2012. 4. 17 한국전력기술 송이철 전기설비기술기준 워크샵. HEMP 관련 규격 HEMP 대책 EMP 위협 HEMP 방호 성능 검증 결론 1 2 3 4 5 전기설비기술기준 워크샵.

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1 2012. 4. 17 한국전력기술 송이철 전기설비기술기준 워크샵

2 HEMP 관련 규격 HEMP 대책 EMP 위협 HEMP 방호 성능 검증 결론 1 2 3 4 5 전기설비기술기준 워크샵

3 -3- 1. EMP 위협 앨빈 토플러 저서 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 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

4 -4- 1. EMP 위협-HEMP 피해

5 -5- 1. EMP 위협 The Electromagnetic Environment

6 -6- 1. EMP 위협 EMC/EMI/RFI EME (Electromagnetic Enviroment Effects) RE, CERS, CS EMC: Electromagnetic Compatibility, EMI: Electromagnetic Interference, RFI: Radio Frequency Interference, RE: Radiated Emission, CE: Conducted Emission, RS: Radiated Susceptibility, CS: Conductive Susceptibility

7 -7- 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

8 -8- 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

9 -9- 1. EMP 위협-HEMP 형태 HEMP 형태특징피해대상 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 IEC 61000-2-9

10 -10- 1. EMP 위협 낙뢰, HEMP, UWB 신호의 주파수 분포(IEC 61000-2-13) 비교 항목HEMPLightningE-bomb 전압 [kV/m]50 kV/m수 kV/m 펄스 상승시간2~5 ns1.5μs70~80μs 펄스 유지시간수 μs수 μs50μs100μs 피해반경반경 수백 km특정 지역

11 -11- 1. EMP 위협-HPEM 러시아의 HPEM 발생기 특성/명칭 SnifferSniffer-ME-140/64Gigawatt 출력(kV) 150170137500 안테나입력 (MW) 4505783705000 안테나 타입 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 ㎡ 발생기와 측정 점간 거리 (m)/E(kV/m) 27.5/10100/1050/1045/10 tr(ps) -25020098 Max 반복 주파 수(Hz) 50010005010 수직/수평 지향 성 ±5.3±7.5/8.5±7.5/9.7±10.5/12

12 -12- 1. EMP 위협 변전소

13 -13- 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

14 -14- 2. HEMP 관련 규격

15 -15- 2. HEMP 관련 규격 HEMP IEC TC 77C

16 -16- 3. 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 188-125-1&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 (Continous Wave Immersion) Test

17 -17- 3. HEMP 방호 성능 검증 전자기파 차폐 성능기준(SE) 비교 항목 Mil STD 461E RS105 Mil STD 2169 IEC 61000-4-25 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 방사성 내성 시험 레벨 ※ 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

18 -18- 3. HEMP 방호 성능 검증 시험레벨1V oc [V]I sc [A]파형 EC11001감쇠정현파 EC22502.5감쇠정현파 EC35005감쇠정현파 EC4100010감쇠정현파 EC5200020감쇠정현파 EC6400040감쇠정현파 EC74000805/50ns EC880001605/50ns EC9160003205/50ns EC102500050025/500ns EC11160kV32010/100ns IC310002510/700μs LC24001.331초/60초 LC3400251초/60초 HEMP 전도내성 시험 레벨 (IEC 61000-4-25) EC10 LC3

19 -19- 3. HEMP 방호 성능 검증 초기 HEMP에 대한 전도성 내성 시험 레벨 적용 예 (IEC 61000-4-25)

20 -20- 3. HEMP 방호 성능 검증 감쇠진동파 비교 항목CS116IEC 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 1MHz3/10 or 30MHz 상승시간 75ns 5ns 반복율 2초당 1펄스 이상 40/s(100kHz), 400/s(1MHz) 5000/s CS 116 IEC 61000-4-12

21 -21- 3. HEMP 방호 성능 검증 EFT(급속과도파) 비교 항목CS115IEC 61000-4-4 시험레벨 5A-전원선 2A-신호선 Level 3 — 2kV(5.6 A)-전원선 Level 3 — 1kV(2.8 A)-신호선 상승시간2ns5ns 유지시간 30ns50ns 시험시간 1분1분1분1분 반복율 30Hz5 또는 100 kHz

22 -22- 3. HEMP 방호 성능 검증 EFT 시험결과

23 -23- 4. HEMP 대책-전자파 보호개념

24 -24- 4. HEMP 대책 HEMP 보호 방법-건물 Zone보호 방법 1철근 콘크리트 2차폐실 3 4기기 차폐

25 -25- 4. HEMP 대책 High-Frequency EM coupling 저감(1)

26 -26- 4. HEMP 대책 High-Frequency EM coupling 저감(2)

27 -27- 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 IEEE 299 차폐효과 측정기준 MIL STD 188-125-1 고정시설 MIL STD 188-125-2 이동기기

28 -28- 4. 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

29 -29- 4. HEMP 대책-방호기술

30 -30- 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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