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	성 명	:	webmaster	날 짜	:	2004-03-31

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	제 목	:	3. 방전과 점화(2)

	제 목 : 정전기 방전과 점화(2) 2) 帶電物體의 特性과 點火性放電의 推定帶電物體에서 發生하는 放電이 點火性放電인가의 여부는 앞서 서술한 바와 같이 帶電物體만은 고려해서는 결정할 수 없다. 그러나 발생한 放電이 點火性放電인가의 여부는 거의 그 放電 Energy에 의하고 있다. 즉 放電 Energy가 可燃性物質의 點火 Energy 이상이면 點火性放電이고, 放電 Energy가 그보다 작으면 點火性放電이 아니다. 따라서 帶電物體에 착안한 點火性放電의 推定은 帶電物體에서 放射되는 放電 Energy와 可燃性物質의 點火 Energy와의 문제이고, 최종적으로는 帶電物體에서 放射되는 放電 Energy의 量과 그 最大値를 推算하는 것으로 귀결된다. 이제부터 여기서는 帶電物體에 착안한 點火性放電의 發生과 帶電物體에서 放射되는 放電 Energy가 帶電物體의 특성에 의하여 어떻게 변화되는가 하는 것에 대해서 기술하고자 한다. 가) 導電率 또는 固有抵抗과 放電 Energy 放電의 對向電極이 되는 電極形態, 氣相空間의 特性 등에 의하고 있다. 그리고 이들의 조건이 정합되면 帶電物體에서 큰 Energy가 방사되고 點火性放電이 된다. 그러나 放電 Energy는 帶電物體의 導電率에도 의존하고 있고, 導電率이 작은 帶電物體에서는 이것이 큰것과 비교하여 일반적으로는 放電 Energy가 작다 예를 들면 帶電物體가 金屬와 같은 導體이면 이것에 累積되고 있던 Energy가 放電에 의하여 거의 모두 放射되는 수가 있다. 帶電物體가 갖고 있는 Energy가 거의 모두 放射된다. 그러나 導電率이 10^-8 S/m 정도보다 작게 되면 帶電物體 Energy가 모두 放射된다고 할 수 없으며 그 일부만이 放射된다. 導電率이 비교적 작은 帶電物體를 對象으로 하여도 導電率이 크게되면 放電 Energy는 증가하는 경향이 있다. 이렇게 放電 Energy는 帶電物體의 導電率에도 依存하고 있고, 放電特性도 導電率이 작을 때에는 Corona 放電, Streamer Corona 放電이었던 것이, 이것이 크게 되면 불꽃放電이 되거나 한다. 그 결과, 導電率이 크면 단순히 放電 Energy가 큰것만이 아니고 이것이 數 μs라는 극히 짧은 시간에 放射되므로 放電 Energy의 時間密度 (電力)가 크게 되고 點火確率도 커지게 된다. 따라서 點火性放電의 발생을 推定할 경우는 帶電物體의 導電率 (또는 固有抵抗)을 고려하고 導電率이 큰 것에서는 이것이 작은 帶電電位나 帶電電荷量에서도 點火性放電이 발생한다고 推定해야 한다. 나) 크기 및 形狀과 放電 Energy 帶電物體의 導電率이 10^6 S/m 정도보다 큰 導體의 경우는 放電 Energy가 帶電物體의 크기에 의존한다. 이것은 導電率이 이렇게 크면 電荷는 거의 帶電物體의 표면에 帶電하듯이 되고 帶電電位도 장소에 따라서 변화가 없고 帶電物體 전체가 거의 等電位가 된다. 그 결과 이제부터는 放電이 발생하면 金屬에서의 放電과 모두 같지는 않지만 거의 유사하게 帶電物體에 帶電하고 있던 電荷가 一時放射되는 수도 있으며, 帶電量이 크면 이것에 비례하여 放電 Energy도 크게 된다. 