산업용 방폭 전자저울의 적용 환경에는 탄광 환경이나 화학 환경과 같은 특수한 장소가 포함됩니다. 이러한 환경의 가장 큰 특징은 가연성·폭발성 가스가 다량 존재한다는 점입니다. 장비 사용 시의 안전성과 작업자의 인명 안전을 보장하기 위해, 이러한 환경에서 사용되는 전자저울은 반드시 방폭 인증을 받아야 합니다. 또한 전자 엔지니어로서 실제 사용 환경에 맞추어 합리적인 설계를 수행해야 합니다.
그렇다면 회로 설계 과정에서 어떤 사항에 주의해야 할까요? 아래에서는 여러 가지 방폭 방식의 원리를 분석하여, 설계 시 유의해야 할 핵심 사항을 정리합니다.
1. 본질안전형 전자저울의 방폭 원리 분석
전류로 인해 발생하는 열, 스파크, 아크(arc)는 폭발성 가스 혼합물을 폭발시키는 주요 점화원입니다.
본질안전 회로의 방폭 원리는 간단히 말해, 회로의 전기적 파라미터를 제한하거나 특정 보호 조치를 적용함으로써 전류에 의해 발생하는 열 효과와 스파크 및 전극 방전 에너지를 약화시키는 것입니다. 이를 통해 회로 시스템이 정상 상태이거나 고장 상태일지라도 발생하는 열과 스파크가 폭발성 가스 혼합물을 점화하지 못하도록 합니다.
특히 에너지 저장 소자인 커패시터와 인덕터의 용량과 인덕턴스에 주의해야 합니다.
인덕터는 전류 특성상 전원이 인가될 때 전류의 흐름을 방해하며, 전원이 차단될 때 커패시터는 전류에 대해 자유 회로(프리휠링) 효과를 나타냅니다. 따라서 회로 설계 시 장비의 전원 ON/OFF 과정에서 인덕턴스와 커패시턴스가 장비에 미치는 영향을 면밀히 분석하여, 다음과 같은 요소를 최대한 낮춰야 합니다.
- 스파크 에너지 최소화
- 전류 에너지 감소
- 화염 크기 축소
- 온도 상승 억제
전원이 인가될 때 인덕터에 에너지가 저장되고, 전원이 차단될 때 커패시터가 방전되면서 이 두 요소가 결합되면 장비 차단 시 스파크 강도가 크게 증가할 수 있습니다.
따라서 설계 과정에서 사용되는 전자부품을 방폭용 부품으로 명확히 선정하고, 회로의 관련 파라미터가 규정 범위 내에 있도록 해야 합니다. 구체적인 수치는 관련 표준을 참고해야 하며, 예를 들어 전류 요구 사항은 다음과 같습니다.
- 정격 전압일 때
I = (0.45 × 9 − 0.7) / (34 + 10) = 76.1 mA - 다른 전압 값일 때
I = (0.45 × 10.8 − 0.7) / (34 + 10) = 94.5 mA
2. 내압 방폭형(Flameproof) 전자저울의 방폭 설계
내압 방폭형 전자저울의 방폭 원리는 다음과 같습니다.
전자저울의 활전 부품을 특수한 외함(케이스) 안에 배치하여, 내부에서 발생하는 스파크와 아크가 외부의 폭발성 혼합 가스와 접촉하지 않도록 차단합니다.
또한 이 외함은 내부로 유입된 폭발성 혼합 가스가 전자저울 부품의 스파크나 아크에 의해 폭발하더라도, 그 폭발 압력을 견디며 외함이 파손되지 않도록 설계됩니다. 동시에 폭발 생성물이 외함 밖으로 전달되어 외부의 폭발성 가스를 점화시키는 것도 방지합니다.
이러한 특수 외함을 “내압 방폭 외함(Flameproof Enclosure)”이라고 하며, 이를 적용한 전자저울 장비를 내압 방폭형 전자저울이라 합니다.
내압 방폭형 전자저울은 방폭 성능이 우수하여 탄광 지하 등 폭발 위험 작업장에서 널리 사용되며, 방폭 표시는 “d”로 표시됩니다.
3. 안전증가형 전자저울의 방폭 설계
안전증가형이란, 정상 작동 조건에서 폭발성 혼합물을 점화할 수 있는 아크, 스파크 또는 고온을 발생시키지 않는 전기 장비를 의미합니다. 또한 정상 운전 및 허용 과부하 조건에서도 이러한 현상이 발생하지 않도록 추가적인 안전 조치를 취한 전자저울 장비를 말합니다.
즉, 안전증가형 설계의 전제 조건은 정상 작동 시 스파크, 아크 또는 위험한 온도가 발생하지 않는 것이며, 정격 전압이 11kV 이하인 전자저울 장비 및 부품은 안전증가형으로 설계할 수 있습니다.
이 방폭 구조는 모터, 변압기, 조명기구, 계량용 접속함(정션 박스) 등에 주로 적용됩니다.
안전증가형 전자저울은 본질안전 규정 외에도 일반 요구 사항에 대한 관련 규정을 함께 충족해야 합니다.
주의할 점은, “안전증가형”이라는 명칭이 절대적으로 더 안전하다는 의미는 아니라는 것입니다. 안전증가형이라는 표현은 설계 목적을 나타낼 뿐이며, 실제 안전성은 장비 자체의 성능과 운용 방식, 그리고 사용 환경의 안전 수준에 따라 결정됩니다.