본 연구에서는 고고도 핵폭발에 기인한 HEMP의 영향으로부터 민간시설의 적합한 보호를 위한 HEMP 보호용 전원선 필터 구현 필요성을 다루기 위해, HEMP 관련 국방 규격 분석 및 바리스터, 관통형 커패시터, 가스방전관, 인덕터 등의 주요 소자들에 대한 분석을 수행하고, 이를 기반으로 단상 220VAC/16A 용량의 HEMP용 전원선 필터를 간이 제작하였다. 또한 배선용 차단기, 서지보호기, EMI 필터 등과의 MIL-STD-188-125 PCI 규격 기반의 비교 실험을 수행하였다. 결과적으로 HEMP에 의한 전도성 노이즈로부터 시스템을 보호하기 위해서는 HEMP 보호 전용 필터의 개발이 필수조건임을 확인하였다.
본 연구에서는 고고도 핵폭발에 기인한 HEMP의 영향으로부터 민간시설의 적합한 보호를 위한 HEMP 보호용 전원선 필터 구현 필요성을 다루기 위해, HEMP 관련 국방 규격 분석 및 바리스터, 관통형 커패시터, 가스방전관, 인덕터 등의 주요 소자들에 대한 분석을 수행하고, 이를 기반으로 단상 220VAC/16A 용량의 HEMP용 전원선 필터를 간이 제작하였다. 또한 배선용 차단기, 서지 보호기, EMI 필터 등과의 MIL-STD-188-125 PCI 규격 기반의 비교 실험을 수행하였다. 결과적으로 HEMP에 의한 전도성 노이즈로부터 시스템을 보호하기 위해서는 HEMP 보호 전용 필터의 개발이 필수조건임을 확인하였다.
This paper covers the importance of a dedicated Power Line Filter implementation against HEMP(High altitude ElectroMagnetic Pulse) threats caused by high altitude nuclear detonations. As the PCI test results for E1 short pulse with 2500[A], only HEMP filter obtained the required residual current aro...
This paper covers the importance of a dedicated Power Line Filter implementation against HEMP(High altitude ElectroMagnetic Pulse) threats caused by high altitude nuclear detonations. As the PCI test results for E1 short pulse with 2500[A], only HEMP filter obtained the required residual current around 8[A], but others didn't meet below 10[A] on MIL-STD-188-125 PCI regulation. Consequently, the development of a dedicated power line filter turned out to be a essential element in order to protect the power related system against HEMP transient.
This paper covers the importance of a dedicated Power Line Filter implementation against HEMP(High altitude ElectroMagnetic Pulse) threats caused by high altitude nuclear detonations. As the PCI test results for E1 short pulse with 2500[A], only HEMP filter obtained the required residual current around 8[A], but others didn't meet below 10[A] on MIL-STD-188-125 PCI regulation. Consequently, the development of a dedicated power line filter turned out to be a essential element in order to protect the power related system against HEMP transient.
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문제 정의
본 논문에서는 HEMP와 관련한 MIL-STD-188-125 및 MIL-STD-220C 규격에 관한 이론적인 분석을 수행하였다. 또한 MIL-STD-188-125 PCI 시험 규격기반의 단상 3선식 220VAC/16[A] 용량의 HEMP 전원선 필터의 간이 구현 및 기존 상용 전원보호 장치들과의 PCI 비교 실험을 통해 HEMP 보호 전용 필터 구현 필요성을 강조하는데 주안점을 두었다.
본 연구에서는 기존 순시과전압을 억제하기 위해 사용되는 각종 소자들 및 제품들의 MIL-STD-188-125의 HEMP 규격의 핵심인 PCI 특성 시험 만족여부를 비교 실험하기 위해 HEMP 용 필터 시작품을 제작하여 실제 실험을 통해 그 효과를 입증하도록 하였다. 일반적으로 CW(연속파)를 다루는 EMI/EMC와 달리 HEMP 필터는 매우 짧은 상승시간을 갖는 펄스를 다루기 때문에 임펄스성 과도 순시전압에 대해 보호 가능하여야 하고 동시에 충분한 절연 내력을 가지고 있어야 한다.
가설 설정
HEMP 대책용 필터를 제작하려고 할 때 보호 터미널 선정을 위해서는 1) HEMP 신호 스펙트럼과 관련된 신호의 대역폭 2) 요구하는 방해 억압 정도의 크기 3) 터미널 보호단자 선택의 신뢰성 및 손상에 대한 취약성 검토 4) 허용 전압 및 전류의 크기 5) 터미널보호소자의 가격 등이 주요 고려 대상 이다.
제안 방법
HEMP의 위협에 효율적으로 대처하기 위해 HEMP 관련 국방 규격 분석 및 바리스터, 관통형 커패시터, 가스 방전관, 인덕터 등의 주요 소자들에 대한 분석을 수행하고, 이를 기반으로 단상 220VAC/16A 용량의 HEMP용 전원선 필터를 간이 제작하였다.
