Philosophy of General Purpose Requirements
Equipment for Use Where Explosive Concentrations of Gas,
Vapor, or Dust Might be Present
Equipment for Use Where Combustible Dust May Be Present
22.1 서론
Safe Use and Application of Electrical Apparatus 전기기기의 안전한 사용 및 적용
이 항목에서는 전기 장비가 작업자나 플랜트에 위험을 초래하지 않도록 하는 방법에 대해 설명합니다. 제어 시스템이나 SIL(Safety Instrumented Loop, 안전 계장 루프) 내에서 장비가 기능을 수행하지 못할 위험으로부터 플랜트를 보호하는 공정 안전(Process Safety) 및 안전 계장 시스템(Safety Instrumented Systems) 에 대한 논의는 다른 장에서 다룹니다.
지난 반세기 동안의 발전은 안전한 장비 선택을 크게 용이하게 만들었습니다. 범용 안전 요구사항의 표준화로 인해, 거의 수정 없이 모든 국가에서 사용 가능한 단일 제품을 설계할 수 있게 되었습니다. 위험 장소에서 사용되는 장비의 제작 및 선택에 있어 공통 표준의 전 세계적인 채택이 진행 중이지만, 오랜 기간 동안 유지되어 온 국가별 관행에서 다소 다른 국제 또는 조화된 방식으로의 전환은 철학적 차이로 인해 필연적으로 더디게 진행되고 있습니다. 본 항목에서는 설계 및 사용의 공통적인 측면에 중점을 둡니다. 현재 국가별 표준, 규정 및 관행의 차이는 향후 점차 줄어들 것으로 예상됩니다. 안전을 확보하기 위해서는 어느 지역의 사용자든지 해당 지역의 표준 및 규정을 준수하여 장비를 선택하고 설치하며 사용해야 합니다.
범용 안전 표준은 작업자가 감전, 고온 표면 또는 움직이는 부품으로 인해 부상을 입지 않도록 하는 구조적 요구사항을 다루며, 장비가 화재 위험을 초래하지 않도록 합니다. 가연성 가스, 증기 또는 분진이 존재할 수 있는 장소에서 사용되는 장비의 경우, 점화원이 되지 않도록 하기 위한 구조적 요구사항이 범용 요구사항 위에 추가됩니다. 모든 산업화 국가와 많은 개발도상국에서는 모든 전기 장비가 이러한 안전 표준을 충족하는 것으로 인증받아야 한다는 것이 일반적인 관행입니다. 방폭(Explosion-protected) 장비의 경우 독립된 시험 기관의 인증이 필수이며, 일부 경우에는 제조업체가 범용 요구사항을 충족한다고 주장할 수 있지만, 제3자의 엄격한 감독을 받아야 합니다. 따라서 사용자가 원하는 장비를 선택하면, 해당 장비가 인증 또는 승인되었을 경우 적용 가능한 구조적 표준을 충족한다는 점에서 신뢰할 수 있습니다. 사용자는 장비에 설계된 안전성이 실제 사용 중에 훼손되지 않도록 설치 및 사용을 책임져야 합니다.
22.2 범용 요구사항의 철학
감전으로부터의 보호는 약 30V 교류(AC), 42.4V 피크 또는 60V 직류(DC) 이하의 전압은 일반적인 산업 또는 가정용 환경에서 감전 위험이 없다고 보는 구조적 기준에 따라 제공됩니다. 반면, 더 높은 전압에 접촉할 경우 생명에 위협이 될 수 있습니다. 따라서 설계 기준에서는 저전압 회로와 고전압 회로 간의 접촉을 방지하기 위해 절연, 최소 간격 또는 격벽을 명시하고 있으며, 접근 가능한 초저전압 회로가 위험해지지 않도록 합니다. 구조는 정상적인 작동 중이나 우발적인 노출 상황에서도 고전압 회로에 접촉할 수 없도록 설계되어야 합니다. 노출된 금속 부품은 반드시 접지하거나 위험한 전압으로부터 에너지가 전달되지 않도록 보호되어야 합니다.
고온 부품이나 움직이는 부품과의 접촉으로부터의 보호는 외함(enclosure) 또는 보호 장치(guard) 및 인터록(interlock)을 통해 제공됩니다.
