전자파 장해

왜 배우는가: 전자파 장해는 전력설비와 정보통신설비가 함께 있는 건축물에서 오동작과 데이터 손실을 일으키는 대표적 문제다. 수변전설비의 고조파와 과도현상이 통신·제어 회로에 침입하는 경로를 이해해야 원인을 찾고 대책을 세울 수 있으며, 1교시 용어와 4교시 논술에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제128회 4교시 5번, 제90회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전자파 장해(EMI)는 전원선·신호선·공간을 통해 전자기 잡음이 전달되어 다른 전기·전자기기의 오동작이나 고장을 일으키는 현상이다.

• 전자파 장해(EMI)
• 전도 결합
• 용량성 결합
• 유도 결합
• 복사 결합
• 고조파
• 서지
• 전자파 적합성(EMC)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 전기기기가 내보내는 원치 않는 전자파가 옆의 기기를 방해하는 것이다. 전력선에 흐르는 큰 전류는 주변에 강한 자기장을 만든다. 이 자기장이 가까운 신호선을 가로지르면 신호선에 원하지 않는 전압이 유도되어 잡음이 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 전자파 장해(EMI, Electromagnetic Interference) 는 전자장치에서 발생한 전자파가 다른 전자장치에 미치는 장해, 즉 오동작·고장의 정도를 말한다. 관점은 전자장치가 외부에 얼마나 강한 노이즈원으로 작용하는지에 있다. 따라서 EMI 대책은 기기 내부 부품과 회로가 노이즈를 내지 않도록 하는 것에서 출발한다.

관련 용어를 함께 익힌다. 전자파 감수성(EMS, Electromagnetic Susceptibility) 은 외부 전자파에 대해 기기가 견디는 능력이다. 전자파 적합성(EMC, Electromagnetic Compatibility) 은 기기가 불요 전자파를 적게 내면서 외부 전자파에도 정상 동작하는 상태를 뜻한다. EMI는 노이즈를 내는 쪽의 문제, EMS는 노이즈를 받는 쪽의 능력, EMC는 둘을 함께 만족한 상태다.

잡음이 전달되는 방식은 네 가지로 나뉜다. 전도 결합은 도체 직접 접촉으로 전달되는 것이고, 용량성 결합은 인접한 도체 사이의 변동하는 전계에 의한 것이다. 유도 결합은 인접한 도체 사이의 변동하는 자계에 의한 것이고, 복사 결합은 공간을 전파하는 전자파에 의한 것이다. 전원선에서 침입하는 전도 노이즈와 공간을 전파하는 방사 노이즈로 나누어 보기도 한다.

수변전설비에서는 고조파 전류가 핵심 원인이다. 고조파 차수가 높을수록 주파수가 높아 통신 회로에 장해를 주기 쉽다. 그래서 전력 계통의 잡음은 통신·제어 회로에서 문제가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

건축물은 전력설비와 정보통신설비가 같은 공간에 있다. 과거에는 금속제 외함이 차폐 역할을 했지만, 최근에는 경량화와 저가화로 플라스틱 외함이 늘면서 차폐 필요성이 커졌다. 반도체 기반 제어기기는 작은 전압 변화에도 민감하게 반응한다.

인버터, 컨버터, 무정전전원장치, 가변전압 가변주파수 장치처럼 스위칭을 하는 변환장치가 늘면서 고조파와 고주파 노이즈가 증가했다. 이 노이즈는 콘덴서, 변압기, 보호계전기, 계측기에 오차와 과열을 일으키고 통신 회로에 잡음을 준다. 이에 따라 설계 단계부터 전자파 장해를 예측하고 대책을 세우는 체계가 필요해졌다.

전자파 장해 대책의 기본은 잡음원 억제, 결합 경로 차단, 피해 기기의 내력 향상 세 가지이다. 이 기본 틀은 뒤의 원리와 대책을 이해하는 바탕이 된다.

전자파 장해는 잡음원, 결합 경로, 피해 기기의 세 요소로 나누어 원인을 분석한다.

4. 구성요소·원리·절차

전자파 장해(EMI)는 전자장치가 내보내는 전자파가 다른 장치의 오동작이나 고장을 일으키는 현상이다. 발생원, 결합경로, 피해기기의 세 요소로 나누어 보면 대책 위치가 정해진다. 시험에서는 이 세 요소를 먼저 그리고 각 요소에 대책을 붙이는 방식이 가장 명확하다.

