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구 왕
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1 방전전극재질과최소점화에너지에관한실험연구 한국산업안전보건공단산업안전보건연구원 ( 접수 / 채택 ) An Experimental Study on the Minimum Ignition Energy in Low Voltage Spark Discharge by Electrode Material Sang-Won Choi Occupational Safety & Health Research Institute, KOSHA (Received February 6, 2012 / Accepted May 7, 2012) Abstract : In the hazardous areas where explosive gases, vapor or mists exist, electrical apparatus and installations must be the explosion-proof construction to prevent or limit the danger of the ignition of potentially explosive atmosphere. In Korea, nine types of protection have been specified in the government regulations at present: flameproof enclosure, pressurization, oil immersion, increased safety, intrinsic safety, non-incendive, powder filling, encapsulation, and special types. Among these types, the intrinsic safety has the construction which limit or by-pass igniting the electric energy using electronic devices. This type has lots of merits but at the same time requires a high-degree of technology. In this paper, we investigated several dominating factors which affect the minimum ignition energy; this energy plays a very important role in design and evaluation of the intrinsic safety type electrical apparatus. Electrode material, which is one of the most important factors, was intensively studied for the five sorts of material(al, Cd, Mg, Sn, and Zn) with performing experiment in a low-voltage inductive circuit using IEC-type(International Electrotechnical Commission) spark apparatus. The experimental results show that the minimum ignition energy of electrode material is varied: highest in Cd and lowest in Sn. We also confirmed the effect of electrode make-and-break speed. Key Words : minimum ignition energy/voltage, electrode material, spark test apparatus 1. 서론 * 인화성가스ㆍ증기가존재하는위험장소 ( 이하폭발위험장소라한다 ) 에서사용되는전기기기는이기기가운전중에발생되는에너지 ( 아크, 스파크, 고온표면등 ) 에의해인화성가스ㆍ증기 ( 이하간단히인화성혼합물이라한다 ) 에점화되지않는구조로되어야한다. 이러한전기기기를방폭구조전기기기라하는데, 현재우리나라에서는 9 종류 ( 내압, 압력, 유입, 안전증, 본질안전, 비점화, 몰드, 충전및특수 ) 로구분하고있다. 이중본질안전 (Intrinsic Safety) 방폭구조는전자부품을이용하여인화성혼합물을점화시키는전기에너지를제한하거나 By-Pass 시키는방법으로서여러가지타방폭구조에비하여장점이많으나동시에고도의기술을요구하고있다. 본연구에서는본질안전방폭구조의전기기기에 swchoi@kosha.net 대한설계및평가시에매우중요한최소점화에너지 (Minimum Ignition Energy) 에영향을주는요인들을분석하고, 또한인화성혼합물을점화시키는전극의재질에따른최소점화에너지의영향을확인하기위하여저압유도성회로에서불꽃점화시험장치를사용하여실험을하였다. 2. 저압개폐불꽃에의한점화위험성 2.1. 본질안전방폭구조및평가본질안전방폭구조란정상시및사고시 ( 단선, 단락, 지락등 ) 에발생되는전기불꽃, 아크또는고온에의하여인화성혼합물에점화되지않는구조로된것을말한다. 본질안전방폭방식은인화성혼합물이점화되어폭발을일으키는데에는전기불꽃에의해어느정도최소한의에너지가주어질필요가있다는개념을근거로하고있다. 물론전기불꽃에의한점화외에도열에의한점화와전류에의해 63

또한, 이방폭구조는위험도가가장높은 0 종장소 ( 폭발성분위기생성률 : 10-1 이상, 연간체류시간 : 1000 이상 ) 에사용할수있으며내압방폭구조에비하여제품의외관, 신뢰성등에서우수하기때문에가연성가스측정ㆍ경보시스템, 계측기류, 센서류및특히분산제어시스템 (Distributed Control System) 에그수요가날로증가되고있다.

