[논문]EMP 방호성능 시험용 통합형 E1 펄스 발생장치 분석 및 성능 개선

김영진; 강호재; 정영경; 윤동기; 박용배

doi:10.5515/kjkiees.2018.29.6.415

초록
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본 논문에서는 HEMP(High-altitude Electromagnetic Pulse)와 같은 외부전자파 환경에 노출된 EMP 방호시설에 연결된 전송선로에 유기된 HEMP 위협에 대한 전도성 방호 성능 평가를 위한 E1 펄스에 대해 연구한다. 기존 E1 펄스 발생장치는 Marx Generator 고전압 승압 방식을 사용하지만, 본 연구에서는 광대역 출력전압(30~350 kV) 가변이 용이한 Tesla Transformer 방식을 사용한다. E1 펄스 발생장치의 구성 요소인 제어기, 전원장치, 고전압 승압장치, 펄스성형장치도 각각 분석한다. Tesla Transformer를 이용한 E1 펄스는 시뮬레이션을 통해 성능을 예측하고, 실제 개발된 장비를 이용하여 결과를 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

We herein investigate the E1 pulse for evaluating the conducted performance of transmission lines connected to the electromagnetic pulse protection facilities against a conducted high-altitude electromagnetic pulse threat exposed to an external electromagnetic environment. The existing E1 pulse gene...

We herein investigate the E1 pulse for evaluating the conducted performance of transmission lines connected to the electromagnetic pulse protection facilities against a conducted high-altitude electromagnetic pulse threat exposed to an external electromagnetic environment. The existing E1 pulse generator uses the Marx generator high-voltage step-up method; however, in this research, we used the Tesla transformer method to easily change the broadband output voltage(30 to 350 kV). We also analyzed the controller, power supply, high-voltage booster, and pulse-shaping device. The E1 pulse performance using the Tesla transformer was predicted through simulations and validated by measurements.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

미 국방성 규격과 국제전기기술위원회 표준 IEC 61000-4-24^[7]에서 제시하는 HEMP 펄스는 그림 1과 같이 표현된다. 본 논문에서는 HEMP와 같은 외부전자파 환경에 노출된 EMP 방호시설의 전송선로 및 건물에 유기되는 전도성 성능평가를 위한 E1 펄스에 대해 연구한다. 또한, 기존 고전압 펄스방식의 한계점을 분석하여 성능 개선 방법을 제안하고, 시뮬레이션 및 측정을 통해 검증한다.

제안 방법

본 논문에서는 EMP(Electromagnetic pulse) 방호시설의 성능검증을 위해 수행하는 PCI 시험을 위한 30～350 kV 범위의 출력전압 가변이 가능한 통합형 EMP E1 펄스 발생장치를 분석하고, 성능을 개선하였다. 기존 2종의 E1 펄스 발생장치를 1종으로 통합함으로써 기존 방식에 비해 시험 시간 단축으로 인건비 절감 및 현장에서 장비 운용의 편의성을 높일 수 있음을 확인하였다.

대상 데이터

E1 펄스 발생 장치는 그림 4와 같이 제어기, 전원 장치, 고전압 승압 장치, 펄스 성형 장치로 구분된다. 제어기는 LCD 패널 및 CPU(STM32, Atmega32)들을 내장하였고, CPU들은 유저의 입력 값에 따라 각종 제어 신호들을 전원장치에 송신한다.

이론/모형

단일 Spark-Gap 스위치 조절만으로 간단하게 장비 설정을 할 수 있다. 본 연구에서는 그림 3과 같이 Tesla Transformer 기반으로 고전압 승압 방식을 적용했다.

성능/효과

기존 2종의 E1 펄스 발생장치를 1종으로 통합함으로써 기존 방식에 비해 시험 시간 단축으로 인건비 절감 및 현장에서 장비 운용의 편의성을 높일 수 있음을 확인하였다. 또한 광대역 고전압 승압 제어 기술과 Spark-Gap 스위치의 전자적 동작 제어 기술을 결합한 2단계 고전압 제어 기술 적용으로 시험 신뢰성을 확보할 수 있었다. 마지막으로 임베디드 PC 기반 장치 운용 소프트웨어를 이용한 고전압 절연을 위한 절연유를 사용함으로써 고압가스를 사용하는 기존 방식에 비해 보다 안전하며 시험절차가 단순화됨에 따라 시험 편의성 및 효율성을 높일 수 있었다.
또한 광대역 고전압 승압 제어 기술과 Spark-Gap 스위치의 전자적 동작 제어 기술을 결합한 2단계 고전압 제어 기술 적용으로 시험 신뢰성을 확보할 수 있었다. 마지막으로 임베디드 PC 기반 장치 운용 소프트웨어를 이용한 고전압 절연을 위한 절연유를 사용함으로써 고압가스를 사용하는 기존 방식에 비해 보다 안전하며 시험절차가 단순화됨에 따라 시험 편의성 및 효율성을 높일 수 있었다. 본 논문에서 제시한 방법은 EMP 방호기술 연구개발과 EMP 방호시설의 전도성 분야 전자파 성능 평가에서 활용성이 높을 것으로 사료된다.

