한국전력기술㈜ 품질안전환경처 송이철 부장

해외 동향 HEMP 방호 성능 검증 EMP 위협 HEMP 관련 규격 결론 HEMP 대책 붙임 2

1 1. EMP 위협 EMP Electro Magnetic Pulse LEMP Lightning EMP MEMP Nuclear EMP NNEMP/IEMI Non-Nuclear EMP Intentional EMI Direct Lightning Indirect Lightning HEMP High Altitude EMP HPEM High Power Electro magnetic EMP 탄 HPM 무기 High power Microwave

2 1. EMP 위협 앨빈 토플러 저서  토마호크(Tomahawk) 순항미사일 탄두에 EMP탄 적용  JADM 유도시스템을 적용한 항공기 투하용 유도 EMP탄 개발  이라크전에서 개발 중인 시험용 EMP폭탄을 사용

3 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

4 1. EMP 위협

5 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

6 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 정지에 따른 물류 시스템 마비 - EMP 폭발 몇 주 내에 굶어 죽는 사람들이 발생

7 1. EMP 위협-HEMP 형태 HEMP 형태특징피해대상 기기 E1수 ns 계전기 및 전자제어 기기; Upset- Relay:3.2kV, PLC/PC:0.5KV 다이오드, 트랜지스터 소손 E2 1μs< t <1s 뇌보호설비로 보호가능 E3 수십초~수분, 태양 흑점 폭발에 따른 지자기 폭풍에 따른 GIC와 유사 변압기, 계전기, 계측 및 제어 기기 IEC

8 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

9 1. EMP 위협 낙뢰, HEMP, HPM 주파수 분포(IEC ) 비교 항목HEMPLightningHPEM 전압 [kV/m]~100 kV/m수 kV/m 펄스 상승시간2~5 ns1.5μs70~80μs 펄스 유지시간수 μs수 μs50μs100μs 피해반경반경 수백 km특정 지역

10 1. EMP 위협-HPM 자료: 정연춘,“전자파 보안 기술 동향”2010

11 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)

12 1. EMP 위협-EMP 침입경로 변전소

13 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

14 2. 해외 동향-유럽 YVL A 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

15 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.

16 2. 해외 동향-미국 NUREG/CR‑3069, "Interaction of Electromagnetic Pulse with Commercial Nuclear Power Plant Systems," U.S. Nuclear Regulatory Commission, February 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, SECY A, "Status Report on the NRR Investigation of the Effects of Electromagnetic Pulse (EMP) on Nuclear Power Plants," U.S. Nuclear Regulatory Commission, July 16, SECY , "Electromagnetic Pulse (EMP)—Effects on Nuclear Power Plants," U.S. Nuclear Regulatory Commission, November 5, [ , ] SECY , "Status Report on the Evaluation of the Effects of Electromagnetic Pulse (EMP) on Nuclear Power Plants," U.S. Nuclear Regulatory Commission, April 13, [ ] SECY , "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, [ ] Memorandum for W. Dircks from S. Chilk, "SECY —Staff Study of Electromagnetic Pulse (EMP) Effects on Nuclear Power Plants and Discussion of Related Petition for Rulemaking (PRM , 32A, and 32B)," November 15, [ ]

해외 동향-미국 NUREG/CR-3069(1983) Interaction of Electromagnetic Pulse with Commercial Nuclear Power Plant Systems Typical EMP Values  Peak Electric Fields: kV/m  Pulse Rise Tim : 5~10 ns  Pulse Duration : 0.5~1 ps  Peak Power Density: 1~5 MW/m 2  Total Energy Density: 0.1~0.9 J/m 2

18 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).

19 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

20 2. 해외 동향-미국 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.) AP1000 European Design Control Document LISTING OF UNRESOLVED SAFETY ISSUES AND GENERIC SAFETY ISSUES

