정전기
정전기는 물체의 마찰·접촉·분리·유동 등에 의해 전하가 축적되어 정지 상태로 존재하는 전기이다.
정전기는 두 물체가 접촉하거나 분리될 때 전자가 이동하여 한쪽은 양전하, 다른 쪽은 음전하를 띠면서 발생한다. 산업현장에서는 인화성 액체의 유동, 분체의 이송, 필름·섬유·종이의 마찰, 작업자의 보행, 탱크로리 주입작업 등에서 정전기가 발생할 수 있다.
정전기는 평상시에는 작은 불쾌감이나 제품 불량의 원인이 될 수 있지만, 인화성 가스·증기·분진이 존재하는 장소에서는 방전 스파크가 점화원이 되어 화재나 폭발을 일으킬 수 있다. 따라서 정전기 관리는 화공안전, 전기안전, 방폭, 위험물 취급 작업에서 중요한 재해예방 대책이다.
정전기는 물체 사이의 전하 이동으로 발생한다. 두 물체가 접촉하면 표면 사이에서 전자가 이동하고, 이후 분리되면 한 물체에는 전자가 부족하여 양전하가, 다른 물체에는 전자가 많아져 음전하가 축적된다.
전하가 축적된 상태에서 다른 물체와 전위차가 커지면 순간적으로 전하가 이동하는 방전이 발생한다. 이때 발생하는 불꽃이나 스파크가 가연성 혼합기체의 최소점화에너지보다 크면 화재·폭발의 점화원이 될 수 있다.
산업현장에서 정전기는 다양한 작업과 설비에서 발생한다.
대표적인 발생 원인은 다음과 같다.
- 마찰
- 유동
- 충돌
- 박리
- 분출
- 파괴
- 교반
- 접촉과 분리
- 분체 이송
- 액체 주입과 배출
정전기는 물질이 절연성일수록 축적되기 쉽고, 습도가 낮을수록 전하가 잘 빠져나가지 않아 위험이 커질 수 있다.
마찰은 두 물체가 서로 문질러질 때 전하가 이동하여 정전기가 발생하는 현상이다. 작업자의 의복, 고무벨트, 플라스틱 필름, 섬유, 종이 등이 마찰될 때 정전기가 발생할 수 있다.
마찰 정전기의 예는 다음과 같다.
- 작업복과 의자 또는 신체 사이의 마찰
- 컨베이어 벨트와 롤러의 마찰
- 필름이나 종이의 권취작업
- 섬유 제조공정
- 분말과 배관 내벽의 마찰
유동은 액체나 기체가 배관, 호스, 필터, 밸브 등을 통과하면서 정전기를 발생시키는 현상이다. 특히 인화성 액체가 빠른 속도로 흐르면 액체와 배관 사이의 접촉·분리 과정에서 전하가 축적될 수 있다.
유동 정전기가 발생하기 쉬운 작업은 다음과 같다.
- 인화성 액체 이송
- 탱크 충전
- 탱크로리 주입과 배출
- 용제 이송
- 여과작업
- 분체 공기이송
- 스프레이 도장
충돌과 분출은 액체, 기체, 분체가 노즐이나 배관을 통해 빠르게 나가면서 다른 물체와 부딪히거나 분산될 때 정전기가 발생하는 현상이다.
대표적인 예는 다음과 같다.
- 고압 분사작업
- 스프레이 도장
- 분체 분사
- 증기 또는 가스의 고속 분출
- 액체가 탱크 벽면에 충돌하는 주입작업
분출 정전기는 미세한 액적이나 입자가 공기 중에 흩어지면서 전하가 축적되기 쉽다.
박리는 접촉해 있던 물체가 떨어질 때 정전기가 발생하는 현상이다. 필름, 테이프, 시트, 포장재 등을 떼어내는 작업에서 흔히 발생한다.
박리 정전기의 예는 다음과 같다.
- 테이프를 떼어내는 작업
- 보호필름 제거
- 플라스틱 시트 분리
- 라벨 박리
- 포장재 개봉
교반은 액체나 분체를 섞는 과정에서 물질 사이의 접촉과 분리가 반복되어 정전기가 발생하는 현상이다. 인화성 용제나 분체를 교반하는 경우에는 정전기 방전이 점화원이 될 수 있다.
교반작업에서의 대책은 다음과 같다.
- 교반조를 접지한다.
- 교반기를 접지한다.
- 인화성 증기 발생 여부를 확인한다.
- 불활성가스 치환을 검토한다.
- 교반 속도를 적정하게 관리한다.
