2001 추계학술발표회논문집한국원자력학회 원자력발전소의전자기파환경분석 Survey on Electromagnetic Environments of Nuclear Power Plants 황인구, 이동영, 차경호 한국원자력연구소대전광역시유성구덕진동 150 정학영, 신만호 한

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민우 경
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1 2001 추계학술발표회논문집한국원자력학회 원자력발전소의전자기파환경분석 Survey on Electromagnetic Environments of Nuclear Power Plants 황인구, 이동영, 차경호 한국원자력연구소대전광역시유성구덕진동 150 정학영, 신만호 한국전력전력연구원대전광역시유성구문지동 요약본논문은국내일부원자력발전소에서측정한복사방출전자기파세기 (Radiated Emission) 및전력선의전도방출전기잡음분포 (Conducted Emissions) 의측정결과에관해기술하고이측정결과를미전력연구소 (EPRI) 와 ORNL 에서조사된결과와비교하여현재적용하려는규제지침 RG 의내성시험기준 (Operating Envelope) 적용의적합성을확인하였다. 국내발전소의데이터는고리, 영광, 울진, 월성의일부호기들로부터한국원자력연구소, 한국원자력안전기술원, 한국전력전력연구원, 한국전력기술 등이자체적으로혹은 Wyle Lab. 등에의뢰하여측정한것이다. 대부분의경우측정방법은 MIL-STD-462D 의측정방법을준용하였으나, 전도성잡음의경우에는전류 Clamp 만으로모든측정주파수대역을측정하였다. ORNL 은자체적으로제작된무인 EMI 측정기를사용하여장기간에걸쳐측정하였다. 측정된결과는주파수영역별로스펙트럼그래프로국내외데이터를해당내성시험기준과함께표시하여용이한비교를할수있도록하였다. 국내발전소의포괄적인전자기환경을확인하기위해서는좀더추가적이고광범위한측정을수행하여전자기환경데이터를축적함으로써측정데이터의신뢰성과유용성을높여가는것이요구된다. Abstract This paper presents the result of the electromagnetic site survey conducted in Korean nuclear power plants. The measured data have similar patterns and strength levels with other survey result of EPRI and ORNL for US plants. It indicates that the operating envelopes of Regulatory Guide is appropriate for the surveyed plants. The domestic data are the noise levels gathered from some of nuclear power units in Kori, Yonggwang, Ulchin and Wolsung by KAERI, KEPRI, KINS, KOPEC with support of testing laboratores such as Wyle Lab. and KTL. Although the measurement was performed according to MIL-STD-462D, the conducted emissions were mostly measured by a current probe through the entire frequency range. The measured values and profiles of the electromagnetic noise were represented on the frequency domain graphs with the related the equipment susceptibility level requirements such as Regulatory Guide and EPRI guidelines. It is recommended that more plant-wide measurements should be carried out to identify the electromagnetic environments of nuclear plants and to build up the more reliable and various database. 1

