방전에 의한 점화

정전기 관련 화재·폭발 원인변수에는 여러 가지가 존재하고 그중 방전에 의한 점화에 관하여 공유하고자 한다. 방전에 의한 점화는 정전기적 에너지가 방전에너지로 변환되는 과정이다. 

 

 

 

방전에 의한 점화 

정전기 대전 등으로 물체나 공간에 전하가 축적되고 그 전하에 의해 형성된 전계의 강도가 일정 수준 이상이 되면 절연파괴를 일으키면서 파괴음과 발광을 수반되는 정전기 방전 현상이 발생한다. 이는 전계 내부를 운동하는 전자와 기체 원자·분자와의 충돌에 의해 발생하는 것으로, 전자의 운동 에너지는 전계의 강도에 의존하기 때문에 전계가 커지면 전자는 기체 원자·분자와 여기나 전리 충돌 등을 일으키기에 충분한 에너지를 가지게 된다. 따라서 전리현상으로 전자와 양이온이 생성되고, 생성된 전자가 전계에 의해 가속되어 전리 충돌에 다른 증배작용을 방전현상이라고 한다. 여기서 방전은 상온·상압의 공기 중에서는 약 3 MV/m의 전계에서 발생되는데, 전자의 평균 자유 행정과 전자의 충돌 상대인 원자·분자의 밀도가 변화하는 것에 기인하기 때문에 주로 기압에 의존한다. 이것은 소위 파셴의 법칙(Paschen’s law)으로 잘 알려져 있는데, 다만 평등 전계에서만 적용될 수 있다.

 

 

방전형태와 점화 위험성

다음 <그림 1>은 정전기 방전 형태 및 종류를 나타내는 것이다. 정전기 방전 종류는 스파크 방전, 코로나 방전, 브러쉬 방전 및 연면 방전 등이 있으며, 발생형태는 대전체와 근접도체(방전 전극 등)의 구조, 형상 및 전기적 특성 등에 의존한다. 여기서 스파크 방전은 평등전계 하에서 암류(暗流)가 자속방전 형태의 글로우 또는 아크 방전으로 이행되는 과도현상으로 발생조건은 타운젠드 (Townsend)에 의해 유도된 암류의 전류밀도가 무한대가 되는 스파크 조건으로 이론적 설명이 가능하다.

또한, 코로나 방전은 불평등 전계 하에서 바늘·침과 같이 뾰족한 전극 등에서 발생하는 자속방전이다. 브러쉬 방전은 코로나 방전 경우보다 큰 곡률반경에 발생하는 방전이다. 연면방전은 두께가 얇은 대전물체의 표면 전하밀도가 높아졌을 때 발생하는 방전이다.

<그림 1> 정전기 방전 종류와 형태

 

 

대전물체의 방전에너지는 정전에너지에 의존하는데, 일반적으로는 정전기 방전의 경우 대전이라는 형태로 정전에너지가 축적되어 있기 때문에 방전에너지의 양은 유한하고 방전현상은 일회성 또는 간헐적으로 발생한다. 이때 정전기 방전으로 인한 에너지가 인화성 물질의 최소점화에너지보다 높은 경우에 점화가 발생될 수 있다. 다음 <그림 2>는 다양한 방전형태의 방전에너지와 인화성 기체증기 및 가연성 분진의 최소점화에너지의 대략적 범위를 나타내고 있다.

<그림 2> 정전기 방전 종류와 최소점화에너지

 

방전에 의한 점화는 정전기적 에너지가 방전에너지로 변환되는 과정이다. 이는 전자 충돌로 인해 원자·분자를 여기·해리·전리시키고 원자·분자로 에너지를 전달하여 화학반응 형태인 연소를 유발하는 에너지(열)로 변환되는 현상이다. 여기서 에너지 전달시간 또는 화학반응 속도 때문에 방전과 동시에 점화되지는 않기 때문에 점화까지는 일정한 지연시간이 발생한다. 그리고 에너지의 부여방법(방전시간)이나 크기(전류, 전압)에 따라서 방전의 종류에 따른 점화성이 다르게 되는 것이다. 스파크 방전의 최소점화에너지 측정은 방전시간이 짧고 손실이 작기 때문에 용량성 스파크 방전 방식이 사용된다

