정전기 재해예방에 관한 기술지침(E-89-2017)

ㅇ 관련규격

    - NFPA 30 : Flammable and combustible liquids code

    - NFPA 77 : Recommended practice on static electricity 2014 Edition

    - British standards institution, BS 5958: Code of practice for control of undesirable static electricity, part 2

    - 日本靜電氣學會(編), Handbook of electrostatics​

ㅇ 관련법령․ 고시 등

   - 산업안전보건기준에 관한 규칙 제325조(정전기로 인한 화재 폭발 등 방지)

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정전기 재해예방에 관한 기술지침(E-89-2017)

 

 

- 목 차 -

제 1 장 일반사항

제 2 장 정전기의 위험성 평가 및 위험 관리

제 3 장 인화성 액체의 충전, 저장 및 이송

제 4 장 인화성 액체의 취급

제 5 장 분말과 분진의 취급

제 6 장 기타 공정에서의 정전기 재해예방 대책

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제 1 장 일반사항

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1. 목적

이 지침은 산업안전보건기준에 관한 규칙(이하 “안전보건규칙”이라 한다) 제325조(정전기로 인한 화재 폭발 등 방지)의 규정에 따라, 정전기에 의한 화재·폭발의 위험이 있는 사업장에서 정전기 위험 제어를 통한 정전기 재해예방을 위하여 필요한 사항을 정함을 목적으로 한다.

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2. 적용범위

(1) 이 지침은 정전기로 인해 인화성 액체의 증기, 인화성 가스 또는 가연성 분진에 의한 화재·폭발 방지 를 위한 정전기의 위험성을 인식하고 관리를 통한 대책을 세울 때 적용한다.

(2) 이 지침은 다음의 경우에는 적용하지 않는다.

(가) 정전기로 인한 감전 위험

(나) 병원 수술실이나 인화성 마취제를 취급하는 곳

(다) 표류 전류(Stray current) 또는 무선전파로부터 유도된 전류

(라) 수상 선박 또는 비행기의 연료공급 설비

(마) 청정실(Clean room)

(바) 전자부품과 관련된 정전기

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3. 용어의 정의

(1) 이 지침에서 사용하는 용어의 정의는 다음과 같다.

(가) “인화성 액체(Flammable liquid)”라 함은 대기압에서 인화점이 60 ℃ 이하이거나 고온 고압의 운전조건으로 인하여 화재·폭발위험이 있는 상태에서 취급되는 인화성 액체를 말한다.

주) 이 지침에서는 인화성 액체 중 인화점이 37.8 ℃ (100 ℉) 미만이고 증기압이 37.8 ℃ (100 ℉)에서 2,068 ㎜Hg(40 psi)를 넘지 않는 액체를 Class I 액체라 하며, 이것은 다시 다음과 같이 분류한다.

① Class IA : 인화점 22.8 ℃(73 ℉) 미만, 비점 37.8 ℃ (100 ℉) 미만인 액체

② Class IB : 인화점 22.8 ℃(73 ℉) 미만, 비점 37.8 ℃ (100 ℉) 이상인 액체

③ Class IC : 인화점 22.8 ℃ (73 ℉) 이상, 비점 37.8 ℃(100 ℉) 미만인 액체

(나) “인화성 가스(Flammable gas)”라 함은 폭발한계농도의 하한이 13 % 이하 또는 상·하한의 차가 12 % 이상인 것으로서 표준기압, 20 ℃ 에서 가스 상태인 물질을 말한다.

(다) “가연성 분진”이라 함은 직경이 500 ㎛ 이하인 미세한 분진을 말한다. 이 분진이 공기 또는 다른 가스 산화제와 혼합되어 점화되면 화재․ 폭발이 발생할 수 있다.

(라) “인화성 혼합물”이라 함은 정(靜)전하 방전에 의해 점화될 수 있는 가스-공기, 증기-공기 및 분진-공기 혼합물 또는 그 혼합물의 조합을 말한다.

(마) “인화점(Flash point)”이라 함은 액체 표면에서 인화성 혼합물을 형성할 정도의 충분한 증기를 발생시키는 최소온도를 말한다.

(바) “도전성(Conductive)”이라 함은 전하의 흐름을 허용하는 능력을 말하며, 이 지침에서는 도전율 10^4 pS/m 이상(또는 저항률 10^8 Ωm 이하)을 의미한다.

