[2009년 제31호] 전기전자기기 위협의 억제(2)
작성자 관리자등록일 2009-12-11조회 21067
전자기기 위협의 억제(2)
위협 요인의 파형과 레벨
성능 표준은 거의 20여 년 주기로 요인에 따라, 1) 서지 보호기(SPD 또는 TVSS)의 시험에 관한 상대적인 권장사항을 만들기 위하여, 2) 성능 문제 제기의 비교를 위한 표준 마련을 위해 발전되어 왔다.
산업분야에서는 세가지 주요 파형으로 구분, 사용되고 있다. 시험 파형은 상승시간(rise-time: 10 또는 30% 점에서 90% 점에 이르는 상승시간)과 지속시간(decay-time: 10 또는 30% 점에서 정점을 거쳐 50% 점으로 떨어지는 시간)으로 구분한다.
1. 복합파형
가장 일반적인 파형은 “복합파형(combination wave)”라 하는 파형으로서, 전압 파형이 1.2 μs 의 상승시간(30% 점에서 90% 점까지 올라가는)과 50 μs 의 지속시간(30% 상승점에서 정점을 거쳐 50% 하강점까지 내려가는)을 가지는 개방회로 전압(open circuit voltage)과, 전류파형이 8 μs 의 상승시간(10% 에서 90% 로 올라가는)과 20 μs 의 지속시간(10%점에서 정점을 거쳐 50%로 내려가는)을 가지는 폐회로 전류(Short circuit current)인 것이다.
이 표준은 ANSI 62.41 과 IEC 10004-5, 그리고 UL 1449 및 CECC 42000에 정해져 있다. 여기서 회로의 내부저항은 2Ω 으로 한다.
바꾸어 말하면 전압 피크가 6kV이면 전류 피크가 6kV/2Ω = 3kA 라고 해석된다
2. 링웨이브
링웨이브(ring wave)는 상승시간(10% 점에서 90% 점 까지)이 0.5 μs 이고 주파수가 100kHz인 진폭이 일정 비율로 감소하는 파형이다. 파형의 각 반주기에 대해 전 진폭의 60% 로 감소하는 진동이다.
다시 말하면 최초 진폭이 +1이면 다음이 -0.6이고 그 다음이 +0.36 또 다음이 -0.216이다.
여기서 회로의 내부 저항은 12 또는 30Ω 이다.
바꾸어 말하면 전압 피크가 6kV이면 전류 피크는 500A 또는 200A로 해석된다.
(ANSI 표준 C62.41 참조)
3. 고속 과도전류
고속 과도전류(EFT: electrical fast transient)는 유도성 부하의 개폐나 릴레이 접점에서 생기는 반발 기전력을 표현한 것이다. 5/50 ns (상승시간이 5 ns 지속시간이 50 ns)인 파형이 200 μs 간격으로 15 ms 반복되고 이러한 펄스가 매 300 ms 마다 반복 발생하는 파형이다. 이 때 전압의 피크는 4kV 이다.
(IEC 10004-4 1 참조)
한편 ANSI/IEEE C37.90.1에는 다음과 같은 파형이 표준 과도전류 파형으로 추가되어 있다.
1. 최초 첨두 전압이 2.5 내지 3kV이고 주기가 2/3 μs 이며, 진폭이 점차 줄어들어 최초 값의 50% 가 되는
시간(decay time)이 6 μs 걸리는 파형으로 2초 이상의 간격으로 50회 이상 시험
(여기서 소스의 임피던스는 150 내지 200Ω)
2. 첨두 전압이 4 내지 5kV이고 10% 에서 90%에 이르는 상승시간이 10 ns 이상이고, 상승 90%와 하강시 90% 사이 시간이 50 ns 이상이며, 첨두치에서 50% 하강 까지 시간이 50 ns 이상 150 ns 이하인 파형으로 초당 50회 이상, + - 양 극성에 대하여 2초의 시간 간격으로 시험(여기서 소스 임피던스는 80Ω 이상)
이러한 과도전압 파형의 시험은 매우 복잡하고 시험장비도 고가이다.
