방폭용 케이블그랜드의 선택

방폭용 케이블그랜드를 선택하는 경우라면, 먼저 방폭용 케이블그랜드가 가지는 일반적인 조건을 만족해야 합니다. 케이블 그랜드가 설치될 장비의 가스그룹, 온도등급, IP등급, 내충격성(imapact resistance), 장비의 보호등급의 조건을 만족해야 합니다. 가스등급은 장비가 설치될 장소에 맞는 등급을 따르면 되고, 온도등급은 케이블그랜드가 자체적으로 발열하지는 않으므로 무시하셔도 됩니다. IP등급은 이론상으로는 최소 IP 54, 실제로는 IP 66 또는 IP 68 일 것이고, 내충격성은 최소 7Nm입니다.,

문제는 설치될 장비의 방폭구조에 맞는 케이블그랜드를 선택해야 한다는 것입니다. 일단 내압방폭 Ex d용 장비라면 당연히 Ex d용 케이블그랜드를 사용해야 하고, 안전증방폭 Ex e용 장비라면 Ex e용 케이블그랜드를 사용해야 합니다. Ex e용 장비에는 Ex e외에 Ex d 케이블그랜드도 사용할 수 있지만, Ex d 장비에는 Ex d 케이블그랜드외 Ex e 그랜드는 사용할 수 없습니다. Ex e용 케이블그랜드와는 달리 Ex d용 케이블그랜드는 방폭용 케이블그랜드의 일반적인 속성외에 Ex d만의 규격을 추가로 만족해야 하기 때문입니다. (각 방폭 구조별 사용가능한 케이블그랜드의 자세한 내용은 이 글 아래 쪽의 표를 참고하세요)

Ex d용 케이블그랜드의 기본개념은 케이블그랜드에 케이블을 물려놓으면, 만약 폭발이 일어나더라도 내부폭발압력이 케이블을 통해 외부(주변기기)에 영향을 주어서는 안된다는 것입니다. 이것이 가능하려면, 케이블그랜드는 물론 케이블도 Sealing의 한 파트여야 하고, 케이블도 폭발에 충분히 견디도록 설계되었는지 미리 검증되어야 합니다. 만일 이것이 자신없다면 Barrier Type의 케이블그랜드를 사용해야 합니다. HAWKE사의 제품의 경우 'ICG 653/UNIV' 모델이 Barrier Type의 케이블 그랜드(그림 1 참고)입니다.

Barrier Type의 케이블그랜드에는 합성수지 성분의 compound가 들어있어 케이블그랜드 내부에 에폭시 컴파운드를 채우는 방식으로 설치하게 됩니다. 이런 밀봉작업을 통해 케이블내의 도체(Core) 하나하나에 절연작용을 함과 동시에, 케이블그랜드내부에 flamepath를 형성합니다. 때문에 Ex d용 장비에 설치되는 케이블그랜드로써 가장 확실한 솔루션인 셈입니다. 하지만, Barrier Type 케이블그랜드는 일반 케이블그랜드에 비해 몇배나 비싼 제품이라는데에 문제가 있습니다. 케이블그랜드 자체도 비쌀뿐더러 compound를 설치하다보니 아무래도 작업시간도 길어지고 그에 따른 추가 비용도 발생합니다. 해서 Ex d 장비에 Barrier Type이 아닌 일반 Ex d용(Compression) 케이블그랜드를 적용하는 경우도 고려해야 합니다. 이를 위해서는 케이블그랜드외에 케이블에 대한 관련규정도 살펴봐야 합니다.

새 EN 60079-14 규정에 의한 케이블그랜드의 선택

관련규정인 EN 60079-14이 비교적 최근 (2014)개정되었습니다. 새 규정에 대한 가장 큰 특징은 Ex d enclosure에 설치되는 cable gland에 대한 선택 및 설치 규정 부분이 삭제된 것입니다. 즉 이전 규정에서는 모든 위험지역에서 사용될 수 있는 barrier type 케이블그랜드와 어떤 경우에는 사용가능한 compression type 케이블그랜드의 선택기준을 명확히 했지만, 새로운 규정에서는 그 기준이었던 용적(2리터)이하와 설치지역(Zone1), 가스그룹(IIC)의 기준을 삭제하였습니다.