후속연구

마지막으로 임베디드 PC 기반 장치 운용 소프트웨어를 이용한 고전압 절연을 위한 절연유를 사용함으로써 고압가스를 사용하는 기존 방식에 비해 보다 안전하며 시험절차가 단순화됨에 따라 시험 편의성 및 효율성을 높일 수 있었다. 본 논문에서 제시한 방법은 EMP 방호기술 연구개발과 EMP 방호시설의 전도성 분야 전자파 성능 평가에서 활용성이 높을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고고도 전자파펄스의 특징은 무엇인가?	30 km 이상의 높은 고도에서 핵폭발에 의해 발생하는 고고도 전자파펄스(HEMP)는 전자장치 및 시스템의 성능 저하, 오동작뿐만 아니라 심지어 하드웨어 고장 등의 심각한 장애를 유발할 수 있다[1]. EMP의 위협으로부터 정보기기 및 전자장치를 보호하기 위해 1970년대부터 미국, 러시아, 유럽 등에서는 EMP 영향평가, 위협분석 등 대응 방안연구를 수행하였으며, 자국의 국가사회기반시설, 국방시설 등에 EMP 방호시설 구축 및 방호시설에 대한 EMP 평가/인증 시험을 활발히 진행하고 있다[2].
	지상의 고정형/이동형 쉘터의 평가방법으로는 무엇이 있는가?	미 국방성 규격 MIL-STD-188-125[5] 규격에 따르면 HEMP 위협에 대해 지상의 고정형/이동형 쉘터(shelter)에 대한 방호지침 및 평가방법이 기술되어 있다. 평가방법으로는 SE(Shielding Effectiveness) test, CWI(Continuous Wave Immer- sion) test, PCI(Pulsed Current Injection) test 등 모두 3종류의 시험을 통해 EMP 방호시설의 성능확인을 수행하도록 규정하고 있다. SE test는 주파수 범위 10 kHz～1 GHz에서 안테나 3종류와 EMC 표준장비를 이용해 구성할 수 있다.
	고고도 전자파펄스란?	30 km 이상의 높은 고도에서 핵폭발에 의해 발생하는 고고도 전자파펄스(HEMP)는 전자장치 및 시스템의 성능 저하, 오동작뿐만 아니라 심지어 하드웨어 고장 등의 심각한 장애를 유발할 수 있다[1]. EMP의 위협으로부터 정보기기 및 전자장치를 보호하기 위해 1970년대부터 미국, 러시아, 유럽 등에서는 EMP 영향평가, 위협분석 등 대응 방안연구를 수행하였으며, 자국의 국가사회기반시설, 국방시설 등에 EMP 방호시설 구축 및 방호시설에 대한 EMP 평가/인증 시험을 활발히 진행하고 있다[2].

참고문헌 (8)

최은하, "고출력 마이크로파의 발진장치 및 전자기 펄스탄 개발동향," 전력전자학회지, 9(1), pp. 20-25, 2004년 2월.

원문보기 상세보기
R. Hoad, W. A. Radasky, "Progress in high-altitude electromagnetic pulse(HEMP) standardization," IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, vol. 55, no. 3, pp. 532-538, Jun. 2013.

상세보기
정연춘, "고출력 전자기파 방호 제도 도입에 관한 연구," 한국전자파학회논문지, 24(8), pp. 781-790, 2013년 8월.

원문보기 상세보기
국방부, 국방.군사시설기준 전자파 방호시설계기준, DMFC 4-40-70, 2012년 4월.
High-Altitude Electromagnetic Pulse(HEMP) Protection for Ground-Based C4I Facilities Performing Critical, Time-Urgent Missions, Part I - Fixed Facilities, MILSTD-188-125, 2005.
장태헌 "HEMP 전도성 방해 펄스 전류 주입(PCI) 케이블의 영향 분석," 한국전자파학회논문지, 24(8), pp. 772-780, 2013년 8월.

원문보기 상세보기
Electromagnetic compatibility(EMC) - Part 4: Testing and measurement techniques-Section 24: Test methods for protective devices for HEMP conducted disturbance-Basic EMC publication, IEC 61000-4-24, 1997.
정영경, 신진호, 손규호, 김보성, 윤동기 "테슬라 방식소형 고전압 발생기에 응용을 위한 4분할 적층 원통형 코어에 관한 연구," 대한전기학회 학술대회 논문집, pp. 1338-1339, 2013년 7월.

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