몰드방폭(Encapsulation, Ex m)의 개념

몰드방폭의 원리는 제거(exclusion)입니다. 스파크가 발생할 수 있는 전기적인 부분(electrical parts)을 컴파운드로 둘러쌓아(enclosed in a compound) 폭발성 위험기체와의 접촉 자체를 막는 것입니다. 스파크가 일어나도 주변에 연료가 없으니 폭발이 일어나지 않는 원리입니다. 컴파운드는 열경화성(thermosetting), 열가소성(thermoplastic), 또는 에폭시(epoxy) 수지 등을 냉경화(cold curing)시켜 고체상태로 만들어 사용합니다. 이때 컴파운드들의 온도범위는 장비의 최대작동온도보다 높아야 하기 때문에 IEC규정에 의해 사용가능한 재질의 종류와 전기장비의 작동온도가 정해집니다.
몰드방폭은 등급에 따라 Ex ma, Ex mb, Ex mc로 세분화됩니다(EPL기준으로는 Ga/Da, Gb/Db, Gc/Dc로 표시합니다). 등급을 나누는 기준은 전기장치 둘러싸는 상자의 두께에 따라 정해집니다. 당연한 말이지만 두꺼울수록 높은 방폭등급을 가집니다. 컴파운드로 둘러싸는 전기적 부분에서 발생하는 발열이 중요한 이슈라 발열에도 얼마나 견디느냐를 컴파운드 두께로 가늠하기 때문입니다.
가스등급과는 관계가 없기 때문에 Ex mb II(또는 IIC) T4 등으로 표시됩니다. 주로 전자회로릴레이(relay)와 타이머, 램프검사장치와 구성품에 사용되고 있으며, 최근에는 단자대처럼 레일(찬넬)에 설치하는 PCB(printed circuit boards)형 구성품에 적용되고 있습니다.

오일방폭의 원리도 제거(exclusion)입니다. 스파크가 발생할 수 있는 전기적인 부분(electrical parts)를 오일(mineral oil)이 담긴 박스에서 작동시키는 것입니다. 오일에 담긴 상태에서는 폭발성 혼합기체가 없으니 발화원에서 스파크가 일어나도 폭발이 일어날 수 없습니다. 오일 그 자체가 연료가 될 수도 있지 않을까 생각하실 수 있겠지만, 어차피 오일에 담긴 부분은 산소가 없어서 폭발이 불가능한 상태입니다.
몰드방폭과는 달리 장비의 온도에도 영향을 덜 받는 구조이고 방폭의 초기부터 발전시킨 간단한 개념이라 쉽게 적용할 수도 있지만, 현재 거의 쓰임새를 찾아보기 어렵습니다. 단점이 있기 때문입니다. 오일방폭은 어느 정도의 부피가 있는 장비(bulky)나 적용가능하고, 아크가 발생하면 폭발은 일어나지 않더라도 주변 오일과 반응하여 아세틸렌(acetylene)과 수소를 발생시킬 수도 있습니다. 오일이 새어나갈 염려도 있습니다. 새어나간 오일은 주변장비를 오염시킬 수도 있습니다. 따라서 오일이 새지않도록 조심해야하고, 만일 샐 염려가 있다면 비교적 최근 제작된 장비로 교체해야 하는 번거로움이 있습니다. 주로 대용량 스위치기어(heavy duty switchgear), 모터기동장치(motor starter)나 변압기(transformer)등에 적용됩니다.

충전방폭은 프랑스에서 처음 고안된 방식으로 오일방폭과 기본적으로 비슷한 원리입니다. 전기장비를 박스에 넣어 작동시키는데 이번에는 오일이 아닌 모래같은 미세한 석영(quartz)가루를 넣습니다. 미세한 가루로 채워져있는 박스내부에는 폭발성 혼합기체가 충분히 존재하기 어렵고, 정상적인 상태에서는 아크도 발생하기 어렵게 됩니다. 모래로 덮어 쉽게 불을 끌 수 있는 점을 생각하면 쉽게 이해가 됩니다. 충전방폭은 Powder를 채운 박스의 견고함이 중요한데, 일정한 압력(0.5 bar)을 1분이상 견뎌야 하고, IP등급도 54이상은 되어야 합니다. 다만 안전증(Ex e) 박스내에 설치되면 IP등급이 없어도 된다는 규정이 있습니다. 주로 Lighting 장비의 안정기(ballasts)나 축전기(capacitors), 소형변압기 등 움직임이 없는 소형이고 구성품에 해당하는 장비에 적용되고 있습니다.

혼합(Hybrid)형 방폭장비

이번 글에서 살펴본 기타 방폭구조들은 시장에서는 3%미만으로 적용되는 구조들입니다. 기타 방폭구조들은 그 자체로는 거의 사용되지 않고 다른 방폭구조들과 혼합해서 사용합니다. 이에 따라 표시도 내압방폭같이 그 자체 Ex d로 표시되는 경우는 없고, Ex edmq와 같이 다른 방폭구조와 함께 표시가 됩니다. 위 첫번째 사진에서 본 방폭등기구(lighting)의 경우에도 안전증(Ex e)방폭, 내압(Ex d)방폭, 몰드(Ex m)방폭, 충전(Ex q)방폭 등을 부품별로 섞어서 사용합니다. 박스(Enclosure)는 안전증(Ex e) 방폭을, Lamp 부분의 Tube Holder는 내압방폭(Ex d) 기술이 적용되었습니다. 더불어 커패시터(축전기)는 석영을 채워만든 충전방폭(Ex q)으로 만들어졌고, 안정기(ballast)는 몰드방폭(Ex m) 방식을 사용했습니다. 기본적으로 안전증 방폭이기 때문에 Lamp와 Protection Cover의 거리를 충분히 확보하여 발열과 스파크에 대한 대비를 한 장비입니다.
앞서 말씀드린대로 이런 장비의 방폭등급은 알파벳순서대로 Ex d e mb q 로 표시합니다. 등기구뿐만아니라 방폭스위치 등에서도 여러 방폭구조를 혼합해서 적용한 제품이 많이 있고, 최근에는 Ex de 구조가 가장 일반적인 제품입니다.
이렇게 혼합된 장비를 사용할때 주의할 점은 그 장비가 설치되는 곳이 장비를 사용할 수 있는 위험지역인지를 살펴야 합니다. 만일, 안전증(Ex e)방폭 박스에 내압(Ex d)방폭, 본질안전(Ex ia)방폭, 비점화(Ex nA)방폭이 각각 적용된 구성품을 가진 방폭등기구가 있다고 가정해봅니다. 이 등기구는 Zone 0, Zone 1, Zone 2지역중 어느 지역에서 사용가능할까요? 답은 물론 Zone 2지역이겠지요. 본질안전방폭(Ex ia)이 Zone 0지역까지 적용가능하고, 안전증방폭(Ex e), 내압방폭(Ex d)은 Zone 1지역에 적용가능하지만, 비점화(Ex nA) 방폭이 Zone 2지역까지만 적용가능하기 때문입니다. 만일 비점화 방폭이 없는 구조라면 Zone 1지역까지 적용가능할 것입니다.

자료출처: Ex Digest (2004, CCH)