따라서 點火性放電이 될 확률도 그만큼 높아지게 된다. 또한 放電 Energy는 帶電物體의 形狀에도 의존하고 있다. 예를 들면 그 形狀의 일부에 針狀 Knife狀, 纖維狀과 같은 曲率半徑이 작은 突起物이 있으면 放電은 그곳에서 발생하지만 그 放電 Energy는 單位時間當 Energy (電力)가 작으므로 點火性放電이 될 확률도 작다. 즉 帶電物體의 形狀에 曲率半徑이 작은 부분이 있으면 이 帶電物體에서는 點火性放電이 일어날 확률이 작게 된다. 한편, 크기 및 形狀의 영향은 帶電物體의 導電率이 10^-8 S/m 정도보다 작은 不導體의 경우도 같은 모양이고, 導體 정도는 아니지만 크기에 따라서 放電 Energy 가 변한다. 특히 帶電物體가 絶綠性液體, 粉體등에서 帶電電荷가 空間電荷를 형성하고 있는 경우는 放電 Energy가 空間電荷의 크기에 따라서 변한다. 이렇게 點火性放電이 발생하지 않는 電荷密度는 帶電物體가 어떤 크기에 있을 때에 最小가 되고, 이 電荷密度에서는 Tank가 이보다 크거나 작더라도 點火하지 않는 것을 보여주고 있다. 이것은 바꿔 말하면 帶電物體의 크기가 電荷密度의 最小가 되는 크기일 때 點火性放電이 가장 일어나기 쉬운 것을 나타내고 있고, 그 特性이 Paschen의 法則에 類似한 曲線인 것도 흥미있는 점이다. 이상과 같이 電荷가 空間電荷를 형성하는 경우는 帶電物體의 크기가 點火性放電의 발생에 영향을 미치는 것이 된다. 이것은 다른 觀點에서 보면 電荷의 帶電狀態, 즉 電荷의 帶電分布를 帶電物體의 형상으로 간주하면, 이에 의하여 點火性放電의 發生限界가 변화하는 것도 있다. 이렇게 帶電物體가 不導體인 경우도 點火性放電의 推定에는 帶電物體의 크기 및 形狀을 고려할 필요가 있다. 그러나 電荷가 空間電荷를 형성하는 帶電이 아니고, 表面에 帶電하는 경우는 帶電物體의 크기 및 形狀이 點火性放電의 발생에 그처럼 영향을 미치지는 않는다. 단지, 이 경우는 形狀 및 크기 이외의 것이 크게 영향을 미치게 되는데, 이에 대해서는 다음에 알아보기로 한다. 다) 背面接地金屬과 放電 Energy 帶電物體가 Film, 종이 등과 같이 電荷가 表面에 帶電하는 帶電物體이고 그 背面에 接地된 金屬板이 있으면 이것에 接地體가 접근할 때 帶電物體와의 사이에는 沿面放電이 발생한다. 따라서 帶電物體에 이러한 背面接地金屬板이 있는 경우는 放電 Energy가 극히 크게 되고, 點火性放電이 발생된다고 推定해야 한다. 예를 들면 Film에 圓形의 背面接地金屬板을 설치하고, 그 중심의 對向部分에 接地金屬球를 접근시키면 瞬間의 放電에 의하여 放電電荷量은 背面接地金屬板이 없을 때의 10^4 ∼ 10^5 倍가 된다. 背面接地金屬板의 面積이 크게 되면 放電電荷量이 증대하고 있다. 즉, 放電 Energy가 背面接地金屬板에 의존하고 그 面積이 크게되면 沿面放電이 발생하고, 이 放電은 點火性放電이 될 確率이 극히 높은 것을 나타내고 있다. 또한 帶電物體에 背面接地金屬板이 있으면 접근하는 接地體에는 거의 無關하게 放電電荷量이 增大한다. 이렇게 帶電物體에 背面接地金屬板이 있으면 이것이 없는 경우와 비교하여 放電 Energy는 극히 크게 된다. 그러나, 帶電電位 등을 측정하면 背面接地金屬板의 영향에서 電位는 낮게 관측된다. 따라서 이러한 경우는 帶電電位가 낮아도 點火性放電이 발생한다고 推定해야 하고, 이 점에 留意할 필요가 있다. 