[논문]도시철도용 무선 급집전 시스템 주변의 전자기장 측정 방법 및 안전성 평가 방법 연구

김윤명; 김준희; 주영준

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.12.942

도시철도용 무선 급집전 시스템 주변의 전자기장 측정 방법 및 안전성 평가 방법 연구
EMF Measurement and Safety Assessment Method for Wireless Power Transfer System for Urban Railroad 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.29 no.12, 2018년, pp.942 - 952

김윤명 (단국대학교 전자전기공학부) , 김준희 ((주)이엠에프세이프티 기업부설연구소) , 주영준 ((주)이엠에프세이프티 기업부설연구소)

초록
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국내에서 개발되고 있는 도시철도용 무선 전달 공급 시스템은 60 kHz 자기장을 이용하여 객차에 전력을 공급한다. 무선 전력 전송 시 발생되는 전자기장에 인체가 노출될 때, 전자기장 세기는 인체 안전성 기준을 만족해야 한다. 하지만 도시철도용 무선 급집전 시스템에서 발생하는 전자기장에 대한 측정 방법과 인체 안전성 평가 방법이 아직 확립되지 않았다. 본 논문에서는 도시철도용 무선 급집전 시스템에서 발생되는 전자기장 측정 방법 및 인체 안전성 평가 방법을 제안하였다. 제안된 측정 방법에 따라 무선 급집전 시스템 시험선로에서 발생되는 전자기장을 측정하고, 전자기장 인체 보호기준치와 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A wireless power transfer (WPT) system for an urban railroad is currently under development in S. Korea. This system supplies power to railroad cars using 60 kHz magnetic fields. The electromagnetic fields (EMFs) generated by the WPT system should satisfy established safety requirements for exposure of the human body to these fields. However, EMF measurements and the safety assessment methods for fields generated by the WPT system have not yet been established. As such, a measurement and safety assessment method for EMF generated by a WPT system for an urban railroad is proposed in this report. The EMF generated by this WPT system on a test railroad was measured and compared to the reference level set by the human safety standard for EMF exposure.

주제어

표/그림 (22)

그림 그림 1. 도시철도용 무선 급집전 시스템 개념도 Fig. 1. Conceptual design of wireless power transfer system for urban railroad.
표 표 1. 일반인에 대한 전자기장인체보호기준 Table 1. Reference levels of electric, magnetic and electromagnetic fields for general public exposure.
표 표 2. 직업인에 대한 전자기장 인체보호기준 Table 2. Reference levels of electric, magnetic and electromagnetic fields for occupational exposure.
표 표 3. ICNIRP 1998 Guidelines과 2010 Guidelines의 주요차이점 Table 3. Major differences between ICNIRP Guidelines of 1998 and 2010.
표 표 4. 60 kHz에서 일반인에 대한 국제 전자기장 인체 노출 기준 레벨 Table 4. Reference levels of EMF in the international guidelins at 60 kHz for general public.
그림 그림 2. 비균일 전자기장에 대한 3점 측정 방법 Fig. 2. 3 points measurement method for non-uniform electromagnetic fields.
그림 그림 3. 철도시설의 표면 측정 위치 Fig. 3. Surface measurement point of the railroad.
표 표 5. 철도시설에 대한 전자기장 측정 조건 Table 5. EMF measurement conditions of the railroad system.
그림 그림 4. 무선 충전 전기자동차의 전자기장 측정 위치 Fig. 4. Electromagnetic fields measurement positions of electric vehicle of wireless charging.
표 표 6. 철도의 전자기장 측정 위치 및 측정 방법 Table 6. EMF of the railroad measurement positions and measurement methods.
표 표 7. 국내외 기준에서 정한 전자기장 측정 방법의 장단 점 비교 Table 7. Comparison of merits and demerits of EMF measurement method in domestic and international guidelines.
그림 그림 5. 수치해석을 위한 무선 전력전달 시스템 모델링 Fig. 5. Modelling of the WPT system for numerical analysis.
표 표 8. 수치해석을 위한 입력 파라미터 Table 8. Input parameters for numerical analysis.
그림 그림 7. 플렛폼에 위치한 C, D 지점에서의 수치 해석된 자기장 세기 Fig. 7. Magnetic field strengths by numerical analysis at analysis point C and D in the platform.
그림 그림 6. 측정 높이와 객차로부터 떨어진 이격 거리에 따른 무선 전력전달 시스템의 수치 해석된 자기장 세기 Fig. 6. Magnetic field strengths of the WPT system by numerical analysis for measurement height and distance away from the railroad car.
그림 그림 8. 객차 내부의 수치 해석된 자기장 세기Fig. 8. Magnetic field strengths by numerical analysis atthe inner railroad car.
그림 그림 9. 무선 급집전 시스템의 전자기장 측정위치 Fig. 9. EMF measurement positions of the WPT system.
그림 그림 10. 무선 전력전송 시스템의 시험선로 모습 Fig. 10. The picture of test railroad in the WPT system.
그림 그림 11. 무선 급집전 시스템의 전자기장 측정 지점 Fig. 11. EMF measurement positions of the WPT system.
그림 그림 12. 객차 외부 측정 지점 Fig. 12. EMF measurement points of the outside of a rolling stock.
그림 그림 13. 자기장 세기 측정 사진 Fig. 13. The pictures of magnetic field strength measurement.
표 표 9. 무선 급집전의 자기장 세기 측정 및 해석결과 Table 9. Magnetic fields of the WPT system by measurement and by numerical analysis.

