산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)
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산업안전기사 실기 신출대비 암기장

산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)

총 10문항 · 주관식 · A4 약 1장

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산업안전기사 실기 신출대비 암기장모두CBT · moducbt.com

산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)

총 10문항 · 주관식 · 정답·해설 포함
문제 1
인체(도체)에 축적된 정전기 전하량이 Q=3×10−7Q=3\times10^{-7}[C]이고, 이때 대지에 대한 전위가 V=6V=6[kV]로 측정되었다.
(1) 인체의 정전용량 C[pF]를 구하시오.
(2) 이때 축적된 정전에너지 W[J]를 W=12QVW=\dfrac{1}{2}QV 식으로 구하시오. (풀이과정 포함)
정답 및 해설
[모범답안]
(1) C=QV=3×10−76,000=5×10−11C = \dfrac{Q}{V} = \dfrac{3\times10^{-7}}{6{,}000} = 5\times10^{-11}[F] = 50[pF]
(2) W=12QV=12×3×10−7×6,000=9×10−4W = \dfrac{1}{2}QV = \dfrac{1}{2}\times3\times10^{-7}\times6{,}000 = 9\times10^{-4}[J] = 0.9[mJ]
(검산: W=12CV2=12×50×10−12×6,0002=9×10−4W=\dfrac{1}{2}CV^{2} = \dfrac{1}{2}\times50\times10^{-12}\times6{,}000^{2} = 9\times10^{-4}[J]로 일치)
■ 핵심 채점어: C=QVC=\dfrac{Q}{V} / 50pF(=5×10−115\times10^{-11}F) / W=12QVW=\dfrac{1}{2}QV / 9×10−49\times10^{-4}J / 0.9mJ
※ 근거: 정전에너지 표준식 W=½CV²=½QV=Q²/2C(확립된 전자기학 식), Q=CV 관계식. 산업안전보건기준에 관한 규칙 제325조(정전기로 인한 화재·폭발 등 방지) 정전기 위험관리 범주.


[해설]

인체를 하나의 대전 도체(커패시터)로 보고 Q=CV 관계와 정전에너지 식을 적용한다.

정전용량은 전위를 V 단위로 바꿔 대입한다.
C=QV=3×10−76,000C=\dfrac{Q}{V}=\dfrac{3\times10^{-7}}{6{,}000}
=5×10−11=5\times10^{-11}[F] = 50pF

정전에너지는 전하량과 전위를 그대로 넣는다.
W=12QV=12×3×10−7×6,000W=\dfrac{1}{2}QV=\dfrac{1}{2}\times3\times10^{-7}\times6{,}000
=9×10−4=9\times10^{-4}[J] = 0.9mJ

혼동 주의: 6kV를 6,000V로 바꾸지 않으면 값이 1,000배 틀어진다. W=12CV2W=\dfrac{1}{2}CV^{2}로 검산해도 같은 값이 나온다.

문제 2
정전용량 C=250C=250[pF]인 대전 도체에 전하량 Q=2×10−7Q=2\times10^{-7}[C]이 축적되어 있다.
(1) 대전전위 V[V]를 구하시오.
(2) 축적된 정전에너지 W[J]를 W=Q22CW=\dfrac{Q^{2}}{2C} 식으로 구하시오. (풀이과정 포함)
정답 및 해설
[모범답안]
(1) V=QC=2×10−7250×10−12=800V = \dfrac{Q}{C} = \dfrac{2\times10^{-7}}{250\times10^{-12}} = 800[V]
(2) W=Q22C=(2×10−7)22×250×10−12=4×10−145×10−10=8×10−5W = \dfrac{Q^{2}}{2C} = \dfrac{(2\times10^{-7})^{2}}{2\times250\times10^{-12}} = \dfrac{4\times10^{-14}}{5\times10^{-10}} = 8\times10^{-5}[J] = 0.08[mJ]
(검산: 12QV=12×2×10−7×800=8×10−5\dfrac{1}{2}QV = \dfrac{1}{2}\times2\times10^{-7}\times800 = 8\times10^{-5}[J] 일치)
■ 핵심 채점어: V=QCV=\dfrac{Q}{C} / 800V / W=Q22CW=\dfrac{Q^{2}}{2C} / 8×10−58\times10^{-5}J / 0.08mJ
※ 근거: 정전에너지 표준식 W=Q²/2C(전하·정전용량 기반), 대전전위 V=Q/C. 산업안전보건기준에 관한 규칙 제325조 정전기 위험관리 범주.


[해설]

대전 도체의 전위는 V=Q/C, 축적 정전에너지는 W=Q2/2C로 구한다. 대입할 때 pF는 10-12F로 환산한다.

대전전위
V = Q/C
= 2×10-7 / (250×10-12)
= 800[V]

정전에너지
W = Q2/2C
= (2×10-7)2 / (2×250×10-12)
= 4×10-14 / 5×10-10
= 8×10-5[J] = 0.08[mJ]

½QV = ½×2×10-7×800으로 검산해도 8×10-5J로 같은 값이 나온다.

문제 3
가연성 증기의 최소착화에너지(MIE)가 0.2[mJ]인 분위기에서, 정전용량 C=150C=150[pF]인 도체가 대전되어 있다.
이 도체의 방전에너지가 MIE를 넘지 않으려면(착화하지 않으려면) 도체가 가질 수 있는 최대 허용 전하량 Q[μC]는 얼마인가? (W=Q22CW=\dfrac{Q^{2}}{2C} 이용, 풀이과정 포함)
정답 및 해설
[모범답안]
착화 방지 조건: W=Q22C≤MIEW = \dfrac{Q^{2}}{2C} \le MIE
∴Qmax=2⋅C⋅MIE=2×150×10−12×0.2×10−3\therefore Q_{max} = \sqrt{2\cdot C\cdot MIE} = \sqrt{2\times150\times10^{-12}\times0.2\times10^{-3}}
=6×10−14=2.45×10−7= \sqrt{6\times10^{-14}} = 2.45\times10^{-7}[C] ≈0.245\approx 0.245[μC]
■ 핵심 채점어: Q=2C⋅WQ=\sqrt{2C\cdot W} / 6×10−14\sqrt{6\times10^{-14}} / 2.45×10−72.45\times10^{-7}C / 0.245μC
※ 근거: 정전에너지 표준식 W=Q²/2C를 전하량에 대해 역풀이(Q=√(2C·W)). 산업안전보건기준에 관한 규칙 제325조 및 최소착화에너지(MIE) 대비 방전에너지 판정 원리.