장비 자체가 화재의 원인이 되는 것을 방지하기 위해, 구조 기준에서는 부품의 온도 상승에 따른 재료의 신중한 선택, 단락을 방지하기 위한 도전성 부품 간의 최소 간격, 장비 외부로 아크나 스파크가 발생하지 않도록 하는 외함의 설치 등을 명시하고 있습니다. 구조 기준의 적합성 평가 외에도, 사용 설명서, 경고 문구 및 설치 도면은 제3자 승인 기관에 의해 승인 절차의 일부로 평가됩니다. 사용자는 이러한 사양과 문서를 준수하여 장비를 설치하고 사용함으로써 안전을 확보해야 합니다.
22.3 가연성 가스, 증기 또는 분진이 존재할 수 있는 장소에서 사용되는 장비
위험 장소에서 사용하기 위한 장비는 항상 사용이 허용된 위험 장소와 적용된 보호 방식이 표시되어 있으며, 거의 대부분 독립된 승인 기관의 인증을 받습니다. 사용자는 해당 장비를 선택할 때 이러한 표시를 신뢰할 수 있습니다.
22.3.1 지역 분류(Area Classification)
어떤 위험 지역 분류 시스템이든, 존재할 수 있는 가연성 물질의 종류와 그 존재 가능성을 정의합니다. 북미 및 일부 지역에서는 Class, Group, Division이라는 명칭과, 보다 최근의 국제적 명칭인 Material Class와 Zone이라는 두 가지 용어 체계를 사용합니다. 유럽 공동체(EC)에서 도입된 세 번째 체계는 위험의 성격과 정도를 다루며, 폭발 외의 위험이 존재하는 장소에도 적용됩니다. Class와 Group 또는 Material Group은 존재할 수 있는 위험 물질의 성격을 정의하며, Division 또는 Zone은 해당 장소에 가연성 물질이 존재할 가능성을 나타냅니다.
국제적인 관행에서는 광산 위험(Mining Hazards) 을 Group I으로 분류하며, 이는 메탄(Methane)과 분진(Dust)이 동시에 존재할 수 있는 가능성 때문입니다. 광산에서 사용되는 장비는 물리적 및 화학적으로 열악한 환경에서 이러한 두 가지 위험 요소로부터 보호할 수 있도록 제작됩니다.
산업 시설은 Group II로 분류되며, 가스 및 증기는 다음과 같이 분류됩니다.
위험의 정도는 Zone(구역) 지정을 통해 나타냅니다:
- Zone 0, Zone 20 – 위험한 대기 또는 분진 구름이 지속적으로 또는 대부분의 시간 동안 존재할 수 있음
- Zone 1, Zone 21 – 위험한 대기 또는 분진 구름이 간헐적으로 존재할 수 있음
- Zone 2, Zone 22 – 장비 고장이나 밀폐 실패 등 비정상적인 상황에서만 위험한 대기 또는 분진 구름이 존재함
따라서, Class I, Division 1은 Zone 0 및 Zone 1을 포함하며, Class I, Division 2는 Zone 2에 해당합니다.
또한, Class II, Division 1은 Zone 20 및 Zone 21을 포함하며, Class II, Division 2는 Zone 22에 해당합니다.
22.3.2 온도 등급(Temperature Class)
전기 장비는 접촉하는 물질을 점화시킬 수 있을 만큼 높은 온도를 발생시키는 부위가 생기는 경우가 많습니다. 사용자가 장비가 열에 의한 점화원이 되지 않도록 하기 위해, 제조업체는 폭발성 또는 가연성 혼합물에 노출될 수 있는 부품이 도달하는 최대 온도를 명시해야 합니다.
현재는 이를 온도 등급(Temperature Class) 으로 표시하는 것이 일반적입니다. 아래 표에 정의된 등급이 이에 해당합니다. 접미사가 없는 등급은 국제적으로 인정되는 것이며, 접미사가 있는 등급은 북미에서 정의된 것으로, 이는 1971년 이전에 전기 규정이나 표준에서 다양한 중간 온도 제한이 정의되었기 때문입니다. 실용적인 측면에서 볼 때, T4 등급은 이황화탄소(Carbon Disulphide) 및 일부 다른 증기를 제외하고 대부분의 경우 안전합니다. 분진이 존재하는 장소에서 사용되는 일부 장비의 최대 표면 온도는 시험 표준에 의해 제어되며, 장비에 표시되지 않을 수도 있습니다.
