본질안전(Intrinsically Safe, Ex i)방폭의 개념

본질안전은 산업현장에서 많이 사용되고 있는 방폭구조로 영문 뜻대로 본질안전(Intrinsically Safe, 줄인 약자는 IS) 방폭이라고 부릅니다. 기본개념은 폭발3요소인 발화원, 산소, 연료 중 발화원을 통제하는 Avoidance로, 발화를 일으키기에는 약한 수준의 에너지(limited energy)를 사용하여 비정상적인 작동상태(fault condition)에서도 발화가 발생하지 않도록 설계합니다. 다른 방폭 구조들이 물리적인 방법(mechanical means)을 사용하는데 비해 본질안전은 전기적인 방법(electrical protective measure)을 사용하는 셈입니다. 이로 인해 주로 저전력장비에 적용됩니다. 때문에 고전압을 사용하는 전력회로 (power circuits)나 동력을 직접 사용하는 기기에서는 사용할 수 없습니다.
약한 수준의 에너지란 본질안전 장비에서 사용되는 에너지만으로는 스파크가 일어나도 또는 열이 발생해도 주변 가연성 혼합가스와 반응하여 폭발을 유발할 수 없을 정도로 약하다는 뜻입니다. 그럼 어느 정도로 에너지(즉, 전압과 전류값)가 작아야 할까요? 일반적으로는 전압 24VDC 이하이고 전류값은 100mA입니다.
좀 더 상세한 기준은 장비의 주변가스(또는 증기), 즉 앞서 말씀드렸던 가스그룹이 그 기준입니다. 가스그룹은 가스별로 위험한 정도에 따라 등급을 나눈 것으로, 최소발화전류(MIC: Minimum Ignition Current)값에 따라 상대적으로 낮은 전류에서도 발화가 되는 가스를 위험등급이 높은 가스로 분류하게 됩니다. 따라서, 위험도가 가장 높은 IIC등급의 가스는 IIB등급의 가스보다는 더 작은 에너지로도 폭발이 가능할 것이고, IIB등급의 가스가 폭발하려면 IIA보다는 더 작은 에너지값에도 가능할 것입니다.

에너지 발화값

이를 시각적으로 표현한 것이 ignition curves 입니다. 왼쪽 두번째 그림의 그래프는 가스등급별 저항성 회로(resistive circuit)를 나타낸 것입니다. 그래프의 X축은 전압(V)값을 Y축은 전류(A)값을 기준으로, 가장 위에 있는 곡선이 I(메탄), 그 아래가 IIA, IIB, 가장 아래 있는 것이 IIC등급용 곡선입니다.
이 곡선들은 해당 가스그룹별로 위험한 전기에너지의 양을 나타냅니다. 각 선보다 위쪽에 있는 수준(전압과 전류의 조합)을 사용하면 위험하다는 뜻입니다. 가령 30V기준에서 0.1A의 조합을 사용하면 IIA, IIB등급의 곡선보다 아래에 위치한 값이라 안전(acceptable values)하지만, IIC등급의 곡선보다는 위에 있는 값이라 IIC 등급이 가스가 있는 지역에 적용하기에는 위험하다는 뜻입니다. 이외에도 용량성 회로(capacitive circuits) 곡선와 유도성회로(Inductive Circuits) 곡선으로도 에너지값을 측정하기도 하지만 IIA등급이 가장 위쪽이고, IIB등급이 중간, IIC등급이 가장 아래쪽인 점, 즉 가스등급에 따라 위험도가 정해지는 이치는 같습니다.
제조사들은 이 값을 기준으로 본질안전 방폭장비를 제작합니다. 본질안전회로내에서는 비정상적인 작동상태에서도 ignition curve의 아래값으로 유지될 수 있도록 장비의 사용조건을 설계하는 것입니다. 일반적으로 최대전압은 400미터짜리 케이블 용량(cable capacitance)으로 정해지는데 IIC ia 조건에서 29V로 알려져 있고, 최대전류는 케이블 유도전력(cable inductance)으로 정해지는데 300mA 정도입니다. 만일 장비의 전압과 전류의 출력이 이 범위이내로 들어오면 IIC ia 용 장비로서 손색이 없는 것이고, 위 조건보다 높은 조합을 사용하는 수준이 되면 IIB 또는 낮은 등급(ic 등)의 장비가 되는 식입니다. 만일 IIC ia가 되면 모든 위험 지역에 사용될 수 있는 장비가 되는 셈이지만, 실제에서는 24V 500 mA 조합의 IIB ic 등급의 장비를 많이 사용합니다. 이정도만 하더라도 여전히 많은 곳에서 사용이 가능한 것으로 알려져 있습니다.

배리어의 역할

그럼 약한 수준의 에너지로는 어떻게 유지할까요? 배리어(barrier)가 그 일을 합니다. 배리어는 안전지역에 설치되어 안전지역에서 위험지역으로 흘러가는 위험한 수위의 전기적 에너지를 막아주는 역할을 합니다. 폭발이 일어나지 않을 정도의 전기적 레벨만을 위험지역으로 보내준다는 뜻입니다.
배리어의 기본적인 방식인 제너다이오드(zener diode) 또는 션트다이오드(shunt diode)를 예로 가장 단순한 형태의 회로를 통해 가정하면, 옆의 그림과 같이 퓨즈(fuse)와 저항(resistor)를 직렬로 연결하고 제너다이오드를 역방향바이어스(reverse bias)로 연결합니다. 옆의 회로 그림에는 다이오드가 여러개 병렬로 연결되어 있는데 이는 고장시에도 계속 작동하도록 하도록 하는 고장방지능력(fault tolerance)을 확보하기 위해서입니다.
다이오드는 통상적으로 한방향으로만 전류가 흐르도록 만들어진 소자라 역방향으로 일정전압을 걸면 전류를 흐르지 않는데, 이 역방향에서 전압을 계속 증가시키면 어느순간 다이오드는 전압을 이기지 못하고 파손이 일어납니다. 이를 Breakdown이라 하고 다이오드는 파손되어 더이상 동작을 하지 않게 됩니다. 이제 파손된 다이오드는 역방향으로 전압을 낮게 걸어도 마냥 전류를 통과시키게 됩니다. 그럼 더이상 소용이 없게 되죠. 제너다이오드란 Breakdown 될 때에 파손되지 않도록 만든 다이오드입니다. 역방향으로도 전압을 걸어서 해당 제너다이오드가 감당할 수 있는 전압을 넘어서면 전류를 통과시키고 다시 전압이 낮아지면 차단하게 되는 다이오드로써 역방향 전압을 활용할 수 있도록 만들어진 다이오드입니다. 회로 뒷단에 보호할 회로가 있을 경우 제너다이오드를 병렬로 연결해놓고, 역전압이 크게 들어올 경우 그냥 바이패스 시켜 뒷단 회로를 보호하는 용도로 사용합니다.
이렇게 분로(shunt)되고 제너(zener)효과를 이용한 것이 제너다이오드방식의 배리어입니다. 이 원리를 통해 저항으로 전류레벨을 제한하고, 제너다이오드가 전압을 일정한 수준으로 제한하며, 퓨즈가 연속적으로 들어오는 전압을 차단하게 됩니다. 이것이 배리어의 역할입니다. 이 배리어를 중심으로 본질안전 방폭시스템을 구성합니다.

자료출처: AN9003 - A Users Guide to Intrinsic Safety (Cooper Crouse Hinds), MINIMUM IGNITION CURVES (TECHNOLOGY FOR SAFETY)