[해설]

방전에너지가 최소착화에너지(MIE) 이하여야 불이 붙지 않는다. 그래서 W=Q22C≤MIEW=\dfrac{Q^{2}}{2C}\le MIE를 전하량에 대해 푼다.

등호가 성립하는 한계값이 곧 최대 허용 전하량이다.
Qmax=2⋅C⋅MIE=2×150×10−12×0.2×10−3Q_{max}=\sqrt{2\cdot C\cdot MIE}=\sqrt{2\times150\times10^{-12}\times0.2\times10^{-3}}
=6×10−14=2.45×10−7=\sqrt{6\times10^{-14}}=2.45\times10^{-7}[C] ≈ 0.245μC

혼동 주의: pF는 10-12F로, mJ는 10-3J로 바꿔 넣어야 지수가 맞는다.

문제 4
어떤 절연성 액체의 전기전도도(도전율) σ=1×10−12\sigma=1\times10^{-12}[S/m], 비유전율 εs=2.5\varepsilon_{s}=2.5이다. (진공 유전율 ε0=8.85×10−12\varepsilon_{0}=8.85\times10^{-12}[F/m])
(1) 정전기 완화시간(緩和時間) τ\tau[s]를 τ=ε0εsσ\tau=\dfrac{\varepsilon_{0}\varepsilon_{s}}{\sigma} 로 구하시오.
(2) 대전전하가 초기값의 절반(50%)으로 감소하는 반감시간 t1/2t_{1/2}[s]를 구하시오. (t1/2=τ⋅ln⁡2t_{1/2}=\tau\cdot\ln2)
정답 및 해설
[모범답안]
(1) τ=ε0εsσ=8.85×10−12×2.51×10−12=22.125≈22.1\tau = \dfrac{\varepsilon_{0}\varepsilon_{s}}{\sigma} = \dfrac{8.85\times10^{-12}\times2.5}{1\times10^{-12}} = 22.125 \approx 22.1[s]
(2) t1/2=τ⋅ln⁡2=22.125×0.693=15.3t_{1/2} = \tau\cdot\ln2 = 22.125\times0.693 = 15.3[s]
■ 핵심 채점어: τ=ε0εsσ\tau=\dfrac{\varepsilon_{0}\varepsilon_{s}}{\sigma}(=εσ\dfrac{\varepsilon}{\sigma}) / 22.1s / t1/2=τ⋅ln⁡2t_{1/2}=\tau\cdot\ln2 / 15.3s
※ 근거: 유전체 전하완화 표준식 τ=ε/σ=ε₀εₛ/σ=ε₀εₛ·ρ(σ=1/ρ). 지수감쇠 Q(t)=Q₀e^(−t/τ)에서 반감시간 t½=τ·ln2. 정전기 재해예방 기술지침(완화시간 개념) 및 제325조 범주.


[해설]

절연성 액체에 쌓인 전하는 지수적으로 줄어든다. 그 속도를 나타내는 완화시간 τ=ε0εs/σ는 전하가 처음 값의 약 36.8%(1/e)로 줄어드는 데 걸리는 시간이다.

완화시간
τ = ε0εs/σ
= 8.85×10-12×2.5 / (1×10-12)
= 22.125 ≈ 22.1[s]

반감시간
t1/2 = τ·ln2
= 22.125×0.693
= 15.3[s]

τ는 도전율 σ에 반비례한다. 그래서 도전율이 낮은 액체일수록 전하가 오래 남아 위험하다.

문제 5
정전기 완화시간이 τ=20\tau=20[s]인 절연성 액체를 탱크에 주입하였다.
(1) 완화시간의 정의를(대전전하가 초기값의 몇 %로 감소하는 시간인지) 쓰시오.
(2) 대전전하가 초기값의 1%까지 감소하는 데 걸리는 시간 t[s]를 구하시오. (t=τ⋅ln⁡10.01t=\tau\cdot\ln\dfrac{1}{0.01})
(3) 이처럼 주입 후 대전전하가 충분히 누설될 때까지 기다리는 시간을 무엇이라 하는지 쓰시오.
정답 및 해설
[모범답안]
(1) 대전전하(전위)가 초기값의 36.8%(=1/e1/e)로 감소하는 데 걸리는 시간
(2) t=τ⋅ln⁡10.01=τ⋅ln⁡100=20×4.605=92.1t = \tau\cdot\ln\dfrac{1}{0.01} = \tau\cdot\ln100 = 20\times4.605 = 92.1[s]
(3) 정치시간(靜置時間, rest time)
■ 핵심 채점어: 36.8%(1/e1/e) / t=τ⋅ln⁡100t=\tau\cdot\ln100 / 92.1s / 정치시간
※ 근거: 지수감쇠 Q(t)=Q₀·e^(−t/τ)에서 τ는 1/e(36.8%) 도달시간, 임의 잔존율까지의 시간 t=τ·ln(1/잔존율). 정전기 재해예방 기술지침의 정치시간(rest time) 확보 원칙, 제325조 범주.


