도시철도용 무선 급집전 시스템 주변의 전자기장 측정 방법 및 안전성 평가 방법 연구

국내의 전자기장 인체보호기준은 과학기술정보통신부 고시 제2017-7호로 고시되어 있으며, 표 1 및 표 2와 같이 일반인과 직업인 기준으로 나뉘어 있다. 국내 기준은 국제비전리복사방호위원회(ICNIRP, International Commission of Non-ionizing Radiation Protection)에서 1998년도에 권고한 가이드를 사용하고 있다^[2],^[3].

국외의 대표적인 전자기장 인체보호기준은 ICNIRP 1998 Guidelines과 ICNIRP 2010 Guidelines 그리고 IEEE C95.1이 있다^[3]～^[5]. ICNIRP에서는 2010년도에 저주파수 대역(0～100 kHz)에 대한 전자기장 인체보호기준을 개정하였다. 인체내의 의학적 영향을 결정하는 물리량을 인체 내부 유도전류밀도에서 인체 내부 유도 전기장 세기로 개정되었고, 인체 내 조직마다 전기전도도의 불확실성을 고려한 수치해석 결과가 반영되었다. 표 3에 ICNIRP 1998 Guidelines과 2010 Guidelines의 차이점을 요약하였다.

표 4는 60 kHz 주파수 대역에서의 ICNIRP 1998 Guidelines과 2010 ICNIRP Guidelines 그리고 IEEE C95.1의 인체보호기준치를 나타낸 것이다.

국립전파연구원에서는 전자파강도 측정기준에 관한 고시가 있으며^[6], 측정기기에 대한 성능 기준 및 측정에 대한 일반적인 기준을 제시하고 있다. 측정 지점에 대해서는 작업자가 주로 작업하는 곳 또는 주민이 주로 생활하는 곳에서 측정하고, 전기․전자기기 등에서 발생하는 전자기장은 통상 기기를 사용하는 거리에서 측정한다. 이때, 측정된 지점에서 측정된 전자기장의 세기는 전자기장 인체보호기준치를 초과하지 않아야 한다.

무선급집전 시스템의 전자기장 측정 방법과 유사한 국외의 기준으로는 IEC 62110, IEC 623597, IEC 61980-1, IEC TC 106 WG9 Technical Report 등이 있다^[7]～^[11].

4-2-1 IEC 62110

IEC 62110은 전력설비로부터 노출되는 자기장 측정 및 안전성 평가 방법을 규정하고 있다. 본 규격에서 균일 자기장에 대한 측정은 단일 지점 측정으로, 측정 지점은 지면으로부터 1 m 높이에서 측정하도록 하고 있다. 비균일 전자기장에 대한 측정은 그림 2와 같이 3점 측정 방법으로 정의하고 있으며, 인체 안전성 평가는 3점 측정법으로 측정된 값을 산술 평균하여 인체보호기준치와 비교 평가하고 있다. 이때 단일지점 측정 높이인 1 m에서의 자기장 세기는 인체 노출 평균값으로 인식되며, 3점 평균 노출 수준으로 인체노출을 평가하고 있다.

그림 2. | Fig. 2. 비균일 전자기장에 대한 3점 측정 방법 | 3 points measurement method for non-uniform electromagnetic fields.

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4-2-2 IEC 62597

IEC 62597은 전기철도 차량, 철도에 설치된 전력설비 및 지상에 고정된 전력설비에서 발생하는 전자기장에 대한 측정 방법을 정의하고 있으며, 적용 주파수 범위는 DC에서 20 kHz까지이다. 표 5는 철도시설에 대한 전자기장 측정 시, 움직이는 차량과 정지 상태의 고정설비에 대한 측정 조건이다. 전기철도 차량에 대한 전자기장 측정은 표면 측정 방법과 공간 측정 방법으로 분류되며, 그림 3은 표면 측정 위치를 나타내었다. 표면 측정은 전자기장을 발생시키는 기기와 가장 근접하고 측정이 가능한 표면에서 측정하는 것을 말하고, 공간 측정 방법은 작업자 또는 일반인이 접근할 수 있는 가장 가까운 거리에서 측정하는 방법을 의미한다. 표 6은 전기철도 차량에 대한 전자기장 측정 시 차량 내부 및 외부에서 표면 측정 방법 및 공간 측정 방법에 따른 측정 위치를 나타낸 것이다.

그림 3. | Fig. 3. 철도시설의 표면 측정 위치 | Surface measurement point of the railroad.

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표 5. | Table 5. 철도시설에 대한 전자기장 측정 조건 | EMF measurement conditions of the railroad system.

