A Study on the Effects of I&C Systems by EMI Generating from Corona Discharge at Transformer Area

변압기 지역 코로나 전자파 간섭에 의한 계측제어설비 영향에 관한 연구

Abstract

The Electromagnetic Interference(EMI) generating from corona discharge of transformer area can interference the digital Instrument and Control(I&C) systems located nearby transformers. When the potential gradient of the electric field around the conductor is high enough to form a conductive region but not high enough to cause electrical breakdown to nearby objects, the EMI of corona discharge emits with the conducted and radiated noise and it interferences the signals of the I&C systems. Since digital I&C systems have an efficiency and competitive price, the analog I&C systems have been upgraded and displaced with the digital I&C systems but which have less EMI Immunity. There was no assessment to I&C systems by EMI generating corona discharge nearby transformers. When the safety-related I&C systems are installed in plants, the verification of equipment EMI should be done not in site-specific test but in test facilities. There are the need to do the site-specific EMI evaluation of corona discharge nearby transformers. This paper assesses the margin between plant emission limits and the highest composite plant emission of corona. When the non safety-related I&C systems are placed in transformer area, it suggests the appropriate radiated susceptibility level to EMI of corona discharge.

1. 서 론

산업 플랜트 변압기 지역의 애자에서 발생하는 코로나 전자파는 변압기 지역의 계측제어설비 뿐만 아니라 플랜트 건물내부의 안전관련 계측제어설비에 전자파간섭(EMI)을 일으킬 가능성이 있다. 코로나 전자파는 송전선 주변의 전위가 공기의 절연내력을 초과하여 공기의 절연성이 부분적으로 파괴될 때 전도성전자파와 방사성전자파로 발생하며, 디지털 제어시스템의 신호를 왜곡시켜 플랜트의 중요 제어 시스템에 오 신호를 제공할 수 있다. 산업 플랜트에서 계측 제어시스템은 경제성과 효율성이 좋은 디지털 계측제어시스템으로 설치되거나 교체되고 있고, 디지털 계측제어시스템은 아날로그 계측제어시스템대비 전자파에 취약하다. 변압기 지역에서 발생하는 코로나는 코로나 측정기로 코로나 발생 지점 확인, 열화상으로 온도 분포 측정, 코로나 소음의 크기를 측정하여 코로나를 감시하고 있으나, 플랜트의 안전운전에 영향을 미칠 수 있는 코로나 전자파에 의한 계측제어시스템의 영향평가는 수행하고 있지 않다. 계측제어설비에 대한 국내외 전자파환경(EMC) 평가는 산업현장에 설치된 상태로 시험 (Site-Specific Test)을 하지 않고, 산업현장에 설치 이전에 실험설비에서 전자파간섭(EMI)시험과 전자파내성(EMS)시험으로 현장 설치시험을 대체하고 있어, 실제적인 전자파환경평가가 필요하다. 본 연구에서는 변압기 지역에서 발생하는 코로나 전자파로 인한 변압기 지역 및 플랜트 건물내부의 계측제어설비에 대한 전도성 및 방사성전자파를 측정하여, 전자파의 방출크기를 안전관련 계측제어설비의 플랜트 방출 한계치 기준으로 여유도를 평가한다. 또한, 변압기 지역의 코로나 전자파에 대한 안전관련 계측제어설비의 전자파 내성시험치의 적정성과 비안전관련 계측제어설비의 전자파 내성시험치를 제시하고자 한다.

 

2. 측정 방법

2.1 측정기준 및 장비

전자파 환경측정은 미 원자력안전위원회(NRC)의 Reg. Guide 1.180 및 MIL-STD-461E의 측정기준에 따라 수행하였다[1][2]. 변압기 지역에서 발생하는 코로나 전자파로부터 발전소 제어, 접지 및 구동용 전원케이블을 통해 유입될 수 있는 전도성전자파를 측정하기 위해 저주파 전도성전자파 (CE101, 30Hz~10kHz) 및 고주파 전도성전자파(CE102, 10kHz~2MHz)를 측정하였으며, 전자파가 공중을 통해 유입될 수 있는 방사성전자파를 측정하기위해 자기장 방사성전자파(RE101, 30Hz~100kHz) 및 전기장 방사성전자파(RE102, 10kHz~ 1GHz)를 측정하였다. 측정 장비 목록 표 1의 측정 장비로 그림 1과 같이 구성하여 전자파를 측정하였다[3][4].