[해설]

대전전하는 Q(t)=Q0e−t/τQ(t)=Q_{0}e^{-t/\tau} 꼴로 지수감쇠한다. 완화시간 τ는 전하가 초기값의 36.8%(=1/e)로 줄어드는 데 걸리는 시간이다.

1%까지 줄어드는 시간은 잔존율 0.01을 대입해 구한다.
t=τ⋅ln⁡10.01=τ⋅ln⁡100t=\tau\cdot\ln\dfrac{1}{0.01}=\tau\cdot\ln100
=20×4.605=92.1=20\times4.605=92.1[s]

주입 후 전하가 충분히 빠져나갈 때까지 기다리는 시간을 정치시간(rest time)이라 한다. 정치시간이 지나기 전에 검척이나 샘플링을 하면 방전으로 불이 붙을 수 있다.

문제 6
절연성 액체를 배관으로 이송할 때 유동대전에 의해 고립된 금속 용기(도체)에 대전전류 I=2×10−7I=2\times10^{-7}[A]가 t=5t=5[초]간 흘러 전하가 축적되었다. 용기의 정전용량은 C=200C=200[pF]이다.(누설은 무시)
(1) 축적 전하량 Q[C],
(2) 대전전위 V[kV],
(3) 축적 정전에너지 W[mJ]를 구하시오. (풀이과정 포함)
정답 및 해설
[모범답안]
(1) Q=I⋅t=2×10−7×5=1×10−6Q = I\cdot t = 2\times10^{-7}\times5 = 1\times10^{-6}[C]
(2) V=QC=1×10−6200×10−12=5×103V = \dfrac{Q}{C} = \dfrac{1\times10^{-6}}{200\times10^{-12}} = 5\times10^{3}[V] = 5[kV]
(3) W=12QV=12×1×10−6×5×103=2.5×10−3W = \dfrac{1}{2}QV = \dfrac{1}{2}\times1\times10^{-6}\times5\times10^{3} = 2.5\times10^{-3}[J] = 2.5[mJ]
(검산: 12CV2=12×200×10−12×(5×103)2=2.5×10−3\dfrac{1}{2}CV^{2} = \dfrac{1}{2}\times200\times10^{-12}\times(5\times10^{3})^{2} = 2.5\times10^{-3}[J] 일치)
■ 핵심 채점어: Q=I⋅tQ=I\cdot t / 1×10−61\times10^{-6}C / V=QCV=\dfrac{Q}{C} / 5kV / W=12QVW=\dfrac{1}{2}QV / 2.5mJ
※ 근거: 전하량 Q=I·t, 대전전위 V=Q/C, 정전에너지 W=½QV=½CV²(확립식). 유동대전(streaming) 대전전류 개념 및 제325조 정전기 위험관리 범주.


[해설]

대전전류가 흐른 시간만큼 전하가 쌓이므로 Q=I·t → V=Q/C → W=½QV 순서로 이어서 계산한다.

전하량
Q = I·t
= 2×10-7×5
= 1×10-6[C]

대전전위
V = Q/C
= 1×10-6 / (200×10-12)
= 5×103[V] = 5[kV]

정전에너지
W = ½QV
= ½×1×10-6×5×103
= 2.5×10-3[J] = 2.5[mJ]

½CV2 = ½×200×10-12×(5×103)2로 검산해도 2.5×10-3J로 같다.

문제 7
정전기 재해 방지대책은 크게 '정전기 발생 억제'와 '대전된 정전기의 축적 방지(누설·중화)'로 구분할 수 있다.
각 구분에 해당하는 구체적 대책을 각각 2가지 이상 쓰시오.
정답 및 해설
[모범답안]
(1) 발생 억제: 위험물 유속 제한, 상대습도 증가(가습), 접촉·분리·마찰 속도 저감, 대전서열이 가까운 재료 선정, 이물질·불순물 제거
(2) 축적 방지(누설·중화): 도체의 접지 및 본딩(등전위화), 도전성·대전방지 재료 사용, 제전기(除電器) 설치, 정치시간 확보
■ 핵심 채점어: 발생억제 / 유속제한 / 가습 / 축적방지 / 접지·본딩 / 제전기 / 도전성재료
※ 근거: 산업안전보건기준에 관한 규칙 제325조(접지·도전성 재료·가습·제전장치 등 발생억제·제거 조치) 및 정전기 재해예방 기술지침의 대책 체계.


[해설]

산업안전보건기준에 관한 규칙 제325조와 정전기 재해예방 기술지침은 대책을 발생 억제와 축적 방지(누설·중화)로 나눈다.

  • 발생 억제 — 위험물 유속 제한, 가습(상대습도 증가), 접촉·분리·마찰 속도 저감, 대전서열이 가까운 재료 선정, 이물질 제거로 전하가 생기는 것 자체를 줄인다.
  • 축적 방지 — 도체의 접지·본딩, 도전성·대전방지 재료 사용, 제전기 설치, 정치시간 확보로 이미 생긴 전하를 대지로 흘리거나 중화한다.

외우는 요령: 발생 억제는 '덜 만들기'(유속·습도·속도·재료)로, 축적 방지는 '쌓인 것 빼기'(접지·본딩·제전기·정치시간)로 묶어 기억한다.