22.3.3 장비 선택(Selection of Apparatus)
장소의 분류가 일반적으로 플랜트 설계 단계에서 확정되면, 해당 장소에서 안전하게 사용할 수 있는 전기 장비를 선택하실 수 있습니다.
그림 22-1은 일반적으로 사용되는 가스 및 증기의 점화를 방지하기 위한 보호 방식과 그 적용 가능성을 보여줍니다. Ex d, Ex p 등은 해당 보호 방식에 대한 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission, IEC)의 지정이며, 이는 미국 전기 규정(National Electrical Code, NEC)에서는 AEx, 캐나다 전기 규정(Canadian Electrical Code)에서는 Ex 또는 EEx로 표기되어 여러 구역(zone)에서 사용되는 장비에 대한 표시로 인정받고 있습니다.
표 22-2는 각 보호 방식(Type of Protection)에 대한 보호 개념, 주요 구조적 특징, 그리고 해당 보호 방식에 특화된 안전한 사용 측면을 설명합니다. 어떤 보호 방식을 사용하든 안전한 사용을 위해서는 장비에 첨부된 지침에 따라 설치해야 하며, 특히 환경, 충격(shock), 진동(vibration), 그리고 명시된 경우에는 접지(grounding) 및 접속(bonding)에 대한 보호 조치를 준수하셔야 합니다. 또한 사용자는 외함(enclosure)의 무결성과 접지 및 접속의 연속성이 사고나 환경적 요인에 의해 손상되지 않았는지를 확인하기 위해 설치 상태를 충분히 자주 점검해야 합니다.
그림 22-1 및 표 22-2에서 언급된 모든 보호 기술 중 본질 안전(Intrinsic Safety) 및 에너지 제한(Energy Limited) 방식의 Type n 또는 Division 2 구조를 제외한 나머지는 장치 중심(device oriented)입니다. 원칙적으로 사용자는 장비를 구매한 후 포장을 열고, 장비에 첨부된 설치 지침과 해당 설치 규정(북미에서는 미국 전기 규정(National Electrical Code, NEC) 또는 캐나다 전기 규정(Canadian Electrical Code, CEC))에 따라 설치하면 됩니다.
반면, Division 2/Zone 2 적용을 위한 본질 안전 설계 및 에너지 제한 설계는 시스템 중심(system oriented)입니다. 그림 22-2는 본질 안전 시스템을 보여줍니다. Division 2/Zone 2용 에너지 제한 시스템에 대한 설명은 유사한 도면을 기반으로 이루어집니다.
본질 안전 장비(Intrinsically Safe Apparatus)는 전적으로 본질 안전 회로로 구성되어 있습니다. 이 장비는 단자에 인가될 수 있는 최대 전압, 최대 전류, 최대 전력으로 설명될 수 있으며, 단자에서 바라본 유효 정전용량(capacitance), 인덕턴스(inductance), 또는 선택적으로 인덕턴스 대 저항 비율(L/R ratio)로도 설명될 수 있습니다. 그림 22-2는 단일 쌍의 단자만을 보여주고 있지만, 여러 쌍의 단자가 존재할 수 있으며, 각각의 단자는 이러한 특성 값으로 정의되어야 합니다.
두 개의 기호가 함께 표시될 경우, 첫 번째 기호는 국제 표준에서 일반적으로 사용되며, 두 번째 기호는 북미에서 일반적으로 사용되지만, 두 기호 모두 허용됩니다.
연계 장비(Associated Apparatus)는 본질 안전 회로와 비본질 안전 회로를 모두 포함합니다. 비본질 안전 회로가 다른 보호 기술로 보호되는 경우, 해당 장비는 위험 장소에 설치할 수 있습니다. 그렇지 않은 경우에는 비분류 장소(unclassified location)에 설치해야 합니다.