21 3. HEMP 관련 규격 MIL-STD 규격 MIL-HDBK 핸드북 기술문서 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 통신용 지상장비, 시설 접지, 연결, 차폐 가이드 MIL-STD 고정형 지상기지 C 4 1 시설 최소 HEMP 방호시설 성능 요구조건 MIL-STD 이동형 지상기지 C 4 1 시설 최소 HEMP 방호시설 성능 요구조건 MIL-STD RF 필터 시험 방법 MIL-STD 전자파 차폐율 시험 방법 MIL-HDBK-237~D - 획득 프로세스를 위한 전자기환경 영향 및 스펙트럼 유지 가이드 MIL-HDBK-419~A - 전자 장비와 시설에 대한 접지, 연결, 차폐 MIL-HDBK-423(비공개) - HEMP 지상장비의 C 4 1용 고정시 설과 이동설비에 대한 방어기술 MIL-HDBK-691B - 접착제와 연결방법 MIL-HDBK RF 차폐 구조물 가이드 MIL-HDBK 접지, 연결, 차폐 방법 MIL-HDBK-232A - TEMPEST 기술 가이드 EP 전자파 펄스와 도청방지 대책을 위 한 시설물 설계기술 TOP 미 육군 EMP 시험절차 Report TM C 4 l시설 접지와 연결 방법 ETL C 4 1과 다른 중요한 지휘시스템 EMP 지침서

22 3. EMP 관련 규격 IEC TC 77C (일반사항) (EM 환경) (시험 및 측정 기법) (설치 및 경감 지침) (일반표준)

23 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 적용 대신 IEC 이 바람직함 ② RFI 내성 레벨 강화 필요 ③ MIL STD 461F, RS105 시험 적용에 필요

붙임 1-1 붙임 1. HEMP 방호 성능 검증 PCI (Pulsed Current Injection) Test SE (Shielding Effectiveness) 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  차폐효과 요구수준 (MIL STD &2)  철(Fe) 또는 구리(Cu) 이용 차폐  차폐성능 시험 시 모든 시설의 정상적인 작동 상태 하에서 수행  펄스 전류를 외부 케이블에 인가, 차폐벽 내부로 유입되는 양이 허용 한 계치 이내인지 검증  펄스종류: short pulse, Intermediate pulse, Long Pulse CWI (Continuous Wave Immersion) Test

붙임 1-2 붙임 1. HEMP 방호성능 검증-방사내성 시험레벨기기 및 계통 보호 보호개념 (IEC ) 전계 파고값 kV/m R1 40 dB 감쇠40.5 R2 중간값1 R3 중간값2 R4 20 dB 감쇠2A, 2B, 35 R5 중간값10 R6 중간값1A, 1B20 R7 현장 감쇠 없음50 방사내성 시험레벨(IEC )

붙임 1-3 붙임 1. HEMP 방호성능 검증-방사내성 전자기파 차폐 성능기준(SE) 비교 항목 Mil STD 461E RS105 IEC 전계 [kV/m]500.5(R1)~50(R7) 상승시간(10~90%)1.8~2.8 ns2.0~2.5 ns 진폭 최대값의 50%23 ns±5 ns25~30 ns 시험주파수100kHz~300MHz HEMP 방사내성 시험시방 ※ 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] IEC Early HEMP(R7) & RS105 파형

붙임 1-4 붙임 1. HEMP 방호성능 검증-전도내성 시험레벨 V oc [V]I sc [A]파형 표준주파수(MHz)Application EC350010감쇠진동IEC /10/30 EC ( 1 )감쇠진동IEC /10/30차폐성능(80dB) EC ( 2 )감쇠진동IEC /10/30차폐성능(40dB) EC 감쇠진동IEC /10/30 EC /50nsIEC ~100 EC /50nsIEC ~100뇌보호, 철근구조 IC /700μsIEC IC /700μsIEC LC 초IEC MV 배전회로에 직접연결된 기기 LC 초IEC HV 송전선로에 직접접속 주 ( 1 ) MIL STD 461E의 시험전류 5A 대응 ( 2 ) MIL STD 461E의 시험전류 10A 대응 HEMP 전도내성 시험시방(IEC :2012)

붙임 1-5 붙임 1. HEMP 방호성능 검증-전도내성 초기 HEMP 전도내성 시험레벨(IEC ) 보호 개념 기기 위치 Probability for long lines(%) 교류 전원통신선 I/O 데이터 및 직류전원 5 (옥내) RF 차폐(60 dB)와 PoE 보호 건물 V (EC4) 400V (EC3) 80V (EC1) 4 (옥내) RF 차폐(40 dB)와 과전압 및 EMI 보호 방 또는 건물 90 2kV (EC5) 2kV (EC5) 1kV (EC4) 2B (옥내) 철근 차폐(20dB)와 교류 전원 낙뢰 보호 50 8kV (EC8) 8kV (EC8) 2kV (EC5) 1A (옥내) 2차 배전선로에 낙뇌 보호 장치가 없 는 제대로 차폐되지 않은 빌딩 또는 거주지 50 16kV (EC9) 8kV (EC8) 12kV (EC9) 99 25kV (EC10) 8kV (EC10) 1B (옥외) 낙뢰보호를 지닌 배전 전력선로에 직접 접속 kV (EC11) - -