MIL-STD-188-125 PCI 수락시험 및 성능을 만족하는 측정 장비를 이용하여 각 실험 대상들에 대해 Wire-to-Ground PCI 측정 구성도를 기반으로 Short Pulse E1 측정 실험을 수행하였다.
일반적으로 CW(연속파)를 다루는 EMI/EMC와 달리 HEMP 필터는 매우 짧은 상승시간을 갖는 펄스를 다루기 때문에 임펄스성 과도 순시전압에 대해 보호 가능하여야 하고 동시에 충분한 절연 내력을 가지고 있어야 한다. 기본적으로 필터의 입력 및 출력 단에는 서지 억제 부품인 MOV를 적용하였고, 높은 주파대역에서의 감쇠특성을 강화하고 MIL 규격에 맞는 삽입손실을 이끌어내기 위해 Feed-through 커패시터를 기본 적용하였으며 여기에 저주파 영역의 감쇠특성 개선을 위해 표준형의 필름 커패시터를 도입하였다. 표준형의 경우 리드 인덕턴스 영향으로 인해 자기공진주파수가 낮으며, Feed-through 커패시터는 리드선의 인덕턴스가 매우 작아 자기공진주파수가 높은 특징을 활용한 것이다.
본 논문에서는 HEMP와 관련한 MIL-STD-188-125 및 MIL-STD-220C 규격에 관한 이론적인 분석을 수행하였다. 또한 MIL-STD-188-125 PCI 시험 규격기반의 단상 3선식 220VAC/16[A] 용량의 HEMP 전원선 필터의 간이 구현 및 기존 상용 전원보호 장치들과의 PCI 비교 실험을 통해 HEMP 보호 전용 필터 구현 필요성을 강조하는데 주안점을 두었다. PCI 실험결과로 HEMP 필터의 2500[A] short pulse(E1) 주입 전류 실험에서 잔류 전류는 L선의 경우 8.
HEMP의 위협에 효율적으로 대처하기 위해 HEMP 관련 국방 규격 분석 및 바리스터, 관통형 커패시터, 가스 방전관, 인덕터 등의 주요 소자들에 대한 분석을 수행하고, 이를 기반으로 단상 220VAC/16A 용량의 HEMP용 전원선 필터를 간이 제작하였다. 또한 배선용 차단기, 서지 보호기, EMI 필터 등과의 MIL-STD-188-125 PCI(Pulse Current Injection) 규격 기반의 비교 실험을 수행하였다.
성능/효과
또한 MIL-STD-188-125 PCI 시험 규격기반의 단상 3선식 220VAC/16[A] 용량의 HEMP 전원선 필터의 간이 구현 및 기존 상용 전원보호 장치들과의 PCI 비교 실험을 통해 HEMP 보호 전용 필터 구현 필요성을 강조하는데 주안점을 두었다. PCI 실험결과로 HEMP 필터의 2500[A] short pulse(E1) 주입 전류 실험에서 잔류 전류는 L선의 경우 8.18[A], N선의 경우 8.03[A]의 잔류전류가 관측되어 MIL-STD- 188-125 PCI 규격인 10[A] 이하를 만족하는 것으로 나타났으며, HEMP에 의한 전도성 노이즈로부터 시스템을 보호하기 위해서는 HEMP 보호 전용 필터의 개발이 필수조건임을 확인할 수 있었다. 향후 3상 전원선 HEMP 보호 필터에 대한 연구 및 개발을 수행하고자 하며, 이를 통해 소형화, 누설전류와의 관계, 제조비용 절감방안, 잔류전류 최소화 방안 등을 제안하고자 한다.
그림 8은 필터의 성능 특성을 좀 더 면밀히 관찰하기 위해 HEMP 필터 L선 입력 측에 E1 최대 펄스 전류 2500[A]의 40[%] 수준인 1000[A]의 전류를 인가하고 오실로스코프 상에 나타난 값을 기록하였다. 그 결과 HEMP 필터 L선의 출력 부하 측에서 측정한 잔류전류가 8.83[A]가 되는 것으로 나타나 MIL-STD-188-125 PCI 규격을 만족시키는 것을 알 수 있다.
18[A]로 나타나는 것을 보였다. 그 결과로 자체 구현한 HEMP 전원선 필터는 MIL-STD-188-125 PCI 규격인 10[A] 이하를 만족하므로 성능 조건에 부합함을 알 수 있다. 참고로, 오실 로스코프 상에 보이는 전압 단위 V는 전류 프로브의 사용으로 인해 나타난 전압 값을 읽어도 그것이 전류 값이 된다.