문제 8
인화성 액체(절연성 위험물)를 배관·탱크로 이송할 때 유속을 제한하는 이유를 정전기 발생 관점에서 설명하고, 유동대전에 의한 정전기 위험을 줄이기 위한 조치를 3가지 쓰시오. (구체적 제한속도 수치는 제외)
정답 및 해설
[모범답안]
이유: 액체의 유속이 빠를수록 배관 벽과의 마찰·유동에 의한 유동대전 전하 발생량과 대전전류가 커져 대전전위·축적에너지가 증가하고, 그 결과 방전(착화) 위험이 커지기 때문이다.
조치(3가지):
① 유속 제한(저속 이송)
② 배관·탱크·용기의 접지 및 본딩(등전위화)
③ 주입 후 정치시간 확보 (그 외 하부주입으로 액면 분출·비산 방지, 도전성 향상 첨가제 사용)
■ 핵심 채점어: 유속↑→유동대전·대전량↑ / 방전(착화)위험 증가 / 유속제한 / 접지·본딩 / 정치시간(하부주입)
※ 근거: 유동대전과 유속의 상관(전하발생량 증가) 및 제325조 접지·정전기 발생억제 조치, 정전기 재해예방 기술지침의 유속제한·접지본딩·정치시간 원칙.


[해설]

유동대전은 액체가 배관 벽과 마찰·분리되면서 전하가 생기는 현상이고, 유속이 빠를수록 전하 발생량과 대전전류가 커진다. 그만큼 대전전위와 축적에너지가 높아져 방전에 의한 착화 위험이 커지므로 유속을 제한한다.

  • 유속 제한 — 저속으로 이송해 전하 발생량 자체를 줄인다.
  • 접지 및 본딩 — 배관·탱크·용기를 서로 연결(본딩)해 같은 전위로 만들고, 접지해 전하를 대지로 흘려보낸다.
  • 정치시간 확보 — 주입한 뒤 일정 시간 그대로 두어 액체 속에 남은 전하가 빠져나간 다음 후속 작업을 한다.

그 밖에 하부주입으로 액면 분출·비산을 막거나 도전성 향상 첨가제를 쓰는 방법도 있다.

문제 9
절연성 인화성 액체를 금속제 드럼 A에서 금속제 용기 B로 옮겨 담는 작업에서, 두 금속 용기가 서로 전기적으로 절연(고립)되어 있다.
(1) 이 상태에서 정전기 방전(불꽃) 위험이 큰 이유를 전위 관점에서 판정·설명하시오.
(2) 이를 방지하기 위한 조치(본딩)를 쓰고 그 원리를 설명하시오.
정답 및 해설
[모범답안]
(1) 위험함. 유동대전으로 두 용기가 서로 다른 전위로 대전되면 두 도체 사이에 전위차가 발생하고, 전위차가 커지면 두 용기 사이에서 불꽃방전이 일어나 인화성 증기의 착화원이 될 수 있다.
(2) 조치: 두 용기를 도선으로 연결하는 본딩(등전위 본딩) 후 접지한다.
원리: 본딩으로 두 도체를 같은 전위(등전위)로 만들어 전위차(방전)를 없애고, 접지로 축적 전하를 대지로 누설시킨다.
■ 핵심 채점어: 전위차→불꽃방전 / 위험(판정) / 본딩(도선연결) / 등전위 / 접지 누설
※ 근거: 두 고립 도체 간 전위차에 의한 불꽃방전 원리 및 등전위 본딩·접지 원칙(제325조, 정전기 재해예방 기술지침).


[해설]

서로 절연된 두 도체는 유동대전으로 각기 다른 전위로 대전된다. 고립된 도체는 전하를 대지로 흘려보내지 못해 전위차가 계속 커진다.

그래서 위험하다고 판정한다. 전위차가 커지면 두 용기 사이에 불꽃방전이 일어나 인화성 증기에 불을 붙이는 착화원이 된다.

조치는 두 용기를 도선으로 잇는 본딩을 한 뒤 접지하는 것이다. 본딩은 두 도체를 같은 전위(등전위)로 만들어 방전 원인인 전위차를 없애고, 접지는 쌓인 전하를 대지로 흘려보낸다.

혼동 주의: 본딩만 하면 두 용기 사이의 방전은 막지만 대지와의 전위차는 남는다. 그래서 접지를 함께 한다.

문제 10
정전기 대전 방지(누설) 목적의 접지와 감전 방지(보호) 목적의 접지는 요구되는 접지저항 수준이 다르다.
(1) 정전기 완화(누설) 목적의 접지가 감전 방지용 접지보다 높은 접지저항이어도 되는 이유를 설명하시오.
(2) 두 목적의 접지저항 요구 수준의 대소 관계를 판정하여 쓰시오.
정답 및 해설
[모범답안]
(1) 정전기 누설은 대전된 미소한 전하를 대지로 서서히 흘려보내기만 하면 완화되므로, 접지저항이 다소 높아도(수 MΩ 수준이어도) 완화 효과에 충분하다. 반면 감전 방지용 접지는 지락·누전 시 큰 고장전류를 안전하게 흘려 대지전위 상승과 접촉전압을 억제해야 하므로 매우 낮은 저항이 필요하다.
(2) 판정 — 요구 접지저항: 감전방지용 접지 ≪\ll 정전기(대전방지)용 접지. 즉 정전기용 접지는 상대적으로 높은 저항이 허용된다.
■ 핵심 채점어: 미소전하 서서히 누설 / 고저항 허용(정전기접지) / 감전방지=저저항 필요 / 감전접지 ≪\ll 정전기접지
※ 근거: 정전기 누설은 미소전류로 충분한 반면 보호접지는 고장전류 처리를 위해 저저항이 요구된다는 확립된 접지 원리(제325조 정전기 접지, 감전방지 접지 목적 대비).


[해설]

접지저항을 얼마나 낮춰야 하는지는 접지로 흘려보내야 할 전류의 크기에 따라 정해진다.

정전기는 미소한 전하를 대지로 서서히 흘려보내기만 하면 완화되므로, 접지저항이 수 MΩ 수준으로 높아도 충분하다. 반면 감전 방지용 접지는 지락·누전 때 큰 고장전류를 흘려 대지전위 상승과 접촉전압을 억제해야 하므로 매우 낮은 저항이 필요하다.