시험은 특수한 케이블을 사용하며, 취급을 반복적으로 하여 숙달하지 않으면 시험하기 힘들다.
ANSI 표준의 파형은 약간 다르며, 개방회로 시험이 추가 된다.
IEC에서 정한 위협의 레벨은 다음 표와 같다.
| 레벨 | 전원공급단자와 보호접지 | 입출력 신호, 데이터, 제어단자 | ||
| 피크전압 (kV) |
반복 주파수(kHz) | 피크 전압 (kV) |
반복 주파수(kHz) | |
| 1 | 0.5 | 5 | 0.25 | 5 |
| 2 | 1 | 5 | 0.5 | 5 |
| 3 | 2 | 5 | 1 | 5 |
| 4 | 4 | 2.5 | 2 | 5 |
| X | * | * | * | * |
- 개방회로 시험 전압은 오차 +/- 10%, 임펄스 반복 주파수는 오차 +/- 20%
- X는 특수 레벨로서 *을 피 시험 장치의 규격에 따라 정한다.
- EFT는 5/50 ns 파형
- 레벨은 다음 기준에 따라 정한다.
- 레벨1 - 레벨은 다음 기준에 따라 정한다.
- 레벨2 - 보호된 환경, 전원이나 제어 케이블이 신호나 통신 케이블과 분리(보기: 통제실)
- 레벨3 - 대표적인 산업 환경(보기: 산업 공정 장비, 변전실)
- 레벨4 - 험한 산업 환경(보기: 옥외 산업 공정 장비, 변전소)
IEEC C62.41 에서 정한 위협 레벨과 시험 조건은 다음과 같다.
- EEC C62.41 위치 카테고리
- 카테고리 A - 카테고리 B에서 10m 이상 떨어진 아울렛 소켓과 긴 가지 회로, 카테고리 C에서 20m 이상 떨어진 모든 아울렛 소켓
- 카테고리 B - 옥내 전원 배선, 배전함 설비, 배전함에서 짧게 배선한 중형 부하를위한 소켓, 산업 시설의 전원 공급선, 대형 빌딩에서의 피뢰 시스템
- 카테고리 C - 변압기에서 건물 배전함까지의 전력 배선, 전력계와 배전함 사이의 배선, 배전함에서 건물 외부 건물이나 지하(보기: 우물 펌프) 배선.
IEEC 위치 카테고리에 따른 시험 규격
| 위치 카테고리 |
시스템 노출도 |
전압 (kV) |
전류 (kA) |
유효 임피던스(Ω) |
| A1 | 저 | 2 | 0.07 | 30 |
| A2 | 중 | 4 | 0.13 | 30 |
| A3 | 고 | 6 | 0.2 | 30 |
| B1 | 저 | 2 | 0.17 | 12 |
| B2 | 중 | 4 | 0.33 | 12 |
| B3 | 고 | 6 | 0.5 | 12 |
| 위치 카테고리 |
시스템 노출도 |
전압 (kV) |
전류 (kA) |
유효 임피던스(Ω) |
| B1 | 저 | 2 | 1 | 2 |
| B2 | 중 | 4 | 2 | 2 |
| B3 | 고 | 6 | 3 | 2 |
| C1 | 저 | 6 | 3 | 2 |
| C2 | 중 | 10 | 5 | 2 |
| C3 | 고 | 20 | 10 | 2 |
전자기기 피해 과정
오늘날의 마이크로 회로소자는 불과 몇 볼트의 과도전압에 노출되어도 고장 난다는 것을 알고 있다. 어떻게 과도전압이 장비로 들어오는지 이해해야 한다. 그래야만 어떠한 보호장치를 어디에, 어떻게 설치할까를 알 수 있다.
