercial Nuclear Power Plant Systems
The safe shutdown capability of nuclear power plants in general would
survive the postulated EMP event.
However, greater uncertainty is associated with this judgment when applied
to those plants which include design features that enhance coupling with
incident EMP (e.g., unshielded overhead or buried electrical cables between
the main building and satellite structures).
18
2. 해외 동향-미국
 Onsite power systems (back-up, emergency and station blackout) such as
batteries and emergency diesel generators are available in the event of loss
of power from the transmission system, and have a capability to provide
power for up to seven days, depending upon the circumstances
 The NRC has also published an Advance Notice of Proposed Rulemaking on
possible changes to the NRC’s station blackout rule. If adopted, the revised
rule is also expected to increase the capability of nuclear power plants to
cope with loss of offsite power for extended periods.
 The NRC is considering all information available to date about the threats
from a great geomagnetic storm and from a manmade EMP that could have
potential adverse effects on the safe operation of nuclear power plants
19
2. 해외 동향-미국
AP1000 European Design Control Document
LISTING OF UNRESOLVED SAFETY ISSUES AND GENERIC SAFETY ISSUES
Action Plan
Item/Issue No.
Title
Applicable
Screening
Criteria
20
Effects of Electromagnetic Pulse on
Nuclear Power Plants
C(Issue resolved
with no new
requirements.)
20
3. HEMP 관련 규격
MIL-STD 규격
MIL-STD-461F
- Sub-System 단위
- 항목: CS115, CS116, RS105
MIL-STD-464C
- System 전자기 환경
- HEMP 항목
MIL-STD-2169(비공개)
- 전자파 펄스 환경
MIL-STD-188-124
- 통신용 지상장비, 시설 접지, 연결,
차폐 가이드
MIL-STD-188-125-1
- 고정형 지상기지 C41 시설 최소
HEMP 방호시설 성능 요구조건
MIL-STD-188-125-2
- 이동형 지상기지 C41 시설 최소
HEMP 방호시설 성능 요구조건
MIL-STD-220
- RF 필터 시험 방법
MIL-STD-285
- 전자파 차폐율 시험 방법
MIL-HDBK 핸드북
MIL-HDBK-237~D
- 획득 프로세스를 위한 전자기환경
영향 및 스펙트럼 유지 가이드
MIL-HDBK-419~A
- 전자 장비와 시설에 대한 접 지,
연결, 차폐
MIL-HDBK-423(비공개)
- HEMP 지상장비의 C41용 고정시
설과 이동설비에 대한 방어기술
MIL-HDBK-691B
- 접착제와 연결방법
MIL-HDBK-1195
- RF 차폐 구조물 가이드
MIL-HDBK-1857
- 접지, 연결, 차폐 방법
MIL-HDBK-232A
- TEMPEST 기술 가이드
21
기술문서
EP 1110-3-2
- 전자파 펄스와 도청방지 대책을 위
한 시설물 설계기술
TOP 1-2-622
- 미 육군 EMP 시험절차 Report