(사) “반도전성(Semi-conductive)”이라 함은 도전율이 10^2에서 10^4 pS/m 사이(또는 저항률이 10^8에서 10^10 Ωm 사이)인 것을 말한다.

(아) “비도전성(Anti-conductive)”이라 함은 도전율이 10^2 pS/m 미만(또는 저항률이 10^10 Ωm 초과)인 것을 말한다.

(자) “본딩(Bonding)”이라 함은 둘 또는 그 이상의 도전성 물질이 같은 전위를 갖도록 도체로 접속하는 것을 말한다.

(차) “불활성 가스(Inert gas)”라 함은 비인화성 또는 비반응성 가스를 말하며, 시스템 내의 인화성 물질이 연소되지 않도록 주입하는 가스를 말한다.

(카) “정전기 방전(Electrostatic discharge)”이라 함은 인화성 혼합물을 점화시킬 수 있는 불꽃방전, 코로나방전, 브러시방전 등의 형태로 정전기가 방출되는 것을 말한다.

(타) “정전기”라 함은 전계의 영향은 크나 자계의 영향이 상대적으로 미미한 전기 전하를 말한다.

(파) “정전용량”이라 함은 측정되는 전하의 양으로, 전위차를 1 V 만큼 올리기 위해 특정 물체에 축적된 전하의 양을 말한다. 이 정전용량은 C/V 또는 단위 F(Farad)로 나타낸다.

(타) “스플래쉬”라 함은 탱크 내부에 액체 주입시 정전기를 발생시키는 액체가 튀어 오르는 것을 말한다.

(2) 그 밖에 이 지침에서 사용하는 용어의 정의는 이 지침에서 특별히 규정하는 경우를 제외하고는 산업안전보건법, 같은 법 시행령, 같은 법 시행 규칙 및 안전보건규칙에서 정하는 바에 따른다.

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4. 정전기 현상

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4.1 전하의 생성

(1) 정전기 현상은 대기가 아주 건조할 때 주로 발생하며, 대부분의 경우 단순한 불쾌감을 주지만 산업현장에서 인화성 물질을 취급하는 곳에서는 화재나 폭발을 일으킬 수 있다.

(2) 금속과 같은 도체에서의 전자는 자유롭게 이동하나, 절연물질에서의 전자는 원자의 핵에 강하게 구속되어 있어 이동이 곤란하다.

(3) 반도전성 물질 내에서의 전자 이동은 절연체에서보다 자유롭지만, 도체에서보다는 자유롭지 못하다. 이러한 반도전성 물질은 일반적으로 큰 전기저항 값을 갖고 있다.

(4) 도전성 유체에서 발생된 전자가 자유롭게 이동하는 경우, 전자를 잃은 유체는 양이온을 축적하게 된다.

(5) 물질의 접촉면에서 발생하는 전하는 <그림 4.1>과 같이 고체 표면과 접촉하는 액체, 고체와 고체가 접촉하는 경우 전하가 많이 발생하며, 불순물이 없는 가스가 고체 표면을 타고 흐를 때에는 전하가 거의 발생하지 않는다.

<그림 4.1> 일반적인 정전기 전하 발생의 예

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(6) 서로 다른 물질끼리 마찰하는 경우 정전기가 보다 쉽게 발생한다. 분무로 인한 액체의 분리도 유사한 전하분리를 일으킨다.

(7) 도체가 대전된 절연체 근처로 가면 절연체 표면의 전하극성에 따라 <그림 4.2>에서와 같이 표면에 가까운 쪽 또는 먼 쪽으로 전자가 이동한다.  이 이동된 전체 전하를 유도전하라 한다.

(8) <그림 4.2>에서 도체의 유도 전하는 대전된 절연체와 가장 가까운 지점에서 전계강도가 높아지므로 코로나 국부방전이 발생한다.

(9) 절연화를 착용한 사람이 대전된 물체와 접촉하여 전격을 받았을 때 전하가 이동되고, 그 사람이 그 지역을 벗어난 후 대지에 연결된 다른 금속 물체와 접촉될 때 두 번째 전격을 받을 수 있으며, 이때 전하는 대지로 흐르게 된다.

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4.2 사람의 유도대전

4.2.1 사람이 걷다 보면 전하가 있는 장소에서의 접근 또는 이격 시 인체의 정전하의 재분배 현상이 발생된다. 여기서, 사람이란 신체, 의복, 도구, 손전등, 펜 및 휴대하는 다른 물체와 함께 이들이 전기적으로 연결된 경우도 포함한다. 사람으로부터 주변 환경으로의(예를 들어, 대전물체, 바닥, 공기, 주변의 기타 다른 물체와 같이 전하 재배열의 경로가 되는 모든 것) 전하가 이동되는 경우가 아니라면, 사람이 걷는 동안 사람의 총 전하는 변하지 않는다.