따라서 요구 접지저항의 대소 관계는 감전방지용 접지 ≪ 정전기용 접지이다. 즉 정전기용 접지는 상대적으로 높은 저항이 허용된다.

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총 10문항 · 주관식 · 정답·해설 포함
문제 1
인체(도체)에 축적된 정전기 전하량이 Q=3×10−7Q=3\times10^{-7}[C]이고, 이때 대지에 대한 전위가 V=6V=6[kV]로 측정되었다.
(1) 인체의 정전용량 C[pF]를 구하시오.
(2) 이때 축적된 정전에너지 W[J]를 W=12QVW=\dfrac{1}{2}QV 식으로 구하시오. (풀이과정 포함)
정답 및 해설
[모범답안]
(1) C=QV=3×10−76,000=5×10−11C = \dfrac{Q}{V} = \dfrac{3\times10^{-7}}{6{,}000} = 5\times10^{-11}[F] = 50[pF]
(2) W=12QV=12×3×10−7×6,000=9×10−4W = \dfrac{1}{2}QV = \dfrac{1}{2}\times3\times10^{-7}\times6{,}000 = 9\times10^{-4}[J] = 0.9[mJ]
(검산: W=12CV2=12×50×10−12×6,0002=9×10−4W=\dfrac{1}{2}CV^{2} = \dfrac{1}{2}\times50\times10^{-12}\times6{,}000^{2} = 9\times10^{-4}[J]로 일치)
■ 핵심 채점어: C=QVC=\dfrac{Q}{V} / 50pF(=5×10−115\times10^{-11}F) / W=12QVW=\dfrac{1}{2}QV / 9×10−49\times10^{-4}J / 0.9mJ
※ 근거: 정전에너지 표준식 W=½CV²=½QV=Q²/2C(확립된 전자기학 식), Q=CV 관계식. 산업안전보건기준에 관한 규칙 제325조(정전기로 인한 화재·폭발 등 방지) 정전기 위험관리 범주.


[해설]

인체를 하나의 대전 도체(커패시터)로 보고 Q=CV 관계와 정전에너지 식을 적용한다.

정전용량은 전위를 V 단위로 바꿔 대입한다.
C=QV=3×10−76,000C=\dfrac{Q}{V}=\dfrac{3\times10^{-7}}{6{,}000}
=5×10−11=5\times10^{-11}[F] = 50pF

정전에너지는 전하량과 전위를 그대로 넣는다.
W=12QV=12×3×10−7×6,000W=\dfrac{1}{2}QV=\dfrac{1}{2}\times3\times10^{-7}\times6{,}000
=9×10−4=9\times10^{-4}[J] = 0.9mJ

혼동 주의: 6kV를 6,000V로 바꾸지 않으면 값이 1,000배 틀어진다. W=12CV2W=\dfrac{1}{2}CV^{2}로 검산해도 같은 값이 나온다.

문제 2
정전용량 C=250C=250[pF]인 대전 도체에 전하량 Q=2×10−7Q=2\times10^{-7}[C]이 축적되어 있다.
(1) 대전전위 V[V]를 구하시오.
(2) 축적된 정전에너지 W[J]를 W=Q22CW=\dfrac{Q^{2}}{2C} 식으로 구하시오. (풀이과정 포함)
정답 및 해설
[모범답안]
(1) V=QC=2×10−7250×10−12=800V = \dfrac{Q}{C} = \dfrac{2\times10^{-7}}{250\times10^{-12}} = 800[V]
(2) W=Q22C=(2×10−7)22×250×10−12=4×10−145×10−10=8×10−5W = \dfrac{Q^{2}}{2C} = \dfrac{(2\times10^{-7})^{2}}{2\times250\times10^{-12}} = \dfrac{4\times10^{-14}}{5\times10^{-10}} = 8\times10^{-5}[J] = 0.08[mJ]
(검산: 12QV=12×2×10−7×800=8×10−5\dfrac{1}{2}QV = \dfrac{1}{2}\times2\times10^{-7}\times800 = 8\times10^{-5}[J] 일치)
■ 핵심 채점어: V=QCV=\dfrac{Q}{C} / 800V / W=Q22CW=\dfrac{Q^{2}}{2C} / 8×10−58\times10^{-5}J / 0.08mJ
※ 근거: 정전에너지 표준식 W=Q²/2C(전하·정전용량 기반), 대전전위 V=Q/C. 산업안전보건기준에 관한 규칙 제325조 정전기 위험관리 범주.


[해설]

대전 도체의 전위는 V=Q/C, 축적 정전에너지는 W=Q2/2C로 구한다. 대입할 때 pF는 10-12F로 환산한다.

대전전위
V = Q/C
= 2×10-7 / (250×10-12)
= 800[V]

정전에너지
W = Q2/2C
= (2×10-7)2 / (2×250×10-12)
= 4×10-14 / 5×10-10
= 8×10-5[J] = 0.08[mJ]

½QV = ½×2×10-7×800으로 검산해도 8×10-5J로 같은 값이 나온다.

문제 3
가연성 증기의 최소착화에너지(MIE)가 0.2[mJ]인 분위기에서, 정전용량 C=150C=150[pF]인 도체가 대전되어 있다.
이 도체의 방전에너지가 MIE를 넘지 않으려면(착화하지 않으려면) 도체가 가질 수 있는 최대 허용 전하량 Q[μC]는 얼마인가? (W=Q22CW=\dfrac{Q^{2}}{2C} 이용, 풀이과정 포함)
정답 및 해설
[모범답안]
착화 방지 조건: W=Q22C≤MIEW = \dfrac{Q^{2}}{2C} \le MIE
∴Qmax=2⋅C⋅MIE=2×150×10−12×0.2×10−3\therefore Q_{max} = \sqrt{2\cdot C\cdot MIE} = \sqrt{2\times150\times10^{-12}\times0.2\times10^{-3}}
=6×10−14=2.45×10−7= \sqrt{6\times10^{-14}} = 2.45\times10^{-7}[C] ≈0.245\approx 0.245[μC]
■ 핵심 채점어: Q=2C⋅WQ=\sqrt{2C\cdot W} / 6×10−14\sqrt{6\times10^{-14}} / 2.45×10−72.45\times10^{-7}C / 0.245μC
※ 근거: 정전에너지 표준식 W=Q²/2C를 전하량에 대해 역풀이(Q=√(2C·W)). 산업안전보건기준에 관한 규칙 제325조 및 최소착화에너지(MIE) 대비 방전에너지 판정 원리.


