가스 증기 방폭 설비 위험장소 분류 및 방폭구조

왜 배우는가: 가스·증기 방폭은 전기설비가 폭발성 분위기의 점화원이 되는 것을 막는 기본 기술이며, 위험장소 분류와 방폭구조 선정은 설계·검사·유지관리 전반에 걸쳐 반복 적용된다. 그래서 기술사 시험에서도 용어 문제와 논술 문제로 거듭 출제된다.

출제 이력: 제138회 3교시 1번, 제113회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

가스·증기 방폭설비는 가연성 가스나 증기가 공기와 섞여 폭발할 수 있는 장소에서 전기기기가 점화원이 되지 않도록 위험장소를 구분하고 방폭구조를 적용한 전기설비이다.

가스·증기 방폭은 위험장소 분류에 맞는 방폭구조를 선정해 전기기기의 점화원화를 막는 것이다.

핵심 키워드

• 위험장소 분류: 폭발성 가스 분위기의 존재 빈도와 지속시간에 따라 Zone 0·1·2로 구분한다.
• 방폭구조: 내압, 안전증, 본질안전, 압력 등 점화원을 격리하거나 에너지를 제한하는 구조다.
• 폭발 3요소: 가연성 물질, 산소, 점화원이 동시에 있을 때 폭발이 일어난다.
• 가스 그룹: 최대안전틈새(MESG)와 최소점화전류(MIC)로 나눈다.
• 온도등급: 기기 표면온도가 가스의 발화온도를 넘지 않도록 정한 등급이다.
• 기기보호수준(EPL): Ga, Gb, Gc로 기기의 점화 방지 신뢰 수준을 나타낸다.
• 접지·본딩: 정전기와 누설전류에 의한 점화를 방지하는 기본 대책이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면, 가스가 새는 곳에서 스위치나 모터가 불꽃을 내지 않도록 만드는 것이 방폭이다. 가스 농도가 연소 범위 안에 있고 점화원이 있으면 폭발이 일어나므로, 방폭은 이 세 요소 중 점화원을 없애거나 격리하는 데 초점을 둔다.

정식 정의는 다음과 같다. 가스·증기 방폭설비는 폭발성 가스 분위기가 형성될 수 있는 장소(위험장소)를 구분하고, 그 장소에 적합한 방폭구조의 전기기기를 설치해 점화에 의한 폭발을 방지하는 설비 체계이다.

핵심 용어 풀이

• 위험장소: 폭발성 가스 또는 증기와 공기의 혼합물이 존재하거나 존재할 우려가 있는 장소다. 존재 빈도에 따라 Zone 0, Zone 1, Zone 2로 나눈다.
• 연소 범위(가연 범위): 가스가 공기와 섞여 점화하면 연소가 일어나는 농도 범위다. 이 범위 밖에서는 폭발하지 않는다.
• 최소점화에너지(MIE): 혼합기를 점화시키는 데 필요한 최소 에너지다. 본질안전방폭은 이 값 이하로 회로 에너지를 제한한다.
• 최대안전틈새(MESG): 표준 용기 시험에서 화염이 틈새를 통해 외부로 전파되지 않는 최대 틈 폭이다. 내압방폭의 접합면 설계 기준이다.
• 최소점화전류(MIC): 저항·인덕턴스 회로에서 혼합기를 점화시키는 최소 전류다. 본질안전 회로 설계에 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

석유화학, 가스 저장, 도료 취급, 용제 이송 설비처럼 가연성 증기가 발생하는 공정이 늘면서 전기기기 점화에 의한 폭발사고가 반복되었다. 전기기기는 모터, 스위치, 계측기처럼 아크와 불꽃, 고온 표면을 만들기 때문에 위험장소에서는 그 자체가 점화원이 된다.

이 문제를 해결하려면 두 방향이 있다. 하나는 위험장소를 줄이는 것이고, 다른 하나는 어쩔 수 없이 남는 위험장소에서 기기의 점화 능력을 없애는 것이다. 이 두 방향을 체계화한 것이 위험장소 분류와 방폭구조 규격이다.

국제적으로는 IEC 60079 시리즈가 위험장소 분류(IEC 60079-10-1 등)와 방폭기기 시험·구조 요건을 정하고 있다. 국내 전기설비 기준도 이 흐름을 따라 위험장소 구분과 방폭기기 선정 기준을 두고 있다. 따라서 방폭의 필요성은 사고 예방과 함께 국제 기준 체계와 인증 제도를 맞추기 위해서도 커졌다.