본질 안전 단자는 단자에서 전달될 수 있는 최대 전압, 최대 전류, 최대 전력과 단자에 안전하게 연결될 수 있는 최대 정전용량, 인덕턴스, 선택적으로 L/R 비율로 정의됩니다. 비본질 안전 단자는 인가될 수 있는 최대 정격 전압으로 정의되며, 그림 22-2에서 Um으로 표시됩니다. 이 전압은 일반적으로 전원선에 연결되는 장비의 경우 250V 직류(dc) 또는 실효값(rms)이며, 다른 장비의 경우 24V 또는 그 이하의 저전압일 수 있습니다.
전자의 경우, 설계는 전원선에서 공급 가능한 최소 예상 전류를 기반으로 이루어집니다. 후자의 경우에는 저전압이 존재한다고 가정하여 평가가 이루어지며, 인증서나 제어 도면(control drawing)에서는 해당 24V가 표준에 따라 제작된 보호용 변압기(protective transformer)에서 공급되어야 한다고 요구할 수 있습니다.
이러한 요구사항의 목적은 인증된 장비의 일부가 아닌 변압기가 고장나더라도 단자에 24V를 초과하는 전압이 나타날 가능성을 허용 가능한 수준으로 낮추기 위한 것입니다. IEC 체계를 따르는 국가에서는 장비를 시스템에 연결되는 다른 장비의 구체적인 설계와 관계없이 하나의 개체(entity)로 인증하는 것이 일반적입니다. 본질 안전 장비는 그림 22-2에 표시된 매개변수로 정의됩니다.
원칙적으로, 본질 안전 장비가 두 단자를 가진 장치(two-terminal device)인 경우, 이러한 매개변수를 사용하여 시스템에 사용할 장비를 선택하는 것은 비교적 간단합니다. 즉, Uo 및 Io가 각각 Ui 및 Ii 이하인지, 그리고 Li 및 Ci가 각각 Lo 및 Co 이하인지 확인하면 됩니다.
본질 안전 장비가 두 선(two-wire)의 장비이고 두 선이 모두 접지로부터 절연되어 있는 경우, 각 선에 연계 장비(장벽, barrier)를 설치해야 합니다.
북미에서는 현재 본질 안전 장비 또는 연계 장비의 제조업체가 해당 장비에 대한 허용 가능한 상호 연결 방식과 특별한 설치 요구사항을 명시한 **제어 도면(control drawing)**을 제공하는 것이 요구되고 있습니다. 이 제어 도면은 제품 인증 과정에서 인증 기관에 의해 평가되고 검증됩니다.
IEC 체계를 따르는 표준에서는 본질 안전 보호 수준을 두 가지로 정의합니다: **보호 수준 ia 장비(level of protection ia apparatus)**와 **보호 수준 ib 장비(level of protection ib apparatus)**입니다.
보호 수준 ia 장비(Level of protection ia apparatus)는 Zone 0에 적합하며, 최대 허용 값이 단자에 인가되더라도 다음 조건에서 점화를 일으키지 않습니다:
- 정상 작동 상태에서 가장 가혹한 조건을 유발하는 비계산 결함(non-countable faults)이 적용된 경우
- 정상 작동 상태에서 하나의 계산 가능한 결함(countable fault)과 가장 가혹한 조건을 유발하는 비계산 결함이 함께 적용된 경우
- 정상 작동 상태에서 두 개의 계산 가능한 결함과 가장 가혹한 조건을 유발하는 비계산 결함이 함께 적용된 경우
정상 작동(normal operation)이란 장비가 제조업체가 제공한 설계 사양에 부합하며, 제조업체가 명시한 전기적, 기계적, 환경적 한계 내에서 사용되는 상태를 의미합니다. 또한 정상 작동에는 외부 배선의 단선(open circuit), 단락(shorting), 접지(grounding)도 포함됩니다.
스파크 점화에 대한 평가 또는 시험 시, 전압 또는 전류에 적용되는 안전 계수(safety factor)는 조건 a 및 b에서는 1.5, 조건 c에서는 1.0입니다. 이러한 계수는 정확히는 시험 계수(test factor)라고 하며, 본질 안전(intrinsic safety)의 실제 안전성은 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission, IEC)의 민감한 장비를 사용하여 수백 번의 스파크를 발생시키고 시험 가스의 가장 점화되기 쉬운 혼합물을 점화하려는 시도를 통해 확보됩니다. 이러한 조건의 조합은 실제로 발생할 수 있는 어떤 상황보다 훨씬 더 가혹합니다.
