[논문]방폭구조 ESD Detector 개발 및 본질안전 특성 분석에 관한 연구

변정환; 최상원

doi:10.14346/jkosos.2020.35.1.1

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Article 325 (Prevention of Fire Explosion due to Electrostatic) of the Rule for Occupational Safety and Health Standard specifies that in order to prevent the risk of disasters caused by static electricity, fire, explosion and static electricity in the production process, However, in order to do thi...

Article 325 (Prevention of Fire Explosion due to Electrostatic) of the Rule for Occupational Safety and Health Standard specifies that in order to prevent the risk of disasters caused by static electricity, fire, explosion and static electricity in the production process, However, in order to do this, it is absolutely necessary to use a pre-detection technology and a detector for antistatic discharge prediction, which is a precautionary measure by static electricity in a fire / explosion hazard place, but in Korea, And there is no technical standard for the application of the technology of the explosion proof structure of the related equipment. Research methods include domestic and overseas electrostatic discharge detection technology and literature investigation of related equipment explosion proofing technology, domestic and foreign electrostatic discharge detection device production and use situation investigation, advanced foreign technology data analysis and benchmarking. In particular, we sought to verify the results of empirical experiments using electrostatic discharge detection technology through sample purchase and analysis of related major products, development of optimization technology through prototype production, evaluation, and supplementation, and expert knowledge through expert consultation. The results of this study were developed and fabricated two prototypes of electrostatic discharge detector based on the technology / standard related to electrostatic discharge detection technology in Korea and abroad through development of electrostatic discharge detection technology and development and production of detector. In addition, based on the development of electrostatic discharge detection technology, we developed an intrinsic safety explosion proof ib class explosion proof technology applicable to the process of using and handling flammable gas and flammable liquid vapor and combustible dust. In the case of the over voltage and minimum voltage are supplied to the explosion-proof structure ESD detector, check the state of the circuit and the transient and transient currents generated by the coil and capacitor elements during the input and standby of the signal pulse voltage. Explosion-proof equipment-Part 11: Intrinsically safe explosion proof structure The comparative evaluation with the reference curve in Annex A of "i" confirms that the characteristics of the intrinsically safe explosion protection structure are met.

주제어

표/그림 (26)

그림 Fig. 1. The drawing of function construction.
표 Table 1. The design criteria and content
그림 Fig. 2. The outline drawing and appearance dimension.
그림 Fig. 3. The photo of experiment test.
표 Table 2. The specification of main functions of prototype
표 Table 3. The specification of test equipment
표 Table 4. The evaluation by discharge voltage and detection distance
그림 Fig. 5. The part of voltage and measurement in circuit.
그림 Fig. 4. The current wave of switch-on.(10:1, 2.00 V/div. DC).
표 Table 5. The specification of measuring equipment
표 Table 6. The current by operation mode
그림 Fig. 6. The part of voltage and measurement in circuit.
그림 Fig. 7. The input voltage wave of operation.(1:1, 0.200 V/div. DC).
그림 Fig. 8. The current wave of +5 V.(10:1, 0.100 V/div. DC).
표 Table 7. The current by operation mode
그림 Fig. 9. The current wave of -5 V.(10:1, 0.100 V/div. DC).
그림 Fig. 10. The voltage wave of L, C.(CH1 10:1, 0.500 V/div. DC).
그림 Fig. 11. The current wave of L, C.(CH1 10:1, 50 mV/div. DC).
그림 Fig. 12. The voltage wave of C.(CH1 10:1, 0.500 V/div. DC).
그림 Fig. 13. The current wave of C.(10:1, 50 mV/div. DC).
표 Table 8. The voltage and current measurement result table
그림 Fig. 14. The voltage wave of Buzzer.(10:1, 2.00 V/div. DC).
그림 Fig. 15. The current wave of Buzzer.(10:1, 50 mV/div. DC).
그림 Fig. 16. The resistive circuit.
그림 Fig. 17. The inductive circuit(Group II).
그림 Fig. 18. The capacitive circuit(Group II).