[해설]

방전에너지가 최소착화에너지(MIE) 이하여야 불이 붙지 않는다. 그래서 W=Q22C≤MIEW=\dfrac{Q^{2}}{2C}\le MIE를 전하량에 대해 푼다.

등호가 성립하는 한계값이 곧 최대 허용 전하량이다.
Qmax=2⋅C⋅MIE=2×150×10−12×0.2×10−3Q_{max}=\sqrt{2\cdot C\cdot MIE}=\sqrt{2\times150\times10^{-12}\times0.2\times10^{-3}}
=6×10−14=2.45×10−7=\sqrt{6\times10^{-14}}=2.45\times10^{-7}[C] ≈ 0.245μC

혼동 주의: pF는 10-12F로, mJ는 10-3J로 바꿔 넣어야 지수가 맞는다.

문제 4
어떤 절연성 액체의 전기전도도(도전율) σ=1×10−12\sigma=1\times10^{-12}[S/m], 비유전율 εs=2.5\varepsilon_{s}=2.5이다. (진공 유전율 ε0=8.85×10−12\varepsilon_{0}=8.85\times10^{-12}[F/m])
(1) 정전기 완화시간(緩和時間) τ\tau[s]를 τ=ε0εsσ\tau=\dfrac{\varepsilon_{0}\varepsilon_{s}}{\sigma} 로 구하시오.
(2) 대전전하가 초기값의 절반(50%)으로 감소하는 반감시간 t1/2t_{1/2}[s]를 구하시오. (t1/2=τ⋅ln⁡2t_{1/2}=\tau\cdot\ln2)
정답 및 해설
[모범답안]
(1) τ=ε0εsσ=8.85×10−12×2.51×10−12=22.125≈22.1\tau = \dfrac{\varepsilon_{0}\varepsilon_{s}}{\sigma} = \dfrac{8.85\times10^{-12}\times2.5}{1\times10^{-12}} = 22.125 \approx 22.1[s]
(2) t1/2=τ⋅ln⁡2=22.125×0.693=15.3t_{1/2} = \tau\cdot\ln2 = 22.125\times0.693 = 15.3[s]
■ 핵심 채점어: τ=ε0εsσ\tau=\dfrac{\varepsilon_{0}\varepsilon_{s}}{\sigma}(=εσ\dfrac{\varepsilon}{\sigma}) / 22.1s / t1/2=τ⋅ln⁡2t_{1/2}=\tau\cdot\ln2 / 15.3s
※ 근거: 유전체 전하완화 표준식 τ=ε/σ=ε₀εₛ/σ=ε₀εₛ·ρ(σ=1/ρ). 지수감쇠 Q(t)=Q₀e^(−t/τ)에서 반감시간 t½=τ·ln2. 정전기 재해예방 기술지침(완화시간 개념) 및 제325조 범주.


[해설]

절연성 액체에 쌓인 전하는 지수적으로 줄어든다. 그 속도를 나타내는 완화시간 τ=ε0εs/σ는 전하가 처음 값의 약 36.8%(1/e)로 줄어드는 데 걸리는 시간이다.

완화시간
τ = ε0εs/σ
= 8.85×10-12×2.5 / (1×10-12)
= 22.125 ≈ 22.1[s]

반감시간
t1/2 = τ·ln2
= 22.125×0.693
= 15.3[s]

τ는 도전율 σ에 반비례한다. 그래서 도전율이 낮은 액체일수록 전하가 오래 남아 위험하다.

문제 5
정전기 완화시간이 τ=20\tau=20[s]인 절연성 액체를 탱크에 주입하였다.
(1) 완화시간의 정의를(대전전하가 초기값의 몇 %로 감소하는 시간인지) 쓰시오.
(2) 대전전하가 초기값의 1%까지 감소하는 데 걸리는 시간 t[s]를 구하시오. (t=τ⋅ln⁡10.01t=\tau\cdot\ln\dfrac{1}{0.01})
(3) 이처럼 주입 후 대전전하가 충분히 누설될 때까지 기다리는 시간을 무엇이라 하는지 쓰시오.
정답 및 해설
[모범답안]
(1) 대전전하(전위)가 초기값의 36.8%(=1/e1/e)로 감소하는 데 걸리는 시간
(2) t=τ⋅ln⁡10.01=τ⋅ln⁡100=20×4.605=92.1t = \tau\cdot\ln\dfrac{1}{0.01} = \tau\cdot\ln100 = 20\times4.605 = 92.1[s]
(3) 정치시간(靜置時間, rest time)
■ 핵심 채점어: 36.8%(1/e1/e) / t=τ⋅ln⁡100t=\tau\cdot\ln100 / 92.1s / 정치시간
※ 근거: 지수감쇠 Q(t)=Q₀·e^(−t/τ)에서 τ는 1/e(36.8%) 도달시간, 임의 잔존율까지의 시간 t=τ·ln(1/잔존율). 정전기 재해예방 기술지침의 정치시간(rest time) 확보 원칙, 제325조 범주.


[해설]

대전전하는 Q(t)=Q0e−t/τQ(t)=Q_{0}e^{-t/\tau} 꼴로 지수감쇠한다. 완화시간 τ는 전하가 초기값의 36.8%(=1/e)로 줄어드는 데 걸리는 시간이다.