정전기 방전은 축적된 전하가 다른 물체 또는 대지로 급격히 이동하는 현상이다. 방전 시에는 스파크, 코로나, 브러시 방전 등이 발생할 수 있으며, 폭발위험장소에서는 방전 에너지가 점화원으로 작용할 수 있다.
방전의 주요 형태는 다음과 같다.
- 스파크 방전
- 코로나 방전
- 연면 방전
- 글로우 방전
- 아크 방전
스파크 방전은 두 도전성 물체 사이에 큰 전위차가 있을 때 순간적으로 불꽃이 발생하는 방전이다. 방전 에너지가 비교적 크기 때문에 인화성 가스나 증기의 점화원으로 특히 위험하다.
스파크 방전이 발생할 수 있는 경우는 다음과 같다.
- 접지되지 않은 금속 용기
- 탱크로리와 저장탱크 사이 전위차
- 작업자 인체의 대전
- 금속 공구와 설비 사이 방전
- 도전성 물체의 본딩 불량
코로나 방전은 도체의 뾰족한 부분이나 전계가 집중되는 부위에서 발생하는 부분 방전이다. 전압인가식 제전기에서 코로나 방전을 이용하여 이온을 발생시키기도 한다.
코로나 방전은 스파크 방전에 비해 에너지가 작을 수 있지만, 폭발위험장소에서는 조건에 따라 주의가 필요하다.
정전기의 위험성은 전하의 축적 자체보다 방전 시 발생하는 에너지에 있다. 가연성 물질이 폭발범위 안에 있고 산소가 존재하는 상황에서 정전기 방전이 발생하면 화재·폭발이 일어날 수 있다.
정전기의 주요 위험은 다음과 같다.
- 인화성 가스·증기의 점화
- 분진폭발의 점화
- 작업자의 전격과 놀람 반응
- 전자기기 오작동
- 제품 표면 오염
- 분체 부착과 막힘
- 화재·폭발로 인한 중대재해
정전기에 의한 화재·폭발이 발생하려면 다음 조건이 함께 충족되어야 한다.
- 정전기가 발생한다.
- 전하가 축적된다.
- 방전이 발생한다.
- 방전 에너지가 최소점화에너지 이상이다.
- 가연성 물질이 폭발범위 안에 존재한다.
- 산소 등 산화제가 존재한다.
따라서 정전기 사고를 예방하려면 정전기 발생을 줄이고, 축적을 방지하며, 방전 에너지를 낮추고, 폭발성 분위기 형성을 억제해야 한다.
최소점화에너지는 가연성 혼합기를 점화하는 데 필요한 최소한의 에너지이다. 정전기 방전 에너지가 최소점화에너지보다 크면 점화가 발생할 수 있다.
수소, 아세틸렌, 일부 용제 증기, 미세 분진 등은 비교적 작은 에너지로도 점화될 수 있으므로 정전기 방전 관리가 특히 중요하다.
정전기 발생과 축적은 물질의 성질과 작업환경에 영향을 받는다.
주요 영향요인은 다음과 같다.
- 물질의 전기저항
- 표면 상태
- 접촉 면적
- 분리 속도
- 유동 속도
- 습도
- 온도
- 배관과 용기의 재질
- 분진의 입자 크기
- 작업자의 의복과 신발
일반적으로 절연성 물질은 전하가 잘 빠져나가지 않아 정전기가 축적되기 쉽다. 또한 건조한 환경에서는 공기 중 수분이 적어 전하가 방전되기 어렵다.
접지는 정전기 방지의 가장 기본적인 대책이다. 도전성 설비를 대지와 연결하면 발생한 전하가 축적되지 않고 대지로 흘러갈 수 있다.
접지가 필요한 설비는 다음과 같다.
- 저장탱크
- 배관
- 펌프
- 반응기
- 혼합기
- 탱크로리
- 금속 용기
- 도전성 호스
- 분체 이송설비
- 집진설비
접지는 접지선이 연결되어 있다는 사실만으로 충분하지 않으며, 접지연속성과 접지저항을 확인해야 한다.
본딩은 두 개 이상의 도전성 물체를 전기적으로 연결하여 서로의 전위차를 줄이는 조치이다. 본딩은 접지와 함께 사용되며, 서로 다른 금속 용기나 배관 사이에서 스파크가 발생하는 것을 방지한다.
본딩이 필요한 경우는 다음과 같다.