AI 본문요약
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가설 설정

2 m 떨어진 지점에서 측정하였다. 차량 내부의 측정은 실제 차량이 설치되지 않아 그림 11의 J, K 지점을 출입문과 객차 연결통로의 위치로 가정하고, 플렛폼의 높이(선로가 위치한 지면으로부터 1.1m의 높이)를 객차의 바닥면으로 설정하여 객차 바닥으로부터 0.5 m, 1.0m, 1.5 m 높이에서 측정하였다.

제안 방법

6절에서 제안한 무선 급집전 시스템의 전자기장 측정 방법을 검증하기 위하여 경산 시험소에서 무선 급집전 시스템에 대한 측정을 수행하였다. 그림 10은 경산 시험소에 설치된 무선 전력전송 시스템이다.
도시철도용 무선 급집전 시스템의 인체 안전성 평가를 위하여 국·내외 인체보호기준, 전자기장 측정 방법 및 안전성 평가 방법에 대한 기준을 분석하여 도시철도용 무선 급집전 시스템에 대한 전자기장 측정 방법(안) 및 안전성 평가 방법을 제안하였다. 무선 급집전 시스템 시험선에서 제안된 측정방법으로 자기장을 실측하고 전자 기장 인체 안전성을 평가한 결과, 차량 외부측정에서는 일반인 기준치를 초과하였으나 직업인 기준은 만족하였다.
도시철도형용 무선 급집전 시스템의 전자기장의 측정 위치는 그림 9와 같이 일반인과 직업인으로 나누어 정의하였다. 도시철도형 무선 급집전의 일반인에 대한 전자기장 노출평가 방법으로 플랫폼과 열차 내부 그리고 고정설비에서의 측정 위치를 도출하였으며, 일반인이 접근하기 불가능한 선로에 대한 측정 방법은 직업인에게만 적용하는 것을 제안하였다.
무선 전력전달 시스템에서 발생하는 전자기장을 수치 해석하기 위하여 그림 5와 같이 급집전부를 모델링하였다. 그림 5에서 플랫폼은 해석지점을 나타내기 위하여 표시한 것으로 모델링에서 제외한다.
본 논문에서는 도시철도용 무선급집전 시스템에서 발생하는 전자기장 측정 방법 및 평가 방법을 제안하였고, 제안한 측정 방법에 따라서 도시철도형 무선급집전 시험 선로에서 전자기장 세기를 측정하여 전자기장 인체보호 기준치와 비교하였다.
그러나 IEC 62110처럼 비균일 전자기장이 발생하는 전력설비의 경우 3점 측정에 의한 산술 평균값을 통해 안전성 평가방법을 하고 있다. 이 방법을 도시철도형 무선 급집전 시스템에 적용했을 경우, 그 타당성을 확인하기 위해 수치해석을 이용하여 차량 외부, 플랫폼, 차량 내부의 무선 전력전달(WPT) 시스템에서 발생하는 자기장을 분석하였다.

데이터처리

도시철도용 무선 급집전 시스템의 전자기장 안전성 평가를 위한 전자기장 측정 방법 및 평가 방법을 도출하기 위하여 국·내외 기준 분석 및 수치해석을 수행하였다.