2 1. 서론 원자력발전소의전자기환경조사혹은측정 (Electromagnetic Site Survey) 은디지털안전기기를교체혹은새로도입하는경우디지털기기의전자기파내성이설치되는장소의전자기환경보다충분히높다는것을증명하기위해사안별로수행되어왔다 [1]. 국내발전소의경우고리 1 호기원자로보호계통을디지털기로교체하기위해서주제어실옆기기실의전자기환경측정이 Wyle Lab 에의뢰하여한국전력기술 에의해서수행되었다 [2,3]. 그러나최근미전력연구소 (EPRI: Electric Power Research Institute) 와 ORNL(Oak Ridge National Laboratory) 등에서신규디지털기기의대부분의경우에적용될수있는일관된 EMI(Electromagnetic Interference) 기기검증기준및방안을마련하기위하여미국의다수발전소에대해전기잡음의강도를측정하였다 [4,5]. 이전자기파측정데이터와다른군사및산업규격을기반으로전자기환경인허가요건인 Regulatory Guide1.180 과 EPRI TR 이작성공표되었다 [5,6,7]. 이논문은한국전력전력연구원 (KEPRI) 과한국원자력연구소가공동으로측정한월성원자력 2 호기 [8] 및고리 2 호기방사선감시기에대한측정결과와원자력안전기술원및한국수력원자력 등이측정한국내원전의전자기잡음강도 [2,3,9] 를 EPRI 와 ORNL 데이터와비교분석함으로서국내발전소의전자기환경크기정도를확인하고미국인허가요건인 EPRI TR 과 RG 의적용성을평가한다. 논문의 2 절은전자기환경측정방법과관련기준을기술하고 3 절은측정된데이터를 TR 과 RG 의기기전자기내성시험수준과함께비교분석하였다. 2. EMI(Electromagnetic Interference) Site Survey 개요 전자기환경 (Electromagnetic Environment) 은전도 (Conducted) 및복사 (Radiated) 잡음의수준을주파수영역별첨두치 (Peak) 혹은실효치 (RMS : Root Mean Square) 의스펙트럼형태로나타낸다. Site Survey 를위한잡음측정방법은 MIL-STD-462D[11] 의측정항목 CE101, CE102, RE101, RE102 를적용하여표 1 과같은주파수범위로측정한다. 표 1. 시험항목 시험항목주파수범위측정지점측정단위 CE101: Conducted Emissions 30 Hz 10 khz Power Leads [dbµa] CE102: Conducted Emissions 10 khz 10 MHz Power Leads [dbµv] RE101: Radiated Emissions (Magnetic field) RE102: Radiated Emissions (Electric Field) 30Hz 100 khz 기기설치예상지점혹은최대발생예상지점 [dbpt] 10kHz 7GHz 다수지점 [dbµv/m] 표 1 에서 CE102 의경우 MIL-STD-462D 는전압단위를명시하고있지만 Site Survey 를위해서는대개전류프로브 (probe) 에의한 dbµa 단위로측정한다. 이것은측정할때선로의단자등에직접접촉할필요가없이케이블의바깥에클램프를걸기만하면되기때문이다. 그림 1 과그림 2 는각각전도방출및복사방출전자기잡음측정을위한기기배치도를나타낸것이다. 전계강도를측정하는 RE102 의경우는측정주파수의범위가매우넓으므로주파수영역별로여러개의안테나가필요하다. 따라서 7GHz 까지측정하려면 4 개정도의 2

3 안테나들을바꾸어가면서측정하여야한다. 그림 2 는두개의안테나를 EMI Receiver 의입력 1 과입력 2 단자에연결하여한번에두개의안테나가사용될수있도록설정한것으로써한번의안테나교체로서넓은주파수역의측정이될수있는장점이있다. Door Power Supply 인입전원 Equipment Rack EMI Test Receiver 그림 1. 전류 Probe 를사용하는전도성전자기잡음측정배치도 안테나 Equipment Rack Equipment Rack Equipment Rack EMI Test Receiver 2.1. ORNL 및 EPRI 데이터 그림 2. 안테나를사용하는복사전자파강도측정도 EPRI 는기기교체나신규설치시실시해야하는설치장소에대한전자기환경조사의비용과인력부담을줄이고, 모든발전소에서일관성있게적용하는전자기파시험표준을확립하기위해서 7 개의미발전소에대하여 1993 년전자기환경을측정하였다. 전도잡음의 3