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 화재⋅폭발 위험장소에서 사용이 가능한 방폭구조 ESD Detector 연구개발 결과의 검증을 위하여 관련 제품의 샘플⁷⁾ 구입 및 성능 분석, 시제품 제작하여 실증적 실험을 통한 성능평가 및 보완 등을 통하여 최적화 기술을 도출하고자 하였다.
본 연구를 통하여 국외에서 생산되는 ESD Detector를 국산화 및 방폭화하여 화재⋅폭발 위험장소에서의 정전기 안전관리 수준 향상을 위한 기술적 개선방안을 수립하였다. 또한, 산업안전보건법 시행규칙 제2장 안전보건진단 등의 제127조(진단기관의 인력시설 및 장비기준)와 관련된 별표 16의 2에서 일반안전진단기관의 시설장비 기준에서 제시하는 정전전하량 측정기 정전전위 측정기에 부가하여 방폭구조 ESD Detector를 추가하는 것을 제안한다.
본 연구에서는 화재⋅폭발 위험장소에서의 정전기 안전관리 수준 향상 방안의 일환으로 산업재해통계를 활용하여 정전기 관련 재해 발생특성 분석⁵⁾, 국내⋅외 정전기 전문연구기관의 연구사례⁶⁾ 등을 조사하고 아울러 국내⋅외 정전기 방전 검지기 관련 시장 및 사업장 실태조사를 통하여 방폭구조 ESD Detector 개발 및 본질안전 방폭구조의 특성분석을 실시하여 화재⋅폭발위험장소에서의 정전기 관련 사고를 미연에 방지하고자하였다. 특히, 국내에서는 사용상의 희귀성으로 국산방폭구조 ESD Detector는 없는 것으로 파악되었으며 국외에서 생산되는 ESD Detector를 국산화 및 방폭화하여 국내 사업장 및 유관기관 등에 대량 보급하는 것을 목적으로 하였다.
본 연구에서는 화재⋅폭발 위험장소에서의 정전기 안전관리 수준 향상 방안의 일환으로 정전기 방전현상의 사전 검지 및 모니터링을 위한 방폭구조 ESD Detector개발과 함께 본질안전 방폭구조의 특성분석을 확인하였다. 주요 내용은 다음과 같다.
등을 조사하고 아울러 국내⋅외 정전기 방전 검지기 관련 시장 및 사업장 실태조사를 통하여 방폭구조 ESD Detector 개발 및 본질안전 방폭구조의 특성분석을 실시하여 화재⋅폭발위험장소에서의 정전기 관련 사고를 미연에 방지하고자하였다. 특히, 국내에서는 사용상의 희귀성으로 국산방폭구조 ESD Detector는 없는 것으로 파악되었으며 국외에서 생산되는 ESD Detector를 국산화 및 방폭화하여 국내 사업장 및 유관기관 등에 대량 보급하는 것을 목적으로 하였다.

제안 방법

본 연구를 통하여 국외에서 생산되는 ESD Detector를 국산화 및 방폭화하여 화재⋅폭발 위험장소에서의 정전기 안전관리 수준 향상을 위한 기술적 개선방안을 수립하였다. 또한, 산업안전보건법 시행규칙 제2장 안전보건진단 등의 제127조(진단기관의 인력시설 및 장비기준)와 관련된 별표 16의 2에서 일반안전진단기관의 시설장비 기준에서 제시하는 정전전하량 측정기 정전전위 측정기에 부가하여 방폭구조 ESD Detector를 추가하는 것을 제안한다.
본질안전 방폭구조 특성분석을 위한 실증실험 결과와 KS C IEC 60079-11:2007, 방폭기기-제11부:본질안전 방폭구조 “i”의 부속서 A의 기준곡선과의 비교평가를 통하여 방폭구조 ESD Detector의 본질안전 특성을 다음과 같이 확인하였다.

데이터처리

본질안전회로에서 인덕턴스(L)의 과도전압과 과도전류를 측정하고 결과를 그룹 II의 유도성 회로의 기준곡선을 활용하여 비교 평가를 실시하였다. 평가결과는 Fig.
본질안전회로에서 커패시턴스(C)의 과도 전압 및 전류를 측정하고 결과를 그룹 II의 용량성 회로의 기준곡선을 활용하여 평가를 실시하였다. 평가결과는 Fig.
본질안전회로의 저항성 소자(R)인 압전부저와 전원 스위치에 대하여 과도전압과 과도전류를 측정하고 결과를 저항성 회로의 기준 곡선을 활용하여 비교 평가를 실시하였다. 평가결과는 Fig.

이론/모형

여기서 방폭구조 ESD Detector 개발을 위한 상세 설계기준은 KS C IEC 60079-11:2007, 방폭기기-제11부:본질안전 방폭구조 “i”. 등 KS 및 IEC 규격을 준수하였다.