표 1전자파 측정 장비 목록 Table 1 List of EMI measuring equipments

그림 1자기장 방사성전자파(RE101) 측정의 장비 구성 Fig. 1 Test configuration for radiated EMI(RE101) measurement

2.2 측정지점

변압기 지역의 코로나 전자파에 의한 계측제어설비에 대한 영향을 평가하기 위하여, 코로나 발생이 많은 송전선로 송전탑의 현수 및 내장애자, 수전선로의 지지애자의 아래에서 측정시험을 수행하였다[5][6].

그림 2변압기 주변 코로나 발생 지점 Fig. 2 Corona generating spots nearby transformers

측정지점은 그림 2와 같이 코로나 측정기(Dayco Ⅱ)를 사용하여 코로나 발생이 많은 애자 부위를 선정하였다. 발전소 건물내부 측정 지점은 터빈건물 상분리 모선 하부 및 스위치기어실에서 측정시험을 수행하였다.

2.3 측정판단기준

전자파영향 측정판단기준은 미 원자력안전위원회의 Reg. Guide 1.180, Rev. 1에서 제시하는 개별기기의 Emissions & Susceptibility의 ‘Operating Envelopes'으로, 전도성 및 방사성 전자파에 대한 주파수별 방출한계치 및 내성한계치를 나타낸 그래프이다[그림 3]. 미국 원자력안전위원회에 의해 인증된 미국전력연구원(EPRI)의 TR-102323 Rev.1 7장(Plant and Equipment Emissions Limit)에 의하면 안전관련 계측제어설비의 플랜트 방출한계치(Plant Emissions Limit, Allowable Plant Level)는 개별기기 내성한계치(Equipment Susceptibility Limit)보다 8dB 이상의 여유도(Margin)를 보유할 것을 권고한다[7][8].

그림 3개별기기에 대한 내성 및 방출 기준 Fig. 3 Operating envelopes of emission and susceptibility on equipments

 

3. 결과 및 고찰

3.1 전자파 측정결과

3.1.1 전도성전자파

변압기 지역 및 발전소 건물내부의 케이블에서 전도성 전자파를 측정한 결과, Reg. Guide 1.180, Rev.1의 개별기기 방출한계치(Equipment Emissions Limit) 및 플랜트 방출한계치(Plant Emission Limit)이하로 그림 4와 같이 측정되었고, 주파수 60Hz 대역에서 최고 54dBμA가 측정되었다.

그림 4전도성전자파 측정 결과 Fig. 4 Measurement result of conducted EMI

3.1.2 방사성전자파

변압기 지역 및 발전소 건물내부의 자기장 방사성전자파(RE101)를 측정한 결과, Reg. Guide 1.180, Rev.1의 개별기기 방출한계치 및 플랜트 방출한계치 이하로 측정되었다. 변압기지역 및 발전소 건물내부의 전기장 방사성전자파(RE102)를 측정한 결과, 개별기기 방출한계치는 초과했으나 플랜트방출한계치 이하로 측정되었다[그림 5].

변압기 지역의 전기장 방사성전자파는 주파수 대역 100MHz∼300MHz에서 85dBμV/m이하이고, 400MHz에서 45dBμV/m이며, 1MHz에서 최고 103dBμV/m로 측정되었다. 변압기 지역에서 전기장 방사성전자파는 주파수 대역 5MHz∼500MHz에서 개별기기 방javascript:;출한계치는 초과했으나 플랜트 방출한계치 이하로 나타났다.

발전소 건물내부 옥내 스위치기어실에서 전기장 방사성전자파 크기는 주파수 대역 10MHz∼400MHz에서 50dBuV/m이하이고, 400MHz에서 42dBμV/m이고, 1MHz에서 최고 68dBuV/m로 측정되었다. 옥내 스위치기어실에서 전기장 방사성전자파는 주파수 대역 10kHz∼10MHz에서 변압기 지역의 전기장 방사성전자파보다 13dBuV/m 이상 낮으며, 주파수 대역30MHz∼300MHz에서는 37dBuV/m 이상 낮았다.

