Ex nR (Restricted Breathing) 방폭

Ex nR 방폭의 기본 개념은 배제(exclusion)로 폭발의 3요소중에 연료에 해당하는 가연성 가스(혼합기체)를 제거하는 것입니다. 장비 외부에 위험가스가 박스(enclosure)내부로 유입되는 것을 가능한 제한(restrict)하여 LEL에 도달하지 못하도록 하는 방법입니다. LEL에 도달하지 못한다는 것은 무슨 뜻일까요?
폭발성 가스와 증기가 지속적이고 오랜 시간동안 머무는 지역이 있다고 가정해봅니다. 폭발성 액체를 저장하고 있는 연료탱크 내부 같은 곳입니다. 연료탱크 내부는 아래쪽에 폭발성 액체가 위쪽에는 유증기가 있는데, 그 밀도가 아주 높아서 폭발한도보다는 높은 상태(above the upper flammable limit)라고 가정해봅니다. 만약 여기에 점화원이 있다면? 위험천만해 보이지만 연료탱크 내부에서는 절대 폭발이 일어나지 않습니다. 왜냐하면 연소가능한 밀도(ignitable concentrations)내에 있지않기 때문입니다.
가연성 혼합기체라고 해서 언제나 인화되는 것이 아니고 점화원에 의하여 인화될 수 있는 농도범위가 있습니다. 인하가능한 최대농도값을 인화상한값(UEL,Upper Flammable/Explosive Limit), 최저농도를 인화하한값을 (LEL,Lower Flammable/Explosive Limit)이라 합니다. 인화는 UEL과 LEL사이에 있을때만 발생하고, 이를 폭발한계라고 하며 왼쪽 첫번째 그림은 여러 가스별 폭발한계값을 보여줍니다. Ex nR은 이중 LEL의 값을 이용한 방폭 구조입니다. 가연성 혼합기체의 유입을 제한(restrict)하여 그 농도를 LEL 아래로 유지한다는 개념입니다.
하지만 박스(enclosure)내부를 주변의 가연성 가스가 들어오지 않도록 완벽하게 밀폐시키는 것이란 쉬운 일이 아닙니다. 박스에는 박스내부로 들어오는 케이블이 반드시 연결되어야 하므로 미세한 틈은 생길 것이고, 그 틈을 통해 외부 기체가 유입될 수 있습니다. 박스는 주변 온도의 변화에 따라 박스자체가 수축과 팽창을 반복하면서 숨을 쉬는 효과가 있는데 그 틈은 숨구멍과 같은 역할을 하게 됩니다. 때문에 Ex nR은 Zone 2 지역과 같이 오랜시간동안 가연성가스가 별로 출몰하지 않는 지역에서나 설치가능한 것이고, 제작도 온도변화에 따른 장비 내부와 외부간의 공기흐름(air flow)를 최소화하는 것으로 설계됩니다. 또한 공기의 흐름을 어느정도는 차단할 수 밖에 없는 구조라 열순환에 있어 불리하기 때문에 온도상승 효과 또한 고려해야 합니다. Ex nR 등급의 박스내부에 설치되는 구성품은 반드시 발열 저감처리가 되어야 하며, 박스 내부 온도가 외부온도보다 10도이상 높아서는 안됩니다.
다른 Ex n 등급의 방폭장비와는 달리 Ex nR장비는 유지 보수도 까다로운 편입니다. 특히 가스켓(gasketing)이나 케이블그랜드의 washer 등을 이용한 밀폐효과 중시하게 됩니다. 만일, 박스에 연결된 케이블 내부 자체에 빈공간이 많아 충분하게 밀폐되지 못하는 경우에는 compound를 사용하는 케이블그랜드를 사용하여 케이블 core를 반드시 밀폐시켜야 합니다. Ex nR 등급의 방폭에는 Ex d 또는 Ex e 등급을 가진 케이블그랜드를 적용할 수 있습니다. 다만, EN/IEC 60079-15에 의하면, 원모양으로 생긴 Juncton Box에는 sealing의 밀폐성을 보장할 수 없으니, 별도의 Ex nR 테스트가 필요한 경우가 있을 수 있습니다. 두번째 그림은 Ex d, Ex e, Ex nR 등급을 가진 HAWKE사의 Cable Gland 입니다.

비점화 방폭의 유리한 점

영국에서 발전된 비점화 방폭은 공장내 위험지역의 대부분에 해당하는 70%~80%정도가 Zone 2지역으로 분류되는 사실에 주목하면서부터입니다. 덜 위험한 지역에서까지 값비싼 방폭장비를 사용할 필요가 없다는 인식이 있었고, 보호규정도 덜 엄격하게 적용되어 저렴하게 장비 제작이 가능하다는 경제적 이유가 있었습니다. 가연성 가스가 있을 가능성이 사실상 희박한 Zone 2지역에까지 굳이 비싼 Ex e와 Ex d 방폭 장비를 쓸 필요까지 있겠냐는 것이죠.
따라서, 비점화 방폭장비의 첫째가는 장점은 경제성일 것입니다. 실제 같은 구조를 지닌 Ex e등급의 Lighting과 Ex n등급을 가진 Lighting (Hubbell그룹의 Chalmit사 Protecta 모델기준)의 가격을 비교해보면 Ex e등급에 비해 Ex n등급의 Lighting이 30%~40%가량 저렴합니다. 같은 모델의 비방폭용 Lighting이 Ex n모델에 비해 30%가 더 저렴하니 방폭등기구와 비방폭 등기구의 중간정도의 가격대로 설계할 수 있는 셈입니다.
또한 비점화 방폭장비의 기준자체가 일반 비방폭용 장비보다 약간 높은 수준(Enhanced)의 안전도만 확보하면 되기 때문에, Ex n 방폭용 등기구의 경우 안전증 방폭 등기구에 비해 완화된 T등급기준이 적용되거나 다양한 광원(lamp의 방식)을 사용할 수 있습니다. 옆의 그림은 Hubbell그룹의 Chalmit사의 NEXXUS 모델을 놓고 Ex e 모델과 Ex n모델을 비교한 것입니다. (다만, Ex n모델은 단종되었습니다) 여기에도 보이듯이 Ex n 등기구는 좀 더 높은 출력을 가진 등기구로 설계하여 좀 더 다양한 밝기를 가질 수 있으니, 결과적으로 전지역에 설치되는 등기구의 전체 숫자도 줄어들게 됩니다. Zone 2지역이 방폭지역 중 가장 넓다는 점을 감안하면 비용이 더 크게 절감될 수 있습니다.
또한 Ex n의 종류에 따라 좀 더 다양한 종류나 크기의 산업용장비에 적용될 수 있는 범용성이 있습니다. 가령 안전증 방폭이 적용될 수 없는 반도체(semiconductor)도 Ex nA는 적용이 가능한 것으로 알려져 있습니다. 설치와 유지보수에서도 유리한 점이 있습니다. 다른 방폭구조의 기준보다 낮은 수준의 안전도을 요구하기 때문에 당연할 결과입니다. 가령 wiring에 경우 일반산업장비용 규정과 별 차이없이 금속이나 날카로운 물체에 의한 피복의 손상을 막기위한 대책만 마련되면 됩니다. 가스그룹의 정의와도 상관이 없기 때문에 장비에 표시되는 것은 II, 또는 IIC로 표시됩니다. (온도등급은 다른 것과 마찬가지로 표시됩니다) 다만, 설치에 따른 규정은 안전증 방폭의 규정에 따라 진행되게 됩니다.

자료출처:international_standard_ex_n (Cortem), Session 12 . Ex Protection Concepts,(EC Ex)