4.2.2 사람의 유도대전은 다음과 같이 여러 가지 형태로 발생할 수 있다.

(1) 사람이 대전된 물체와 접촉 시 전하는 물체와 사람 간에 흐르며, 사람의 도전성에 의하여 전하가 물체로부터 더 멀리 분산될 수 있다.

(가) 물체가 도전체인 경우, 물체 전체의 전하량 중 사람으로 이동된 만큼 감소하게 되어 양쪽 모두 동일한 전압(전위)이 된다.

(나) 물체가 절연체인 경우, 국부 방전이 발생되어 전하는 사람에게 분산된다. 이동하는 직물망의 경우 사람으로 국부 방전이 지속되어 도전체로 부터 유사한 전하 생성이 발생되는 사례이다. 결국 사람의 전위는 직물망의 평균 전압(전위)과 같게 된다.

(2) 전기적인 방전은 사람과 대전 물체 사이에서 발생한다. 이는 직접 접촉 시 발생하는 상황과 비슷하며, 실제로 사람이 대전 물체에 근접 또는 접촉하게 되면 방전이 발생할 것이다. 전기적인 방전은 일반적으로 사람 또는 물체의 뾰족하거나 날카로운 부분 근처, 모서리 또는 가장자리 부근 등과 같이 전하가 집중된 부분에서 스파크 또는 코로나 방전이 발생한다.

(3) 전류가 신발을 통하여 바닥으로 통전되는 경우 신발을 통한 도전이 발생하면 전하는 사람을 벗어나 분산되며 같은 양의 전하가 대전 물체와 근접한 사람에게 도전된다. 신발이나 바닥 재질이 비도전성인 경우 전하가 성장하는데 시간이 걸리고, 사람이 그 구역을 벗어나면 전하는 소멸한다.

(4) 사람이 전하 재배열의 경로 또는 구역에서 다른 사람, 구조용 강재 및 공구 상자 등과 접촉하는 경우, 사람의 접촉 행위가 전하 재배열의 범위를 넓히게 된다. 그리고 전하 재배열 경로가 없어지면 사람에게 전하는 남게 된다. 신발과 바닥의 재질이 비도전성인 경우, 사람이 대전 물체와의 접촉에서 벗어나게 되면 전하는 사람에게 남는다.

(5) 사람과 주변 환경의 물체 특히, 접지된 물체간의 전기적인 방전은 머리, 반지, 손톱, 도전성 재질 의류 등에서 발생할 수 있다. 코로나 방전의 경우 근처에 접지된 표면이 아니더라도 공기중에서 발생할 수 있다.

4.2.3 전하 재배열은 실제적으로 복잡하고 역학적이며 사람에 축적된 전하는 시간에 따라 변한다. 산업현장의 정전기 발생 위험 공정에서는 도구를 사용하거나 작업을 수행할 때 주의를 기울여야 한다. 용제 성분의 재료를 포함하는 그라비어 인쇄, 코팅 및 마무리 작업은 유도 대전으로 인하여 특히 위험을 야기할 수 있다. 정전기가 효과적으로 제거되지 않으면 공정배관에 손가락이 접촉되거나 도전성 재질의 공구를 사용하게 되면 위험해질 수 있다. 근로자와 대전 물체의 근접으로 인한 스파크 방전 발생 가능성은 높아진다.

4.2.4 압축공기를 사용하여 대용량의 고형물을 비도전성 재질의 호스를 통하여 이송 시 특별한 문제를 야기할 수 있는데, 호스에서의 충전 및 방전이 작업구역에서 복합적인 전하 및 전류가 유도될 수 있다. 유도된 전하 및 전류는 작업자 및 전자장비에 위험한 영향을 미칠 수 있다.

4.2.5 종종 간과되는 구역 중 하나는 위험하지 않은 장소로 여겨지는 작업 장소로서 유도된 전하가 위험지역으로 이동된다는 것이다. 위험지역에서 적정한 신발 착용과 바닥상태 유지가 권고된다.

