전기방폭 기본원리

왜 배우는가: 전기방폭은 폭발 위험이 있는 장소에서 전기기기가 점화원이 되는 것을 막는 기본 원리다. 산업안전보건기준에 관한 규칙이 이 원리를 기준으로 방폭 전기기기 선정, 변전실 위치, 환기 조건을 정하므로 실무 설계와 점검에서 반드시 알아야 한다. 시험에서는 폭발 조건, 위험분위기 생성 방지, 점화원 억제가 한 묶음으로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제108회 2교시 5번, 제87회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전기방폭은 전기설비가 점화원이 되지 않도록 위험분위기 생성을 막고 점화원을 억제하는 대책이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 폭발 조건과 대책 순서로 전개한다. 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 전기방폭
• 폭발 3요소
• 연소범위
• 위험분위기
• 점화원
• 방폭구조
• 인화점
• 발화점

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 전기방폭은 전기 스위치나 모터가 불씨가 되지 않도록 만드는 일이다. 가스나 분진이 공기와 섞여 떠 있는 곳에서 전기 불꽃이나 뜨거운 표면이 생기면 폭발로 이어질 수 있다. 그래서 전기기기 자체를 점화원이 되지 않게 설계하고 관리해야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 위험분위기가 존재하거나 존재할 우려가 있는 장소에 설치되는 전기기기가 점화원이 되어 폭발이 일어나지 않도록, 기기에 방폭성을 부여하는 것이다. 이 정의에는 두 가지 방향이 들어 있다. 첫째는 위험분위기를 만들지 않는 것이고, 둘째는 위험분위기가 생겼을 때 전기기기가 점화원이 되지 않게 하는 것이다.

폭발 3요소는 가연성 물질, 산소, 점화원이다. 세 가지가 동시에 갖춰져야 연소와 폭발이 일어나며, 하나만 빠져도 연소는 일어나지 않는다. 메탄 폭발을 연구하면서 이 세 조건이 정리됐다. 전기방폭은 이 가운데 점화원을 없애거나 억제하는 쪽에 초점을 둔다. 산소는 공기 중에 항상 있으므로 현장에서 제어하기 어렵고, 가연물과 점화원은 설계와 운영으로 관리할 수 있기 때문이다.

위험분위기는 가연성 가스, 증기, 분진이 공기와 섞여 폭발 가능한 상태로 존재하는 것을 말한다. 가연물이 공기 중에 있어도 농도가 맞지 않으면 불이 붙지 않는다. 이 농도 구간을 연소범위라고 하며, 하한계(LFL)와 상한계(UFL) 사이가 여기에 해당한다. 하한계보다 묽으면 연료가 부족하고, 상한계보다 진하면 산소가 부족해 화염이 전파되지 않는다. 따라서 농도를 연소범위 밖으로 유지하는 것도 방폭 대책이 된다.

점화원은 가연성 혼합기에 에너지를 주어 불을 붙이는 모든 원인이다. 전기설비에서는 개폐기 접점의 불꽃, 전기 아크, 과열된 기기 표면, 정전기 방전 등이 점화원이 된다. 전기기기가 불꽃을 내지 않더라도 표면 온도가 높으면 점화원으로 작용한다. 그래서 전기방폭에서는 불꽃과 표면 온도를 함께 제한한다.

온도와 관련된 용어도 구분해야 한다. 인화점은 점화원이 있을 때 증기가 불이 붙는 최저 온도이다. 연소점은 불이 붙은 뒤 연소가 계속되는 최저 온도이며, 보통 인화점보다 높다. 발화점은 점화원 없이 물질이 스스로 불이 붙는 최저 온도이다. 세 온도는 인화점, 연소점, 발화점 순으로 높다. 전기기기 표면 온도를 해당 가스의 발화점보다 충분히 낮게 제한하는 것이 온도 등급 설계의 출발점이다.

방폭구조는 전기기기가 점화원이 되지 않도록 구조와 재료, 봉입 방식을 정한 것이다. 내압방폭, 압력방폭, 유입방폭, 안전증방폭 등이 있다. 어떤 구조를 쓸지는 장소의 위험 정도, 가스 또는 분진의 종류, 온도 등급에 따라 정한다. 같은 장소라도 가스와 분진은 요구되는 구조가 다르므로 대상 물질을 먼저 확인해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

전기방폭이 중요해진 이유는 가연성 물질을 다루는 산업 공정이 늘었기 때문이다. 석유화학, 도장, 제분, 정밀 가공 공정에는 인화성 액체, 가스, 분진이 상시 또는 간헐적으로 존재한다. 이런 장소에 전동기, 스위치, 조명, 계측기가 설치되면 전기 점화원이 함께 놓이게 된다. 설비가 많아질수록 점화원이 생길 기회도 많아진다.

역사적으로는 탄광 메탄 폭발이 계기가 됐다. 메탄이 공기와 섞여 일정한 농도에 이르면 점화원에 의해 폭발한다. 이 원인을 연구하면서 연소의 3요소와 점화원 개념이 정리됐고, 이후 산업 현장에서는 점화원을 격리하거나 억제하는 방폭 기술이 발전했다. 즉 전기방폭은 사고 원인을 점화원으로 특정하고 그것을 제거하려는 데서 출발한다.

