제품별 안전증 방폭

안전증 방폭에서 안전증((Increased Saftey)의 의미는 무엇일까요? 제품의 안전성(level of safety)를 증가시켰다는 뜻입니다. 일반적인 제품안전규격 보다 좀더 높은 안전기준(additional safety margin)을 적용하여 제품의 안전성을 증가시켰다라는 뜻입니다. 주된 초점은 만일 안전증방폭 장비가 정상적이지 않은 상태(abnormal condition)라 할지라도 방폭장비나 그 구성품들이 발화원으로 둔갑하지 않도록 여러가지 추가적인 안전 장치를 두었다는 뜻입니다. 발화원인 열, 아크, 스파크를 제거하기 위해 어떤 장치를 추가했을까요?

발열방지를 위한 안전증 기술

먼저, 발열을 방지하기 위해 최대허용전압을 낮춰서(De-rating) 사용하는 방식을 적용하였습니다. 단자대의 경우 사용가능한 값보다 낮게 표시된 정격전류가 사용된다면 필요한 것보다 더 충분한 양의 도체가 사용됩니다. 그만큼 발열을 억제하는데 유리해집니다.
발열을 방지하기 위한 또 다른 방법으로 좋은 품질의 절연체(high quality insulators)를 사용하기도 합니다. 절연 품질을 높이면 충전부(live parts)간의 전기적 저항을 높아집니다. 발열(Q)=전력(P)이고, P=전압(V)X전류(I)이므로 옴의 법칙 I=V/저항(R)를 대입하면, 결국 발열과 저항(R)이 반비례하므로 발열량은 저항값이 클수록 줄어들게 됩니다. 좋은 절연체를 써서 발열량을 줄이는 원리입니다.
방폭 모터의 경우에는, 평균적인 출력 조건에 비해 모터의 프레임을 크게 제작하는 방법을 사용합니다. 이렇게 되면 모터 내부의 공기흐름이 원활해지고, 이는 권선에서 발생하는 열을 식히는데 도움이 됩니다.
안전증 방폭박스, 특히 정션박스의 경우에는 박스내부에 많은 수의 단자대(Terminal block)가 wire로 연결되기 때문에 반드시 발열을 고려해야 합니다. 이에 heat dissipation 라는 개념을 적용하여 사용하는 단자대의 수를 제한하는데, 이는 별도의 글로 대신하겠습니다.

아크 및 스파크 방지를 위한 안전증 기술

발열을 방지하는 것 뿐만아니라 아크 및 스파크를 방지하는 것도 안전증 방폭에서는 중요합니다. 정션박스 내부를 들여다보면, 많은 수의 단자대에 양쪽으로 전선을 연결하여 사용합니다. 그런데 많은 시간이 흐르면 단자대에 가해지는 진동 등에 의해 단자대에서 전선이 빠지는 경우가 있고, 빠진 전선 끝자락에는 아크가 발생할 가능성이 큽니다. 안전증 방폭단자대는 이를 전선의 풀림현상을 방지하도록 설계되는데, 가령 금속 스프링의 복원력을 이용해 단자대에 연결된 전선을 잡아주는 Cage Clamp라는 메커니즘을 사용합니다. 또는 다른 여러 방식을 사용하기도 하는데, 옆의 두번째 그림을 클릭하면 바이드뮬러(Weidmuller)단자대중 가장 일반적인 Type인 WDU시리즈에 전선이 빠지는 것을 방지하기 위해 어떤 기술이 적용되었는지 알 수 있습니다.
또한 정션박스 내부에는 단자대가 가로 또는 세로로 일렬배치되어 사용됩니다. 그런데 배열된 단자대의 도체간의 거리, 즉 각 단자대의 내부에 있는 도체와 바로 옆에 나란히 설치된 이웃 단자대의 도체간의 거리는 충분한 거리를 확보해야 합니다. 단자대의 도체간의 거리가 너무 짧으면 아크가 발생하게 됩니다.
이때 등장하는 개념이 연면거리(Creepage Distance)와 공간거리(Clearance Distance)입니다. 왼쪽 첫번째 그림을 보면 단자대의 Creepage Distance와 Clearance Distance를 확인할 수 있습니다. creepage는 도체와 도체사이에 거리를 표면(surface of the insulating material)을 따라 잰 최단거리이고, clearance는 표면거리와는 상관없이 공간을 가로질러(through the air) 잰 최단거리입니다. 이 creepage distance와 clearance distanc가 즉 도체와 도체사이의 거리가 멀어지면 멀어질수록 스파크의 발생확률이 적어지게 됩니다. 안전증 방폭단자대는 이 두가지의 거리를 감안하여 제작됩니다.
정리하면, 방폭 단자대는 일반 단자대에 비해 발열방지를 위한 De-rating, 전선연결이 진동에 의해 빠져 스파크 등의 발생을 미연에 차단하는 locking 기술, 단자대가 나란히 배열되어 있을때 도체간의 충분한 distance 확보 등 많은 방폭관련 기술이 들어가 있는 셈입니다.
한편, 정션박스(또는 스위치기어박스 등) 내부에 설치된 구성품(통상 terminal block이나 Contact)에 물기나 다른 전도성 금속가루 등이 묻게되면 어떻게 될까요? 당연히 스파크가 발생할 수 있습니다. 분진에 의해 발열이 일어날 수도 있습니다. 안전증 방폭박스들은 내부 구성품들을 보호하기 위해 IP등급을 최소 54이상이 되도록 제작합니다. (실무에서는 IP65, IP66이 더 일반적입니다.) 세번째 그림을 클릭하면 바이드뮬러(Weidmuller)사의 정션박스를 테스트하는 동영상이 나옵니다. 처음 IP등급 테스트(방수 및 방진)에 이어 IK등급 테스트(강도), 진동, 염도, UV 등 각종 테스트도 진행합니다. 안전증 방폭박스의 검사 항목에는 물리적인 손상이 없어야 하고, UV로 인한 손상, Gasket 손상, 최종 제작도면과 달리 사용자에 의해 가공된 hole이 있는지, 단자대가 제대로 단단히 물려있는지, 박스내부에 사용자 임의로 추가 장착한 구성품이 있는지 등이 있기 떄문에 방폭형 박스하나에도 많은 테스트 과정을 거칩니다.

자료출처: Eaton사의 Ex Digest