한편 용량성 스파크 방전은 조건에 따라서 인화성 기체·증기 및 가연성 분진의 점화원으로 작용할 수 있다. 일반적으로 연면방전도 방전에너지가 높기 때문에 인화성 증기·액체 및 가연성 분진의 점화원으로 작용할 수 있으며, 또한 브러쉬 방전도 점화원으로 작용할 수 있다. 다만, 코로나 방전은 에너지 밀도 낮아서 점화원으로 작용할 가능성은 거의 없다.

 

 

불꽃방전

평등전계에서 전극사이에 전압을 인가하는 경우 암류(Dark current)가 전계에 흐른다. 여기서 암류(Dark current)는 방전 시 발생하는 발광이 보이지 않는 전류를 말한다.

이러한 현상은 우주선 내부의 통상적인 방사선 전리현상의 일종으로, 발생된 전자와 양이온의 하전입자가 전계 내부에서 운동하기 때문에 발생한다. 또한 지상의 대기 중에서도 방사선에 의해 1㎥ 당 매초 4~10회 정도의 비율로 전리현상이 발생하고 있다.

이 암류로 인한 방전이 글로우 방전이나 아크 방전으로 이행될 때의 과도적 현상을 불꽃 방전(spark discharge)이라 한다.

불꽃 방전은 평등 전계를 형성하는 평판 상호간 또는 방전 간격(Gap)보다도 큰 곡률 반경의 도체 사이에서 발생하며, 방전 간격(Gap)은 방전로에 의해 교락(橋絡)된다. 대전된 도체와 접지 도체 사이에서 발생되는 불꽃 방전은 대전물체의 축적 정전기 에너지가 거의 모두 방전 에너지로서 방출되기 때문에 방전 에너지는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

 

 

산업현장 등에서 발생하는 정전기 관련 불꽃방전은 대부분이 용량성 성분으로 커패시터 성분의 대전도체와 접지도체 사이에서 발생하는 스파크 방전이 발생하는 경우가 많다.

예를 들어 절연된 금속 용기, 삽, 호퍼, 배관 또는 절연성 재질의 신발을 착용한 작업자 등으로부터 불꽃 방전이 발생한다. 다음 <표 1>은 산업현장에서 발생할 수 있는 대전물체의 정전용량과 방전 에너지를 나타내는 것으로 일부 대전물체는 방전에너지가 가연성 기체·증기뿐만 아니라 분진의 최소점화에너지를 초과한다. 또한 대부분의 정전기 방전 관련 분진 폭발은 용량성에 기인하는 불꽃방전이다.

 

<표 1> 대전물체의 정전용량과 방전에너지

 

이러한 불꽃 방전을 방지하기 위해서는 금속제의 설비·도구나 인체의 대지 전압을 100 V 이하로 관리할 필요가 있다. 여기서 100 V라는 값은 대기 중에서의 최소 스파크 전압(파셴 곡선의 최소치에 상당한다)인 약 300 V에서 안전율을 적용한 값이다. 추가적으로 대지 접촉저항(절연 저항)을 사람의 경우는 10^8 Ω 이하, 사람 이외의 도체의 경우는 10^6 Ω 이하로 유지할 필요가 있다.

 

 

코로나 방전 및 브러쉬 방전

코로나 방전(Corona discharge)은 세침(細針) 및 세선 전극이나 곡률 반경이 매우 작은 전극 부근에서 형성된 불평등 전계가 국부적으로 절연파괴 전계강도를 초과할 때 발생된다. 일반적으로 코로나 방전은 곡률 반경이 5 mm 이하에서 발생하는데, 전극의 극성에 크게 의존한다. 또한 코로나 방전은 전압의 크기에 따라서 형태가 변화되어 최종적으로 전압이 상승하면 스파크(불꽃) 방전으로 이행된다. 극성 또는 전압으로 인한 형태의 변화는 전자·이온에 의해 형성된 공간 전하의 차이에 기인한다. 이때 방전 개시전압은 전극의 곡률에 의존하고, 곡률이 작을수록 전극 근방의 전계는 커지기 때문에, 방전 개시전압은 작아진다. 예를 들어, 곡률 반경이 1mm에서는 방전 개시전압은 6 kV 정도이지만, 0.1mm에서는 2 kV 정도가 된다. 따라서 대전 전위가 수 kV라도 코로나 방전은 발생할 수 있다.