위험장소를 나누는 이유는 방폭 비용을 합리적으로 쓰기 위해서다. 모든 장소를 가장 엄격한 구조로 설계하면 비용과 유지관리 부담이 커진다. 따라서 존재 빈도와 지속시간에 따라 장소를 나누고, 장소마다 필요한 기기 수준을 달리 적용한다.

4. 구성요소·원리·절차

가스·증기 방폭설비의 목적은 가연성 가스, 산소, 점화원이 동시에 존재하는 조건 중 점화원을 없애는 데 있다. 위험장소에서 공기 중 가연성 가스 농도를 완전히 막기 어려우므로, 전기기기가 점화원이 되지 않도록 구조를 설계한다. 설비는 기기 외함, 배선·접속부, 접지·본딩, 가스검지·차단 장치로 구성되며 각 요소가 방폭 기능을 나눠 맡는다.

위 표의 요소는 각각 단독으로 완결되지 않는다. 외함이 견뎌도 배선 접속부가 열리면 점화원이 생기므로, 전체 계통을 함께 평가해야 한다.

점화원을 막는 원리는 세 가지다. 첫째는 점화원 격리로, 내압·압력·유입·몰드 방폭처럼 점화 부분을 가스와 분리한다. 둘째는 안전도 증강으로, 안전증 방폭처럼 정상 운전 중 불꽃과 과열 요인을 줄인다. 셋째는 에너지 제한으로, 본질안전 방폭처럼 회로 에너지를 점화에 필요한 값 이하로 낮춘다.

점화원 격리, 안전도 증강, 에너지 제한 중 기기 특성에 맞는 방식으로 점화를 막는다.

기기 표면온도가 가스의 발화온도를 넘으면 점화가 가능하다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

$T_s \le T_i$

여기서 T_s는 기기의 최고 표면온도(℃), T_i는 가스의 발화온도(℃)다. 온도등급은 T1부터 T6까지 여섯 단계로 나뉜다. T1은 발화온도 450℃ 초과 가스에, T6은 85℃ 초과 가스에 적용한다. 등급 번호가 커질수록 허용 표면온도가 낮아지므로 민감한 가스일수록 낮은 등급의 기기를 선정한다.

가스 그룹은 최대안전틈새(MESG)로 나눈다. IIA는 0.9mm 초과, IIB는 0.5~0.9mm, IIC는 0.5mm 이하 다. 틈새가 좁은 가스일수록 화염이 외부로 새기 어려워 더 엄격한 방폭구조가 필요하다. 수소와 아세틸렌처럼 틈새가 매우 좁은 가스는 IIC 기기를 적용한다.

방폭설비를 설계하고 시공하는 절차는 다음과 같다.

• 누출원, 환기, 확산 조건을 조사해 위험장소를 Zone 0·1·2로 구분한다.
• 대상 가스의 가스 그룹과 발화온도를 확인한다.
• 장소별 기기 보호수준(EPL)을 정한다. Zone 0은 Ga, Zone 1은 Gb, Zone 2는 Gc 수준이다.
• 방폭구조와 온도등급을 선정하고 기기 명판과 인증 조건을 대조한다.
• 배선, 접속, 접지, 본딩을 설치 조건에 맞게 시공한 뒤 검사하고 정기점검한다.

절차의 핵심은 장소 구분을 먼저 정하고 기기를 나중에 고르는 순서다. 장소 구분이 바뀌면 기기의 EPL과 방폭구조도 함께 바뀌므로, 설비를 개조할 때는 장소를 다시 평가해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내에서 가스·증기 위험장소의 전기설비는 한국전기설비규정(KEC)의 폭발성 분위기 장소 규정에 따라 시공한다. KEC는 국내 전기설비의 설계·시공 기준을 정한 규정이다. 사업장의 폭발위험장소 관리는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 폭발·화재 예방 규정을 함께 따른다. 장소 구분은 IEC 60079-10-1, 기기의 선정과 설치는 IEC 60079-14를 기준으로 한다. 방폭 기기의 제품 기준은 KS C IEC 60079 시리즈를 바탕으로 한다.

내압방폭 용기는 수압 시험 압력에서도 영구 변형이나 균열이 없어야 한다. 표의 값은 기기 인증의 시험 조건에 연결되므로, 제품 명판의 방폭 표시와 장소 조건을 함께 대조한다. 본질안전 회로는 고장 개수에 따라 ia와 ib로 나뉘며, 계측 신호처럼 사람이 접근하는 회로에 주로 쓴다.