		Measurement conditions
Rolling stock	Standstill condition	- The traction circuits shall be under voltage but not operating.
		- The auxiliary circuits shall operate and all the relevant appliances shall be active(eg. air conditioning/heating, lights, window heater, electric generators).
	Dynamic condition	- The traction circuits shall be under voltage and operating.
		- The auxiliary circuits shall operate and the load shall be active.
		- The rolling stock starts from the standstill with maximum acceleration to maximum speed, coasting and maximum electrical brake to stop.
		- The maximum value of the field strength shall be recorded together with the line current.
Fixed installation	Open railway route and platform	- The actual line current of the open railway route/platform as the significant source of emission shall be noted during emission tests.
		- Maximum emission shall be calculated based on the measurement results and monitored line current using an appropriate method.
	Fixed power supply installation	- The actual loading of the fixed power supply installation shall be noted during emission tests.
		- Maximum emission shall be calculated based on the measurement results and monitored line current using an appropriate method.

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표 6. | Table 6. 철도의 전자기장 측정 위치 및 측정 방법 | EMF of the railroad measurement positions and measurement methods.

Measurement point		Measurement method
Inside rolling stock	Accessible areas for workers	Surface	- Measure at a minimum distance
			- Measure on the floor surface above emission source at 0.5 m, 1.0 m, 1.5 m.
		Volume	- Measure at typical places where workers can be located.
			- Measurement heights above the floor shall be 1.0 m, 1.5 m. The horizontal measuring distance to the walls is 0.3 m.
	Public areas	Surface	- Same accessible areas for workers’ method.
		Volume	- Measure at places where public can be located.
			- Measurement heights above the floor shall be 0.3 m, 1.0 m, 1.5 m. The horizontal measuring distance to the walls is 0.3 m.
Outside rolling stock	Accessible areas for public and workers	Surface	- Measure at minimum distance and at an agreed number of measuring points.
		Volume	- Measure at distances of 0.3 m to the train surface taking into account the sources of emission of the rolling stock at 0.5 m. 1.5 m, 2.5 m height from the top of the running rails.
			- Measure at place where public and workers can be located.

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4-2-3 IEC 61980-1 & IEC TC 106 WG9 Technical Report

IEC 61980-1 & IEC TC 106 WG9 Technical Report는 무선충전 전기자동차에 대한 측정 방법을 정의하고 있다. 그림 4는 무선충전 전기자동차의 전자기장 측정 위치를 표시하였다. 측정 위치는 차량 내부와 외부로 나누어 정의하고 있고, 차량 내부에 대한 측정 방법은 운전자나 승객이 의자에 앉았을 때 다리, 가슴, 머리 위치에서 측정하도록 하였고, 차량 외부의 경우 차량 표면에서 0.2 m 떨어져서 측정하도록 하고 있다.

그림 4. | Fig. 4. 무선 충전 전기자동차의 전자기장 측정 위치 | Electromagnetic fields measurement positions of electric vehicle of wireless charging.

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표 7은 위에서 검토한 각 기준의 장단점을 나타낸 것이다.

표 7. | Table 7. 국내외 기준에서 정한 전자기장 측정 방법의 장단점 비교 | Comparison of merits and demerits of EMF measurement method in domestic and international guidelines.

Standards	Merit	Demerit
Measurement standards for electromagnetic field strength (National notification)		- Measurement method is not detailed.
IEC 62110	- Described averaged 3 points measurement method based on the body (0.5, 1.0, 1.5 m above the ground).	- A measurement point is 1 m of height away from the ground. It is applied for AC power systems.
	- 3 points averaged value is assessment of averaged exposure for the body.
	- Measure at 0.2 m away from surface of the DUT.
IEC 62597	- Described measurement method for electric railroad.	- Applied frequency up to 20 kHz.
	- Measure at 0.3 m away from surface of rolling stock in volume measurement.	- The value by 3 points measurement method considered height of power cable of the train(0.5, 1.5, 2.5 m)
IEC61980-1 & IEC TC 106 WG9 TR	- Measuring inside the electric vehicle where the body is located	- It is the standards for wireless power transfer of electric vehicle.

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무선 전력전달 시스템에서 발생하는 전자기장을 수치해석하기 위하여 그림 5와 같이 급집전부를 모델링하였다. 그림 5에서 플랫폼은 해석지점을 나타내기 위하여 표시한 것으로 모델링에서 제외한다. 그림 5에서 A와 B는 차량 표면(한국형도시철도 차량의 폭: 2.4 m)에서 0.2 m 이격된 곳으로 A는 급전선로 위에 집전선로가 함께 위치한 지점에서 이격된 해석지점이고, B는 급전선로만 있는 지점에서 이격된 해석지점이다. 해석지점 C와 D는 플랫폼 엣지에서 0.2 m 떨어진 지점이다. 플랫폼의 높이는 선로보다 1.1 m 높은 곳에 위치한다. E와 F는 열차의 출입문을 고려한 열차 내부의 해석지점으로 차량 바닥으로부터 0.5 m 떨어진 높이이고, 출입문 안쪽으로 0.2 m 떨어진 지점이다. 이 때, 차량의 바닥은 플랫폼의 높이(1.1 m)와 동일하다. 해석지점 G와 H는 차량의 중심지점으로 측정 지점 E, F와 같이 선로에서 1.6 m 높이인 지점이다. 해석에 사용한 입력 파라미터는 표 8에 나타내었다. 집전 출력 전력이 1 MW일 때 입력전류는 500 [A]이다.

