이 장에서는 전자기 신호 특성 분석(Electromagnetic Signature Analysis, EMSA)에 대한 몇 가지 정보를 제공합니다.
미국 연방통신위원회(Federal Communications Commission, FCC)와 국제무선장애특별위원회(Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques, CISPR)는 장비 제조업체가 준수해야 할 두 가지 전자파 적합성(Electromagnetic Compliance, EMC) 기준을 다음과 같이 마련했습니다.
- 전자 장비에서 발생하는 고주파 방출을 감지하도록 장비 제조
- 전자 장비에서 허용되는 방출량 준수
참고
참고
발전기 제조업체와 전력 회사는 60Hz 발전기와 같은 저주파 장비에 대해서는 이러한 방출 기준을 준수할 필요가 없습니다.
1990년대, Jim Timperley는 논문 “The Basics of EMI(electromagnetic interference) Analysis”에서 EMSA를 사용하여 회전형 및 고정형 고전압(2,000V 이상) 전력 장비의 전기적 결함을 감지한 경험을 바탕으로 다섯 가지 기본 전자기 신호 특성 유형(및 이들의 조합)을 소개했습니다.
Jim Timperley 논문에 따른 전자기 신호 특성 유형은 다음과 같습니다.
- 아킹
- 코로나
- 갭 방전
- 마이크로 스파크
- 랜덤 노이즈
- 조합형
아킹은 저전압 전기 방전 현상으로, PD에서 발생하는 전류보다 수 배에서 수천 배 이상(10의 거듭제곱 단위) 큰 저주파 전류가 흐릅니다. 아킹은 저고조파(Low-Frequency Harmonic)가 풍부하며, 이는 무선 주파수(Radio Frequency, RF) 스펙트럼의 넓은 범위에 걸쳐 확장됩니다. 아킹은 오실로스코프에서 실시간으로 관찰할 때, 상승과 하강 시간을 측정할 수 있는 방전 현상이 나타나는 것이 특징입니다.
아킹은 전도체의 연속성 상실, 느슨하게 조여진 볼트 또는 크림프 접합부, 고정자 코일(Stator Coil)의 전도체 단선, 회전자 바(Bar)의 파손으로 인해 발생합니다. 아킹은 슬라이딩 접촉부에서 자주 발생하며, 이는 샤프트 접지 브러시, 여자기 정류자 브러시, 슬립 링 브러시 등이 해당합니다.
감지되는 오디오 신호 성분은 방출원 고유의 불안정성으로 인해 대체로 불규칙하게 나타납니다. 방전은 방출원에 따라 전력 주파수와 동기화될 수도, 그렇지 않을 수도 있습니다.
코로나는 기체나 액체 내에서 전류가 방전되는 현상으로, 교류 전압의 양(+) 및 음(–)의 반주기 모두에서 나타납니다. 공기 중에서는 접지 시 2,000V 이상의 전압으로 작동하는 깨끗한 도체와 10MHz 이하의 주파수에서 코로나 방전을 관찰할 수 있습니다. 매질이 오일이나 고압 수소일 경우, 이러한 전압은 더 높아질 수 있습니다.
저주파 코로나는 아스팔트 운모 플레이크(Mica-Flake) 절연이 적용된 기기에서 흔히 나타나는 신호 특성으로, 내부 절연 공극(Void)에서 PDA 기법으로 감지되는 패턴과 같습니다. 현대식 VPI 합성수지 절연 시스템을 갖춘 기기에서는 주로 2MHz 이상의 주파수에서만 코로나 현상이 발생합니다. 오염되거나 먼지가 쌓인 권선은 2.3kV 기기에서도 코로나를 발생시킬 수 있습니다.
감지되는 오디오 신호 성분은 마치 베이컨을 굽는 소리처럼 들립니다.
갭 방전(PD)은 서로 간격을 둔 두 표면의 전위차가 충분히 커서 갭을 뛰어넘는 스파크가 발생하고 전류 펄스가 생성될 때 발생합니다. 갭 방전은 전력 주파수 주기의 각 반주기 동안 한 번 또는 여러 번 발생할 수 있는데, 이는 각 방전의 상승 및 하강 시간이 매우 빠르기 때문입니다. 일반적으로 펄스 반복 주파수(Pulse Repetition Frequency, PRF)는 어느 위치에서나 반주기당 1~15회로 고정되며, 기계의 상전압(Phase Voltage)과 동기화됩니다.
갭 방전의 PRF와 진폭은 갭 크기, 인가 전압, 주변 가스의 절연 품질, 인접 도체의 RF 임피던스 등의 영향에 따라 달라집니다. 갭 방전에서 발생하는 EMI는 광대역 고조파가 풍부하며, RF 스펙트럼 전반에 걸쳐 높은 진폭을 나타내는 특징이 있습니다.
감지되는 오디오 신호 성분은 방전원의 PRF에 따라 탁탁 튀거나 긁는 소리로 들립니다.
마이크로 스파크는 갭 방전과 유사하지만, 갭이 보통 0.4mm 정도로 매우 얇습니다. 갭 방전의 PRF가 반주기당 1~15펄스인 것과 비교하여 마이크로 스파크의 방전 PRF는 전력 주파수 반주기당 15~30펄스입니다. 각 마이크로 스파크의 지속 시간은 매우 짧습니다.
EMI 발생은 보통 20MHz 이상의 주파수에서 관찰됩니다. 전송선 하드웨어의 마이크로 스파크는 주로 발전기 중성점에서 측정됩니다. 마이크로 스파크는 매우 얇은 간극이 먼지, 화학 잔류물, 오일, 녹으로 오염될 수 있기 때문에 종종 간헐적으로 발생합니다.
감지되는 오디오 신호 성분은 PRF에 따라 버징(Buzzing) 소리로 들립니다.
랜덤 노이즈는 오디오 회로 테스트에 사용되는 화이트 노이즈나 핑크 노이즈와 유사합니다. 이는 고전압 절연체가 전도성 물질로 오염되면서 발생합니다. 이 화이트 노이즈는 광대역 노이즈일 수도 있고, 1개~3개의 특정 주파수 중심으로 발생하며 신호 송신기와 유사한 스펙트럼 반응을 보이지만 훨씬 더 넓은 대역폭을 갖는 노이즈일 수도 있습니다.
절연체 표면이 오염될 경우, 주변 습도 변화가 방전 활동에 영향을 줄 수 있습니다. 절연체 내부 오염(예: 고정자 바 젖음) 역시 랜덤 노이즈를 발생시킬 수 있습니다. 랜덤 노이즈는 PD가 아닙니다. PDA 시스템을 통한 감지 가능 여부는 확인되지 않았습니다.
감지되는 오디오 신호 성분은 AM 라디오 수신기 또는 텔레비전의 채널을 돌릴 때 나는 잡음과 유사합니다.