1%까지 줄어드는 시간은 잔존율 0.01을 대입해 구한다.
t=τ⋅ln⁡10.01=τ⋅ln⁡100t=\tau\cdot\ln\dfrac{1}{0.01}=\tau\cdot\ln100
=20×4.605=92.1=20\times4.605=92.1[s]

주입 후 전하가 충분히 빠져나갈 때까지 기다리는 시간을 정치시간(rest time)이라 한다. 정치시간이 지나기 전에 검척이나 샘플링을 하면 방전으로 불이 붙을 수 있다.

문제 6
절연성 액체를 배관으로 이송할 때 유동대전에 의해 고립된 금속 용기(도체)에 대전전류 I=2×10−7I=2\times10^{-7}[A]가 t=5t=5[초]간 흘러 전하가 축적되었다. 용기의 정전용량은 C=200C=200[pF]이다.(누설은 무시)
(1) 축적 전하량 Q[C],
(2) 대전전위 V[kV],
(3) 축적 정전에너지 W[mJ]를 구하시오. (풀이과정 포함)
정답 및 해설
[모범답안]
(1) Q=I⋅t=2×10−7×5=1×10−6Q = I\cdot t = 2\times10^{-7}\times5 = 1\times10^{-6}[C]
(2) V=QC=1×10−6200×10−12=5×103V = \dfrac{Q}{C} = \dfrac{1\times10^{-6}}{200\times10^{-12}} = 5\times10^{3}[V] = 5[kV]
(3) W=12QV=12×1×10−6×5×103=2.5×10−3W = \dfrac{1}{2}QV = \dfrac{1}{2}\times1\times10^{-6}\times5\times10^{3} = 2.5\times10^{-3}[J] = 2.5[mJ]
(검산: 12CV2=12×200×10−12×(5×103)2=2.5×10−3\dfrac{1}{2}CV^{2} = \dfrac{1}{2}\times200\times10^{-12}\times(5\times10^{3})^{2} = 2.5\times10^{-3}[J] 일치)
■ 핵심 채점어: Q=I⋅tQ=I\cdot t / 1×10−61\times10^{-6}C / V=QCV=\dfrac{Q}{C} / 5kV / W=12QVW=\dfrac{1}{2}QV / 2.5mJ
※ 근거: 전하량 Q=I·t, 대전전위 V=Q/C, 정전에너지 W=½QV=½CV²(확립식). 유동대전(streaming) 대전전류 개념 및 제325조 정전기 위험관리 범주.


[해설]

대전전류가 흐른 시간만큼 전하가 쌓이므로 Q=I·t → V=Q/C → W=½QV 순서로 이어서 계산한다.

전하량
Q = I·t
= 2×10-7×5
= 1×10-6[C]

대전전위
V = Q/C
= 1×10-6 / (200×10-12)
= 5×103[V] = 5[kV]

정전에너지
W = ½QV
= ½×1×10-6×5×103
= 2.5×10-3[J] = 2.5[mJ]

½CV2 = ½×200×10-12×(5×103)2로 검산해도 2.5×10-3J로 같다.

문제 7
정전기 재해 방지대책은 크게 '정전기 발생 억제'와 '대전된 정전기의 축적 방지(누설·중화)'로 구분할 수 있다.
각 구분에 해당하는 구체적 대책을 각각 2가지 이상 쓰시오.
정답 및 해설
[모범답안]
(1) 발생 억제: 위험물 유속 제한, 상대습도 증가(가습), 접촉·분리·마찰 속도 저감, 대전서열이 가까운 재료 선정, 이물질·불순물 제거
(2) 축적 방지(누설·중화): 도체의 접지 및 본딩(등전위화), 도전성·대전방지 재료 사용, 제전기(除電器) 설치, 정치시간 확보
■ 핵심 채점어: 발생억제 / 유속제한 / 가습 / 축적방지 / 접지·본딩 / 제전기 / 도전성재료
※ 근거: 산업안전보건기준에 관한 규칙 제325조(접지·도전성 재료·가습·제전장치 등 발생억제·제거 조치) 및 정전기 재해예방 기술지침의 대책 체계.


[해설]

산업안전보건기준에 관한 규칙 제325조와 정전기 재해예방 기술지침은 대책을 발생 억제와 축적 방지(누설·중화)로 나눈다.

  • 발생 억제 — 위험물 유속 제한, 가습(상대습도 증가), 접촉·분리·마찰 속도 저감, 대전서열이 가까운 재료 선정, 이물질 제거로 전하가 생기는 것 자체를 줄인다.
  • 축적 방지 — 도체의 접지·본딩, 도전성·대전방지 재료 사용, 제전기 설치, 정치시간 확보로 이미 생긴 전하를 대지로 흘리거나 중화한다.

외우는 요령: 발생 억제는 '덜 만들기'(유속·습도·속도·재료)로, 축적 방지는 '쌓인 것 빼기'(접지·본딩·제전기·정치시간)로 묶어 기억한다.

문제 8
인화성 액체(절연성 위험물)를 배관·탱크로 이송할 때 유속을 제한하는 이유를 정전기 발생 관점에서 설명하고, 유동대전에 의한 정전기 위험을 줄이기 위한 조치를 3가지 쓰시오. (구체적 제한속도 수치는 제외)
정답 및 해설
[모범답안]
이유: 액체의 유속이 빠를수록 배관 벽과의 마찰·유동에 의한 유동대전 전하 발생량과 대전전류가 커져 대전전위·축적에너지가 증가하고, 그 결과 방전(착화) 위험이 커지기 때문이다.
조치(3가지):
① 유속 제한(저속 이송)
② 배관·탱크·용기의 접지 및 본딩(등전위화)
③ 주입 후 정치시간 확보 (그 외 하부주입으로 액면 분출·비산 방지, 도전성 향상 첨가제 사용)
■ 핵심 채점어: 유속↑→유동대전·대전량↑ / 방전(착화)위험 증가 / 유속제한 / 접지·본딩 / 정치시간(하부주입)
※ 근거: 유동대전과 유속의 상관(전하발생량 증가) 및 제325조 접지·정전기 발생억제 조치, 정전기 재해예방 기술지침의 유속제한·접지본딩·정치시간 원칙.


