정전기 안전 - 정전기 발생 메카니즘, 정전기 대전

 

정전기의 발생 메카니즘

🔹 정전기 관련 용어
•정전기
대지와 절연된 물체 등에 마찰, 박리 등에 의하여 전하가 충전되는 현상
•정전기 방전(Electrostatic discharge)
가연성 혼합물을 점화시킬 수 있는 불꽃방전, 코로나방전, 브러시방전 등의 형태로 정전기가 에너지를 포함한 형태로 방출되는 것을 말한다.
•방전
정전기 방전은 정전기의 전기적 원리에 의해 일어나는 전리작용으로 대전물체에 의한 정전기가 공기의 절연파괴강도(직류인 경우 30[㎸/㎝])에 달한 경우에 일어나는 기체 전리작용이다.  
•최소점화에너지 (MIE : Minimum ignition energy) :
증기-공기 혼합물이 점화되는데 필요한 최소 에너지는 농도에 따라 변화한다. 대부분의 물질에서, 점화되는 최소에너지는 연소하한과 연소상한 사이의 중간 농도지점에서 나타나는데 이 값을 최소점화에너지 (MIE : Minimum ignition energy)라 한다. 

 

 

🔹 정전기 발생 
• 안정된 물체에 외부자극(마찰 · 박리 · 유동 등)이  가해지면 물체 내 자유전자가 외부로 방출
• 자유전자는 최소에너지인 일함수에 의해 크기 결정
• 접촉 전위는 일함수의 차로서 나타난다.

🔹 정전기 발생처
•인체 정전기 (의복)
•분체의 Pipe Line 수송 및 저장후 배출시 마찰
•분체 Sieving기 에서의 마찰, 분체 배출시 마창
•분체 Blender 및 Mixer (혼련기, 혼합기)에서의 마찰 
•Bag Filter의 교체 작업시 마찰 
•분체 및 액상 제품의 포장 작업 (25kg Bag, Flecon Bag 포장, 용기)
•H.C류 물질의 Pipe Line 수송 (C2”, C3”, n-Hx, H2, NaOH, B-C 등)   
•화학설비 내부 청소작업 중 공정 용기 내부에서의 덩어리 낙하
•Pipe Line의 Poly-Pig를 사용한 Cleaning작업  
•용기내부로 고형물을 투입하는 작업 (Dryer, Adsorber의 흡착제 투입작업)
•Film 가공작업 (제막 작업실)
•Tank Lorry Unloading / Loading 작업 (1-C4”, B-C, Chemical 약품 등) 
•공정 Sampling 작업 (가연성분체, Hx, 가연성 Slurry, 고압가스, 액상위험물 등) 
•Agitator(교반기) 회전에 의해 물질간의 충돌로 인하여 발생 
•진공청소기 사용시 발생

🔹 정전기 발생 메카니즘 

전기 이중층 형성 (전하의 이동)	• A, B 두 물체를 접촉시키면 A물체는 (+)로 B물체는 (-)로 대전하여 전기적 이중층이 형성
전기적 이중층의 분리 (전하분리)	• A, B 두 물체가 분리되면 정전용량 C[F]의 크기 감소    C = ε * S / d [F]  단, ε : 극판사이의 유전율, S : 극판면적[m], d : 극판거리 [m]  • 접촉전위는 정전용량에 반비례 하므로 상승  • 두 물체가 완전히 분리될 때까지 전도에 의해 발생된 전하의 역류현상 발생
전하의 소멸	• 분리된 물체에 발생된 전하는 누설과 재결합의 과정을 거치며 소멸  • 전하의 소멸은 정,부 전하가 서로 결합하여 전기적으로 중성이 되는 현상

🔹 정전기 대전의 종류

마찰대전	그림
• 두 물체의 마찰이나 마찰에 의한 접촉위치 이동으로 전하의 분리 및 재배열이 일어나 발생하는 정전기  • 고체류, 액체류, 분체류 등의 정전기가 이러한 마찰에 기인  • 예 : 유리봉을 모직물로 마찰할 때, 책상에 책받침을 마찰하는 경우 등

박리대전	그림
• 서로 밀착되어 있던 물체가 떨어질 때 전하의 분리가 일어나 발생하는 정전기  • 예 : 옷을 벗을 때, 필름의 점착지 등을 떼어낼 때 등

충돌대전	그림
• 분체류와 같은 입자 상호간  • 입자와 고체의 충돌에 의해 빠른 접촉·분리가 행해짐에 따라 발생하는 정전기  • 예 : 스프레이건을 이용한 벽체 도장 시 등