그림 5전기장 방사성전자파 측정(RE102) Fig. 5 Measurement results of radiated EMI(RE102)

3.2 전자파 영향평가

코로나 방전은 전선의 표면에서 전위경도가 직류 30[kV/cm], 교류 21[kV/cm]를 초과할 때 교류전압의 반파마다 간헐적으로 발생되며, 이때 코로나 전자파는 주파수 대역 10kHz∼300MHz에서 발생된다. 코로나 전자파는 케이블을 통한 전도성전자파와 공중을 통한 방사성전자파로 계측제어설비등에 악영향을 줄 수 있으므로 전자파 여유도 평가를 했다. 전자파 영향평가는 전자파를 여러 지점에서 측정하여 그중에서 최고 측정치를 주파수별로 수준을 나타내었고, 이 최고합성 플랜트 방출수준(Highest Composite Plant Emission Level)을 플랜트 방출한계치 기준으로 여유도를 계산하였다.

변압기 지역 및 건물내부에서 저주파 전도성전자파(CE101), 고주파 전도성전자파(CE102), 자기장 방사성전자파(RE101)는 개별기기 방출한계치 및 플랜트 방출한계치 이하로써 계측제어설비에 영향을 미치지 않는 것으로 판단되어 영향평가를 하지 않았다.

변압기 지역 및 건물내부에 방출되는 전기장 방사성전자파(RE102)는 개별기기 방출한계치를 초과하였으므로, 코로나주파수 대역에서 플랜트 방출한계치를 평가기준으로 안전여유도를 평가하였다[그림 6].

그림 6코로나에서 방출되는 전기장 방사성전자파의 최고합성플랜트 방출수준 Fig. 6 Highest Composite Plant Emission Level of radiated EMI from corona discharge

전기장 방사성전자파 평가기준은 미 원자력안전위원회에서 미국전력연구원 TR-102323 Rev.1의 요구를 반영해서 개별기기 내성한계치 140dBμV/m에서 계측 불확도 등을 고려한 8dB 낮은 플랜트 방출한계치 132dBμV/m로 했다. 변압기 지역 코로나에서 방출되는 전기장 방사성전자파의 최고합성 플랜트방출수준을 플랜트 방출한계치로 평가한 결과, 주파수 전대역에서 29dBμV/m(28배)이상의 안전 여유도를, 5MHz∼300MHz에서 37dBμV/m(71배)이상의 안전 여유도를 가졌다.건물내부에서 방출되는 전기장 방사성전자파의 최고합성 플랜트방출수준을 플랜트 방출한계치로 평가한 결과, 주파수 전대역에서 64dBμV/m(1548배)이상의 안전 여유도를, 5MHz∼300MHz에서 77dBμV/m(7079배)이상의 안전 여유도를 가졌다[표 2].

표 2변압기 지역 및 건물내부에서 전기장 방사성전자파(RE102) 안전 여유도 Table 2 Margin of radiated EMI(RE102) between transformer area and switchgear room

건물내부의 전기장 방사성전자파는 주파수 대역 10kHz∼300MHz에서 변압기 지역의 전기장 방사성전자파보다 최소 13dBμV/m(4.5배)이상 감소했다. 변압기 지역 코로나에서 방출되는 최고의 전기장 방사성전자파 수준은 103dBμV/m로서 플랜트 방출한계치 132dBμV/m 보다 29dBμV/m의 여유가 있어 28배의 안전 여유도를 가지므로, 안전관련 계측제어설비에 적용되는 플랜트 방출한계치를 낮출 필요가 있다.

3.3 전자파 내성시험치 평가

안전관련 계측제어설비에서 방사성전자파 내성을 검증하는 내성시험(Radiated Susceptibility Test)은 개별기기 내성한계치와 동일한 140dBμV/m로 전자파 내성시험 검증을 한다. 계측제어설비 전자파 내성시험치를 전기장의 크기로 변환하면 10V/m이다.

변압기 지역 코로나 전자파에서 발생하는 최고합성플랜트 방출크기는 변압기 지역의 지면 1m 높이에서 1MHz 주파수대역에서 103dBμV/m로서 전기장의 크기는 0.14V/m이며, 안전관련 계측제어설비의 전자파 내성시험치 10V/m보다 71배의 안전 여유를 가진다. 안전관련 계측제어설비의 전자파 내성시험치를 10V/m 보다 낮게 적용하기 위해서 계측제어설비의 설치 높이에 따라 유입되는 전기장 방사성전자파의 크기가 안전관련 계측제어설비 전자파 내성시험치보다 충분한 안전 여유도가 있음을 확인해야 한다.

