2.1 8200호대 전기기관차 보조전원장치 구조 및 기능

그림. 1은 8200호대 전기기관차의 전력변환 회로도를 나타낸 것으로 전력변환장치는 컨버터와 인버터로 구성된 전력변환부 및 유도전동기, 제어시스템으로 이루어진 추진시스템과 송풍기, 차량 내 조명 등 기타 부하에 전원을 공급하는 보조전원장치 등으로 구분할 수 있다. 보조전원장치는 주변압기에서 공급되는 단상 AC전원을 변환하여 전기기관차의 송풍기 및 다른 보조전력 부하에 가변전원을 공급하며 12량의 객차에 전원 공급이 가능하도록 설계하였다. 절연구간 진입 시에는 전차선으로부터 전원 공급이 차단되는 대신 기관차에 순간적으로 회생제동을 걸어 발생하는 전력으로 객차에 끊임없는 전원 공급이 가능하다. 내부에는 80[kVA] 정격출력을 갖는 두 개의 동일한 인버터가 내장된다. 따라서 한 개의 보조전원장치를 설치한 전기기관차는 160[kVA]의 보조전원 출력을 갖으며 한 개의 보조전원장치가 고장 시 나머지 보조전원장치로 연장급전이 가능하도록 2중계의 장치로 구성되어 있다. 개발품은 기존품 대비 용량을 20[kVA] 증가시켰으며, 가장 큰 차이는 기존품의 경우 내부 부품이 단일구조로 이루어져 차상에서 분해하는 것이 매우 어려웠던 반면 개발품은 모듈구조의 단위부품 형식으로 설계되어 차상에서의 신속한 유지보수가 가능해졌다. 또한 장치 제어의 성능 향상을 위해 새로운 PWM 제어방식인 PLL(Phase locked loop) 제어기법을 개발 및 적용하였다.

2.2 수명주기비용 평가모델 및 비용 산정 방법

본 논문에서 채택한 수명주기비용 분석 규격은 IEC 60300-3-3으로 수명주기비용의 개념에 대한 일반적인 내용을 담고 있으며, 분석 단계에 대한 구성이 체계적으로 기술되어 있어 적용하기에 가장 적합한 규격으로 판단하였다. 다만 직접적으로 적용하기에는 한계가 있어 보조전원장치의 특성에 맞게 식(1)과 같이 평가모델을 작성하였으며, 각각 예방정비비(preventive maintenance), 고장정비비(corrective maintenance), 운영비(operation)를 나타낸다⁽²⁾.

수명주기비용 산정방법은 총 3가지로 단순합계법, 현재가치법, 연간비용환산법으로 나뉘는데 분석 대상에 따라 적용 방법에 차이가 있다. 단순합계법은 비용 계산 시 별도의 할인율을 적용하지 않아 분석 기간이 짧은 시스템에 적용하며, 현재가치법은 수명주기에 따라 발생하는 비용을 특정시점에 지불할 경우의 비용을 환산하는 방식이다. 연간비용환산법은 각 항목별 지출 비용에 할인율을 적용하여 현재 가치로 환산 후 전체 비용을 매년 같은 금액으로 균등 지불하는 방식이다. 철도차량 및 전장품의 경우 수명주기가 비교적 길며 비용에 대해 시간 변화에 따른 가치를 고려해야 하므로 현재가치법이 보조전원장치 수명주기비용 분석에 적합하다. 식(2)는 현재가치법에 따른 비용 산정식을 나타낸다.

여기서 C_t는 t년 동안 발생한 모든 항목 비용을, N은 총 분석 기간을 나타내며, d는 할인율을 의미한다⁽³⁾.

2.3 보조전원장치 계층구조 분석

전기기관차 보조전원장치의 수명주기비용 모델을 개발하고 전기기관차의 수명주기 동안 유지보수 활동으로 인하여 발생하는 비용요소 부분을 분석하기 위해 각 시스템을 구성하고 있는 부품을 그림. 2와 같이 기능적/공간적, 물리적/전기적 인터페이스를 고려하여 작성하였으며, 표 1은 분류체계 기반 LRU(Line Replacement Unit) 단위로 계층적 분류를 한 후 각 부품의 기능을 정리한 PBS 분석 결과이다⁽⁴⁾.