1. 과도현상 유입 경로
과도현상은 장비로 들어오는 모든 전기 도체를 통하여 들어온다. 교류 전원의 Hot나 중성 또는 그라운드 라인, 전화선, 데이터 통신 라인이나 측정, 제어 라인 그리고 직류 전원 버스 라인 등이 유입되는 선이다. 건물 외부에 있는 장비에 연결되는 모든 선은 가장 큰 위협이 된다. 다음이 빌딩과 빌딩 사이의 배선이며, 건물 내의 배선이 그 다음 위협이 될 수 있다.
2. 서지 보호기의 설치
서지 보호기(SPD 또는 TVSS)의 설치 권장사항에 의하여 위협 레벨에 맞는 보호기를 적절한 위치에 달 수 있을 지 모른다. 그러나 우리가 알아야 될 것은 전자회로에 연결되는 어떤 경로에서든지, 또 어떤 전선이든지 서지 유입의 경로가 될 수 있는 것이므로, 설치를 결정하기 전에 조심스럽게 분석해보아야 한다는 것이다.
서지보호기 배치 분석을 위한 실용적인 접근 방법은, 우선 전자회로 양단에 가해질 서지 전압을 기억하고, 서지전압이 전자회로의 가장 약한 부품이 견디는 전압을 초과하여, 파괴되게 하거나 터지게 하는 것을 방지하는 것이다.
서지보호기 설계 원칙은 장비가 고장을 일으키는 임계전압 이하로 보호회로에 가해지는 공통모드 또는 차동모드(공통모드란 회로의 두 선에 같은 형태로 전류가 흐르는 것을 말하며, 차동모드란 회로의 두 선에 다른 형태로 전류가 흐르는 것을 말함, 차동모드는 한 선에서 다른 한 선으로 전류가 흐르며, 공통모드는 두 선에서 제3의 기준선(점)으로 흐름. 보통 기준선(점)은 그라운드를 의미, 낙뢰 서지의 90%는 공통모드 서지람 함) 위협 서지 전압을 잡아 주거나 제한하도록 하는 것이다.
예를 들면, 교류전원의 입구에 있어서는, 라인(핫 라인)과 중성, 라인과 그라운드, 중성과 그라운드의 세 갈래에 대하여, 전압 과도현상을 제거해야 한다. 두 개의 선으로 된 데이터 라인(전화선이나 PLC 신호와 같은 싱글 페어)에서도 라인과 라인, 라인과 그라운드의 세 개의 경로에 대하여 모두 보호를 해 준다.
접지의 중요성
이 제목으로 쓴 좋은 책이나 훌륭한 작업의 본보기가 많이 있다.
여기서는 상식적인 잘못이나 오해에 대하여 이야기 하기로 한다.
첫째로, 많은 사람들이 “접지(그라운드)만 잘되어 있다면(가령 접지 저항이 10옴 이하로 잘 되어있다면), 과도현상의 문제가 해결된다(피해가 없다)” 라고 생각하는 것이다. 뉴멕시코에 있는 석유 생산 현장에서 송신기는 어떤 경우는 1마일에 달하는 긴 파이프를 묻어 “그라운드”하였다. 아마 이것보다 더 접지가 잘 될 수는 없을 것이다. 그럼에도 이 회사는 한 달에 100대의 송신기를 낙뢰로 잃었다. 문제는 그라운드에 관련된 전류 루프에서 생긴 과도현상 과전압에 있었다. (이 경우는 과도접지전류가 흐른 것이다.)
둘째로 어떤 사람은 때로 과전압 문제를 피하고자 그라운드를 제거하려 한다. 이러한 경우 장비는 전원 선과 선 사이의 과도현상과 그라운드 위협은 그대로 남아 있게 된다. 전원 선과 선사이의 과도현상이 남아 있다는 것은 쉽게 알 수 있다. 그라운드 위협이 남아 있는 이유는, 분리하기 위해 설치한 절연체가 장비와 어스 사이에 놓이게 되고, 이로 인해 캐패시터가 구성되어, 낙뢰와 같은 높은 주파수 성분(주로 1kHz에서 1MHz 범위)의 에너지는 그대로 전달 될 수 있기 때문이다.