4 경우저주파영역 (30Hz 15 khz) 과고주파영역 (15kHz 50MHz) 을전원선과장비간연결케이블및도체에대하여전류프로브를사용하여측정하였고, 복사방출잡음은저주파영역 (30Hz - 50kHz) 은자기장의세기 (magnetic field) 를고주파영역 (14kHz 1GHz) 은전기장의세기를측정하였다. 발전소에따라중앙제어실, 터빈데크, 스위치기어건물, 원격정지판넬, 디젤발전기건물, 케이블배선장소, 등의위치에서전자기파세기를측정수집하였다. ORNL 은자체제작한무인전자기환경측정기를이용하여미 8 개의발전소로부터전자기환경을 14 개월에걸쳐측정하였다. 장기간의특수제작 EMI 수신기를사용한것은 IEEE Std. 473 이전자기환경조사기간을 14 일로권고하고있고, 전자기의불규칙특성으로인하여단기간의 Snapshot 형태의측정결과는전자기환경의 Worst Case 를제대로반영할수없다고보기때문이었다. ORNL 또한전도방출잡음과복사방출잡음두가지모두에대하여측정하였으나, 주파수범위에있어서는전도방출의경우 305Hz 부터 5MHz 를측정하였고, 복사방출의경우는자기장의세기를마찬가지로 305Hz 부터 5MHz 의주파수영역에대해조사하고, 전기장의세기는 5MHz 부터 1GHz 의영역을측정하였다. ORNL 은자기장스펙트럼수신기와전기장스펙트럼수신기의두종류장비를이용하였고, 전도방출의경우는자기장스펙트럼수신기를이용하였다 국내발전소의 EMI 측정 국내발전소의전자기환경 Site Survey 는 1994 년 Wyle Lab 에의뢰하여영광 3 호기가전자기환경을측정한이래 1997 년고리 1 호기, 2000 년에는울진 3 호기와월성 2 호기가측정을실시하였다. 영광 3 호기는주제어실과두개의계기실, 그리고스위치기어실의총 11 군데를선정하여복사전기장방출을측정하였다. 측정결과는주제어실및스위치기어실보다계기실의 ILS(Interposing Logic System) 주위에서강한전계가분포하고있었으나최대값이 120dbµV/m 를넘지는않았다. 고리 1 호기는디지털보호계통을디지털제어기기인 Micro Spec 200 으로교체하기전교체장소의전자기파환경조건을규명하기위하여한국전력기술 이 Wyle Lab. 에의뢰하여저주파및고주파전도잡음, 그리고복사전기장방출의세영역을측정하였다. 복사전기장방출의경우최대측정치는 50kHz 90kHz 영역에서 100 dbµv /m 정도였다. 울진 3 호기의경우는 2000 년한국원자력안전기술원, 한국원자력연구소, 한국산업시험원, 울진원자력본부가공동으로계기실의 PCS(Plant Control System) 과 CPCS(Core Protection Calculator System) 캐비닛의전원인입선에대한전도방출잡음을 2 주간에걸쳐취득하였다. 월성 2 호기의경우한국전력전력연구원과한국원자력연구소에의해월성원자력본부의요청으로계기실의공중파즉복사전기장방출의크기를중심으로현장측정이이루어졌다. 이때계기실의자기장세기및 DCC(Digital Control Computer) 의전원인입선전도잡음도일부함께측정하였다. 또한고리 2 호기의 RMS(Radiation Monitoring System) 의고장정비과정에서접지선과일부신호선에대한전도성잡음스펙트럼도위의두기관에서취득한바있다. 3. 전자기환경의비교평가 EPRI 와 ORNL 의미국원자력발전소에대한전자기환경데이터와지금까지국내원자력발전소가취득한전자기파측정분포중가장최대로측정된값들로만그래프를작성하여각주파수와전자기파종류별로네개의그림 ( 그림 3. 그림 6.) 으로나타내었다. 또한발전소의측정데이터와더불어 EPRI TR 과 RG 에서요구하는안전기기의전자기내성시험허용기준을함께표시함으로써이시험기준과현장전자기환경간의여유도를스펙트럼상에서볼수있도록하였다. 그림 3 의그래프는저주파영역에대한전도방출을측정데이터별로최고점분포 (envelope) 를표시하여비교한것이다. 그림에서 EPRI 라고표시된실선은 EPRI 가 7 개의발전소에서 4

5 측정한전자기잡음데이터중에서최고점을포함하는선이고, ORNL 이라쓰인것은 ORNL 이측정한데이터의최고치분포이다. 국내발전소의경우는측정기관대신대상발전소호기를표시하였다. 이러한표시는그림 4,5,6 에서도같은방식으로표시하였다. 그림 3 에서는고리 1 호기및월성 2 호기, 그리고 EPRI 가측정한데이터가다른발전소의것보다다소높은편이지만모두내성시험허용기준인 142dbµA 보다는 10dbµA 이상여유가있다. 그림 3. 저주파영역의전도방출잡음분포비교그래프 그림 4 는고주파영역에대한전도방출을측정데이터별로표시한것이다. 이그림에서보는바와같이전자기환경측정치들이 MIL-STD-461D 의내성시험허용기준을넘어서고있다. 따라서원자력발전소에적용할계측제어기기의고주파영역내성시험기준은 MIL-STD- 461D 의시험허용기준보다강화되어야한다. EPRI 와 RG 은이를반영하여 103dBµA 의내성시험기준을요구하고있다. 그러므로원전전자기파기기검증시험에서는 MIL-STD- 461D 의 CS114 시험허용수준을적용하지말고 EPRI 혹은 RG 에서명시한수준이상의크기로시험해야한다. 그림 5 는자기장의최고치분포를나타낸것이다. 국내발전소의전자기환경측정데이터중에는월성 2 호기의계기실에있는 120V Power Distribution Panel 뒷편의 50cm 떨어진지점에서계측한것이있다. 그림 5 의 EPRI 데이터는디젤발전기가운전되고있는상태에서디젤제어판넬부근의자기장분포이다. 5