성능/효과

4-1과 4-2에서 소개한 국·내외 전자기장강도 측정 방법을 분석한 결과, 도시철도용 무선 급집전 시스템의 전자기장 측정 방법은 IEC 62110에 명시된 3점 측정 방법으로 측정하는 것이 IEC 62597의 3점 측정이 보다 엄격한 측정 방법이라 판단된다. 그리고 일반적으로 자기장 측정은 지상 1m 높이에서 측정한다.
도시철도용 무선 급집전 시스템의 인체 안전성 평가를 위하여 국·내외 인체보호기준, 전자기장 측정 방법 및 안전성 평가 방법에 대한 기준을 분석하여 도시철도용 무선 급집전 시스템에 대한 전자기장 측정 방법(안) 및 안전성 평가 방법을 제안하였다. 무선 급집전 시스템 시험선에서 제안된 측정방법으로 자기장을 실측하고 전자 기장 인체 안전성을 평가한 결과, 차량 외부측정에서는 일반인 기준치를 초과하였으나 직업인 기준은 만족하였다. 본 논문에서 제안한 전자기장 측정 및 인체 안전성 평가 방법을 도시철도용 무선 급집전 시스템에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

무선 급집전 시스템 시험선에서 제안된 측정방법으로 자기장을 실측하고 전자 기장 인체 안전성을 평가한 결과, 차량 외부측정에서는 일반인 기준치를 초과하였으나 직업인 기준은 만족하였다. 본 논문에서 제안한 전자기장 측정 및 인체 안전성 평가 방법을 도시철도용 무선 급집전 시스템에 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선전력전송 기술의 활용분야는?	무선전력전송 기술은 휴대폰, 가전, 전기자동차, 전기철도 등 다양한 분야에서 개발되고 있다. 국내에서는 도시 철도용 전기철도에 무선전력전송을 적용하기 위한 연구가 진행되고 있으며[1], 60 kHz 주파수가 도시철도용 전기 철도의 무선전력전송에 사용된다.
	무선전력전송시 발생하는 전자기장에 대한 안전평가가 필수적이지만 시행되지 않는 이유는 무엇인가?	연구가 진행됨에 따라 무선전력전송시 발생하는 전자기장에 대한 인체 안전성의 확보가 필수적이므로 전자기장에 인체노출에 대한 안전성 평가가 필요하다. 하지만 전기철도용 무선 전력전달 시스템에 대한 전자기장 측정 방법 및 평가 방법이 아직 존재하지 않는다.
	국내에서 개발되는 도시철도용 무선 전달 공급 시스템의 전력 공급 방식은?	국내에서 개발되고 있는 도시철도용 무선 전달 공급 시스템은 60 kHz 자기장을 이용하여 객차에 전력을 공급한다. 무선 전력 전송 시 발생되는 전자기장에 인체가 노출될 때, 전자기장 세기는 인체 안전성 기준을 만족해야 한다.

참고문헌 (11)

박찬배, 이병송, 이수길, “철도차량용 대용량 무선전력전송 기술 개발 동향 분석,” 전기의 세계, 63(9), pp. 35-42, 2014년.
전자파인체보호기준, 과학기술정보통신부고시 제2017-7호, 2017년.
A. Ahlbom, U. Bergqvist, J. H. Bernhardt, J. P. Cesarini, L. A. Court, and M. Grandolfo, et al., “Guideline for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields(up to 300 GHz),” Health Physics, vol. 74, no. 4, pp. 494-521, 1998.
10.1097/HP.0b013e3181f06c86 J. Lin, R. Saunders, K. Schulmeister, P. Soderberg, A. Swerdlow, and M. Taki, et al., “ICNIRP Guideline for limiting exposure to time-varying electric, magnetic fields (1 Hz～100 kHz),” Health Physics, vol. 99, pp. 818-836, 2010.

상세보기
IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3 kHz to 300 GHz, IEEE C95.1, 2005.
전자파강도측정기준, 국립전파연구원 고시 2014-2호, 2014년 7월.
Measurement Procedures for Electric and Magnetic Field Levels Generated by AC Power System with Regard to Human Exposure, IEC 62110, 2008.
Electric Vechicle Wireless Power Transfer(WPT) System - Part 1: General Requirements, IEC 61980-1, 2015.
The Technical Report of Exposure Assessment Methods for Wireless Power Transfer Systems, IEC TC106 WG9 TDR, 2017.
Measurement Procedures of Magnetic Field Levels Generated by Electronic and Electrical Apparatus in the Railway Environment with Respect to Human Exposure, IEC TR 62597, 2011.
최동근, 류충상, 백정기, “전자파 인체노출량 평가 표준화 동향,” 한국전자파학회 전자파기술, 22(5), pp. 3-10, 2011년 10월.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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