산업 현장에서는 대전물체에 곡률 반경이 매우 작은 부분이 있는 금속 물체나 사람의 손끝이 가까워지는 경우, 반대로 금속 용기의 가장자리 부분에 대전물체가 가까워지는 경우 코로나 방전이 발생한다. 따라서 코로나 방전을 방지하기 위해서는 날카로운 모서리나 돌기 부분을 제거하는 것이 효과적이다.

코로나 방전 에너지의 값은 작기 때문에 수소와 같이 최소점화에너지가 매우 작은 기체·증기를 제외하고는 대부분의 인화성 물질을 점화시키기 어렵기 때문에, 제전기, 코로나 하전입자기, 전기 집진장치 등 분야에서 활용한다.

 

 

대전전위가 수십 kV 이상의 경우 또는 전극의 곡률 반경이 5∼50 mm인 경우 코로나 방전에서 진전되어 브러시 방전(Brush discharge)이 발생한다. 브러시 방전은 스트리머(Streamer) 코로나 방전이라고도 하는데 표면 전하 밀도가 3 μC/m² 이상이고 전계가 5 kV/cm 이상일 때 발생할 수 있다. 또한 브러시 방전의 방전특성도 코로나 방전과 같은 형태로 전극의 극성에 의존한다. 곡률 반경이 작은 접지 도체가 음으로 대전된 물체에 가까워지는 경우 등과 같은 정극성 방전이 부극성 방전보다 점화 위험성이 높다. 따라서 브러쉬 방전 (Brush discharge) 에너지 최대값은 3∼5 mJ 정도라고 하면 가연성 기체·증기 또는 최소점화에너지가 수 mJ 이하의 분진의 점화원이 될 수 있다.

산업현장에서의 코로나 방전이나 브러시 방전 발생 사례는, ① 분진·액체를 이송하는 절연성 파이프와 벨트 컨베이어, ② 플라스틱 백(Bag)에서 배출되는 분진이나 플라스틱 백(Bag), ③ 탱크에 충전된 액체·분진, ④ 분진을 충전·배출 하는 플렉시블 컨테이너, ⑤ 분진을 집진하는 백 필터나 분진 자체 등 주로 절연물의 대전으로 금속제의 도구, 설비의 가장자리·돌기부분 또는 사람의 손가락 끝에 가까워짐으로써 방전이 발생하고 있다.

 

 

연면 방전

절연물체의 표면에서는 공기의 절연파괴가 발생하기 때문에 전하밀도를 최대 27μC/m²로 제한한다. 그러나 절연물체의 두께가 얇으면서 배면에 도체가 밀착되는 경우 절연물체의 표면전하와 다른 극성의 전하가 배면에 유도되어, 이른바 전기 이중층이 형성된다. 따라서 절연물체 표면의 전계강도가 약해지면서 기술한 최대치 이하의 표면 전하밀도를 유지할 수 있다. 이러한 조건에서 절연물체의 두께가 8 mm 이하이고 동시에 표면 전하밀도가 250 μC/m² 이상이 되면 절연물체 표면을 따라서 강한 발광을 수반하는 연면방전(Propagating Brush Discharge)이 발생한다.

연면방전은 다음 <그림 3>과 같이 대전된 절연물체의 표면에 접지 도체를 접근시켰을 때의 방전 또는 얇은 절연물체의 절연파괴(핀홀)의 발생 등 국부적인 방전이 계기가 되어 개시한다. 즉, 국부 방전으로 발생한 공간전하에 의해 표면을 따라서 직경 방향으로 전계가 발생되고, 방전이 개시된 점을 중심으로 한 직경 방향으로 많은 방전경로가 형성되어 연면방전이 관측된다.