북미의 본질 안전 설계 기준은 보호 수준 ia와 동등합니다.
보호 수준 ib 장비(Level of protection ib apparatus)는 Zone 1에 적합하며, 위의 조건 a 및 b에 따라 평가 또는 시험이 이루어지며, 전압 또는 전류에 대한 안전 계수는 조건 a 및 b에서 1.5입니다.
보호 수준 ic 장비(Level of protection ic apparatus)는 보호 방식 Type nL과 동등하며 이를 대체하는 것으로, Zone 2에서 사용하기에 적합한 방식으로 표준화될 가능성이 있습니다.
그림 22-3은 접지된 2선식 및 비접지 2선식 본질 안전 회로의 일반적인 예를 보여줍니다.
그림 22-3은 송신기(transmitter) 또는 트랜스듀서(transducer)가 위치한 Division 1/Zone 0 또는 Zone 1 장소에 진입하는 모든 비접지 도체는 적절한 연계 장비(associated apparatus)를 통해 안전하지 않은 전압 및 전류로부터 보호되어야 한다는 원칙을 설명합니다. 세 개의 단자를 가진 박스는 장벽(barrier)을 나타내며, 이는 독립적으로 인증된 보호 장치로서, 국가 표준에 따라 인증 및 정격이 부여됩니다.
장벽에 연결된 비본질 안전 장비는 해당 장소에 적합하기만 하면 되며, 장벽의 Um 정격을 초과하는 전압을 포함해서는 안 됩니다.
많은 배리어(barriers)은 수동형(passive)으로, 표준의 요구사항을 충족하기 위해 적절한 구성과 중복성을 갖춘 전류 제한 저항기(current limiting resistor) 및 전압 제한 다이오드(voltage limiting diode)로 구성됩니다. 일부 장벽은 능동형(active)으로 전류 또는 전압을 제한하며, 두 방식은 전압 조절, 신호 처리 등의 회로와 결합될 수 있습니다.
사용자는 본질 안전 장비 제조업체가 제공하는 제어 도면(control drawing)의 권장 사항을 따라야 하며, 또는 장벽 공급업체와 적절한 장벽 선택에 대해 논의해야 합니다. 이들 업체는 현장 설치 장비에 대해 검증된 구성 방식을 보유하고 있습니다.
22.4 가연성 분진이 존재할 수 있는 장소에서 사용되는 장비
표 22-3은 2005년에 미국 전기 규정(National Electrical Code, NEC)에서 Class II 장소에서 사용하기 위해 승인된 방법을 보여줍니다.
캐나다 전기 규정(Canadian Electrical Code)에서 Zone 20, 21, 22에 대한 정의는 현재 진행 중입니다.
방진 점화 방지 구조(dust ignitionproof construction)는 장비를 작동시키면서 압력 강하를 유도하여 분진이 외함 내부로 유입되도록 하는 소용돌이 시험 조건에서 분진이 침투하지 않도록 설계 및 시험됩니다. 외함 표면의 온도 상승은 외함 위에 두꺼운 분진층이 쌓인 후에 측정됩니다.
방진 구조(dust tight construction)는 제3자에 의해 시험될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있습니다. 시험이 수행되는 경우, 기본적으로 동일한 방식으로 진행되지만, 분진 시험 중 장비는 한 번만 작동됩니다.
유럽의 사례에서는 사용자가 장비 표면 온도가 예상되는 분진 축적 상태에서 해당 분진의 점화 온도보다 충분히 낮은지를 직접 판단할 책임이 있습니다. 장비 외함에 대한 표준은 이러한 차이를 반영하고 있습니다. 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission, IEC)의 외함 관련 표준은 원래 두 가지 관행을 모두 반영한 구조를 표준화하였습니다. 사례(Practice) A는 미국의 분진 점화 방지(dust ignitionproof) 및 방진 외함(dust tight enclosure)과 유사하며, 사례(Practice) B는 유럽식으로 Zone 21용 외함은 진공 상태에서 시험되어 방진(IP6X 보호 등급)을 만족해야 합니다. Zone 22용 외함은 일부 분진의 유입이 허용되지만, 기능을 저해하거나 안전성을 떨어뜨릴 정도는 아니어야 합니다.