셋째, 일반적으로 회로를 구성한 후 절연 및 고정을 위해 compound (우레탄 계열 및 기타)로 충진을 하며 충진 재료는 가사 시간을 충분히 하여 소자 틈새로 충진제가 충분히 침투하여 절연과 고정을 완벽히 할 수 있어야 한다. 넷째, 관통형 콘덴서 마운팅 작업 시에는 제조사에서 제공하는 규격 볼트를 사용하고 적절한 토크로 조임으로써 절연애 자의 메탈라이징 부위가 파손되어 치명적 고장이 발생하지 않도록 유의하여야 한다. 선형 필터는 대역외 에너지 제거 필요성으로 인해 부가적 보호장치 필요하다.
첫째, 사용되는 접지 케이블은 최대한 짧게 하여 기생인덕턴스나 기생 커패시턴스를 최소화한다. 둘째, 전원선용 HEMP 필터 초단 및 종단(필요에 따라 적용)에 마운트되는 바리스터의 전극에 납땜 용제로 많이 사용하는 플럭스가 인입될 경우 바리스터의 커패시턴스를 크게 증가시킬 수 있어 주의가 필요하다. 셋째, 일반적으로 회로를 구성한 후 절연 및 고정을 위해 compound (우레탄 계열 및 기타)로 충진을 하며 충진 재료는 가사 시간을 충분히 하여 소자 틈새로 충진제가 충분히 침투하여 절연과 고정을 완벽히 할 수 있어야 한다.
필터의 제작 과정에서는 다음의 사항들을 고려할 수있어야 한다. 첫째, 사용되는 접지 케이블은 최대한 짧게 하여 기생인덕턴스나 기생 커패시턴스를 최소화한다. 둘째, 전원선용 HEMP 필터 초단 및 종단(필요에 따라 적용)에 마운트되는 바리스터의 전극에 납땜 용제로 많이 사용하는 플럭스가 인입될 경우 바리스터의 커패시턴스를 크게 증가시킬 수 있어 주의가 필요하다.
후속연구
03[A]의 잔류전류가 관측되어 MIL-STD- 188-125 PCI 규격인 10[A] 이하를 만족하는 것으로 나타났으며, HEMP에 의한 전도성 노이즈로부터 시스템을 보호하기 위해서는 HEMP 보호 전용 필터의 개발이 필수조건임을 확인할 수 있었다. 향후 3상 전원선 HEMP 보호 필터에 대한 연구 및 개발을 수행하고자 하며, 이를 통해 소형화, 누설전류와의 관계, 제조비용 절감방안, 잔류전류 최소화 방안 등을 제안하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고고도 핵 전자기펄스는 무엇인가?
고고도 핵 전자기펄스(HEMP)는 고도 40 km 이상의 고고도에서 핵폭발이 발생할 때 생성되는 다량의 전자에 의해 발생하는 고출력 펄스 이다. 핵분열 시 발생되는 전자와 대기권 내의 공기 분자와의 상호작용에 의해 발생 하는 Compton Effect에 의해 발생하는 전자의 흐름은 지구 표면에까지 이르는 고출력 전자기 펄스를 발생하게 된다[2].
핵분열 시 발생하는 전자와 대기권 내의 공기 분자와의 상호작용으로 발생하는 Compton Effect는 무엇을 일으키는가?
고고도 핵 전자기펄스(HEMP)는 고도 40 km 이상의 고고도에서 핵폭발이 발생할 때 생성되는 다량의 전자에 의해 발생하는 고출력 펄스 이다. 핵분열 시 발생되는 전자와 대기권 내의 공기 분자와의 상호작용에 의해 발생 하는 Compton Effect에 의해 발생하는 전자의 흐름은 지구 표면에까지 이르는 고출력 전자기 펄스를 발생하게 된다[2].
HEMP는 어떠한 주파수 스펙트럼을 가지는가?
HEMP는 지표면 30Km이상의 핵폭발에 의한 감마선 방출과 Compton Effect에 기인하여 발생하는데, 급한 기울기로 피크까지 증가 후 서서히 감소하는 전자기적 방사특성 보유한다. 매우 낮은 주파수에서 수백MHz의 주파수 스펙트럼으로 광범위하고 강력한 영향을 준다.
참고문헌 (11)
Fourmilab, "The Electromagnetic Pulse and its Effects", http://www.fourmilab.ch/etexts/www/effects/eonw_11.pdf, 2013.09.
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IEC 61000-2-11 (1999), Part 2-11 : Environment-Classification of HEMP environments.
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The Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, "A Effective Design of EMP Shelter", 2012.10.18
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E. C. Kim, J. S. Cha, C. H. Lee, J. J Kang, S. K. Kim, "Performance of Double Binary Turbo Code for Ultra Wide-Band Systems with MultipleAntenna Scheme" The Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication(JIIBC), VOL. 9 No. 2, pp. 117-122, April 2009
Richard Lee Ozenbaugh, Consultant Hesperia, California, "EMI filter Design (second edition Revised and Expanded)", copyright dd 2001.
MIL-STD-461F, " Requirements For The Control of Electromagnetic Interface Characteristics Of Subsystems And Equipment" AMSC, 10 December 2007.
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