붙임 1-6 붙임 1. HEMP 방호성능 검증-전도내성 시험조건 비교 비교 항목 CS 116 감쇠진동파 IEC IEC (2006) 2001년2006년 Slow 감쇠진동 파 Fast 감쇠 진동파 링파감쇠진동파링파 시험주파수 10kHz~100MHz (0.01/0.1/1.0/ 10/30/100MHz) 100kHz100kHz 1MHz100kHz 100kHz or 1MHz 3/10/30MHz 상승 시간75ns 0.5 μs 75ns 0.5 μs 75ns5ns 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) 인가시간5분5분-2초2초-2초2초 Damping factor Q 15±513~27(IEC ) 발생원인 감쇠 정현파 과도 현상 부하개폐 고장과 절연 파괴 기중변전소 단로기 스위칭 HV 모선 스위칭 GIS HEMP

붙임 1-7 붙임 1. HEMP 방호 성능 검증 EFT 시험결과 Allen-Bradley MicroLogix 1000 PLC,EFT Pulse DUT Drive Voltage Level: Charge/Load, k Ⅴ UnitPortNo EffectUpsetDamage MicroLogix 1000 PLC Discrete In ACDifferential8.0/7.1-- Discrete In DC Differential-8.0/6.2- Common-4.5/1.6- Discrete OutDifferential8.0/6.1-- Analog In, Ⅴ Differential--3.5/3.3 Analog In, Ⅰ Differential-2.5/1.7- Analog Out, Ⅴ Differential4.5/2.0-- Serial PortCommon-7.0/5.9- AC powerDifferential8.0/5.0-- ENIEthernetCommon-4.5/3.92*3.5/4.0 Breadth of Effect:Pulsed PortAssociated PortsSystem Wide

붙임 2-1 붙임 2. HEMP 대책-전자파 보호개념

붙임 2-2 붙임 2. HEMP 대책 HEMP 보호 방법-건물 Zone보호 방법 1철근 콘크리트 2차폐실 3 4기기 차폐

붙임 2-3 붙임 2. HEMP 대책 High-Frequency EM coupling 저감(1)

붙임 2-4 붙임 2. HEMP 대책 High-Frequency EM coupling 저감(2)

붙임 2-5 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 IEEE 299 차폐효과 측정기준 MIL STD 고정시설 MIL STD 이동기기

붙임 2-6 붙임 2. HEMP 대책-방호기술

붙임 2-7 붙임 2. HEMP 대책-방호기술 HEMP 피해 형태HEMP 방호대상HEMP 방호대책  전기 전자 장비 및 시스템에 영향 - 트랜지스터, 다이오드 Burn out - CPU, 마이크로 프로세서 스마트그리드 전력망 송배전망 및 변전소 발전소 차폐패널 EMP 방호 문 Filtering(신호,전원) Bonding(접속) Honeycomb(통풍구) Shielding 단계적 차폐기술 공기배기구 케이블 (Power & signal) Door Connector GroundingFilteringIsolation PCB Case System & Sub system Signal & Power 접지 본딩 기술 Power Lines Interface Siignal RF signal Digital & Analoge Grounding 대용량 & 소용량 회로

붙임 2-8 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 2-9 붙임 2. HEMP 대책-단일점 접지구성 1) 긴 도체→자기임피던스가 높음 →고주파장해에 부적절 2) 단일점접지는 300kHz 이하에 적합 Single-point signal ground. Signal Ground Equipment Structure or other Grounded Objects

붙임 2-10 붙임 2. HEMP 대책-다중점 접지구성 1) 저주파 장해에 민감 2) 공통모드 접지루프 전도장해와 방사방출에 취약 3) 다중점 접지는 고주파영역(30MHz)에 적합

붙임 2-11 붙임 2. HEMP 대책-Hybrid 접지구성(1) 1) 외부의 단일 접지점에 내부의 다중접지를 연결하는 구조 EQUIPMENT REQUIRING A MULTIPLE POINT GROUND SYSTEM “EQUIPOTENTIAL”OR MULTIPLE POINT GROUND SYSTEM ZONAL BOUNDARY SINGLE POINT GROUND SYSTEM SINGLE POINT ZONAL BOUNDARY GROUND

붙임 2-12 Transformer protection using voltage harmonic sensor to switch grounding circuit 붙임 2. HEMP 대책-GIC