본질안전 방폭구조

왜 배우는가: 본질안전 방폭구조는 계측·제어 회로처럼 전력이 작은 기기를 위험장소에 설치할 때 쓰는 대표 방폭 방식이다. 방폭 설비 설계와 점검에서 배리어 선택의 근거가 되므로 실무에서 중요하다. 시험에서는 원리 그림과 Zener Barrier, Isolated Barrier 비교가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제126회 4교시 3번, 제91회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 본질안전 방폭구조는 위험장소 회로의 전기·열 에너지를 최소 발화에너지 이하로 제한하여 점화를 막는 방폭 방식이다.

핵심 키워드

• 본질안전(Intrinsic Safety, Ex i): 회로 에너지를 제한하여 점화를 막는 방폭 개념
• 최소 발화에너지: 폭발성 가스를 점화시키는 데 필요한 최소 불꽃 에너지
• 본질안전 기기: 위험장소에 설치되어 에너지가 제한된 회로에 속한 기기
• 관련기기(Associated Apparatus): 비위험장소에 설치되어 배리어를 통해 위험장소 회로와 연결되는 기기
• 제너 배리어(Zener Barrier): 저항·제너다이오드·퓨즈로 에너지를 제한하는 배리어
• 절연형 배리어(Isolated Barrier): 절연변압기 등으로 회로를 갈바닉 절연하는 배리어
• 0종·1종·2종 장소: 위험분위기의 지속 정도에 따른 위험장소 구분

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 회로의 전기를 아주 약하게 만들어, 불꽃이 생겨도 주변 가스에 불이 붙지 않도록 하는 방식이다. 폭발을 용기 안에 가두는 내압방폭과 달리 점화 자체를 막는다는 점이 다르다.

정식 정의는 위험지역에 있는 회로의 전기적·열적 에너지를 최소 발화에너지 이하로 유지하여 폭발을 방지하는 방폭구조이다. 폭발성 가스가 점화되려면 불꽃에 의한 최소한의 점화에너지가 필요하다는 개념에 기초한다.

본질안전 기기는 회로 에너지를 제한한 상태에서 정상 동작과 규정된 고장 조건에서도 점화를 일으키지 않는 기기다. 측정기, 제어장치, 미소전력회로가 대표 대상이다. 전동기나 조명처럼 큰 동력을 직접 쓰는 기기는 적용이 곤란하다.

관련기기는 위험장소 밖에 두는 장치로, 배리어를 거쳐 본질안전 회로에 전원과 신호를 공급한다. 관련기기 자체는 방폭 기능이 없으므로 위험장소에 설치하지 않는다.

배리어는 위험장소 회로 입구에 설치하여 에너지를 제한하는 장치다. 배리어 방식은 제너 배리어와 절연형 배리어로 나뉜다. 두 방식 모두 고장이 생겨도 제한값을 넘지 않는 것이 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

석유화학, 가스, 정유 공장과 저장소에서는 인화성 가스와 증기가 0종·1종·2종 장소에 걸쳐 존재한다. 이런 장소에 계측기와 제어기를 설치해야 하지만, 기존 내압방폭 용기는 크고 무겁고 비싸다. 공정 신호를 다루는 소형 계측기에는 이 방식이 과도한 면이 있었다.

계측 신호 회로는 전압과 전류가 작다. 이 특성을 이용하면 회로 에너지를 최소 발화에너지 이하로 줄이는 설계가 가능하다. 이 점이 본질안전 방식이 등장한 배경이다. 회로를 구조적으로 단순하게 만들 수 있어 설치와 유지보수 비용도 줄일 수 있다.

정비 중 활선 작업을 줄일 수 있다는 점도 필요성이다. 본질안전 회로는 점화 위험이 낮으므로, 위험장소에서 기기를 다루는 작업의 안전 여유가 커진다. 다만 배리어 설계와 설치 조건을 지키지 않으면 이 효과는 사라진다. 따라서 배리어 선택과 접지 조건을 설계 단계에서 확인해야 한다.