그림 5. | Fig. 5. 수치해석을 위한 무선 전력전달 시스템 모델링 | Modelling of the WPT system for numerical analysis.

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그림 6은 그림 5의 A, B 두 지점으로부터 플랫폼 방향으로 3 m 떨어진 지점까지의 자기장 세기를 수치해석한 것으로 선로가 위치한 지면으로부터 0.5 m, 1.0 m, 1.5 m, 2.5 m 떨어진 높이의 자기장 세기, 0 m에서 2.5 m까지(0 ≤ z ≤ 2.5 m)의 공간 평균된 자기장 세기, 0.5 m와 1.0 m 그리고 1.5 m 3점의 평균 자기장 세기, 0.5 m와 1.5 m 그리고 2.5 m 3점의 평균 자기장세기를 그래프로 나타내었다.

그림 6. | Fig. 6. 측정 높이와 객차로부터 떨어진 이격 거리에 따른 무선 전력전달 시스템의 수치 해석된 자기장 세기 | Magnetic field strengths of the WPT system by numerical analysis for measurement height and distance away from the railroad car.

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그림 6을 통해 공간 평균된 자기장 세기가 선로가 위치한 지면으로부터 0.5 m, 1.5 m, 2.5 m 높이의 3점 평균 자기장 세기보다 크지만 지면으로부터 0.5 m, 1.0 m, 1.5 m 높이의 3점 평균 자기장 세기보다 작아 지면으로부터 0.5 m, 1.0 m, 1.5 m 높이의 3점 평균 자기장 세기로 인체 안전을 평가하는 것이 더 보수적인 방법임을 알 수 있다. 그리고 차체의 표면으로부터 0.2 m 떨어진 지점의 자기장 세기가 0.3 m 떨어진 지점의 자기장 세기보다 높으므로 차체로부터 0.2 m 떨어진 지점에서 자기장 세기를 평가하는 것이 보다 더 엄격한 인체보호기준 평가가 될 것이다.

열차 외부에 대한 수치해석 결과를 통해 0.5 m 높이에서의 자기장 세기가 표 1의 일반인 기준치(6.25 μT)보다 높지만, 표 2의 직업인 기준치(30.7 μT) 보다는 낮다는 것을 알 수 있다. 하지만 열차 외부에 있는 열차 선로에 대한 전자기장의 노출량 평가의 경우, 일반인이 열차 선로에 접근하는 것이 거의 불가능하므로 직업인의 자기장 노출량을 평가하는 것이 바람직하다. 이 조건을 적용하여 그림 6의 수치 해석된 자기장의 세기를 직업인에 대한 자기장의 인체안전 기준치와 비교하면 열차 외부의 자기장에 대한 인체 노출량이 직업인의 기준치를 만족하므로 열차 외부에 대한 자기장 인체 노출량은 직업인에 대하여 안전하다고 할 수 있다.

그림 7은 그림 5의 C와 D 지점(플랫폼 엣지에서 0.2 m 떨어진 위치)에서 플랫폼 바닥으로부터 0.5 m 높이를 기점으로 2.0 m 높이까지의 자기장 세기를 수치 해석한 것을 그래프로 나타낸 것이다. 그림 7에서 확인할 수 있듯이 C, D 지점의 자기장 세기는 표 1의 일반인 기준치(6.25 μT)보다 낮은 것을 확인할 수 있다. 차량과 플랫폼의 모델링을 제외하고 수치해석을 하였기 때문에 실제로 플랫폼과 전력전달 지점 위에 차량이 존재한다면 알루미늄으로 이루어진 객차로 인해 플랫폼에서 측정되는 자기장 세기는 더 낮을 것으로 예상된다.

그림 7. | Fig. 7. 플렛폼에 위치한 C, D 지점에서의 수치 해석된 자기장 세기 | Magnetic field strengths by numerical analysis at analysis point C and D in the platform.

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그림 8은 객차 내부에 대한 수치해석 결과이다. 그림 9에서 확인할 수 있듯이 차량 내부에서의 자기장 세기는 표 1의 일반인 기준치보다 낮다. 객차 내부에 대한 수치해석에서 객차와 플렛폼을 제외하고 진행하였기 때문에 실제 차량이 있는 경우에는 자기장 세기가 더욱 낮아질 것으로 예상된다.

그림 8. | Fig. 8. 객차 내부의 수치 해석된 자기장 세기 | Magnetic field strengths by numerical analysis at the inner railroad car.

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그림 9. | Fig. 9. 무선 급집전 시스템의 전자기장 측정위치 | EMF measurement positions of the WPT system.

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