분출대전	그림
• 분체류, 액체류, 기체류가 단면적이 작은 분출구를 통해 공기 중으로 배출될 때  • 분출물질과 분출구의 마찰에 의해 발생하는 정전기  • 예 : 고압스팀 배관에서의 스팀 분출 시 등

유동대전	그림
• 파이프로 액체류 이송 시 액체와 파이프의 마찰로 인해 전기이중층이 형성  • 이 때 발생된 전하가 액체와 함께 유동함으로써 발생하는 정전기  • 발생 영향 요인 : 유동속도, 흐름의 상태, 굴곡, 파이프의 재질 등  • 예 : 주유소 저장탱크와 탱크로리 등

파괴대전	그림
• 고체나 분체류 등이 파괴될 때 전하의 분리 또는 정, 부 전하의 균형이 깨지면서 발생하는 정전기

교반대전	그림
• 탱크로리나 탱크 내의 액체가 서로 교반 될 때 발생하는 정전기

적하대전	그림
• 고체표면에 부착해 있던 액체류가 성장하여, 이것이 물방울로 맺혀 떨어질 때 전하의 분리가 일어나 발생하는 정전기

유도대전	그림
전력선의 정전유도 현상으로 근처에 도체가 대전되는 현상

🔹 인체가 느끼는 정도

대전전위	인체 전격의 정도	비고
1,000V	전혀 감지하지 못함
2,000 V	손가락 바깥쪽에 느껴지지만 통증은 없음	희미한 방전음발생 (감지 전압)
3,000 V	따끔한 통증을 느낌	방전의 발광을 봄
5,000 V	손 바닥에서 팔꿈치까지 전기적 충격을 느끼는 통증	방전발광이 길어짐
8,000 V	손 바닥에서 팔꿈치까지 저리는 무거운 통증
10,000 V	손 전체에 통증과 전기가 흐른 느낌을 받음
12,000 V	강한 전기적 충격으로 손 전체를 강타한 통증

 

정전기의 방전

🔹 정전기 방전의 원리

정전기가 발생되면 전하(+,-)의 형태로 에너지를 축적하게 된다. 이때, 정전기를 연속적으로 배출시켜 주지 못할 경우 축적된 전기에너지가 다른 에너지의 형태로 배출되게 되는데 에너지가 큰 경우 불꽃에너지의 형태로 배출되게 된다. 이 불꽃의 형태는 점화원 역할을 하게 된다.

🔹 방전의 형태

(1) 불꽃 방전 (Spark Discharge)
불꽃 방전은 표면전하밀도가 아주 높게 축적되어 분극화된 절연판 표면에 도체가 대전되었을 때 접지된 도체사이에서 발생하는 강한 발광과 파괴음을 수반하는 방전이다. 불꽃 방전은 방전에너지가 높아 재해나 장해의 주요 원인이 되고 있다. 

(2) 브러쉬 방전 (Brush Discharge)
곡률반경이 큰 도체(직경이 10mm이상)와 절연물질 (고체,기체)이나 저 전도율 액체 사이에서 대전량이 많을 때 발생하는 발광과 파괴음을 수반하는 방전을 브러쉬 방전이라 한다. 
방전에너지가 커서 재해나 장해 의 원인이 될 수 있다. 방전에너지는 4mJ 까지도 될 수 있으므로 가스, 증기 또는 민감한 분진에서 화재폭발을 일으킬 수 있으며, 이 위험도는 불꽃 방전과 코로나 방전의 중간위치에 있다.

(3) 코로나 방전 (Corona Discharge)
고체에 정전기가 축적되면 전위가 높아지게 되고 고체 표면의 전위경도가 어느 일정치를 넘어서면 낮은 소리와 연한 빛을 수반한 방전이 생기게 되는데 이 현상을 코로나 방전이라 한다. 이는 고체표면에 접촉된   공기의 국부적인 절연파괴 현상으로 볼 수 있다. 코로나의 방전에너지는 낮으나 민감한 물질은 점화 폭발이 가능하다.

(4) 연면방전 (Creeping Discharge)
일반적으로 절연체의 표면에서 발생하는 방전현상으로 공기 중에 놓여진 절연체 표면의 전계강도가 큰 경우 에 고체표면을 따라서 진행하는 발광이 동반된 방전.
연면방전은 Drum이나 Silo내의 분진이 다량의 전하를 보유할 때와 높은 대전상태의 엷은 층상부도체의 박리, 또는 엷은 층상의 대전된 부도체 뒷면에 근접한 접지체 가 있을 때 표면에 연한 복수의 수지상의 발광을 수반 하여 발생되는 방전으로 불꽃 방전과 마찬가지로 재해나 장해의 원인이 된다.

다음 포스팅은 정전기 제어와 정전기 위험성평가에 대해 알아보겠습니다.

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