이상의 事項은 背面接地金屬板이 있는 Film 및 종이 등의 帶電物體에 한정한 것은 아니고, 帶電物體가 粉體인 때에도 다음과 같은 경우에는 같다. 예를 들면 集塵電極에 堆積된 粉塵 등이 이에 관한 典型的인 例로서, 이 경우는 點火性放電의 推定에 같은 配慮를 해야 한다. 또한, 粉塵의 경우는 이것이 可燃性液體 및 그 蒸氣 등을 吸着하고 있는 것도 있어 이 때에는 특히 留意할 필요가 있다. 그것은 粉塵이 可燃性液體 및 蒸氣 등을 吸着하고 있으면 粉塵이 浮遊하고 있는 경우, 혹은 單一可燃性蒸氣 만으로 爆發性混合氣體를 생성하고 있는 경우보다 극히 작은 點火 Energy에 의하여 이것이 점화하기 때문이다. 즉, 이러한 경우는 點火 Energy가 작은 것 외에 帶電物體에서 발생하는 放電은 沿面放電이 되고 그 Energy가 크므로 點火性放電의 推定에는 보통보다 작은 電荷密度와 낮은 帶電電位를 尺度로 해야 한다. 라) 기타 要因과 放電 Energy 放電 Energy는 이상에서 서술한 要因 외에 帶電物體의 極性에도 依存한다. 이것은 앞에서 언급한 바와 같이 放電特性이 放電의 極性에 따라 다르기 때문이고, 일반적으로는 放電의 極性이 陽(+)이면, 空間電荷의 영향이 작고, 放電 Energy는 크게 된다. 이렇게 放電特性이 極性에 의존하고 있으므로 帶電物體의 極性과도 결부, 이것도 點火性放電의 推定에 고려해야 하는 것이다. 예를 들면, 帶電物體가 負(-)로 帶電하고 있어도 이것보다 작은 形狀의 接地體가 접근하면 放電은 接地體 쪽에서 발생하므로 陽(+)의 放電이 일어난다. 이렇게 이 例에서는 帶電物體의 極性이 負(-)이므로 點火性放電이 될 확률이 높은 陽(+)의 放電이 발생한다. 이 結果에서도 Film 이 負(-)로 帶電되어 있으면 Corona 放電이 발생하므로 放電電荷量은 크게 된다. 이와 같이 帶電物體가 陽(+)의 放電을 일으키는 極性으로 帶電되어 있으면 負(-)의 放電인 경우보다 放電 Energy가 크고 點火性放電이 발생하기 쉽다고 推定해야 한다. 그밖에, 放電 Energy는 帶電物體가 移動하고 있으면 그 速度에도 의존한다고 보고 있다. 이것과 類似한 것에서는 帶電物體가 振動할 때도 같고, 帶電電位가 변화하면 點火0001 性放電이 발생하기 쉽다고 한다. 3) 點火性放電의 發生限界의 推定點火性放電은 물론 放電이 발생한 후의 일로서 결과적으로는 放電 Energy와 點火 Energy의 相互關係에 의하고 있다. 그러나 點火性放電의 推定은 放電이 발생하기 전의 事象에 기초하고 있고, 그 推定에는 帶電物體에 착안하는 것이 좋다. 이것은 點火性放電의 발생에 不可缺 한 電界가 帶電物體에 의해서 생성되고 있고, 可燃性物質의 點火에 필요한 Energy가 帶電物體에 의해서 공급되기 때문이다. 이렇게 帶電物體에 착안하면 點火性放電의 發生限界는 앞에도 서술한 帶電物體에서 放射되는 放電 Energy와 點火性 Energy에 歸結한다. 즉 前者가 後者에 거의 근접한 帶電이면 이것이 點火性放電의 發生限界가 된다. 따라서, 이것을 기본으로 하고 여기서는 點火性放電發生限界를 推定한다. 단, 放電特性 및 放射 Energy는 帶電物體가 導體인 경우와 不導體인 경우에 따라서 큰 差가 있으므로 그 2가지 경우로 구별하여 서술하기로 한다. 