전력 시스템의 급속한 발전과 함께 전자 전압 변환기(EVTs)는 전력 시스템에서 중요한 측정 장치로서, 그 성능의 안정성과 신뢰성은 전력 시스템의 안전하고 안정적인 운영에 필수적입니다. EMC(전기자기적 호환성) 성능은 EVTs의 핵심 지표 중 하나로, 복잡한 전자기 환경에서 장치가 정상적으로 작동할 수 있는 능력 및 다른 장치에 대한 전자기 간섭 여부와 직접 관련되어 있습니다. EVTs의 EMC 성능에 대한 심도있는 연구와 설계는 전력 시스템의 전체적인 안정성과 안전성을 향상시키는 데 큰 의미가 있습니다.
1. 전자 전압 변환기의 전자기적 호환성 성능 개요
1.1 전자기적 호환성의 정의와 요구사항
전자기적 호환성(EMC)은 특정 전자기 환경에서 장치나 시스템이 간섭 없이 정상적으로 작동하면서 환경 내의 다른 것들에게 견딜 수 없는 전자기 간섭을 일으키지 않는 능력을 말합니다. EVTs는 복잡한 전자기 환경에서 안정적인 측정 성능을 유지하면서 다른 장치에 전자기 간섭을 일으키지 않아야 합니다. 따라서 EVTs의 설계 및 제조 단계에서는 EMC 성능을 고려하고, 해당 보호 조치를 마련해야 합니다.
1.2 전자 전압 변환기의 작동 원리
EVTs는 전자기 유도 원리와 고정밀 전자 측정 기술을 사용하여 전력 시스템의 고전압 신호를 저전압 신호로 변환합니다. 일반적으로 기본 센서, 2차 변환 회로, 그리고 신호 처리 장치로 구성됩니다. 기본 센서는 고전압 신호를 기본 전압에 비례하는 약한 전류/전압 신호로 변환하며, 2차 변환 회로는 약한 신호를 표준 디지털/아날로그 신호로 더 변환하며, 신호 처리 장치는 필터링, 증폭, 교정 등의 작업을 통해 측정의 정확성과 안정성을 향상시킵니다. EVTs는 단일 채널/다중 채널 전압을 측정하는 전자 전압 변환기, 단일 채널/다중 채널 전류를 측정하는 전자 전류 변환기, 또는 그림 1에 표시된 것처럼 일방향 전압, 전류, 그리고 대응하는 전력을 동시에 측정하는 통합 변환기 등 다양한 형태를 포함할 수 있습니다.
1.3 전자기 간섭과 전자기 민감도 분석
EVTs는 전자기 환경에서 외부의 전자기 간섭에 취약하며, 번개나 스위치 동작으로 인한 일시적인 과전압 등은 측정 오류 증가와 데이터 불안정성 등의 문제를 일으킬 수 있습니다. 또한, EVTs 자체가 생성하는 고주파 하모닉과 전자기 방사도 다른 전기 장비에 간섭을 일으킬 수 있습니다. 따라서 EVTs 설계 시에는 전자기 간섭과 전자기 민감도 문제를 충분히 고려하고 억제 및 보호 조치를 취해야 합니다.
EVTs의 EMC 성능 테스트는 실제 운용에서의 안정성과 정확성을 보장하는 핵심 요소입니다. 이는 간섭 저항 능력을 중점적으로 평가하며, 테스트 결과의 심각성에 따라 A급과 B급으로 분류됩니다:
2. 전자 전압 변환기의 전자기적 호환성 성능 테스트 분석
2.1 테스트 내용 및 평가 기준
A급: EVTs가 전자기 간섭을 받더라도 측정 정확성이 사양 범위 내에 유지되고, 출력 전압 신호가 실제 값과 일치하며, 전력 시스템의 모니터링 및 제어에 영향을 미치지 않아야 합니다.