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4.3 전하의 축적과 소멸

(1) 정전기는 전하의 생성이 소멸보다 빠르게 이루어질 때 축적되며, 생성된 전하는 중성상태로 돌아가려고 하는 경향이 있다. 정전용량은 일정한 전압에서 저장 또는 분리되는 전하의 양으로서 설비의 모양, 크기, 물체의 위치 등에 따라 변화하며 식(4.1)과 같다.

(2) 전하분리로 인한 화재나 폭발위험은 없으나, 분리된 전하의 방전이나 급격한 재결합은 점화의 위험이 있다. 정전기 방전의 가장 좋은 방지대책 중의 하나는 도전성 또는 반도전성 경로를 구성하여 전하를 소멸시키는 것이다.

(3) 전하는 도체 사이의 공간이나 절연 물질 등의 저항 요소에 의해 분리된다.

(4) 전하가 도전성 경로를 통해 재결합할 때의 과정은 일정 속도로 진행되며, 이는 이완시간을 나타내는 시정수 τ에 의해 설명된다. 이에 관한 자료를 <별표 2> 에 나타내었다.

(가) 이완과정은 식(4.2)와 같다.

(나) 전하의 재결합 속도를 나타내는 시정수 τ는 물질의 정전용량과 전기저항에 비례하며 식(4.3)과 같다.

(다) 체적이 큰 물질의 경우 이완시간을 나타내는 시정수 τ는 물질의 체적 고유 저항과 전기 유전율에 따라 변하며 식(4.4)와 같다.

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(5) 대전방지제를 첨가하여 절연물질의 저항을 낮추거나, 격리된 도체의 접지 또는 공기를 이온화시켜 정전기를 소멸시킬 수 있다. 공기의 이온화(Ionization)는 대전된 물체 주위의 공기에 이동 가능한 전하를 공급하는 것으로, 이 이온들은 전기적으로 중성이 될 때까지 대전된 물체에 이끌리어 상호 결합함으로써 전하를 중화시킨다.

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4.4 정전기의 방전과 점화 메카니즘

축적된 전하는 방전하여 중성상태로 가려는 전기적 힘이 작용한다. 이때 여러 가지 형태의 방전이 일어날 수 있으며, 다음의 4가지 조건이 만족되면 점화원으로 작용할 수 있다.

(1) 전하가 생성되는 과정이 존재한다.

(2) 생성된 전하를 축적시킴으로써 전위차가 발생하는 과정이 있다.

(3) 에너지의 방전이 발생한다.

(4) 인화성 혼합물이 존재한다.

4.4.1 코로나 방전

(1) 코로나 방전은 날카로운 침이나 선모양의 물체에 축적된 전하가 <그림 4.4>에서와 같이 수 ㎂ 정도인 바늘 모양의 방전을 일으키는 현상이다.

이 방전은 고전압의 도체 또는 대전된 표면 근처의 접지된 도체에서 발생하며, 희미한 발광을 수반한다.

(2) 코로나 방전의 에너지는 매우 낮으나 방전이 보다 강렬할 경우, <그림 4.5>처럼 선행방전 스트리머가 포함된 브러시 방전이 발생한다. 이 방전은 불규칙한 실 모양의 빛과 함께 튀는 소리가 난다. 직경 1 ㎜ 이하의 바늘모양에서 발생된 방전은 일반적으로 점화로 이어지지는 않으나 칼날모양에서의 방전은 최소점화에너지가 낮은 수소-공기 혼합물을 점화시킬 수 있다. 직경이 5 ㎜ 이상이거나 손가락과 같은 반구 모양의 막대에서 발생한 브러시 방전은 가스-공기 또는 증기-공기 혼합물을 점화시킬 수 있다.

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4.4.2 도체 사이의 불꽃방전

(1) 불꽃방전은 두개의 대전된 도전성 물체 사이에서 발생하는 강렬한 용량성 방전이다. 불꽃 방전의 에너지는 화재나 폭발의 점화원이 될 수 있다.

(2) 불꽃방전의 에너지는 도전성 물체의 정전용량과 전위 또는 방출되는 전하의 양으로부터 결정되며 식(4.5), 식(4.6)과 같다. 이 관계는 <그림 4.6>과 같이 그래프로 나타낼 수 있다.

(3) 점화가 이루어지려면 방전에 의한 에너지가 인화성 혼합물의 최소점화에너지(Minimum ignition energy)보다 커야 한다.

(4) 가스 또는 탄화수소 증기가 공기와 최적으로 혼합되었을 경우, 대부분의 점화에 는 약 0.25 mJ의 에너지를 필요로 한다.