현행 법령도 같은 원리를 기준으로 한다. 가스폭발·분진폭발 위험장소에서는 방폭성능이 확인된 전기 기계·기구를 쓰고 그 성능을 유지해야 한다. 또 수시로 밀폐된 공간에서 스프레이 건을 사용하여 인화성 액체로 세척·도장 등의 작업을 하는 경우에는 공기 중 농도를 인화하한계값의 25퍼센트 이하로 유지하도록 환기해야 한다. 이는 위험분위기 생성을 막는 대표적 기준이다.

변전실 같은 전기 설비실도 같은 원칙이 적용된다. 가스·분진 폭발 위험장소에는 변전실 등을 설치하지 않는 것이 원칙이다. 부득이하게 두는 경우에는 실내기압을 항상 25파스칼 이상 양압으로 유지하고, 환기 고장 시 경보와 재가동 전 가스 확인 조치를 해야 한다. 다만 방폭성능을 갖는 전기 기계·기구를 변전실 등에 설치·사용한 경우에는 그러하지 아니하다. 이처럼 법은 위험분위기 유입을 막는 공간 설계와 점화원 억제를 함께 요구한다.

이런 기준이 필요한 이유는 사고의 결과가 크기 때문이다. 폭발은 짧은 시간에 압력과 화염을 만들어 설비와 사람에게 동시에 피해를 준다. 점화원을 완전히 없애는 것은 현실적으로 어려우므로, 위험분위기 생성 방지와 점화원 억제를 함께 적용하는 것이 전기방폭의 기본 전략이다.

4. 구성요소·원리·절차

전기방폭은 폭발 3요소 중 하나라도 성립하지 않게 하는 것이다. 폭발 3요소는 가연물, 산소, 점화원이다. 가연성 가스·증기·분진의 농도가 폭발 범위 밖이면 점화원이 있어도 폭발하지 않는다. 따라서 대책은 두 방향으로 나뉜다. 하나는 위험분위기 생성방지이고, 다른 하나는 전기기기가 점화원이 되지 않게 하는 점화원 억제이다. 두 대책은 따로 쓰지 않고 함께 적용한다.

구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

위 표는 생성방지와 점화원 억제를 나눠 보여준다. 전기 측면의 점화원 억제는 방폭구조가 핵심이다. 정전기와 충전부 방호는 점화원을 줄이는 보조 수단이다.

방폭구조의 원리는 두 가지다. 첫째는 기기 내부에서 점화가 일어나도 외부 분위기로 화염이나 고온이 전달되지 않게 하는 것이다. 둘째는 기기 자체의 에너지를 점화 한계 이하로 낮추는 것이다. 대표 구조는 다음과 같다.

• 내압방폭구조(Flameproof Enclosure): 외함이 내부 폭발압력을 견디고, 틈새로 화염이 빠져나가지 못하게 한다.
• 안전증방폭구조(Increased Safety): 정상 상태에서 불꽃이나 과도한 온도가 생기지 않도록 구조와 여유를 높인다.
• 본질안전방폭구조(Intrinsic Safety): 회로 에너지를 점화에 필요한 값 이하로 제한한다.

기기 선정은 가스의 폭발 등급과 발화온도를 기준으로 한다. 가스 그룹과 온도등급(T1~T6)을 맞춰 기기 표면 최고온도가 물질의 발화온도보다 낮도록 고른다. 이 과정이 방폭 설계의 출발점이다.

위험분위기 생성방지의 정량 기준은 폭발하한계(LFL)와의 비교로 나타낸다.

$C \le 0.25 \times LFL$

여기서 C는 작업장 내 가연성 증기의 농도(vol%), LFL은 폭발하한계(vol%)이다. 이 식은 제231조 제2항의 기준을 나타낸다. 가상의 예로 LFL = 2.0 vol%인 물질이면 허용 농도는 0.25 \times 2.0 = 0.5 vol% 이하이다. 폭발하한계의 1/4 수준은 작업장 농도 관리 목표로 타당한 범위이다.

전기방폭 대책의 적용 절차는 다음과 같다.

• 위험장소를 분류하고 가연성 물질의 종류(가스·증기·분진)를 확인한다.
• 물질별 폭발하한계, 발화온도, 가스 그룹을 파악한다.
• 환기와 누설 억제로 위험분위기 생성을 먼저 줄인다.
• 잔존 위험에 대해 방폭성능을 갖춘 전기기계·기구를 선정한다.
• 정전기·충전부 등 보조 점화원을 제거한다.
• 방폭 성능이 유지되도록 정기 점검과 보수를 한다.

아래 도식은 위 절차를 흐름으로 나타낸 것이다.

5. 관련 법령·기준·표준

전기방폭 관련 기준은 「산업안전보건기준에 관한 규칙」(이하 안전보건규칙)에 주로 있다. 조문별 기준값과 조건을 표로 정리한다.