點火性放電의 發生限界는 放電 Energy 및 點火 Energy를 기본으로 하고 있는데, 後者는 2章에서 서술하고 있듯이 可燃性物質의 種類, 支燃性 Gas의 種類, 爆發性混合氣體의 壓力, 溫度 등에 따라서 크게 변화한다. 따라서 아래에서 서술하는 發生限界는 달리 말하지 않는 한 常溫, 大氣壓, 空氣를 支燃性 Gas로 한 경우의 最小點火 Energy에 대한 것이고, 이 條件이 아닌 경우는 發生限界도 변화한다. 또한, 發生限界의 推定에는 보통 帶電物體의 Energy가 아니고, 이것에 관계가 있는 帶電物體의 電位, 電荷密度 등도 尺度로 한다. 그러나 이들은 帶電物體의 Energy가 같더라도 測定方法및 條件에 따라서 그 數値가 변화한다. 따라서 點火性放電의 發生限界의 推定에는 이러한 點에서 留意할 필요가 있다. 가) 導體의 點火性放電의 發生限界帶電物體가 導電率 10^-6 S/m 정도 이상, 또는 表面固有抵抗이 10^7Ω 정도 이하이면 放電이 발생할 때, 帶電物體의 Energy는 순간적인 放電에 의하여 모두 放射되는 수가 있다. 따라서 帶電物體가 導體인 경우는 이것이 갖고 있는 靜電氣 Energy가 모두 點火에 寄與한다고 판단되고, 이 Energy가 放電 Energy와 같고 동시에 最小點火 Energy와 같다고 생각되며, 이것에 의하여 點火性放電의 發生限界를 推定하는 것이 좋다. 즉, 帶電物體의 電位를 V[V], 最小點火 Energy를 Ei[J], 帶電物體의 靜電容量을 C[F]로 할 때, 앞에 나와 있는 식이 最小點火 Energy Ei[j]에 같다고 생각되며 지금부터 點火性放電의 發生限界를 推定하는 것이 좋다. 이것은 帶電電位로 나타내면 다음과 같다. 2Ｅi Ｖ = √─── (1) Ｃ 또한 이것은 帶電物體의 電荷量Ｑ[C]로 나타내면 Ｑ = ＣＶ 에서 다음과 같이 된다. Ｑ = √2ＣＥi (2) 例를 들면, 帶電物體가 成人男子인 경우이면 이 靜電容量은 보통 短靴를 着用하고 서 있을 때 靜電容量은 100 pF 정도이므로, 最小點火 Energy가 0.2mJ 정도인 Propane 등의 爆發性混合氣體에 대해서는 點火性放電의 發生限界를 電位로 나타낼 때, <식1>에서 Ｖ = 2000Ｖ, 電荷量으로 나타내면 식 2에서 Ｑ = 2 × 10^7 Ｃ가 된다. <표1> 人體動作에 따른 人體의 帶電電位 ┌─────────────┬─────────┬────────┐ │ 人體의 動作 │人體帶電電位 (kV)│ 備考 │ ├─────────────┼─────────┼────────┤ │Nylon Carpet의 위를 보행 │ 2.0 ∼ 2.5 │ 運動靴着用 │ │Nylon Carpet 위에서 문지름│ 4.5 │ 運動靴作用 │ │Sofa에서 일어남 │ 3.5 ∼ 4.5 │Rayon 混線着衣 │ │Arcryl Sweater 의 脫衣 │ 4.5 ∼ 5.0 │ │ │Polyester 作業服의 脫衣 │ 4.0 ∼ 4.5 │ │ │Arcryl 毛布의 折疊作業 │ 5.0 ∼ 6.0 │Rayon 混線着衣 │ └─────────────┴─────────┴────────┘ 또한, 最小點火 Energy가 0.02 mJ 정도인 水素 등의 爆發性混合氣體에 대해서는 點火性放電의 發生限界가 같게 되고, 電位로 나타내면 Ｖ = 632 Ｖ, 電荷量으로 나타내면 Ｑ = 6.3 × 10^-8 Ｃ가 된다. 즉, 人體의 帶電電位가 2000 Ｖ 정도가 되면 Propane, 水素와 같은 可燃性物質에 點火하는 危險性이 발생한다. 