전자파 적합성(EMC)

왜 배우는가: 전자파 적합성은 인버터와 신호 장치가 함께 있는 철도차량에서 신호 오동작과 통신 장해를 막는 기본 요건이므로 실무에서 중요하다. 전자파 장해와 전력유도장해는 정의와 대책을 묻는 문항으로 반복해서 출제되므로 시험에서도 중요하다.

출제 이력: 제131회 3교시 6번, 제130회 1교시 12번, 제101회 2교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전자파 적합성(EMC)은 기기나 시스템이 주변 전자파 환경에서 다른 기기에 허용할 수 없는 전자파 장해를 주지 않으면서 정상 동작하는 능력이다.

답안에 반드시 쓰는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전자파 적합성(EMC): 방출과 내성을 함께 보장하는 전자파 환경의 양립성이다.
• 전자파 장해(EMI): 기기가 방출하는 전자파가 주변 기기의 정상 동작을 방해하는 현상이다.
• 전자파 내성(EMS): 기기가 외부 전자파에 노출되어도 성능을 유지하는 능력이다.
• 전도 방출: 전원선이나 신호선을 따라 전달되는 전자파 장해 성분이다.
• 방사 방출: 공간으로 방사되어 주변 기기에 도달하는 전자파 장해 성분이다.
• 전력유도장해: 전력선과 통신선의 결합으로 통신선에 불필요한 전압이 유기되는 현상이다.
• 차폐: 금속 도체로 기기나 케이블을 감싸 전자파의 방출과 입사를 줄이는 대책이다.
• 접지: 기준 전위를 만들고 잡음 전류의 귀로를 짧고 명확하게 하는 대책이다.

2. 개념 풀이

전자파 적합성은 두 측면을 함께 만족하는 상태이다. 한쪽은 기기가 허용 한도를 넘는 전자파를 내보내 주변을 해치지 않는 방출 측면이고, 다른 쪽은 외부 전자파가 있어도 기기가 오동작하지 않는 내성 측면이다. 방출 측면을 전자파 장해(EMI)로, 내성 측면을 전자파 내성(EMS)으로 평가하며, 두 측면을 합친 개념이 전자파 적합성(EMC)이다.

방출 측면과 내성 측면을 모두 만족해야 적합성이 성립한다.

전자파 장해는 잡음원, 결합 경로, 피해 기기의 세 요소로 이루어진다. 인버터처럼 반도체를 고속으로 스위칭하는 장치는 전압과 전류를 급격히 바꾸어 잡음원이 되고, 이 잡음은 전원선이나 신호선을 따라 전도되거나 공간으로 방사되어 피해 기기에 도달한다. 결합 방식은 전도 결합, 용량성(정전) 결합, 유도성(전자) 결합, 방사 결합으로 나뉜다.

전도 방출은 30MHz 이하 대역에서 전원선과 신호선을 따라 전달되는 장해 성분이다. 측정은 전원 단자에서 이루어지며, 선로를 타고 다른 기기로 옮겨 가는 잡음이라는 점에서 방사 방출과 구별된다.

방사 방출은 30MHz 이상 대역에서 공간으로 방사되는 전자파를 안테나로 측정하는 장해이다. 전도 방출과 방사 방출은 측정 주파수 경계와 결합 경로가 다르므로 답안에서 두 항목을 구분해 쓴다.

전자파 내성(EMS)은 전도 내성과 방사 내성으로 나뉜다. 전도 내성은 선로로 유입되는 잡음에 견디는 능력이고, 방사 내성은 공간에서 입사하는 전자파에 견디는 능력이다. 정전기 방전, 서지, 전기적 과도 현상 같은 시험은 내성 측면에서 기기가 견뎌야 하는 대표 항목이다.

차폐는 금속 도체로 기기나 케이블을 감싸 전자파의 방출과 입사를 줄이는 대책이다. 정전 차폐는 차폐도체를 대지에 접지하면 쉽게 달성되지만, 전자 차폐는 자계를 완전히 상쇄해야 하므로 완전 차폐가 되지 않는다는 점을 구분해야 한다.

접지는 기준 전위를 만들고 잡음 전류의 귀로를 짧게 하는 수단이다. 접지 경로가 길거나 여러 점에서 접지되면 접지 루프가 생겨 잡음이 신호에 섞이므로 접지 방식은 회로 구성에 맞춰 선택한다.

3. 등장 배경과 필요성

전자파 적합성이 중요해진 배경은 전력변환 기술과 전자제어 기기의 확산이다. 철도차량의 추진제어장치는 전력을 인버터로 변환하여 견인전동기를 제어하는데, 반도체의 고속 스위칭은 고조파와 잡음을 함께 만든다. 이 잡음은 같은 차량 안의 신호·통신 장치나 선로 옆 통신선에 유도 장해를 일으킨다.

전자기 장해는 철도 신호·통신 시스템에서 가장 흔한 문제로 꼽힌다. 현장에서 장해 원인을 찾고 대책을 검증하는 시험에는 수개월이 걸릴 수 있어, 설계 단계와 실험실 단계에서 EMC 시험으로 미리 걸러내는 것이 효율적이다. 차재 기기와 선로 옆 장비의 상호 운용성을 시운전에서 확인하는 이유도 같은 맥락이다.

전력유도장해는 전력계통과 통신선이 근접할 때 발생하는 장해이다. 송전선에 1선지락 사고가 생기면 대지로 흐르는 전류가 자속을 만들고, 이 자속이 통신선과 쇄교하여 패러데이 법칙에 따라 통신선에 유기 기전력이 발생한다. 여기에 선로 사이의 전압에 의한 정전 결합도 함께 작용하므로 전자 유도와 정전 유도를 구분해 설명해야 한다.