2 가열된도체 (Hot Wire) 의고온표면에의한점화도있다. 다시말하면단선이나단락등에의해전기회로중에서전기불꽃이발생하여도인화성혼합물이결코점화되지않는경우에는본질적으로안전하다고할수있다. 반면에내압방폭구조는폭발위험장소에서점화원을그대로인정하여이점화원에의해용기내부에서폭발이발생하여도충분한강도를가진용기에의해주위의인화성혼합물에점화되지않도록하는방법에비하여본질안전방폭구조의전기기기 Fig. 1 과같이전자부품으로폭발위험장소에흐르는전기에너지를최소화시켜주위의인화성혼합물을점화시키는점화능력이없도록하는것이다. Fig. 1. Explosion-proof construction of intrinsic safety. 또한, 이방폭구조는위험도가가장높은 0 종장소 ( 폭발성분위기생성률 : 10-1 이상, 연간체류시간 : 1000 이상 ) 에사용할수있으며내압방폭구조에비하여제품의외관, 신뢰성등에서우수하기때문에가연성가스측정ㆍ경보시스템, 계측기류, 센서류및특히분산제어시스템 (Distributed Control System) 에그수요가날로증가되고있다. 일반적으로본질안전방폭성능을취급하는경우기초적인입장에서이것을규명하여보면다음 2 가지로나누어생각할수있다. 것이많은나라들의현실이다. 점화실험에사용하는개폐불꽃 (Spark Ignition Apparatus or Make-and-Break Spark) 발생장치는기계적으로작동하는개폐전극을사용하여통전중전기회로를개폐하여이것에의해발생되는방전불꽃이가스로점화되는가여부를시험하기위한것으로본질안전방폭전기회로ㆍ기기의안전면에서접점개폐불꽃및배선ㆍ부품등의단선ㆍ단락사고불꽃에대하여충분한모의실험에사용된다. 불꽃점화실험장치는크게수동조작식개폐불꽃발생장치와자동식개폐불꽃발생장치로나뉘며전자로는 Wire Brush, 동선인장단선형및 Wheeler 형등이있으며후자로는 IEC 형, Break-Flash 형및 Intermittent Break 형등이있다 1). 이들의장ㆍ단점으로는 Wire Brush 형은불규칙, 복잡한불꽃을발생시키나재현성은없고, 동선인장단선형은재현성은우수하나회로의개로시만을실험할수있으며, Wheeler 형은개폐속도가빠르나접점이열화되기쉽다. 반면에 IEC 형은직류, 교류회로에모두이용할수있으며, Break-Flash 형은유도성회로에적합하고, Intermittent Break 형은개폐속도가늦기때문에용량성회로에적합하다. Fig. 2 는세계적으로가장많이사용되고있는 IEC 형불꽃점화시험장치를나타낸것이다 2). 본질안전방폭전기회로에서발생하는개폐불꽃특성 개폐불꽃에의한인화성혼합물로의점화 이양자에관한충분한지식이있다면주어진전기회로에서발생하는불꽃에의해가스로의점화여부를예측하는것이가능하다. 말하자면실제의전기회로에서점화유무를시험하지않아도그본질안전방폭성능을판정할수있다. 그러나아직양자모두의메커니즘이완전히해명되어있지않고, 또한전기회로도종류가수없이많기때문에이를위하여점화유무의최종적인판단은점화시험에의존하는 Fig. 2. Spark test apparatus for IEC 저압방전회로특성전기회로의부하가다르면거기서발생하는방전특성도다르며, 그러하기때문에가스로의점화한계도다르게된다. 본질안전방폭전기회로를설계하는경우전원전압의크기나부하전류의크기에대한상한은일반적으로정해져있지않다. 이 64 Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 3, 2012