2.4 비용평가모델 기반 관련자료 수집

2.2절에서 제시한 비용평가모델을 바탕으로 각 항목별 비용 산정방식을 표 2와 같이 정리하였다. 유지 보수비는 예방정비비 및 고장정비비의 합을 의미하며, 기타비용은 유지보수 시 소요되는 공구비 등으로 간접 운영비에 해당한다.

운영비 산정에 필요한 MH(Man-Hour)는 표 3의 최근 5년간 한국철도공사 직원평균보수에 근거하여 산정하였다. 1인당 연평균 보수 기준 평균 근무일수를 바탕으로 1인당 1일 임율을 계산하였다. 유지보수에 소요되는 전력의 경우 용산과 부산 전기기관차정비창의 5년간 전력소비량을 바탕으로 보조전원장치 및 관련 장비에 소요되는 전력량을 산출하였다.

예방정비비 및 고장정비비는 차량 유지보수에 따라 발생하는 비용으로 부품 내구연한 도래 또는 고장으로 인한 부품 교체비와 정비에 필요한 노동력의 인건비, 정비종류에 따른 보조전원장치 검사항목 및 검수비율로 구성된다.

전기기관차의 정비종류 및 주기는 표 4와 같이 크게 기본정비(ES), 경정비(LI), 중정비(GI)로 이루어져 있어 주행거리와 회기한도에 따라 유지보수가 이루어진다. 각 정비에 따른 설비별 검사항목은 표 5와 같으며, 전체 검사항목 중 보조전원장치에 해당하는 항목을 분류하여 정비종류별 보조전원장치 검수비율을 산출하였다⁽⁵⁾.

부품 수명 도래 또는 고장에 따른 교체주기를 산정하기 위해서는 실제 필드 데이터 상의 고장이력을 기반하여 통계적으로 추정을 하지만 본 논문과 같이 분석하고자 하는 대상의 고장이력이 없는 신규 개발 부품의 경우 고장데이터에 대한 취득이 어렵다. 따라서 보조전원장치 개발품의 계층구조를 기준으로 고장률 예측 및 고장수목 분석을 실시하여 부품의 수명을 예측하였다.

전자 부품 및 기계 부품의 정상상태 고장률은 Telcordia, MIL-HDBK-217, NSWC 등과 같은 기준서, EPRD, NPRD와 같은 데이터북 및 제조사에서 제공하는 수명자료를 적용하여 예측이 가능하다. 보조전원장치 개발품에 대해서는 Telcordia사의 SR-332를 기준으로 고장률 예측을 실시하였다. SR-332에서 제시하는 고장률 계산식은 식(3)과 같다⁽⁶⁾.

각각 부품의 일반 정상상태 고장률, 품질 요소, 전기적 스트레스 백분율에 따른 부품 스트레스 요소, 정상상태에서 일반 동작 온도에 근거한 부품 온도 요소, 부품의 수량을 의미한다. 각 요소에 부합하는 조건과 값을 적용하여 부품 고장률을 산출하였으며, 기본적인 조건으로 품질수준은 Ⅱ레벨을 적용하고 전기적 스트레스와 온도 스트레스는 각각 50%, 여름철 평균 외기온도 기준 40℃로 정하였다. 예측 결과는 표 6과 같다.

2.5 RBD 및 FTA에 따른 시스템 고장률과 평균수명

신뢰성 블록도(Reliability Blcok Diagram, 이하 RBD)는 부품이 주어진 기능을 수행하기 위해 정상적으로 동작하여야 하는 내부 구성 하드웨어 간의 연결 관계도를 의미한다. 고장수목분석(Fault Tree Analysis, 이하 FTA)은 시스템 고장을 발생시키는 원인들과의 관계를 논리 기호(AND, OR 등)로 표현하고 이를 나뭇가지 형태(Fault Tree)로 모델링하여 시스템의 고장확률을 구하는 신뢰도 분석 방법이다. 일반적으로 시스템의 구성형태에 따라 계산식과 분석방법이 달라지며 직렬구조와 병렬구조의 두 가지 형태로 구분된다. 부품 하나의 고장이 상위 부품 고장으로 연결될 경우 직렬구조, 2개 이상의 부품 고장이 발생 시 상위 부품 결함으로 연결될 경우 병렬구조라 하며, 보조전원장치는 직렬구조 형태를 가지고 있다. 분석은 PBS의 2 Level 기준으로 실시하였으며, 그림. 3은 2 Level 구성품 중 하나인 PWM 전력모듈에 대한 RBD 및 FT를 나타낸다⁽⁷⁾.