TM 5-690
- C4l시설 접지와 연결 방법
ETL 91-2
- C41과 다른 중요한 지휘시스템
EMP 지침서
3. EMP 관련 규격
IEC TC 77C
61000-1(일반사항)
61000-2(EM 환경)
61000-4(시험 및
측정 기법)
61000-5(설치 및
경감 지침)
61000-6(일반표준)
22
4. 결론
1) 북한의 방사포, 미사일보다 위협적인 EMP weapon에 대한 대비 필요
2) 수출 경쟁력 및 원전 안전 강화 측면에서 HEMP, HPEM, GIC에 대한
설계 강화 필요
3) 원자력발전소 안전급 설비 설치 건물에 대한 Shielding
Effectiveness 성능평가 및 차폐성능 강화 방안 수립
4) HEMP, HPEM, GIC 발생시 비상 대응 Manual 수립
5) 안전급 전기계측 및 전력 설비에 대한 EMP 내성 강화 방안 수립
① CS116에 대한 대체 표준으로서 IEC 61000-4-12 적용 대신
IEC 61000-4-18이 바람직함
② RFI 내성 레벨 강화 필요
③ MIL STD 461F, RS105 시험 적용에 필요
23
붙임 1. 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 (Continuous 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
붙임 1-1
붙임 1. HEMP 방호성능 검증-방사내성
방사내성 시험레벨(IEC 61000-4-25)
시험레벨
기기 및 계통 보호
보호개념
(IEC 61000-5-3)
전계 파고값
kV/m
R1
40 dB 감쇠
4
0.5
R2
중간값
1
R3
중간값
2
R4
20 dB 감쇠
R5
중간값
R6
중간값
R7
현장 감쇠 없음
2A, 2B, 3
5
10
1A, 1B
20
50
붙임 1-2
붙임 1. HEMP 방호성능 검증-방사내성
HEMP 방사내성 시험시방
Mil STD 461E
RS105
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]
붙임 1-3
붙임 1. HEMP 방호성능 검증-전도내성
HEMP 전도내성 시험시방(IEC 61000-4-25:2012)
시험레벨 Voc [V] Isc [A]
파형
표준
주파수(MHz) Application
EC3
500
10
감쇠진동
IEC 61000-4-18
3/10/30
EC4
1000
20(1)
감쇠진동
IEC 61000-4-18
3/10/30
차폐성능(80dB)
EC5
2000
40(2)
감쇠진동
IEC 61000-4-18
3/10/30
차폐성능(40dB)
EC6
4000
80
감쇠진동
IEC 61000-4-18
3/10/30
EC7
4000
80
5/50ns
IEC 61000-4-4
1~100
EC8
8000
160
5/50ns
IEC 61000-4-4
1~100
IC2
2000
50
10/700μs
IEC 61000-4-5
IC3
4000
100
10/700μs
IEC 61000-4-5
LC3
400
25
60초
IEC 61000-4-25
MV 배전회로에
직접연결된 기기
LC4
4000
1500
60초
IEC 61000-4-25
HV 송전선로에
직접접속
주 (1) MIL STD 461E의 시험전류 5A 대응
(2) MIL STD 461E의 시험전류 10A 대응
붙임 1-4
뇌보호, 철근구조
붙임 1. HEMP 방호성능 검증-전도내성
초기 HEMP 전도내성 시험레벨(IEC 61000-4-25)
Probability
for long
lines(%)
교류 전원
통신선
I/O 데이터
및 직류전원
5
RF 차폐(60 dB)와 PoE 보호 건물
(옥내)
99
400V
(EC4)
400V
(EC3)
80V
(EC1)
RF 차폐(40 dB)와 과전압 및 EMI
4
(옥내) 보호 방 또는 건물
90
2kV
(EC5)
2kV
(EC5)
1kV
(EC4)
철근 차폐(20dB)와 교류 전원 낙뢰
2B
(옥내) 보호
50
8kV
(EC8)
8kV
(EC8)
2kV
(EC5)
50
16kV
(EC9)
8kV
(EC8)
12kV
99
25kV
(EC10)
8kV
(EC10)
(EC9)
90
160kV
(EC11)
-
-
보호
개념
기기 위치
2차 배전선로에 낙뇌 보호 장치가 없
1A
는 제대로 차폐되지 않은 빌딩 또는
(옥내)
거주지
낙뢰보호를 지닌 배전 전력선로에
1B
(옥외) 직접 접속
붙임 1-5
붙임 1. HEMP 방호성능 검증-전도내성
시험조건 비교
IEC 61000-4-12
비교 항목
CS 116
감쇠진동파
10kHz~100MHz
시험주파수 (0.01/0.1/1.0/