B급: EVTs의 측정 성능(보호와 관련되지 않은 부분)이 일시적으로 저하될 수 있지만, 보호 기능의 실행에는 영향을 미치지 않아야 하고, 장비는 재설정/재시작이 필요하지 않아야 합니다. 출력 전압은 500V 이내로 제어되어 전력 시스템에 간섭하지 않아야 합니다.
2.2 전도 간섭 테스트
전도 간섭은 전선이나 금속 파이프 같은 전도 경로를 통해 전파되며, EVTs가 직면하는 주요 전자기 간섭 유형 중 하나입니다. 이는 두 가지 유형의 테스트를 포함합니다:
전기적 고속 일시적 현상/버스트 테스트: 계전기나 접촉기와 같은 유도 부하가 분리될 때 발생하는 일시적 간섭(넓은 주파수 스펙트럼)을 시뮬레이션합니다. EVTs에 고속 일시적 버스트를 적용하고, 출력 전압 신호의 안정성과 정확성을 관찰하며, 간섭 저항 능력을 평가합니다.
서지(충격) 내성 테스트: 스위치 동작이나 번개로 인한 일시적인 과전압/과전류(큰 에너지와 짧은 지속 시간)를 시뮬레이션합니다. 특정 진폭의 서지 전압을 EVTs에 적용하여 장비의 내구성과 성능 안정성을 테스트합니다.
2.3 방사 간섭 테스트
다양한 전자기 환경에서의 간섭을 시뮬레이션하기 위해 네 가지 유형의 테스트가 포함됩니다:
공급 주파수 자기장 내성 테스트: 특정 강도의 공급 주파수 자기장을 EVTs에 적용하고, 출력 전압 신호의 안정성과 정확성을 관찰하며, 공급 주파수 자기장 환경에서의 간섭 저항 능력을 평가합니다.
감쇠 진동 자기장 내성 테스트: 고압 변전소에서 분리기 스위칭으로 인해 발생하는 감쇠 진동 자기장(빠른 감쇠와 높은 주파수)을 시뮬레이션합니다. 해당 자기장을 EVTs에 적용하여 측정 성능의 안정성을 테스트합니다.
펄스 자기장 내성 테스트: 금속 부품에 번개가 칠 때 발생하는 펄스 자기장(빠른 상승과 높은 피크 값)을 시뮬레이션합니다. 펄스 자기장을 EVTs에 적용하여 장비의 절연 성능과 측정 정확성이 영향을 받는지 확인합니다.
무선 주파수 방사 전자기장 내성 테스트: 산업 전자기원, 라디오 방송/이동통신 기지국 등에서 발생하는 기생 방사를 시뮬레이션합니다. 특정 강도의 무선 주파수 전자기장을 EVTs에 적용하고, 출력 신호의 안정성을 관찰하며, 간섭 저항 능력을 평가합니다.
3. 전자 전압 변환기의 전자기적 호환성 설계 원칙
3.1 회로 설계 원칙
플로팅 접지 설계: 플로팅 접지 기술을 채택하여 회로 신호선을 케이싱과 절연하고, 케이싱에서 신호 회로로의 간섭 전류 결합을 차단하여 노이즈를 줄이고 신호의 정확성과 안정성을 향상시킵니다.
합리적인 배선 구조: 전원, 접지, 신호선의 배치를 최적화합니다. 선들의 병렬 배치를 줄이고, 층별 배선 및 직교 배선 등의 방법을 통해 선들 간의 결합 간섭을 최소화합니다.
필터 커패시터 설계: 모듈 전원 공급부의 입력단에 필터 커패시터를 구성합니다. 용량값, 전압 저항, 주파수 특성 등을 고려하여 전원 공급을 통해 도입되는 고주파 노이즈와 간섭을 필터링합니다.
저레벨 로직 설계: 저레벨 로직 장치(예: 3.3V 레벨 장치)를 우선적으로 선택하여 불필요한 고 로직 레벨을 피하고, 회로의 전력 소비와 고주파 간섭 생성을 줄입니다.
