본질 안전 방폭의 개념에 대해서 조금 더 자세히 알아보겠습니다.
영어로 Intrinsic Safety(IS), 해석하면 '본질 안전' 입니다.
본질 안전 방폭 기념 개념
▶ 적용 지역(area) :
Zone 0,1,2
Zone 20, 21, 22
1. 기본 개념의 시작 :
유럽 및 영국의 폭발 사고가 많았던 광산에서 최초 개념이 시작되었습니다. 폭발을 발생시키는 불꽃 램프에 얇은 금속 망을 설치해서 불꽃이 철망을 관통할 수 없도록 하여 가스가 점화되지 않는 방식으로 기본 개념이 시작되었습니다. 그렇지만, 전선에서 발생되는 불꽃으로 인해 내부 대기가 점화되고 폭발을 일으킬 수 있었으므로 불꽃을 일으킬 수 없는 작은 양의 전류만을 사용하는 저에너지 신호 시스템이 고안된 것이 본질안정 방폭 구조의 시작입니다.
2. 왜 본질 안전을 선택할까요 ?
2.1 본질 안전의 개념
본질안전(IS)의 기본 개념은, 위험지역으로 전달되는 에너지가 폭발을 시작하는데 필요한 에너지보다 훨씬 낮도록 보장(ensuring)하여 폭발 발생을 방지하는 저에너지 신호 기술입니다.
폭발의 3요소인 발화원, 산소, 연료 중 발화원을 통제하는 방식으로, 발화를 일으키기에는 약한 에너지 수준을 사용함으로써 비정상 작동 상태에서도 발화가 발생하지 않는 원리입니다.
저에너지의 의미는, 폭발을 일으킬 수 있는 두 가지 메커니즘 - 불꽃(spark), 뜨거운 표면(hot surface)이 발생한다고 해도 주변 위험 가스 및 분진과 반응하여 폭발이 발생하지 않을 정도의 에너지를 의미합니다. (일반적으로 전류는 100mA, 전압 24VDC이하)
위험 지역에 설치된 전기 장비에는 본질 안전 회로(IS)만 있어야 합니다. 어떤 특정 조건에서 스파크나 열이 폭발성 대기를 발화시킬 수 없는 경우 회로는 본질적으로 안전하다고 할 수 있습니다. 이런 조건에는 정상 작동 및 특정 오류(Fault) 모드가 모두 포함됩니다.
다른 방폭 구조 개념들은 통상 하드웨어적이며 물리적 방법이 적용되지만, 본질 안전은 전기적 방법을 사용하는 것이기 때문에 주로 저전력장비에 적용되고, 고전압 장비에는 적절치 않습니다.
2.2 본질 안전의 장점
본질 안전의 가장 큰 장점은 위험 지역의 모든 '문제'에 대한 대안으로 솔루션을 제공할 수 있고, 이 기준을 충족하는 유일한 기술이라는 것 입니다. 여기서 '문제'란 제한된 전력이 필요한 장비를 의미합니다.
▶ 본질 안전의 중요한 요소들 :
a) 본질 안전(IS) 기술은 전 세계적으로 인정됩니다. IECEX 체계에 따라 발행된 국제 인증서의 승인이 늘어나고 있지만 아직 갈길이 멉니다. 본질 안전은 ATEX 지침 및 OSHA와 같은 모든 현지 법률에서 허용되는 기술입니다. 관련 표준 및 실무 규정은 다른 보호(protection) 방법으로는 달성 할 수 없는 수준까지 본질 안전 장비의 설계 및 사용에 대한 자세한 지침을 제공합니다.
b) 동일한 IS 장비는 일반적으로 먼지와 가스 위험에 대한 요구 사항을 모두 충족합니다.
c) 모든 구역(zone)에서 적절한 본질 안전 장치를 사용 할 수 있습니다. 특히 Zone 0 지역의 장비 설치에 대해 만족스럽게 대응할 수 있는 유일한 솔루션입니다. 보호 수준(ia, ib, ic)을 적용하여 각 위험 수준에 적합한 장비를 사용할 수 있습니다.
(일반적으로 ia : Zone 0, ib : Zone 1, ic : Zone 2)
Ex i Junction Box : IEC 규정에 따라 파란색 터미널 블럭, 케이블 그랜드 적용
본질 안전 방폭 정션 박스 라벨 - Ex ia ib IIC T6 Gb / 60V
d) 본질 안전(IS) 장치 및 시스템에는 일반적으로 장비가 모든 가스/공기 혼합물과 호환되도록 보장하는 그룹 IIC 가스 분류가 할당됩니다. 때때로 IIB 시스템이 사용되는데, 이를 통해 더 높은 전력 수준을 사용할 수 있습니다. (단, IIB 시스템은 Acetylene, Hydrogen, Carbon disulfide와 호환되지 않습니다.)
e) 일반적으로 T4(135°C)의 온도 등급이 만족되며, 이는 다행스럽게도 거의 사용되지 않는 이황화탄소(CS2)를 제외한 모든 산업용 가스에 대한 요구 사항을 충족합니다.
