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가연성물질의 화재,폭발

정전기 방지 Total Solution

정전기 현상

ESD에 의한 피해 메카니즘

ESD 대책 프로그램

정전기 발생에는 물체에 축척이 되어 있는 상태에서는 위험성이 없으나 대전체가 방전하여 불꽃이 발생하였을때 가연물질에 착화하여 화재,폭발이 발생한다. 대전체가 방전할 때는 그 불꽃에너지 E (Joule) 는 다음식으로 나타낸다.

E = 1/2 QV = 1/2 CV² = Q² / 2C

V: 접촉 전위차 Q: 두 물체간의 대전한 전기량 (Coulomb)
C: 두 물체의 접촉표면간의 전기용량 (Farad)

최소 발생 Energy 를 W0 라 하면 E > W0 인 경우 인화 폭발할 가능성이 많이 있다. 이 최소 발화에너지는 가연성 Gas 또는 증기의 경우 표 2-1 와 같이 가스의 종류에 따라 그 공기와의 혼합화에 의하여 다르거나 혼합기(混合氣)를 형성하는 산소량이 증가하면 급속히 감소한다. 상온 상압보다 고온 고압이 최소 발화 Energy 가 적다. 가연성 분진의 경우 분진농도, 입자경 (粒子徑) 수분, 유량, 산소량 등이 보다 현저한 영향을 주며 분자 입자경이 적든가 분농도가 크든가 산소량이 많든가, 수소함유량이 적을 때 최소 발화에네르기는 적어진다. [표 2-2 참조] 이와같이 축적 Energy 는 방전현상으로 대전물체 근방의 전계강도가 일반적으로 30 KV/cm 이상의 파괴전계(破壞電界) 가 되면 발생한다. 이것은 대전물체에 축적되어 있던 정전기의 방출현상으로 파괴음이 발생하며 어두운 곳에서 발광을 동반한다. 이때 불꽃방전이나 번개현상의 방전이 발생하여 가연물에 착화원이된 가연성 Gas , 증기, 분진 의 폭발 및 화재사고가 발생한다.

예를들면 최소 착화(발화)에너지을 알면 가연성 가스 또는 증기의 폭발 하한계 (explosion-safe : Vex)를 알 수 있다. 만약 벤젠의 Wmin=0.2mJ , 적용 시스템의 C(capacitance) = 300 pF 이면 위식에서

가 된다.즉 벤젠의 혼합기 농도 4.7 Vol% 에서의 폭발 하한계는 1,000~1,200 V 임을 알 수 있으며 이것이 safe- voltage level을 정하는 기준이 된다.(관련근거 Eplosions and static electricity-EOS/ESD S.P1995)

가연성 가스 또는 증기	최소 발화 에네르기 [10^-3 Joule]	혼합기 농도 [Vol %]
이산화탄소	0.009	28~30
수 소	0.019	28~30
아세치렌	0.019
이황화수소	0.064
에치렌	0.096
벤 젠	0.20	4.7
시크로헥산	0.22	3.8
부 탄	0.25	4.7
프로판	0.26	5~5.5
메 탄	0.28	8.5
암모니아	0.77
아세톤	1.15

표(1) 가연성 가스 및 증기의 최소 발화에네르기

분진 종류	발화점[℃]	최소 발화 에네르기 [10^-3 Joule]	폭발하한계 [g/m³]
폴리에치렌	410	10	20
나이론	500	20	30
알미늄	645	20	35
석 탄	610	30	35
고무(천연)	350	50	25

표(2) 각종 분진 최소 착화에네르기

다시 말해서 정전기에 의한 재해가 발생되는 것을 보면

① 전하의 발생 → ② 전하의 축적 → ③ 방전 → ④ 발화 (재해) 의 과정을 거쳐 재해가 발생

되므로 불꽃방전이 발생하는 관계는 전극의 형상에 의해서 결정되는 전계분포 및 Gas 의 압력과 전극간격 간의 누적으로 결정된다. 대기압하의 공기 중에서 전계가 평등일 때 금속 전극간의 전압이 350V 이상에서 불꽃방전이 일어난다. 금속 전극간에 발생하는 방전이 가연성 분위기에 있는 Gas 를 발화시키는데 필요한 Energy 는 가연물 종류와 농도에 따라 다르며 완전연소 농도 부근점보다도 높게 되면 발화 Energy 는 급격하게 발생한다. 정전기 재해는 이와같이 복잡한 Process 를 거쳐 발생하므로 Process 의 한과정의 연쇄성을 제거 하므로서 재해발생 원인을 막을 수 있다.