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산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산) 해설 페이지

산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)
    1산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)
    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)
    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.
    2산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)
    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)
    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.
    3산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)
    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)
    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.
    4산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)
    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)
    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.
    5산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)
    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.
    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.
    6산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)
    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)
    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.
    7산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)
    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.
    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.
    8산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)
    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)
    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.
    9산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)
    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.
    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).
    10산업안전기사 실기 신출대비 — 7.정전기 위험관리(계산)
    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.
    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).