- 탱크로리와 저장탱크 연결
- 용기에서 용기로 인화성 액체를 옮기는 작업
- 금속 호스와 배관 연결
- 분체 이송설비의 연결부
- 임시 배관과 고정 배관 연결
본딩 후에는 액체 주입이나 배출을 시작해야 하며, 작업 중 본딩 클램프가 빠지지 않도록 확인해야 한다.
절연성 재료는 정전기가 축적되기 쉬우므로, 위험물 취급장소에서는 가능한 한 도전성 또는 정전기 방지 재료를 사용하는 것이 좋다.
적용 예는 다음과 같다.
- 도전성 바닥
- 도전성 호스
- 정전기 방지 작업복
- 정전기 방지 안전화
- 도전성 용기
- 대전방지 처리된 플라스틱 부품
습도가 높아지면 물체 표면에 수분막이 형성되어 전하가 쉽게 이동할 수 있다. 따라서 가습은 정전기 축적을 줄이는 방법 중 하나이다.
가습 적용 시 유의사항은 다음과 같다.
- 공정과 제품 품질에 영향을 주지 않는 범위에서 적용한다.
- 습도 관리 기준을 정한다.
- 전기설비의 절연저하나 부식을 고려한다.
- 분진이나 화학물질과의 반응 가능성을 검토한다.
제전기는 대전된 물체의 전하를 중화하거나 제거하는 장치이다. 제전기는 필름, 시트, 섬유, 종이, 플라스틱 제품 등 절연성 물체의 정전기 제거에 사용된다.
대표적인 제전기 종류는 다음과 같다.
- 전압인가식 제전기
- 자기방전식 제전기
- 이온스프레이식 제전기
- 방사선식 제전기
전압인가식 제전기는 고전압을 인가하여 코로나 방전으로 이온을 발생시키고, 그 이온으로 대전된 물체의 전하를 중화한다.
전압인가식 제전기의 특징은 다음과 같다.
- 이온 발생 능력이 크다.
- 제전 효과가 높다.
- 고전압을 사용하므로 설치와 유지관리에 주의가 필요하다.
- 폭발위험장소에서는 적용 가능 여부를 검토해야 한다.
자기방전식 제전기는 대전된 물체의 전계를 이용하여 작은 코로나 방전을 발생시키는 방식이다. 스테인리스, 카본, 도전성 섬유 등을 이용한 제전 브러시가 이에 해당한다.
자기방전식 제전기의 특징은 다음과 같다.
- 외부 전원이 필요하지 않은 경우가 많다.
- 구조가 비교적 단순하다.
- 대전량이 충분해야 효과가 나타난다.
- 정기적인 청소와 간격 관리가 필요하다.
이온스프레이식 제전기는 이온화된 공기를 블로워나 압축공기로 대상물에 분사하여 정전기를 제거하는 방식이다.
이온스프레이식 제전기의 특징은 다음과 같다.
- 복잡한 형상의 물체에도 적용하기 쉽다.
- 넓은 범위의 제전에 사용할 수 있다.
- 공기 공급과 노즐 관리가 필요하다.
- 분진이나 이물질이 함께 날리지 않도록 주의해야 한다.
방사선식 제전기는 방사선의 전리작용을 이용하여 공기 중 이온을 만들어 정전기를 제거하는 방식이다.
방사선식 제전기는 전원 없이도 사용할 수 있는 장점이 있지만, 방사성 물질 사용과 관련된 관리가 필요하므로 적용 시 관련 안전기준을 준수해야 한다.
인화성 액체나 분체가 빠르게 흐르면 정전기 발생이 증가한다. 특히 탱크에 액체를 주입할 때 액면 위에서 자유낙하시키면 분출과 충돌에 의해 정전기가 많이 발생할 수 있다.
이송속도 관리 대책은 다음과 같다.
- 인화성 액체 주입속도를 제한한다.
- 초기 주입은 낮은 속도로 실시한다.
- 주입관을 탱크 바닥 가까이까지 넣는다.
- 액체가 낙하하거나 튀지 않도록 한다.
- 필터 통과 후 충분한 완화시간을 둔다.
완화시간은 액체나 물체에 축적된 전하가 줄어들도록 기다리는 시간이다. 절연성 액체는 전하가 사라지는 데 시간이 걸리므로, 여과나 이송 후 바로 개방하거나 샘플링하면 방전 위험이 있을 수 있다.
완화시간이 필요한 경우는 다음과 같다.
- 인화성 액체 여과 후
- 탱크 충전 후
- 용제 이송 후
- 분체 이송 후
- 정전기 발생이 큰 작업 직후
작업자도 정전기를 띨 수 있다. 특히 절연성 바닥, 합성섬유 의복, 건조한 환경에서는 보행이나 작업 중 인체가 대전될 수 있으며, 작업자가 금속 설비를 만질 때 스파크가 발생할 수 있다.