3 방전전극재질과최소점화에너지에관한실험연구 와같은상한을정하는것은대상가스의종류, 전압, 전류, 부하의크기등을조합시킨결과에근거를두기때문이다 3). 회로의개폐방전불꽃에너지가최소점화에너지와일치한다면본질안전방폭전기회로를설계하는모든경우에공학적으로문제가없다. 그러나이와같은예는현실적으로대단히드물다. 그러므로본질안전방폭기술상최소점화에너지는참고치로서취급하며, 이것에소염효과 ( 消炎效果 ; Quenching Effect) 를고려한실용적인점화한계가중요한설계기준으로필요하다. 실제로본질안전방폭회로에서많이사용되는것은유도회로일경우가많다. 유도회로에서는인덕턴스의크기에따라전원전압의크기가점화한계에중요한요소로되는경우도있고거의작용하지않는경우도있다. 유도회로를열때의방전은아크방전, 고주파간헐방전 ( 주로인덕터와불꽃발생장치의부유정전용량에기인 ) 및글로우방전이발생한다. 반대로회로를닫을때에는단간격방전에의한절연파괴가일어나지만전극이기계적인접촉을하기때문에즉시소멸된다. 저압유도회로의방전불꽃은회로가닫힐때보다는회로가열릴때에점화위험성이더크다. 정상상태시회로에흐르는에너지는 E = 1/2Li 2 (J) 이기때문에회로를여는경우의방전특성은주로회로를열기전에흐르던전류의크기에의존한다. 이때의회로전류는전원과인덕턴스 L 에축적된전자 ( 電磁 ) 에너지 1/2Li 2 에의하여공급된다. 용량회로의방전은커패시터의단락불꽃으로서충전전압에따라일정한전극간격에서절연파괴가일어나게되며, 이때충전전압과방전전류가크면아크방전이발생한다. 용량회로에서불꽃을발생시킬때에는방전시키는전극간의거리를가깝게접근시켜야한다. 발생되는불꽃에너지의대부분이가스의점화뿐만아니라전극의가열에도소비되어최소점화에너지가상당히커진다. 이것을소염작용이라고한다. 용량회로에서는개폐시의점화위험성은회로를열때보다닫을때가더위험하다. 그러므로폐로시만을고려하여도무방하다. 정상상태시에커패시터에축적된에너지는 E = 1/2CV 2 (J) 이다. 저압저항회로에서는일반적으로열때와닫을때모두에서불꽃이발생한다. 이들의경우불꽃에너지의공급원은전원이며, 점화전류의크기는전 원전압의크기에좌우된다. 저항회로를열때의방전은아크방전이발생하는경우가대부분이지만경우에따라서는글로우방전이나고주파간헐방전이발생하는경우도있다. 반대로회로를닫을때에는아크방전, 고주파간헐방전및글로우방전이발생하지만양전극이접촉하면즉시소멸된다. 정상상태시회로에흐르는에너지는 E = VI (J) 이다 최소점화에너지에영향을주는요인들 폭발이발생하는데까지의점화현상의개요는다른대부분의연구결과에서정성적으로설명되어있으나실제의점화에있어서는각종요인이독립적으로관계한다 4-7). 이들을크게분류하여보면다음과같이전기회로, 불꽃발생전극및가스에관한인자로나뉜다. 전기회로에관한인자로는전원의종류 ( 직류, 교류, 주파수 ), 전압, 전류및부하 ( 유도성, 용량성, 저항성 ) 등이있다. 불꽃발생전극에관한인자로는형상, 치수, 재질, 개폐속도, 개폐방식및극성등이있다. 인화성혼합물에관한인자로는종류, 농도, 희석물의종류, 기압및온도등이있다. 위에서언급한제인자가조합되어인화성혼합물의점화가결정된다. 그러므로가스및불꽃발생전극에관한인자가일정하다면점화한계는전기회로에의해결정된다고말할수있다. 본질안전방폭전기회로로되는회로의방전불꽃은방전전극에의한소염효과 ( 주로전극의기하학적치수및개폐속도에관계 ) 를받기때문에최소점화에너지이상의방전에너지가발생되지않으면점화는일어나지않는다. 그러므로소염효과를고려한점화한계가필요하다 3). 3. 실험방법 3.1. 실험장치의구성전극재질 ( 음극 ) 에따른점화한계를측정하기위하여 Fig. 3 (a) 와같이실험장치를구성하였으며인덕터를사용한회로도는 Fig. 3 (b) 와같다. 불꽃점화시험장치는 Fig. 2의 IEC형을사용하였으며그이유는각종불꽃점화실험장치의점화감도 (Fig. 4 참조 ) 를비교해보면 IEC형이점화감도가가장우수하기때문이다. 또한, 양극전극으로사용한텅스텐와이어는단시간의동작후에도끝부분이매우잘 한국안전학회지, 제 27 권제 3 호, 2012 년 65

단기를이용하여텅스텐선을절단한후전극으로사용하였다 8-10). (a) Block Diagram (a) Circuit diagram (b) Circuit diagram (b) Detailed arrangement Fig. 5. Circuit and arrangement of fusing tungsten wires. (c) Photo Fig. 3.