Zener Barrier와 Isolated Barrier는 같은 목적을 다른 방법으로 달성한다. 제너 배리어는 전압을 제한하고 전류를 차단하는 소자로 회로를 보호한다. 절연형 배리어는 위험지역 회로와 비위험지역 회로 사이에 절연을 둔다. 두 방식의 차이는 4절과 6절에서 자세히 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

본질안전 회로는 제너 배리어(Zener Barrier)나 절연형 배리어(Isolated Barrier)로 위험지역에 공급되는 에너지를 제한한다. 두 방식 모두 위험지역 회로의 에너지를 최소 발화에너지 이하로 낮추는 것이 목표다. 구성요소의 역할은 전압 제한, 전류 제한, 전기적 절연의 세 가지로 나뉜다.

표의 구성에서 보듯 두 방식의 차이는 절연 여부에 있다. 제너 배리어는 전기적으로 직접 연결되어 있어 접지 상태가 안전성을 좌우한다. 절연형 배리어는 장벽이 있어 접지 고장 전류가 위험측으로 전달되지 않는다.

제너 배리어의 원리는 다음과 같다. 직렬 저항이 전류를 제한하고, 제너 다이오드가 전압을 일정 값으로 고정한다. 고장으로 전압이 상승하면 제너 다이오드가 도통하여 퓨즈를 단선시킨다. 이때 고장 에너지는 배리어 접지단자를 통해 대지로 빠져나간다. 따라서 접지 저항이 충분히 낮아야 하며, 퓨즈가 단선되면 회로를 복구하기 어렵다.

절연형 배리어의 원리는 다음과 같다. 절연 변압기나 광커플러가 위험지역 회로와 안전지역 회로를 전기적으로 분리한다. 출력 측의 전압과 전류는 허용값 이하로 제한된다. 구조가 복잡하고 가격이 비싸지만, 접지 상태에 의존하지 않아 안정적이다.

설계와 설치 절차는 다음과 같다.

• 위험지역 기기의 허용 전압 U_i, 허용 전류 I_i, 허용 전력 P_i를 기기 인증서에서 확인한다.
• 배리어 출력 U_o, I_o, P_o가 기기 허용값 이하인지 확인한다.
• 케이블의 정전용량 C_c와 인덕턴스 L_c 합계가 기기 허용 한도 이하인지 검토한다.
• 제너 배리어는 접지 저항을 측정하여 기준 이하인지 확인한다.
• 가스군과 온도등급 표시를 확인하고 설치 기록을 남긴다.

판정식은 다음과 같다.

$U_o \le U_i,\quad I_o \le I_i,\quad P_o \le P_i$

여기서 U_o는 배리어 출력 전압(V), U_i는 기기 허용 전압(V), I_o와 I_i는 출력·허용 전류(A), P_o와 P_i는 출력·허용 전력(W)이다. 세 조건을 모두 만족해야 본질안전 조건이 성립한다.

5. 관련 법령·기준·표준

본질안전 방폭의 기술 기준은 국제 표준인 IEC 60079 계열을 기반으로 한다. 기준 이름과 주요 수치를 정리하면 다음과 같다.

표의 값은 기준서의 대표 수치다. 국내에서는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 폭발위험장소 전기기기 조항과 한국전기설비규정(KEC)의 방폭 관련 규정이 적용된다. 조항 번호는 확인되지 않아 명칭만 기재한다.

개정 연혁은 다음과 같다. IEC TS 60079-39도 본질안전 시스템 기준으로 다룬다. 장소 구분은 0종, 1종, 2종 장소이며, 본질안全 방식은 세 장소 모두에 적용된다. 다만 장소별 적용 등급은 관련 기준을 확인해야 한다.

6. 유형과 비교

본질안전 방폭구조는 에너지 제한 방식에 따라 Zener Barrier 방식과 Isolated Barrier(절연형 배리어) 방식으로 나뉜다. 두 방식은 같은 목적(위험지역 회로의 에너지를 최소 발화에너지 이하로 억제)을 가지지만 전기적 분리 방법과 접지 요구가 다르다.