이 人體帶電電位 2000 Ｖ는 <표1>에 나타나 있듯이 乾燥한 環境일 경우 衣服을 벗거나 Carpet 위를 걷거나 또는 Sofa에서 일어서는 등의 簡單한 動作에 의해서도 발생하는 帶電量으로서, 人體帶電이 매우 危險한 것임을 뒷받침하고 있다. 한편, 導體의 金屬, 金屬片 등 靜電容量이 작은 帶電物體이지만 이것들이 극히 작은 間隔으로 絶緣되어 集合體를 형성하고 있는 경우가 있다. 이러한 帶電物體는 그 일부에서 放電이 발생할 때 이것이 계기가 되어 전체가 放電하는 수도 있다. 따라서 이러한 경우에도 點火性放電의 推定에는 앞에서 서술한 식을 이용할 수 있고, 이 때에는 集合體를 하나의 帶電物體로 생각하여 推定하는 것이 좋다. 例를 들면 不導體의 중에 導體가 數 mm 정도의 거리를 두고 點在하여 있어, 그 導體가 帶電하고 있는 경우 또는 導體는 帶電하지 않아도 不導體가 帶電하고 있고 導體는 그 靜電誘導를 받고 있는 경우 등이 있다. 이러한 때는 災害防止 입장에서 導體의 集合體를 하나의 帶電物體로 간주하여 이것에 의하여 點火性放電의 發生限界를 推定하는 것이 좋다. 이상과 같이 帶電物體가 導體인 경우, 點火性放電의 發生限界가 비교적 명확하게 推定된다. 따라서 接地가 곤란하고 또한 帶電하기 쉬운 고무, 澗滑油에 의하여 絶緣된 金屬製回轉物體, 可搬刑의 金屬製容器, 人體등은 靜電容量을 먼저 구한 후 點火性放電의 發生限界를 조사하는 것이 편리하다. 나) 不導體의 點火性放電의 發生限界帶電物體의 導電率이 10^-8 S/m 정도 以下, 또는 表面固有抵抗이 10^9Ω 以上의 不導體이면, 放電이 될 때 金屬과 같이 帶電物體의 全電荷가 一時에 放射되지는 않는다. 따라서 不導體의 點火性放電의 發生限界는 일반적으로 導體보다 큰 帶電이 된다. 그러나 帶電物體의 全電荷가 放電하지 않고 보통은 일부 電荷가 放電하고, 또한 이것이 條件에 따라 변화하므로 不導體의 경우는 放電 Energy의 推算, 더 나아가서는 點火性放電의 發生限界를 推算하는 것이 곤란하게 된다. 또한, 帶電物體가 不導體의 경우는 帶電하고 있는 電荷가 表面만이 아니고, 내부에도 존재하는 것이 있고 電荷分布도 매우 複雜하다. 이 때문에 點火性放電의 發生限界도 導體와 같이 단순하게 推定하는 것이 가능하지 않다. 따라서 여기서는 帶電物體를 몇 가지의 경우로 나누고, 이에 대한 發生限界를 推定하고자 한다. 일반적으로 帶電物體와 接地한 金屬球를 一定한 거리로 유지하고 帶電物體에 電荷를 부여하여 가면 帶電物體의 電位가 상승하고 帶電物體와 接地金屬球와의 사이에 처음에는 아주 미약한 放電이 발행한다. 그러나 이 放電은 肉眼으로 관찰할 수 있는 것은 아니고 點火性放電이 될 확률도 극히 작은 放電이다. 이 放電에 의해서도 帶電物體의 電荷는 잃게 되지만 그 以上의 電荷를 주면 電位가 더욱 上昇하고, 그 다음에는 破壞音을 同伴하는 Streamer Corona 放電과 같은 처음 放電보다도 큰 放電이 발생한다. 이 放電은 點火性放電이 될 확률이 큰 것이고, 이 放電이 일어나는 帶電이 點火性放電의 發生限界를 推定하는 하나의 Hint가 된다. 물론 이 放電이 발생하는 帶電은 接地金屬板의 크기, 이것과 帶電物體와의 거리에 따라서 변화한다. 이러한 放電은 金屬의 直徑 및 이것과 帶電物體와의 距離가 작으면 帶電物體의 電位는 낮게라도 발생한다. 그러나 帶電電位가 낮을 때에 발생한 放電은 일반적으로 Energy가 작고, 點火 Energy에 미치지 못하는 것이 많다. 