4 단기를이용하여텅스텐선을절단한후전극으로사용하였다 8-10). (a) Block Diagram (a) Circuit diagram (b) Circuit diagram (b) Detailed arrangement Fig. 5. Circuit and arrangement of fusing tungsten wires. (c) Photo Fig. 3. Schematic diagram and photo of experimental set-up. Fig. 4. Ignition sensitivity of various spark test apparatus. 깨지는성질을갖고있기때문에 Fig. 5 와같은절 3.2 실험방법불꽃점화실험은 Fig. 6의 Flow Chart 에의해실시하였다. 실험에사용된가스는 Group ⅡB의대표가스인에틸렌 (C 2H 4) 가스 7.8±0.5 vol.% ( 이하동일농도 ) 를사용하였으며점화감도교정은 IEC 에따라 Group ⅡB의경우직류 24 V, 공심 95 mh의유도성회로에 A를흘려 (Aging 운전필요함 ) 실험장치를 400 회전시켰을때적어도 1회폭발이일어나도록하였다 2). 또한, 불꽃점화실험횟수및점화한계계산은점화가발생하는전압, 전류또는전력에서 5 % 씩감소또는증가시켜점화유무를확인하였으며극성을바꾸어각각 200회회전시켜점화유무를확인하였다. 개폐불꽃이가스에점화되지않는전류치 ( 전압치 ) 와이값직전의점화전류치 ( 전압치 ) 의평균값을최소 Table 1. Specifications of test equipment and measurement instrument Items Maker Type Range Ignition Energy Measuring Equipment KYENGDO IEC Max. 2 A, 2 H, 1 MHz Digital Oscilloscope HUNG CHANG MHz V-A Meter YOKOGAWA ma~30 A Polaroid SHACKMAN 7000 Video Camera SAMSUNG 66 Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 3, 2012

방전전극재질과최소점화에너지에관한실험연구 점화전류치 ( 전압치 ) 즉점화가일어나지않는점과점화가일어나는지점을 2 로나누어최소점화에너지를구했다. Table 1 은실험에사용된실험장치및측정장치의명세를나타낸것이다. Fig. 7. Comparison of minimum ignition current. Fig. 6.

5 방전전극재질과최소점화에너지에관한실험연구 점화전류치 ( 전압치 ) 즉점화가일어나지않는점과점화가일어나는지점을 2 로나누어최소점화에너지를구했다. Table 1 은실험에사용된실험장치및측정장치의명세를나타낸것이다. Fig. 7. Comparison of minimum ignition current. Fig. 6. Flow chart for ignition or non-ignition experiment 4.1. 실험결과 4. 실험결과및고찰 Fig. 7 은실험에사용된 IEC 형불꽃점화실험장치의점화감도를확인하기위하여이미알려진 IEC 과의비교를위하여측정한최소점화전류의데이터곡선을나타낸것이다. 실험은에틸렌가스, 유도성회로에서최소점화전류를측정하였다. Fig. 8 은전극재질에따른최소점화에너지의영향을확인하기위하여실험장치의음극재질로카드뮴 (Cd), 아연 (Zn), 알루미늄 (Al), 주석 (Sn) 및마그네슘 (Mg) 를사용하고, 인가전압은직류 24 V 를공급하고, 대상가스는에틸렌, 인덕터는 Table 2 를사용하여최소점화전류를측정한결과를나타낸것이다. Table 3 은전기에너지의개폐속도에따른최소 점화에너지에대한영향을확인보기위하여 IEC 형불꽃점화실험장치의텅스텐전극의회전속도를 4 에서 112 rpm 까지조정하면서점화유무를확인한결과를나타내것이다. 실험가스는에틸렌, 음극전극은카드뮴, 부하는 4 mh 및 265 ma 에서측정하였다. Table 2. Inductance and resistance of air-core inductor 인덕턴스 100 μh 1 mh 4 mh 10 mh 40 mh 100 mh 1 H 직류저항 (Ω) Fig. 8. Minimum ignition current as a function of inductance by various electrode material. 한국안전학회지, 제 27 권제 3 호, 2012 년 67

Table 3. Experimental results by controlled switching speed of electrode spark 회전수 (rpm) 점화유무 비고 4 무 40 무 80 무 100 무 112 무 매실험마다텅스텐전극판을 200 회전시킴 4.2. 고찰 Fig.