변경된 규정은 Ex d에 적용되는 케이블그랜드로 기본적으로는 barrier type의 케이블그랜드를 사용하는 것을 원칙으로 합니다. 대신, 일반 Compression type의 케이블그랜드를 사용할 수 있는 경우에 단서를 달았는데, 그 단서가 EN 60079-14 (paragraph 9.3.2°)의 새롭게 규정된 cable을 사용할 것과, input cable의 길이가 최소 3미터를 이상이여야 한다는 것입니다. paragraph 9.3.2°은 주로 케이블에 대한 규정으로 첫째, 외부를 thermo-plastic, duro-plastic 또는 elastomer material로 도포되었을 것, 둘째 압출형 케이블로써 원형으로 되어 있고 충분히 조밀(compact)할 것, 셋째로 케이블 내부 충전재는 습기를 흡수하는 재질을 사용하지 않은 케이블일 것으로 규정하고 있습니다. 이중 주로 케이블의 조밀함에 해당하는 기준으로써 Annex E라는 부속조항을 달았는데, 이 부속조항에서 요구하는 케이블은 조건대로 제작하기가 쉽지 않은 것으로 알려져 있습니다.

결론적으로 새 관련규정은 방폭보호등급의 유지를 위해서는 케이블의 품질, 케이블의 길이, 케이블의 상태에 대한 규정을 추가했다고 할 수 있습니다. (그림2. 참고)만약 케이블이 (일부라도) 손상되었거나, 좋지 않은 상태이거나, 잘 설치되지 않았다면 폭발가스의 통로 역할을 하므로 위험하다는 것이고 작업 및 설치 현장에서 보다 더 주의를 기울여야 합니다.

Cold Flow 특성을 갖는 케이블

케이블관련, 또다른 이슈가 Cold Flow 입니다. 비교적 최근에는 화재사고 등을 대비하기 위해 IEC 60332 규격의 저연(Low Smoke)성 또는 난연성(flame-resistan) 케이블이 현장에 적용되기 시작했는데, 이 케이블은 대부분 Cold Flow 특성을 나타냅니다. Cold flow 특성은 그림3에서 보이듯 케이블에 지속적인 외부압력을 가한뒤 외부압력을 제거하면 케이블이 원상태대로 복구되지 않는 특성입니다. 즉, 케이블에 compression 또는 displacement seal 방식의 케이블그랜드를 장착하면 케이블을 계속 조이면서 그랜드가 장착하게됩니다. 이때 조여지는 외부압력의 힘이 원상복구되려는 성질보다 클 경우, 나중에 유지 보수 등의 이유로 케이블그랜드를 풀었을때 케이블이 원형모습으로 복구되지 않고 조여진 상태의 모습 그대로 남게되는 현상입니다.

이 현상이 케이블의 전기적 기본 function에까지 장애를 준다고 보기는 어렵지만, 케이블의 절연저항값의 저하를 가져오는 것으로 알려져 있습니다. 또한 Ex d 케이블그랜드이 적용되는 경우라면, 이것이 장비의 보호등급에도 안좋은 영향을 줄 수도 있습니다. Ex d 방폭 Amored 케이블그랜드에서의 sealing은 outer sheath가 IP등급의 유지를 담당하고 inner sheath 부분은 단순히 케이블을 잡아주는 역할을 넘어 방폭등급을 유지하는 역할을 합니다. 즉, 폭발이 일어날때 폭발가스가 케이블을 타고 배선으로 연결된 옆의 장비로 전이되는 것을 막는 부분이 inner sheath인 바로 이 지점입니다. 그런데, 이 지점의 케이블 외형부분에 왜곡이 있다면 inner sheath의 sealing의 역할이 무력화됩니다. 또 앞서 살펴본대로 barrier Type이 아닌 일반 compression type의 케이블그랜드를 사용할 경우 EN 60079-14 (paragraph 9.3.2°)의 규정을 만족해야 하고, paragraph 9.3.2° 중의 하나가 케이블이 원형(circular and compact)이여야 하는데 케이블의 뒤틀림 현상이 있다면 이 규정에도 위반됩니다.

Cold flow 특성의 케이블일 경우 기본적으로 barrier type의 케이블그랜드를 사용해야 합니다. 하지만, HAWKE사에서는 501/453/UNIV이라는 일반 모델로도 cold flow 특성에 대응할 수 있도록 했습니다. 이 케이블그랜드는 Zero Cable Damage 라는 기치하에 격막식(diaphragm type seal)으로 케이블을 잡아주도록 설계되어 있어 케이블 형태의 왜곡을 최소화하고 있습니다.

아래 표는 각 방폭 구조별 사용가능한 케이블그랜드의 Type을 정리한 표입니다.

출처 : R.STAHL의 DIN EN 60079-14 (2014) Electrical installations design, selection and erection자료 / Cortem사의 the EN 60079-14 standard, the correct use of cable gland 편 / Cable Gland Selection for Ex-d Enclosures (Dipl.-Ing. Steffen Seibert, 2015), DIN EN 60079-14 (2014) 참고