6 그림 4. 고주파영역의전도방출잡음분포비교그래프 그림 5. 자기장 (magnetic field) 의비교 6

7 그림 6 은전기장의최고치분포를나타낸것이다. 이그림에서알수있는바와같이전기장의분포는각발전소마다그크기와양상이서로차이가많이난다. EPRI 데이터중에서 100MHz-1GHz 영역에서의큰수치는고의적으로부근에서발전소의유지보수활동중에사용되는휴대용무선기를작동한경우의측정치이다. 휴대폰혹은휴대용무선기등은매우큰전파를방출하여그크기가 EPRI TR 과 RG 이명시한고주파전기장에대한내성시험기준 140dBµV/m 를넘어선다. 따라서위의두인허가문서는각발전소에서휴대용무선기같은강한전자기발생원을적절한금지수칙을세워통제하도록요구하고있다. 그림 6. 전기장의세기분포비교그래프 4. 결론 국내외전자기환경데이터를비교평가한결과국내발전소의경우도미국발전소의측정치와비슷함을알수있다. 1kHz 이하의저주파영역전도방출잡음의크기는대부분전원주파수의기수고조파성분으로인하여기인된다. 이것은발전소전원의품질이향상되면, 즉인버터, 및 AC 전원공급계통의성능이개선되어가면, 이저주파영역의크기는더욱줄어들것이다. 최근에 NRC 에서공표된 Regulatory Guide 에서명시하는안전기기의내성시험기준은국내전자기환경조건을고려할때충분한여유와기술적인근거를가지고있으므로이를적용하여전자기파 (EMI) 검증시험을수행하는것은문제가없다. 월성 1 호기전기장복사방출측정은 1 개월에걸쳐장소를변경하면서실시되었다. 이측 7

8 정데이터의특징중하나로서전자기파의분포특성 (Profile) 이시간보다는주로측정장소에따라더많이달라짐을알수있었다. 국내원자력발전소에대한전자기환경측정은원자력발전소의전자기파장애 (EMI) 에대한적합성을확인하는하나의중요한정보이므로종종 Site Survey 를통하여그변동추이를살피는것이필요하다. Acknowledgement 본연구는과학기술부의원자력연구개발사업일환으로수행되었음. 참고문헌 [1] Lee, E.J., Understanding of EMI/RFI and Digital Updates, The American Nuclear Society International Topical Meeting on Nuclear Plant Instrumentation, Control, and Human Machine Interface Technologies, Pennsylvania State University, USA, Volume II, pp [2] Wyle Lab., Electromagnetic Interference(EMI) Test Report of A Site Survey at Kori #1 MCR Plant in Koea, 1998 [3] 구철수, 외 원자력발전소전자기환경, 99 춘계원자력학회학술발표회, 포항, 1999 [4] Stephen W. Kercel, Survey of EMI Ambient Levels in Nuclear Power Plants, The ANS International Topical Meeting on Nuclear Plant Instrumentation, Control, and Human Machine Interface Technologies, Pennsylvania State University, USA, Vol. II, pp , [5] EPRI-TR R1, Guidelines for Electromagnetic Interference Testing in Power Plants, Rev.1, EPRI, January 1997 [6] Regulatory Guide 1.180, Guidelines for Evaluating Electromagnetic and Radio-frequency Interference in Safety-related Instrumentation and Control Systems, NRC, January 2000 [7] NUREG/CR-6431, Recommended Electromagnetic Operating Envelopes for Safety-Related I&C Systems in Nuclear Power Plants, ORNL, NRC, January, 2000 [8] 황인구, 외 월성 2 호기전자기환경측정및분석, 2001 원자력춘계학술발표회, [9] Wyle Lab. Electromagnetic Interference(EMI) Test Report on the Site Mapping of the Control and Equipment Room at Yonggwang Nuclear power Plant Unit 3, Wyle Laboratories, [10] MIL-STD-461D, Requirements for The Control of Electromagnetic Interference Emissions and Susceptibility, Department of Defense, January [11] MIL-STD-462D, Test Method Standard for Measurement of Electromagnetic Characteristics, Department of Defense, January

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- 2 - - 2 - - 3 - - 4 - - 5 - - 6 - - 7 - - 8 - - 9 - 가 ) 가 ) 가 ) 가 ) - 10 - - 11 - 길이 피시험기기 주전원 절연지지물 케이블지지용절연물 접지면 발생기 - 12 - 길이 가능한경우 절연지지물 절연지지물 접지면 전자계클램프 감결합장치 - 13 - - 14 - - 15 - - 16 - - 17 - - 18 -