하지만 가까운 미래에는 이러한 관행들이 더욱 조화롭게 통합될 것으로 예상됩니다.
국제전기기술위원회(IEC)가 2004년에 채택한 권고 사항은 표 22-4에 요약되어 있습니다.
유럽의 사례에서는 보호 방식(Type of Protection)의 기호 뒤에 붙는 접미사 D는 해당 기술이 분진 환경에서 사용되도록 설계된 버전임을 나타내며, 경우에 따라 구조 및 시험 요구사항이 완화될 수 있습니다. 기호 “t”는 외함에 의한 보호(Protection by Enclosure)를 의미하며, 본질적으로 방진(dust tight) 또는 분진 점화 방지(dust ignitionproof) 구조를 나타냅니다. 접미사 A와 B는 앞서 설명한 바와 같습니다.
향후 국제전기기술위원회(International Electrotechnical Commission, IEC)와 미국의 분진 지역(area classification) 및 장비 선택에 관한 표준이 더욱 일치할 것으로 예상됩니다.
22.4.1 라벨은 장비에 대해 알려줍니다
북미에서는 Division 1 또는 Division 2에서 사용되는 장비에 대해 승인된 Class 및 Group이 라벨에 표시됩니다. Division 1에 적합한 경우 해당 표시가 가능하지만, Division 2에만 적합한 경우에는 반드시 Division 2로 표시되어야 합니다. 아래에서 설명하는 온도 코드도 함께 표시됩니다.
예시:
Class I, Groups A-C, Division 1 T4
Class I, Groups C, D, Division 2 T6
또한, Class I, Division 1 또는 Division 2에 대해 승인된 장비는 Class, Zone, 가스 그룹(Gas Group), 온도 코드(temperature code)를 함께 표시할 수 있습니다. 위 예시의 추가 표시는 다음과 같습니다:
Class I, Zone 1, IIC, T4
Class I, Zone 2, IIA, T6
미국에서는 Zone 0, Zone 1 또는 Zone 2에서 사용이 승인된 장비에 대해 Class, Zone, AEx, 보호 방식(method of protection)의 기호, 해당 가스 그룹, 온도 코드가 표시되어야 합니다.
예시:
Class I, Zone 0 AEx ia IIC, T4
Class I, Zone 1 AEx m IIC, T6
캐나다에서는 Class 및 Zone 표시는 선택 사항이며, AEx 대신 Ex 또는 EEx가 사용됩니다. 이는 각각 국제전기기술위원회(IEC) 및 유럽전기표준위원회(CENELEC) 표준을 준수하는 방폭 장비(explosion-protected apparatus)를 나타내는 기호입니다.
Zone 분류 체계만 사용하는 국가에서는 아래와 같은 형식의 표기만 요구됩니다.
Ex ia IIC, T4
EEx ia IIC, T4
보호 방식(Type of Protection)이 두 가지 이상 사용된 경우에는 모든 기호가 함께 표시됩니다. 예: Ex d e mb IIC, T4
폭발 방지와 직접적으로 관련된 표시 외에도, 라벨에는 일반적으로 다음과 같은 추가 정보가 포함됩니다:
• 제조업체의 이름 및 주소
• 외함이 제공하는 보호 등급: 북미에서는 NEMA 또는 CSA 외함 등급, IEC 기준을 따르는 국가에서는 IP 코드
• 인증 기관의 기호 및 승인 문서 번호
• 전압, 전류 및 전력 정격
• 해당되는 경우 압력 정격(Pressure rating)
장비가 공인된 승인 기관의 인증을 받은 경우, 사용자는 제조업체가 제공한 지침에 따라 설치하고 사용하는 한 안전하게 사용할 수 있습니다. 사용 조건 및 설치 지침은 인증 문서나 제조업체가 제공하는 도면에 참조 형식으로 포함될 수 있습니다. 모든 경우에 있어, 사용자는 장비를 반드시 지역 규정(Local codes)에 따라 설치하고, 전기 공급 및 부하 사양(Electrical supply and load specifications), 정격 주변 온도 조건(Rated ambient conditions) 내에서 운전하여야 합니다.