따라서 點火性放電이 되기 위해서는 帶電電位가 어느정도 높게 되어야 한다. 이에 필요한 帶電電位가 點火性放電의 發生限界를 주는 하나의 Hint가 된다. 例를 들면, 帶電物體가 Film과 같은 표면 帶電物體이면 이것이 負(-)로 帶電하고 있을 때는 帶電電位가 30 ∼ 35 kV가 되어 발생하는 破壞音을 동반하는 放電이 일어나는데, 이것은 Propane-空氣의 混合氣體 (混合濃度 5.0%)를 點火시킬 수 있는 放電이다. 水素-空氣의 混合氣體 (混合濃度 32%)에 대해서는 帶電電位가 10 ∼ 30 kV 이상이 되면, 이때 발생하는 앞과 같은 放電에 의하여 이 水素混合氣體가 點火한다. 또한 金屬板을 Polye0002 ster Film으로 덮고 金屬板에 電荷를 부여한 실험에서는 Film의 帶電電位가 15kV 이상이 된 때, Propane-空氣의 混合氣體 (混合濃度 5.0%)가 點火하고, 이 경우 點火시키는데 필요한 帶電電位는 Film의 두께가 크게 됨에 따라서 높아지는 것으로 판명되고 있다. 다음에, 帶電物體가 液體에서 帶電電壓이 空間電荷를 형성하고 있는 경우에는, 變壓器油에 帶電시켜 조사한 실험에 의하면, 이것이 負(-)로 帶電하고 있을 때는 液面電位가 28∼30 kV이고 Propane- 空氣의 混合氣體 (混合濃度 5.0%)에 點火한다. 또한, 液體가 陽(+)으로 帶電하고 있을 때에는 액면電位가 30∼40kV 가 될 때, 동일한 Propane-空氣混合氣體에 點火한다. 그리고 點火爆發의 發生限界를 液體의 電荷密度로 나타내면 電荷密度가 20∼25μＣ/㎥ 이상이 될 때, 點火性放電이 발생하고 있다. 이렇게 帶電物體가 不導體인 경우는 點火性放電의 發生限界가 帶電電位에서는 30 kV, 電荷密度에서는 20 μＣ/㎥ 정도로 推定되고 있다. 단, 이것은 最小點火 Energy가 0.2 mJ 정도의 可燃性物質을 대상으로 한 경우이고, 水素와 같이 點火 Energy가 0.02 mJ 정도로 낮은 것이 되면 帶電電位約 10 kV 정도가 點火性放電의 發生限界라고 推定되고 있다. 또한, 支燃性氣體가 空氣가 아니고 酸素가 되면, 可燃性氣體가 Propane일 경우에 帶電電位가 6 kV 정도만 넘어도 點火한다고 한다. 한편, 帶電物體가 Film과 같은 表面帶電物體에서 그 背面에 金屬接地板이 있는 경우는 接地體가 帶電物體에 상당히 접근하지 않으면 放電이 발생하지 않고, 이러한 경우는 일반적으로 접근한 接地體가 點火의 抑制效果로 작용한다. 그 결과 點火에 필요한 Energy는 10^2 배 정도로 크게 되는 수가 있다. 이렇게 接地體가 點火抑制의 效果가 있고, 이것이 接地體에 의하여 변화하므로 보통은 點火爆發의 發生限界가 推定되지 않는다. 단지 帶電物體에 背面接地金屬板이 있으면 帶電電荷密度가 보통보다 크지 않으면 放電이 발생하지 않고 그 電荷密度는 約 10^-4 C/㎡ 이상이 된다고 본다. 따라서 이것을 요약하면, 電荷密度에서는 1×10^-4 C/㎡, 帶電電位에서는 數百 V가 點火爆發의 發生限界가 된다. 이상과 같이 帶電物體가 不導體의 경우에도 點火爆發의 發生限界가 실험적으로 조사되고 있다. 그러나 이것들은 條件이 한정된 경우의 값으로서 推定値에 지나지 않음을 留意할 필요가 있다. 자료출처: 한국산업안전공단

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