10/30/100MHz)
2001년
IEC 61000-4-18(2006)
2006년
Slow 감쇠진동
파
Fast 감쇠
진동파
링파
감쇠진동파
링파
100kHz
100kHz 1MHz
100kHz
100kHz or
1MHz
3/10/30MHz
상승 시간
75ns
0.5μs
75ns
0.5μs
75ns
5ns
반복율
1초당 1펄스
이상
1~60회/분
40/s(100kHz)
400/s(1MHz)
1~60회/분
40/s(100kHz)
400/s(1MHz)
100/s(50Hz)
120/s(60Hz)
인가시간
5분
-
2초
-
2초
Damping
factor Q
15±5
발생원인
감쇠 정현파
과도 현상
13~27(IEC 61000-2-7)
기중변전소
부하개폐
고장과 절연 단로기 스위칭
파괴
HV 모선 스위칭
붙임 1-6
GIS
HEMP
붙임 1. HEMP 방호 성능 검증
EFT 시험결과
Allen-Bradley MicroLogix 1000 PLC ,EFT Pulse
DUT
Unit
Drive
Port
No Effect
Upset
Damage
Differential
8.0/7.1
-
-
Differential
-
8.0/6.2
-
Common
-
4.5/1.6
-
Discrete Out
Differential
8.0/6.1
-
-
Analog In,Ⅴ
Differential
-
-
3.5/3.3
Analog In,Ⅰ
Differential
-
2.5/1.7
-
Analog Out,Ⅴ
Differential
4.5/2.0
-
-
Serial Port
Common
-
7.0/5.9
-
AC power
Differential
8.0/5.0
-
-
Ethernet
Common
-
4.5/3.9
2*3.5/4.0
Discrete In AC
Discrete In DC
MicroLogix
1000
PLC
ENI
Voltage Level: Charge/Load, kⅤ
Breadth of Effect:
Pulsed Port
Associated Ports
붙임 1-7
System Wide
붙임 2. HEMP 대책-전자파 보호개념
붙임 2-1
붙임 2. HEMP 대책
HEMP 보호 방법-건물
Zone
보호 방법
1
철근 콘크리트
2
차폐실
3
차폐실
4
기기 차폐
붙임 2-2
붙임 2. HEMP 대책
High-Frequency EM coupling 저감(1)
붙임 2-3
붙임 2. HEMP 대책
High-Frequency EM coupling 저감(2)
붙임 2-4
붙임 2. 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
붙임 2-5
붙임 2. HEMP 대책-방호기술
붙임 2-6
붙임 2. 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
붙임 2-7
붙임 2. HEMP 대책-플로팅 접지계통
Floating Signal Ground.
1) 신호접지망과 대지와 기타
도전체와 격리
2) 대지의 노이즈전류와 신호화
로와 도전적으로 결합
3) 케비닛의 누설전류가 신호회
로에 직접 결합하는것을 방지
4)
플로팅(floating) 회로의 유효
성은 다른 도체와의 물리적
격리에 의해 결정
5)
대규모 시설에서 플로팅 시스
템을 달성하는 것이 어려움
붙임 2-8
붙임 2. HEMP 대책-단일점 접지구성
Single-point signal ground.
Equipment
Signal Ground
Structure or other Grounded Objects
1) 긴 도체→자기임피던스가 높음 →고주파장해에 부적절
2) 단일점접지는 300kHz 이하에 적합
붙임 2-9
붙임 2. HEMP 대책-다중점 접지구성
1) 저주파 장해에 민감
2) 공통모드 접지루프 전도장해와 방사방출에 취약
3) 다중점 접지는 고주파영역(30MHz)에 적합
붙임 2-10
붙임 2. HEMP 대책-Hybrid 접지구성(1)
EQUIPMENT REQUIRING
A MULTIPLE POINT
GROUND SYSTEM
ZONAL BOUNDARY
SINGLE POINT
GROUND SYSTEM
“EQUIPOTENTIAL”OR
MULTIPLE POINT
GROUND SYSTEM
SINGLE POINT ZONAL
BOUNDARY GROUND
1) 외부의 단일 접지점에 내부의 다중접지를 연결하는 구조
붙임 2-11
붙임 2. HEMP 대책-GIC
Transformer protection using voltage harmonic sensor to switch
grounding circuit
붙임 2-12