성능/효과

1) 방폭구조 ESD Detector 시제품을 제작하여 방전 전압별로 검지 거리를 측정하는 실험실 수준의 실증실험을 통하여 동작 성능을 확인하고 방폭구조 설계기준에 부합됨을 확인하였다.
2) 검지거리 1 m와 2 m에서는 각각 최소 8,000 V, 9,000 V 전압이 검지되는 것을 확인하였다.
2) 방폭구조 ESD Detector에 과전압 및 최소 전압 투입 시 회로의 상태와 신호 펄스전압의 입력시와 대기시 인덕터 및 커패시터 소자에서 발생하는 과 도전압 및 과도전류를 확인하고 결과를 KS C IEC60079-11:2007, 방폭기기-제11부:본질안전 방폭구조 “i”의 부속서 A의 기준 곡선과의 비교평가를 통하여 본질안전 방폭구조의 특성에 부합됨을 확인하였다.
이에 본 연구에서 개발하고자 하는 ESD Detector의 특성상 저전력, 휴대형 및 무선형 등을 감안하여 본질 안전 방폭구조로 설계하는 것이 신뢰성과 경제성에서 유리하다고 판단하였다. 그리고 실태조사 결과 등을 바탕으로 방폭구조 ESD Detector 개발을 위한 기본 설계기준은 다음과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화재⋅폭발 위험장소에서의 정전기 관련 재해 예방을 위한 안전조치는 무엇인가?	산업안전보건기준에 관한 규칙 제325조 ��정전기로 인한 화재⋅폭발 등 방지�� 및 KOSHA Guide E-89-2017(정전기 재해예방에 관한 기술지침) 등에서 제시하고 있는 정전기로 인한 재해 예방대책은 무엇보다도 사전에 정전기 발생을 억제하고 지속적으로 안전한 수준으로 관리하는 것이다1). 이러한 안전관리를 위해서는 화재⋅폭발 위험장소에서의 정전기 관련 재해 예방을 위한 안전조치의 일환으로 정전기 방전 예지를 위한 검지기술 및 방폭구조 ESD Detector가 필수지만, 우리나라의 경우 관련 실용화 연구와 방폭화 기술 적용을 위한 검지기술 및 안전기준이 없는 실정이다. 이에 화재⋅폭발 위험장소에서의 정전기 안전관리 수준 향상을 위한 기술적 개선방안 수립이 필요하다고 판단된다2).
	방폭구조는 무엇인가?	여기서 본질안전 방폭구조는 폭발의 3요소 중 점화원을 제어하는 방식으로 폭발성 분위기에서 점화를 발생시 키지 않을 수준의 에너지를 사용하여 비정상상태에서도 점화가 발생하지 않도록 설계한 것이다. 다른 방폭구조는 물리적인 방법을 사용하는 반면 본질안전방폭구조는 전기적인 방법을 사용한다.
	정전기 대전⋅방전현상으로 인하여 발생할 수 있는 문제점은?	정전기 대전⋅방전현상3)은 정상적인 상황은 아니지만 일반적으로 근로자에게 상해를 입히지는 않는다. 그러나 이러한 방전현상이 넓은 주파수 대역에서 일시적으로 과도 전압과 전류 형태의 전자기파를 방출하여 전기회로를 교란하거나 오동작을 유발할 수 있고, 반도체 소자 등이 내장된 기계설비의 고장⋅오동작을 유발하기도 한다. 특히 화재⋅폭발 위험장소에서의 정전기 대전⋅방전 현상이 발생하는 경우 방전 에너지가 점화원으로 작용하여 심각한 인적⋅물적 피해를 발생할 수 있다. 따라서 이러한 사고를 예방하기 위해서는 사전에 화재⋅폭발 위험장소에서 정전기 발생을 억제하고 안전한 수준으로 관리하는 것이 최우선 방법이라고 할 수 있다4).

참고문헌 (16)

S. W. Choi , "A Study on the Development of Simulating Tool for Evaluation of Electrostatic Discharge", J. Korean Soc. Saf., Vol. 26, No. 3, pp.15-22, 2011.
J. H. BYEON, "A Study on the Improvement Plan of Electrostatic Safety Management Level through Injury Analysis", J. Korean Soc. Saf., Vol. 34, No. 5, pp. 37-45, 2019.
D. H. Kim et. al., "Electrostatic Safety", Donghwa Publication, pp. 262-264, 2001.
D. H Lee and J. H. BYEON, "A Study on the Measurement and Comparison(IEC 60079-32-2) of Flammable Liquid Conductivity", J. Korean Soc. Saf., Vol. 34, No. 4, pp. 22-31, 2019.
The Korea Occupational Safety and Health Agency (KOSHA), Industrial Accident Statistics, 2000-2017.
S. W. Choi and J. H. BYEON, "A Study on the Development of Safety Evaluation Standard/Guidelines for Electrostatic Discharge Devices", 2017-OSHRI-1077, 2017.
http://www.trekinc.com/products/901HS.asp
J. H. BYEON, "A Study on the Development of Electrostatic Discharge Detection and Related Equipment Explosion Proof Technology", 2018-OSHRI-898, 2018.
N. Jacksen, Magneto Optical Static Event Detector, IEEE, Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium, pp. 233-244, 1998.
Static Event Detection System, Product Sheet, 3M Company Distribution, pp. 1-7
https://www.electrotechsystems.com/products/electrostaticinstumentation/electrostatic-discharge-simulators/electrostatic-discharge-simulator-esd-generator/
IEC 61340-4-7 2011(Electrostatics-Part 4-7: Standard Test Methods for Specific Applications-ionization)
KS C IEC 60079-11 [Explosive Atmospheres-Part 11: Intrinsically Safe Circuit "i"]
AN9003 - A Users Guide to Intrinsic Safety (Cooper Crouse Hinds), MINIMUM IGNITION CURVES (TECHNOLOGY FOR SAFETY)
S. W. Choi, "A Study on the Development of an Electrostatic Eliminator and Evaluating Method of Protection Explosion-Construction", J. Korean Soc. Saf., Vol. 29, No. 6, pp. 49-54, 2014.

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