전기장 방사성전자파 측정은 변압기 지역에서 지상에서 1m의 높이에서 측정하였으나, 현장의 계측제어설비는 여러 높이에 설치되어 코로나 발생원에서 계측제어설비까지의 거리에 따라 전자파의 영향은 다르다. 계측제어설비의 설치 높이에 따른 전기장 방사성전자파의 크기를 수신 안테나에 유입되는 전기장 방사성전자파의 크기로 계산할 수 있다. 수신 안테나에 유입되는 전자파의 크기는 Eu 이고, 전자파 발생원에서 전자파 측정 안테나까지 거리는 R이고, 전자파 발생원과 피해기기인 계측제어설비까지 거리는 d이다. 변압기지역 코로나 방전에서 발생하는 전자파의 크기는 거리의 제곱에 반비례하여 감쇠하므로 전자파 발생원에서 거리 d위치에서의 전자파의 크기 Ed는 식(1)로 주어진다.

변압기 지역 지면 8m 높이의 애자에서 코로나 방전으로 수신 안테나에 유입되는 최고 전기장 방사성전자파의 크기는 주파수 대역 1MHz에서 지면 1m 높이의 계측제어설비에 0.14V이고, 지면 5m 높이의 계측제어설비에 유입되는 전자파의 크기는 0.99V이다. 변압기 지역의 안전관련 계측제어설비는 전자파 내성시험치 10V/m로 전자파 내성시험을 검증하므로 변압기 지역의 안전관련 계측제어설비는 코로나 방전에 따른 전자파간섭에 충분한 여유가 있어 안전관련 계측제어설비의 전자파 내성시험치를 낮출 필요가 있다.

안전관련 계측제어설비에서 전자파 내성시험은 필수요건이지만 비안전관련 계측제어설비에서 전자파 내성시험은 선택사항이다. 변압기 지역의 비안전관련 계측제어설비 내성시험치는 별도로 없고 안전관련 계측제어설비 내성시험치 (10V/m)로 내성시험을 한다. 그래서 변압기 지역에서 비안전 관련 계측제어설비의 내성시험치를 제시하고자 한다. 비안전관련 계측제어설비의 내성시험치 Vrs는 비안전관련 계측제어 설비의 설치높이, 전자파 발생원의 높이, 계측의 불확도 등을 고려하여 8dB(2.5배)의 여유도를 포함한 식(2)로 계산한다.

변압기 지역 지면 8m 높이의 애자에서 코로나 방전이 발생하고 비안전관련 계측제어설비가 변압기 지역 지면 2m의 높이에 설치된다면 내성시험치 Vrs는 식(2)에 의해 0.51V/m이 되고, 이 값을 변압기 지역 지면 2m의 높이의 비안전관련 계측제어설비에 대한 전자파의 내성시험치로 시험하면 비안전관련 계측제어설비의 전자파 내성을 검증할 수 있을 것이다.

 

4. 결 론

본 논문은 발전소 변압기 지역의 코로나 방전에서 발생하는 전자파가 계측제어설비에 미치는 영향을 평가하기 위해 코로나 방전에서 발생하는 전자파를 측정하였다. 현재, 국내외적으로 전자파간섭에 의해 플랜트 불시정지 등 고장사례가 보고되고 있으나, 변압기 지역에서 발생하는 전자파에 의한 계측제어설비의 전자파 적합성 평가는 이루어지지 않고 있어, 운전 중인 발전소의 변압기 지역 코로나 방전에서 방출되는 전자파에 대한 계측제어설비의 전자파환경을 평가하였다.

변압기 지역 코로나 방전에서 발생하는 전자파의 방출크기는 안전관련 계측제어설비의 플랜트 방출한계치보다 과도한 여유가 있으므로, 안전관련 계측제어설비의 전자기파 내성한계치를 낮출 필요가 있다. 변압기 지역 비안전관련 계측제어설비의 방사성전자파 내성시험치는 안전관련 계측제어설비의 방사성전자파 내성시험치를 사용하며 별도의 내성시험치가 없다. 그래서 전자파 측정결과, 여유도, 전자파 발생원의 높이, 비안전관련 계측제어설비의 설치높이 등을 고려하여 비안전관련 계측제어설비의 전자파 내성시험치를 제시하였다.

산업 플랜트의 계측제어설비에 전자파에 상대적으로 취약한 디지털회로가 널리 적용되고 있는 시점에서, 본 논문에서 제안한 전자파 발생지역에서 계측제어설비의 전자파환경 여유도 평가, 비안전관련 계측제어설비의 내성시험치 제시는 전자파간섭을 사전에 예방하고, 신뢰도 증대 및 안정적인 운영에 기여할 수 있을 것이다.