 

<그림 3> 연면방전 발생 과정

 

그러나 배면의 접지도체가 연면방전 발생조건은 아니며, 예를 들어 절연성이 높은 내면을 갖는 탱크, 배관, 플렉시블 컨테이너와 같이 마찰 등에 의해 내면에 다량의 정전기가 발생하는 경우는 배면도체가 없어도 내면의 표면전하 밀도가 높아져 연면방전이 발생하는 조건이 성립된다. 연면방전의 방전 에너지는 최대 약 1 J 정도에 달하므로 가연성 기체·증기뿐만 아니라 분체를 점화시킬 수 있다.

 

 

산업현장의 연면방전은 절연물체의 내부가 코팅된 파이프, 유리 파이프 등에서 분체·액체가 고속으로 이송되는 경우, 분체 이송 등으로 분체가 연속적으로 절연판에 충돌하는 경우 그리고 내부가 절연성으로 코팅된 사일로나 절연성의 플렉시블 컨테이너 등에서 분체가 충전되는 경우 등에서 발생한다.

이러한 연면방전을 방지하기 위해 절연물체의 전기저항을 감소시키는 등의 방법으로 연면방전의 발생한계 두께 8 mm 이하의 절연물체의 표면전하 밀도를 250 μC/m² 이하로 유지하는 것이다. 다음 <그림 4>는 절연물체의 두께와 절연물체 간의 전위차 관계에 따라서 연면방전의 발생한계를 나타내는 것으로 절연물체의 두께가 10 ㎛일 때 연면방전이 발생하는 전위차는 4 kV로 최소가 된다. 따라서 절연물체 간의 전위차 가 4 kV 이상이 되면 연면방전의 발생 조건이 성립될 수 있다.

<그림 4> 연면방전 발생 한계

 

 

기타 방전

1. 콘 방전

Maurer 및 Glor는 사일로 등과 같이 부피가 큰 용기에 분체를 투입 또는 반입할 때에 원추(Cone)상의 퇴적 분체 표면에서 스파크를 수반되는 브러시 방전의 발생을 실험적으로 관측하였다. 따라서 이러한 방전을 콘(Cone) 방전 또는 Maurer 방전이라고 한다.

콘(Cone) 방전은 분체의 입경이 1∼10 mm 정도이고, 동시에 분체의 전하량이 3 μC/kg 이하로 연속적으로 분말이 반입될 때 발생할 수 있다. 이때 콘 방전의 방전 에너지는 최대 수십 mJ 정도이며, 이것보다 최소 점화 에너지가 작은 분체의 점화원이 될 가능성이 있다. 따라서 콘 방전이 점화원으로 작용할 수 있는 분진폭발 발생조건은 입경이 1∼10 mm의 분체로 입경이 100 μm 정도 이하의 분체가 혼재하는 것이다.

 

2. 뇌상 방전

사일로 등에 분체를 투입·반입하는 경우 대전된 미세 분체가 기상 공간을 부유하여 공간 전하운을 형성할 수 있다. 이때 공간 전하운의 규모가 크고, 분진 농도가 높으면서 공간 전하밀도까지 높은 경우 벽면의 전계강도가 높아짐에 따라서 발생하는 방전으로, 공간 전하운 내부에서는 번개와 같은 뇌상방전 (Lightning-Like Discharge)이 발생한다.

뇌상방전이 발생하면 방전 에너지가 크고 가연성 분체의 점화원이 될 수 있다. 그러나 공간 전하운으로 인한 뇌상방전은 용량 60 ㎥ 이하 또는 직경 3 m 이하의 탱크 등에서는 아직 실험적으로는 관측되지 않았다. 다만, 재해 사례 분석을 통해 분체 투입 시 뇌상방전이 점화원으로 추정되는 분진폭발이 발생하고 있음을 확인하였다. 따라서 안전관리를 위해 스트리머(Streamer) 방전의 발생 조건을 고려하여 벽면의 전계 강도를 3 kV/cm 이하, 또는 공간 전하운의 직경을 1.5 m 이하로 유지하는 것이 필요하다.

 

Reference : KOSHA 연구보고서 정전기 화재·폭발 원인분석을 통한 안전관리 방안 마련