낙뢰서지 보호기가 흡수한 전기적 과도형상은 종국에 가서는 땅으로 분산된다.
그러므로 그라운드를 하는데 있어서 원칙은 “될 수 있는 대로 좋은 어스 그라운드를 하라” 는 것이다. 그러나 이렇게 하여 서지보호기 없이 낙뢰 서지 과전압에 의한 피해를 충분히 제거할 수 있다고 기대하지는 말아야 한다.
접지에 관하여 정리해 보면, 미국의 NEC(National Electrical Code)는 빌딩의 전원 입구에 질이 좋은 어스 그라운드를 할 것을, 특별히 큰 건물에서는 여러 개의 접지 전극을 적당한 간격으로 묻어 접지할 것을 권장한다.
여러 가지 종류의 일렉트로닉스 장치를 통신 라인을 써서 연결하여 사용하면서, 서로 다른 접지 점에서 장비의 접지를 끌어 연결하는 경우는 각 접지 점 사이에 전위차가 생기게 된다. 지상으로 내려 친 낙뢰의 전자기파 전달로 인하여 서로 다른 접지 점 사이나 전력 또는 데이터 라인 사이에 수 천 볼트의 전위차가 생길 수 있다.
그러므로 NEC는 건물의 보호접지 배선을 한 개 그라운드 점에서 각 장비로 배선하도록 하고, 각 접지배선은 서로 공통 임피던스를 가지지 않도록, 분리하여 배선하도록 규정하고 있다. (이렇게 분리 배선한 접지 선은 일반 접지선 색상(녹색)과 차별하여 녹색 바탕에 노란 줄이 있는 선으로 배선한다.)
차폐의 중요성
1. 신호실드
사람들은 “만약 장비가 (금속 실드 선이나 금속 배관으로) 차폐되어 있다면” 과도 현상의 문제가 없으리라고 생각한다. 경험상으로 이것은 진실이 아니다. 그 이유는 낙뢰 서지로 인한 전자기파가 실드 선을 통과할 때, 실드 도체나 배관 도체에 전류가 유기되어 어스 그라운드로 흐를 수 있기 때문이다. 이 전류는 다시 실드 내부의 도체에 유도 기전력을 일으키고 결국에는 장비 내부의 부품에 영향을 줄 수 있다.
그러므로 민감한 데이터 신호의 실드에서는 좋은 실드선(교차하여 직조한 실드선)을 사용하고 실드선을 통하여 접지전류가 흐르지 않도록 해야 한다. 실드는 고주파를 차단하고 낙뢰에 의한 피해도 약간 줄일 수 있다. 언제나 신호를 받는 쪽(측정을 하거나 판단하는 기계 쪽)에서만 접지를 해야 한다. 만약 양쪽을 다 접지하면 시스템에 노이즈를 일으키어 통신에 장애를 주게 되거나, 그라운드 루프를 형성하여 다른 기기에 간섭을 줄 수 있다.
2. 실드룸(Faraday Cage)
아주 민감한 전자 시스템 장비들을 수용하는 방 전체를 전자적으로 차폐하여 외부로부터 높은 주파수의 노이즈나 전자기파 충격(EMP)을 막아주기 위한 방을 실드룸이라 한다. (실드룸에서는 내부에서 외부로도 전자기적 영향을 주지 않는다.) 전자의 유동이 자유로운 도체로 둘러싸서 등전위 된 내부는 실드 되었다 한다. 실드를 엄밀히 하고자 할 때는 실드 도체를 안팎으로 이중 설치하고 그 사이를 충분히 절연시키는 것이다. 이때 외부에서 실드룸 내부로 들어가는 모든 전원이나 신호선 과도전압 보호기의 전류 귀로는 외부 실드 도체로 연결하여 접지하고, 내부 실드 도체는 외부와 아무런 연결이 없어야 제 역할을 한다. (전원도 절연되어야 한다.)