작업자 대전 방지대책은 다음과 같다.
- 정전기 방지 작업복을 착용한다.
- 정전기 방지화를 착용한다.
- 도전성 바닥을 설치한다.
- 손목 접지대를 사용한다.
- 합성섬유 의복을 제한한다.
- 작업 전 접지된 금속부를 접촉하여 전하를 제거한다.
인화성 액체는 정전기 방전으로 점화될 수 있으므로 저장, 이송, 주입, 샘플링 과정에서 정전기 방지조치를 해야 한다.
주요 대책은 다음과 같다.
- 탱크와 배관을 접지한다.
- 용기 사이를 본딩한다.
- 주입 전 본딩을 먼저 실시한다.
- 주입속도를 제한한다.
- 액체가 자유낙하하지 않도록 한다.
- 도전성 호스를 사용한다.
- 정전기 축적이 큰 필터 사용 후 완화시간을 둔다.
- 폭발위험장소에서는 방폭전기기기를 사용한다.
분체는 이송, 낙하, 혼합, 집진 과정에서 정전기가 발생하기 쉽다. 가연성 분진이 공기 중에 부유하고 정전기 방전이 발생하면 분진폭발로 이어질 수 있다.
분체 취급 시 대책은 다음과 같다.
- 분체 이송설비를 접지한다.
- 집진설비를 접지한다.
- 분체가 퇴적되지 않도록 청소한다.
- 이송속도를 적정하게 관리한다.
- 불활성가스 치환을 검토한다.
- 분진폭발 위험장소에 적합한 전기기기를 사용한다.
- 폭압방산구나 폭발억제장치를 검토한다.
도장작업은 용제 증기와 미세한 도료 입자가 존재하고, 스프레이 과정에서 정전기가 발생할 수 있어 화재·폭발 위험이 크다.
도장작업의 정전기 대책은 다음과 같다.
- 도장설비를 접지한다.
- 피도장물을 접지한다.
- 스프레이 장비의 접지상태를 확인한다.
- 환기를 확보한다.
- 방폭형 전기기기를 사용한다.
- 정전기 방지 작업복과 신발을 착용한다.
- 용제 증기 농도를 관리한다.
정전기는 전기방폭에서 중요한 점화원 중 하나이다. 방폭전기기기를 설치하더라도 작업자나 설비에 정전기가 축적되어 방전되면 폭발성 분위기를 점화할 수 있다.
따라서 전기방폭과 정전기 방지는 함께 관리되어야 한다. 폭발위험장소에서는 방폭전기기기 선정뿐 아니라 접지, 본딩, 제전, 환기, 이송속도 관리가 필요하다.
정전기 위험이 있는 작업장에서는 설비의 접지와 본딩 상태, 대전 방지 조치, 작업환경을 주기적으로 점검해야 한다.
점검사항은 다음과 같다.
- 접지선 연결상태
- 본딩 클램프 체결상태
- 접지저항 또는 접지연속성
- 도전성 호스의 연속성
- 정전기 방지화와 바닥의 상태
- 제전기의 작동상태
- 환기상태
- 분진 퇴적 여부
- 가연성 증기 농도
- 작업자의 보호구 착용상태
정전기 재해를 예방하기 위한 주요 대책은 다음과 같다.
- 설비와 배관을 접지한다.
- 도전성 물체 사이를 본딩한다.
- 이송속도를 제한한다.
- 주입 시 자유낙하를 방지한다.
- 도전성 재료와 정전기 방지 제품을 사용한다.
- 습도를 적정하게 유지한다.
- 제전기를 설치한다.
- 작업자의 대전을 방지한다.
- 인화성 증기와 분진의 농도를 관리한다.
- 폭발위험장소에는 방폭전기기기를 사용한다.
- 정전기 위험작업에 대한 교육을 실시한다.
정전기는 눈에 잘 보이지 않지만 화재·폭발의 강력한 점화원이 될 수 있다. 특히 인화성 액체, 가연성 가스, 분진을 취급하는 산업현장에서는 정전기 방전을 단순한 불편 현상으로 보아서는 안 된다.
정전기 안전관리는 정전기 발생 감소, 전하 축적 방지, 방전 에너지 저감, 폭발성 분위기 억제, 점화원 관리가 함께 이루어져야 한다. 접지와 본딩, 제전, 환기, 작업절차, 보호구 착용은 정전기 재해예방의 핵심 요소이다.