결합 방식은 네 가지다. 전도(Conductive), 정전(Capacitive), 전자유도(Inductive), 방사(Radiative) 결합이다. 전원선을 따라 들어오는 노이즈는 전도 결합이고, 가까운 도체 사이 전압 변화는 정전 결합이다. 평행한 도체 사이 자속 변화는 전자유도 결합이다. 멀리 퍼지는 전파는 방사 결합이다.

수변전설비에서는 전도 결합과 전자유도 결합이 주로 문제가 된다. 전원 측 고조파 전류가 배선에 흐르면 주변 신호선에 유도 전압이 생긴다. 이 때문에 전력선과 신호선은 분리하여 배선해야 한다.

전자파 장해는 잡음원·결합경로·피해기기 세 요소를 모두 줄여야 해결된다. 피해기기 쪽 내력을 높이는 것(EMS)과 잡음원을 억제하는 것(EMI)을 함께 적용한다.

대책의 기본 원리는 세 가지다. 첫째, 잡음원을 억제하여 결합을 최소화한다. 둘째, 회로가 잡음에 강하도록 설계한다. 셋째, 오작동 후 복구 수단을 둔다. 구체적으로는 필터, 차폐, 접지, 배선 분리를 조합한다.

대책 적용 절차는 다음과 같다.

• 잡음원 조사: 고조파 발생원(변환장치, 아크로, 형광등 등)과 발생 주파수를 파악한다.
• 결합경로 판정: 전도·정전·유도·방사 중 어느 경로가 지배적인지 구분한다.
• 잡음원 억제: 필터(L-C, Snubber 회로)를 설치하여 발생 노이즈를 줄인다.
• 경로 차단: 차폐 케이블을 쓰고 차폐층을 접지하며, 전력선과 신호선을 이격한다.
• 피해기기 보호: 절연변압기, 쉴드변압기, 서지보호장치(SPD)를 적용한다.
• 접지 정리: 접지저항을 낮추고 접지루프를 최소화하며 등전위 본딩을 한다.
• 확인: 시험과 측정으로 오동작이 없는지 검증한다.

전자파 장해의 주요 기준은 EMI(방출)와 EMS(내성)로 나뉜다. 두 기준 모두 전자파 적합성(EMC)의 조건이다. 설계 단계에서 사용 소자, 배선 방식, 커넥터, 접지를 함께 고려해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

전자파 장해 관련 기준은 국제 규격(IEC 61000 계열)과 국내 전파·전기 관련 기준으로 나뉜다. 시험 답안에서는 기준의 이름과 적용 대상, 핵심 수치를 함께 쓴다.

국내에서는 전파법과 전기용품 안전 관련 기준에서 EMC 요구를 다룬다. 설비 측면에서는 고조파 관리 기준과 서지 보호 기준을 함께 적용한다. 고조파 관리의 대표 지표는 종합 고조파 왜형률(THD)이다. THD는 기본파 전압 실효치에 대한 고조파 전압 실효치의 비로 정의한다.

$THD = \frac{\sqrt{V_2^2 + V_3^2 + \cdots}}{V_1} \times 100\%$

여기서 V_1은 기본파 전압 실효치, V_2, V_3, \cdots은 각 차수별 고조파 전압 실효치다.

계통 측면의 주요 기준값은 다음과 같다.

고조파가 콘덴서와 계통 임피던스에서 병렬공진을 일으키면 고조파 전류가 증폭된다. 따라서 콘덴서에는 직렬 리액터를 설치하여 공진점을 이동시킨다.

저압 계통의 THD는 관련 기준이 정한 일반적 관리 목표 이하로 쓴다. 대상 계통과 기준서에 따라 값이 달라질 수 있으므로 적용 조건을 함께 적는다.

6. 유형과 비교

전자파 장해는 잡음원, 결합경로, 피해기기의 세 요소로 나누어 보면 대책 위치가 분명해진다. 결합 방식은 전도결합, 정전결합(용량성 결합), 전자결합(유도성 결합), 방사결합의 네 가지로 나눈다.