f) 종종 그것이 사용되는 장치와 시스템은 적절한 비용으로 ia IIC T4로 제작될 수 있습니다. 이는 거의 모든 상황에서 area classification, 가스 그룹 및 온도 분류에 대한 보편적인 안전 솔루션이 됩니다.
g) Switch, Thermocouples(열전대), RTD 및 접속 배선함과 같은 여러가지 간단한 장치를 인증 없이 본질 안전 시스템에서 사용할 수 있습니다. 이는 이러한 보조 제품을 선택할 때 대단히 유용합니다.
h) 본질 안전 기술은 '가스 제거'(gas clearance) 인증서를 취득할 필요 없이 위험 지역 내에서 실시간 유지 관리를 허용하는 유일한 기술입니다. 이는 전원이 차단된 장비에서 결함을 찾는 것이 어렵기 때문에 계측(Instrumentation)에 특히 중요합니다.
i) 본질 안전 장비에 대한 설치 및 유지 관리 요구 사항은 보통 쉽게 정립되어 있으며, 보호 수준에 관계없이 일관됩니다. 이렇게 하면 유지관리를 위해 필요한 훈련양이(training) 줄고 위험한 실수가 발생할 가능성이 줄어듭니다.
j) 본질 안전으로 인해 기존 계측 케이블을 사용할 수 있으므로 비용이 절감됩니다. 케이블 Capacitance와 Inductance는 간혹 문제가 되지만 실제로는 IIC 가스(수소)가 위험 소스인 Zone 0 및 1에 설치된 시스템에서 400m보다 긴 케이블에서만 문제가 됩니다. 이는 거의 드물며 대부분의 경우 케이블 매개변수는 문제가 되지 않습니다.
Available Power Curves
2.3 사용 가능한 전력 (Available Power)
본질 안전은 근본적으로 저에너지 기술이므로 사용 가능한 전압, 전류 및 전력이 제한됩니다.
위의 그래프는 본질 안전 회로에서 사용 가능한 전력을 단순화한 그림으로 본질 안전 기술을 적용할 수 있는 전기 설비 유형을 보여줍니다. 각 곡선은 가스 그룹별 위험한 전기에너지의 양입니다.
파란색과 녹색 곡선은 Group IIC 및 IIB Gas의 저항 제한 회로에 의한 Spark 점화를 방지하는데 사용되는 허용된 설계 곡선입니다. ic 곡선은 ia, ib 장비와 같은 방식으로 안전 계수를 적용할 필요가 없기 때문에 덜 민감합니다.
일반적으로 사용 가능한 최대 전압은 케이블 Capacitance와 Inductance에 의해 설정됩니다. (400m는 IIC ia 회로에서 허용 전압 29V에서 80nF에 해당, 허용 전류가 300mA인 400uH에 해당)
자주 사용되는 전력 제한은 1.3W로 T4(135℃) 온도 분류를 쉽게 만족합니다. 이러한 제한(limit)은 모두 위 그래프에 나와 있습니다.
간단하게 설명하면, 장치가 출력 매개변수가 파란색 빗금친 영역 내에 있는 전력 소스에서 작동할 수 있다면 IIC ia T4 표준에 따라 본질적으로 안전하도록 쉽게 만들 수 있다는 것입니다. 매개변수가 제한된 수준으로 이런한 제한을 초과하는 경우 IIB 또는 ic 요구 사항에 따라 본질적으로 안전할 수 있습니다. 즉, 각 곡선보다 상단에 있는 전류, 전압이 사용될 경우 위험하다는 의미이므로, 실제 비정상 작동 상태에서도 곡선의 아래부분의 용량이 사용될 수 있도록 제품 설계 시 적용되게 됩니다.
하지만 첫 번째 선택은 적절한 전력을 제공하고 경제적 선택인 경우 항상 IIC ia T4 장비를 선택하는 것입니다.
이 장비는 모든 상황에서 사용할 수 있기 때문입니다. (단, 이황화탄소(CS2)가 유해 가스인 경우에는 다른 문제가 있습니다.)
실제로 거의 모든 저전압 계측은 위 그림의 점화 곡선 중 가장 덜 민감한 점화 곡선에 의해 한계가 설정되므로 IIB ic T4로 만들 수 있습니다(일반적으로 24V 500mA). IIB ic 사양은 위험 가스가 수소, 아세틸렌 또는 이황화탄소가 아닌 Zone 2로 적용을 제한하지만 여전히 광범위한 설치에 적용 가능합니다.
3. 결론
본질 안전은 모든 저전압(저에너지) 계측 문제에 대한 당연한 선택입니다. 모든 가스 및 area classification와 호환되는 적절한 솔루션을 제공할 수 있습니다. 이 기술은 폭발을 예방하는 것이며, 실시간 유지관리(Live Maintenance) 시설을 통해 기존 장비 방식을 그대로 사용할 수 있습니다.
Appropriate intrinsically safe apparatus can be used in all zones !!
(모든 구역에서 적절한 본질 안전 장치를 사용할 수 있습니다!!)
출처 : AN9003 - A user Guide to Intrinsic Safety _ Cooper Crouse-Hinds
4. 본질 안전 Ex i 제품 공급 예시 (아래 링크) - Barrier, Junction Box
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