[해설]

유동대전은 액체가 배관 벽과 마찰·분리되면서 전하가 생기는 현상이고, 유속이 빠를수록 전하 발생량과 대전전류가 커진다. 그만큼 대전전위와 축적에너지가 높아져 방전에 의한 착화 위험이 커지므로 유속을 제한한다.

  • 유속 제한 — 저속으로 이송해 전하 발생량 자체를 줄인다.
  • 접지 및 본딩 — 배관·탱크·용기를 서로 연결(본딩)해 같은 전위로 만들고, 접지해 전하를 대지로 흘려보낸다.
  • 정치시간 확보 — 주입한 뒤 일정 시간 그대로 두어 액체 속에 남은 전하가 빠져나간 다음 후속 작업을 한다.

그 밖에 하부주입으로 액면 분출·비산을 막거나 도전성 향상 첨가제를 쓰는 방법도 있다.

문제 9
절연성 인화성 액체를 금속제 드럼 A에서 금속제 용기 B로 옮겨 담는 작업에서, 두 금속 용기가 서로 전기적으로 절연(고립)되어 있다.
(1) 이 상태에서 정전기 방전(불꽃) 위험이 큰 이유를 전위 관점에서 판정·설명하시오.
(2) 이를 방지하기 위한 조치(본딩)를 쓰고 그 원리를 설명하시오.
정답 및 해설
[모범답안]
(1) 위험함. 유동대전으로 두 용기가 서로 다른 전위로 대전되면 두 도체 사이에 전위차가 발생하고, 전위차가 커지면 두 용기 사이에서 불꽃방전이 일어나 인화성 증기의 착화원이 될 수 있다.
(2) 조치: 두 용기를 도선으로 연결하는 본딩(등전위 본딩) 후 접지한다.
원리: 본딩으로 두 도체를 같은 전위(등전위)로 만들어 전위차(방전)를 없애고, 접지로 축적 전하를 대지로 누설시킨다.
■ 핵심 채점어: 전위차→불꽃방전 / 위험(판정) / 본딩(도선연결) / 등전위 / 접지 누설
※ 근거: 두 고립 도체 간 전위차에 의한 불꽃방전 원리 및 등전위 본딩·접지 원칙(제325조, 정전기 재해예방 기술지침).


[해설]

서로 절연된 두 도체는 유동대전으로 각기 다른 전위로 대전된다. 고립된 도체는 전하를 대지로 흘려보내지 못해 전위차가 계속 커진다.

그래서 위험하다고 판정한다. 전위차가 커지면 두 용기 사이에 불꽃방전이 일어나 인화성 증기에 불을 붙이는 착화원이 된다.

조치는 두 용기를 도선으로 잇는 본딩을 한 뒤 접지하는 것이다. 본딩은 두 도체를 같은 전위(등전위)로 만들어 방전 원인인 전위차를 없애고, 접지는 쌓인 전하를 대지로 흘려보낸다.

혼동 주의: 본딩만 하면 두 용기 사이의 방전은 막지만 대지와의 전위차는 남는다. 그래서 접지를 함께 한다.

문제 10
정전기 대전 방지(누설) 목적의 접지와 감전 방지(보호) 목적의 접지는 요구되는 접지저항 수준이 다르다.
(1) 정전기 완화(누설) 목적의 접지가 감전 방지용 접지보다 높은 접지저항이어도 되는 이유를 설명하시오.
(2) 두 목적의 접지저항 요구 수준의 대소 관계를 판정하여 쓰시오.
정답 및 해설
[모범답안]
(1) 정전기 누설은 대전된 미소한 전하를 대지로 서서히 흘려보내기만 하면 완화되므로, 접지저항이 다소 높아도(수 MΩ 수준이어도) 완화 효과에 충분하다. 반면 감전 방지용 접지는 지락·누전 시 큰 고장전류를 안전하게 흘려 대지전위 상승과 접촉전압을 억제해야 하므로 매우 낮은 저항이 필요하다.
(2) 판정 — 요구 접지저항: 감전방지용 접지 ≪\ll 정전기(대전방지)용 접지. 즉 정전기용 접지는 상대적으로 높은 저항이 허용된다.
■ 핵심 채점어: 미소전하 서서히 누설 / 고저항 허용(정전기접지) / 감전방지=저저항 필요 / 감전접지 ≪\ll 정전기접지
※ 근거: 정전기 누설은 미소전류로 충분한 반면 보호접지는 고장전류 처리를 위해 저저항이 요구된다는 확립된 접지 원리(제325조 정전기 접지, 감전방지 접지 목적 대비).


[해설]

접지저항을 얼마나 낮춰야 하는지는 접지로 흘려보내야 할 전류의 크기에 따라 정해진다.

정전기는 미소한 전하를 대지로 서서히 흘려보내기만 하면 완화되므로, 접지저항이 수 MΩ 수준으로 높아도 충분하다. 반면 감전 방지용 접지는 지락·누전 때 큰 고장전류를 흘려 대지전위 상승과 접촉전압을 억제해야 하므로 매우 낮은 저항이 필요하다.

따라서 요구 접지저항의 대소 관계는 감전방지용 접지 ≪ 정전기용 접지이다. 즉 정전기용 접지는 상대적으로 높은 저항이 허용된다.