(5) 미스트, 분진 또는 섬유분진은 가스나 증기보다 수배에서 수십 배의 최소점화에 너지를 필요로 한다. 일반적으로 분진의 최소점화에너지는 입자 크기가 감소함에 따라 급속히 감소한다.

(6) 가스, 증기 및 분진의 최소점화에너지는 산소농도에 반비례하므로 산소 농도가 감소하면 최소점화에너지는 증가한다.

(7) 인화성 물질이 둘 이상의 다른 상으로 혼합된 이종 혼합물의 경우 최소점화에너지가 크게 낮아진다. 혼합물질 각각의 최소점화에너지 및 폭발하한치 이하에서도 점화될 수 있으며, 이러한 이종 혼합물은 다음과 같이 형성된다. 이 경우 이종 혼합물 중 가장 점화가 잘되는 성분의 물질에서 점화될 수 있다.

(가) 레진 제품처럼 미립자에서 증기가 발생하는 경우

(나) 미립자가 대기 습분과 반응하여 인화성 가스를 생성하는 경우

(다) 인화성 액체에 분진을 첨가하는 경우

도표를 활용하여 하나의 값으로 동시에 상관관계 규명

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4.4.3 하이브리드 혼합물

먼지와 증기 같이 성상이 다른 두 가지 이상의 가연성 물질이 동일한 혼합물 내에 존재할 경우 이 혼합물을 ‘하이브리드’라고 한다. 실험 결과에 의하면 인화성 가스를 부유 상태의 먼지와 혼합하면 먼지의 점화에너지를 크게 낮출 수 있다. 이 현상은 가스의 농도가 연소한계(LFL)보다 낮거나 먼지가 폭발하한농도(MEC) 미만인 경우 특히 그러하다. 이러한 하이브리드 혼합물은 두 가지 구성 요소의 하한값 미만인 경우에도 점화되는 경우도 있으며, 하이브리드 혼합물은 다음의 경우에 형성될 수 있다.

(1) 수지 제품 저장용기와 같이 미립자로부터의 증기 탈습

(2) 인화성가스를 발생시키는 미립자와 대기 중 수분의 반응

(3) 인화성 액체 먼지나 분말을 추가하는 등 인화성 증기 분위기에서 먼지의 유입

4.4.5 인체 방전

(1) 인체는 도전성이기 때문에 사람의 정전기 방전에 의해 많은 사고가 발생한다.

(2) 사람이 대지로부터 절연되어 있을 경우, 일상생활에서 상당히 많은 전하가 축적될 수 있다. 일상생활에서 인체는 10～15 ㎸까지 대전될 수 있으며, 이때 불꽃방전 에너지는 20～30 mJ까지 된다.

4.4.6 도체와 절연체 사이의 방전

(1) 도체와 절연체 사이에서는 불꽃이 자주 발생한다. 절연체에 축적된 전하는 도전성 표면의 모양에 따라 표면방전 또는 불꽃방전을 일으킨다.

절연체 표면에는 크기와 극성이 서로 다른 전하가 불규칙하게 분포하므로, 이로 인해 표면의 일부분에서만 방전이 발생하기 때문이다.

(2) 도체와 절연체 사이에서 축적된 정전기는 일반적으로는 위험하지 않다. 그러나 빈 플라스틱 통의 적재 행위, 롤 또는 드럼에 필름감기, 용기에 비도전성의 액체 또는 분말 채우기 작업에서처럼 각각의 전하가 정전기로 계속 축적되면 위험할 수 도 있다.

4.4.7 도체에 부착된 절연체 표면에서의 방전

8 ㎜ 이하의 얇은 절연재료로 코팅된 표면은 전하를 충전할 수 있는 커패시터의 역할을 한다. 이때 코팅 표면이 250 μC/㎡ 이상 충분히 높은 전하상태에서는 <그림 4.7>과 같은 방전이 일어날 수 있는데, 이 방전을 전파 브러시 방전(Propagation brush discharge)이라 한다. 코팅부에 저장된 에너지는 단위 면적당(㎡) 수천 mJ까지 올라갈 수 있으므로, 공간적으로 넓게 분포되어 있더라도 점화시킬 수 있는 에너지는 충분하다.

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** 전체 내용 자료는 첨부자료 참조

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첨부자료 : 정전기 재해예방에 관한 기술지침(E-89-2017)

E-89-2017 정전기 재해예방에 관한 기술지침.pdf

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