상승/하강 시간 제어: 회로 기능에 필요한 가장 느린 상승/하강 시간을 선택하여 불필요한 고주파 성분을 억제하고, 회로의 고주파 노이즈를 줄여 신호의 안정성과 정확성을 향상시킵니다.
3.2 내부 구조 설계 원칙
노출된 배선 최소화: 케이싱 내의 노출된 배선 길이를 최적화된 배치와 적절한 부품 배치를 통해 최소화하여 전자기 방사와 결합 간섭을 줄입니다.
배선 묶음: 신호 유형(디지털 신호와 아날로그 신호를 분리)에 따라 배선을 묶고, 일정 거리를 유지하여 배선 간의 상호 영향을 줄이고 신호의 명확성과 정확성을 향상시킵니다.
전도성 접착제 결합: 케이싱 인터페이스에서 전도성 접착제를 사용하여 전기 연결과 실드 효과를 보장하고, 접촉 저항을 줄이며, 실드 효율을 향상시킵니다.
4. 전자 전압 변환기의 전자기적 호환성 성능 향상 전략
4.1 전원 포트의 간섭 저항 설계
전원 필터 설치: EVT의 정격 전력과 작업 환경에 따라 적합한 전원 필터를 선택하고, 전원 입구 근처에 설치하여 고주파 노이즈와 일시적인 펄스를 필터링하고 전원의 순도를 보장합니다.
중복 전원 설계 채택: 여러 전원 모듈을 구성합니다. 단일 모듈이 실패하면 나머지 모듈이 신속하게 전원 공급을 인계하여 전원 공급의 신뢰성, 간섭 저항 능력, 그리고 EVT의 전반적인 안정성을 향상시킵니다.
전원선의 실드 및 접지 강화: 전원선을 실드 케이블로 감싸 전자기 방사와 결합을 줄이고, 선들의 좋은 접지를 보장하여 간섭 전류를 접지로 유도하여 EVT를 손상시키지 않습니다.
4.2 신호 포트의 정전기 방전 보호
일시적 간섭 흡수 장치 설치: 적합한 일시적 전압 억제 다이오드(TVS), 바리스터 등의 장치를 선택합니다. 이러한 장치는 정전기 방전 시 빠르게 에너지를 흡수하여 전압을 안전 범위 내로 제어하고 내부 전자 부품을 보호합니다.
차동 신호 전송 방법 채택: 신호를 양성 및 음성 채널로 분리하여 차동 전송합니다. 채널 간의 신호 차이를 통해 효과적인 정보를 추출하여 공통 모드 간섭을 저항하고, 신호 전송 품질을 향상시키며, 정전기 방전의 간섭을 줄입니다.
4.3 케이싱 실드 성능 최적화
케이싱 구조 설계 최적화: 완전 밀폐 실드 구조를 채택하여 케이싱의 각 면이 잘 접촉하고 접지되어 실드 효과를 향상시킵니다.
케이싱 접지 처리 강화: 케이싱과 접지 사이에 신뢰성 있는 접지 연결을 보장하여 간섭 전류를 접지로 유도하고, 실드 효율을 향상시킵니다.
5. 결론
본 논문은 EVTs의 EMC 성능에 대해 심도 있게 연구하고, 회로 설계와 내부 구조 설계 측면에서 원칙을 제시하며, 전원 포트의 간섭 저항 설계, 신호 포트의 정전기 보호, 케이싱 실드 최적화 등의 전략을 제정하였습니다. 이를 통해 복잡한 전자기 환경에서 EVTs의 간섭 저항 능력과 안정성을 향상시키고, 전력 시스템에서 전압 신호를 정확하고 신뢰성 있게 측정하여 전력 시스템의 안전하고 안정적인 운영을 위한 확실한 기반을 마련하고자 합니다.