6 Table 3. Experimental results by controlled switching speed of electrode spark 회전수 (rpm) 점화유무 비고 4 무 40 무 80 무 100 무 112 무 매실험마다텅스텐전극판을 200 회전시킴 4.2. 고찰 Fig. 7에서 IEC 규격에서제시한데이터와본실험장치에서측정한데이터를비교한결과, 본실험장치의감도가 IEC 규정에상당히근접하고있음을확인하였으며, 또한이미 IEC 규격에서밝혀진대상가스별, 회로별로구한최소점화에너지가본실험장치를사용하여도근사값에도달함을알수있었다. 특히유도성회로, 에틸렌가스및카드뮴전극을사용하여실험한결과인덕턴스 100 mh 이하에서는 IEC 규격의최소점화데이터보다도점화감도가우수하다는것을확인하였다. Fig. 8의전극재질에따른최소점화에너지의실험결과가장큰의미로는실험에사용한음극재질이카드뮴, 아연, 마그네슘, 알루미늄, 주석순으로최소점화에너지가커짐을알수있었다. 즉 100 mh 이상에서는아크발생이없는것으로간주되며방전에너지는음극재질에의존하지않으나, 인덕턴스가작게되면점화전류가크게되어음극재질에의해방전에너지가좌우되는것으로생각된다. 그러므로음극재질의영향이크게나타난것으로생각된다. 또한, 실험중다음과같은현상을알수있었다. 된다. DC 24 V, 1 H, 70 ma 에서실험중개폐불꽃의크기를육안 ( 배율기 10:1 및 Video Camera 사용 ) 으로관찰한결과불꽃의크기및밝기가카드뮴이주석보다더크고밝았다 (Fig. 12). 이것은아크지속시간이큰재질일수록최소점화에너지가작아지는것으로생각되기때문에향후불꽃의크기, 형상, 소멸시간등을가시화하기위한계측방법을강구하여야한다. Table 3 에서유도성회로의차단시변화하는전류변화율 di/dt 을변화시키는장치를만드는것은어렵다. 회로차단시유기되는역기전력 e = -Ldi/dt Fig. 9. Measured voltage and current waveforms on spark discharge(circuit; resistance, electrode; Cd). 동일음극전극에서회로에흐르는전류가같을때저항회로보다인덕터회로에서더큰과전압이발생하였으며, 이로인하여인덕턴스회로가저항회로보다최소점화에너지가작다는것을알수있다 (Fig. 9 및 Fig. 10). 카드뮴전극에서발생하는과전압이주석전극에서보다더작았고, 그발생빈도도적었으나과도상태의전류파형은그반대이었다 (Fig. 10 및 Fig. 11). 전극의재질에다른최소점화에너지의영향을전기적파형으로분석은곤란하였으며 Table 4 에서알수있듯이음극재질의물리적성질즉비등점과열기전력에서기인된다고생각 Fig. 10. Measured voltage and current waveforms on spark discharge(circuit; inductance, electrode; Cd). Fig. 11. Measured voltage and current waveforms on spark discharge(circuit; inductance, electrode; Sn). 68 Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 3, 2012

방전전극재질과최소점화에너지에관한실험연구 Table 4. Physical properties of the cathode electrodes used in the experiment 금속 물성 저항률 (μωㆍ cm) 저항률의온도계수열기전력 (mv) 비중 열팽창계수 용융점 ( 10-6 ) 비등점 ( o C) 카드뮴 7.5 0.0038 +0.92 8.65 29.

7 방전전극재질과최소점화에너지에관한실험연구 Table 4. Physical properties of the cathode electrodes used in the experiment 금속 물성 저항률 (μωㆍ cm) 저항률의온도계수열기전력 (mv) 비중 열팽창계수 용융점 ( 10-6 ) 비등점 ( o C) 카드뮴 아연 마그네슘 ,110 알루미늄 ,060 주석 ,270 (a) Electrode; Cd Fig. 12. Comparison of spark size. (b) Electrode; Sn (V) 이므로동일인덕턴스에서차단시의전류변화율을증가시킴으로서 ( 즉차단속도를증가시킴 ) 최소점화전류를낮출수있으나본실험장치는속도변화에한계가있다. 외국의경우동일실험장치에서속도변화를준것이아니고각각의속도특성을갖는실험장치로실험을하였다 3). 일반적으로전기에너지의차단속도를증가시키면소염효과가감소되어최소점화에너지가커지며, 차단속도를감소시키면소염효과가증가되어, 높은인덕턴스에서는 Ldi/dt 전압이감소되고최소점화에너지도감소된다 7). 또한, 낮은인덕턴스에서점화메커니즘은단락아크로부터전달된점화에너지에의존하기때문에차단속도를감소시킴으로서인화성혼합물에대해전달된에너지에대한이용가능한시간이증가한다. 따라서점화전류에요구된에너지는감소한다. 그러나실험결과는 IEC 규격에서제시한 80 rpm 에서와동일한현상을나타냈으며본실험장치의개폐속도범위내에서는큰변화가없었다. 본실험에서의개폐속도가충분히빠르지않았기때문으로추정된다. 5. 결론 본연구에서는본질안전방폭구조전기회로의정상시및사고시에발생되는전기에너지에의한인화성혼합물로의점화에너지를고찰하고, 유도성회로에서의전극재질, 개폐속도가최소점화에너지에미치는영향을실험한결과는다음과같다. 에틸렌가스및유도성회로에서실험에사용한음극재질은카드뮴, 아연, 마그네슘, 알루미늄, 주석순으로최소점화에너지가증가함을알수있었으며, 이는사용한전극의금속재질의물리적성질 ( 비등점, 열기전력 ) 에관계되는것으로비등점이큰재질일수록최소점화에너지가작게나타났다. 실험결과를본질안전회로및관련회로의인쇄회로 (PCB) 나배선시에전선의재료선정등에적용하면안전측면에서매우효과적이라판단된다. 또한, 본질안전회로설계시필요로하는금속재질의종류및성분에따른실질적인최소점화에너지를구하였다. 개폐속도에따른최소점화에너지의영향을알아보기위하여불꽃점화실험장치의텅스텐전극의회전수를 4~112 rpm 범위에서가변시켰으나최소점화에너지의변화를나타내지는못하였다. 따라서향후개폐속도를본실험에서실시한최고속도보다도빠른범위에서실시하여좀더명확한데이터를구할필요가있는것으로나타났다. 참고문헌 1) 산업안전연구원, 본질안전방폭기기의평가및사용안전에관한연구, 연구보고서기전연 , ) IEC Part 11, Explosive Atmospheres- Equipment Protection by Intrinsic Safety "i", ) 田中隆二, 本質安全防爆電氣回路に關する基礎的硏究, 勞働省産業安全硏究所, ) H. G. Bass, Intrinsic Safety Instrumentation for Flammable Atmospheres, Quartermaine House., U.K., ) Robin Garside, Intrinsically Safe Instrumentation: a Guide, Urwin Brothers Ltd., U.K., ) Richard J. Buschart, Electrical and Instrumentation Safety for Chemical Processes, 한국안전학회지, 제 27 권제 3 호, 2012 년 69

8 7) Ernest C. Magison, Electrical Instruments in Hazardous Locations, Instrument Society of America, ) T. Motoyama, Ignition hazards of Hydrogen-Air Mixture Caused by Spark Discharge with switching in Radio Frequency Resistative Circuit, Research Report of the Research Institute of Industrial Safety, RIIS-RR-92, ), 이관형, 강재수, 최창규, 문정기, 고주파 전기회로의개폐불꽃에의한혼합기체의점화위험성, '95 한국산업안전학회추계학술논문발표회논문초록집, pp. 3-6~3-13, ), 이관형, 문정기, 저압방전불꽃에서전극재질이점화에너지에미치는영향, 95 대한전기학회하계학술대회논문집 C, pp. 1394~1397, Journal of the KOSOS, Vol. 27, No. 3, 2012

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