SR-332에서는 직렬구조로 구성된 시스템의 신뢰도 계산식을 제시하고 있으며, 각 부품의 수명이 지수분포를 따를 경우 직렬 시스템의 신뢰도(R_S(t))와 평균수명(MTBF_S)은 각각 식(4)와 식(5)로 산출한다.

보조전원장치 계층구조 기준 Level-2 단위에서의 구성품에 대해 RBD 및 FT를 작성하여 각각의 고장률과 평균수명에 대해 분석한 결과를 정리해보면 표 7과 같다. 분석한 결과에 따르면 보조전원장치는 하루 16시간 운행하여 1년동안 5,840시간 운행할 경우 전체 시스템의 평균 수명은 92,104시간으로 약 15.7년으로 추정이 가능하다.

2.6 보조전원장치 수명주기비용 예측

수명주기비용 예측을 수행하기 위한 조건은 다음과 같다. 기본적으로 유지보수와 운영에 초점을 맞추어 분석을 수행하였으며 할인율은 철도가 공공재의 특성을 가짐에 따라 기획재정부에서 고시한 사회적 할인율을 적용하였다. 총 분석기간은 기관차 평균 내구연한을 고려하여 30년으로 설정하였고 기타 분석에 필요한 자료는 한국철도공사 직원평균보수 및 유지보수 매뉴얼을 참조하여 분석을 실시하였다.

그림. 4는 보조전원장치 년도별 LCC 누적비용과 예방정비비의 누적비용을 보여준다. 15년에서 18년차 사이에 수명주기비용이 급격히 증가함을 확인할 수 있었는데 이는 내구연한에 따라 부품 교체가 이루어지며 유지보수 비용이 증가하기 때문이다. 이 외에 물가 상승률에 따른 인건비 증가와 노후로 인한 고장정비비 증가로 전체적인 비용은 일정하게 증가하는 그래프를 보이고 있다. 그림. 5는 보조전원장치 주요부품의 수명주기비용 예측 결과로 전반적으로 주기적인 정비에 따른 예방정비 비용과 부품 고장 및 내구연한에 의한 부품 교체로 재료비의 비중이 높았다. 다만 예외적으로 PWM 전력모듈의 경우 고장정비 비용이 가장 높은 비중을 차지했는데 이는 정비를 통한 부품 교체수가 많이 때문이다.

2.7 기존품과의 LCC 비교분석 및 민감도 분석

도출한 보조전원장치 개발품 수명주기비용을 기준으로 기존품 대비 LCC 절감 비율에 대해 확인하고자 동일한 방법으로 기존품에 대한 수명주기비용 분석도 실시하였으며, 비교 결과는 그림. 6과 같다.

초기 도입 비용에서는 개발품에 대한 도입비용 발생으로 기존품의 비용이 더 낮았으나 년 수가 증가할수록 기존품에 대한 유지보수비용이 증가하면서 평균 약 25%에서 38%까지의 차이를 보였으며, 최대비용 차이를 보이는 구간에서는 약 42%의 차이를 보였다. 최대차이를 보이는 구간은 기존품의 내구연한 도래에 의한 부품 교체 시기와 맞물려 기존품 유지보수 비용의 증가가 발생했기 때문이다. 30년까지 사용 시 수명주기비용 차이는 약 32%로 3.5억원의 비용 절감이 가능함을 확인하였다. 절감이 가능한 주원인은 부품 국산화로 인한 보수품 취득단가의 절감과 부품 신뢰성 개선으로 인한 고장률 및 부품 교체주기 감소로 볼 수 있다.

이 중에서도 교체주기의 감소가 비용 감소의 가장 큰 원인으로 꼽혀 부품의 고장 간 간격인 MTBF의 변화에 따라 얼마만큼 비용을 추가적으로 감소시킬 수 있는지에 대해 확인하고자 MTBF의 민감도 분석을 실시하였다. MTBF가 증가할 경우 물가 상승률에 의해 재료비는 상승할 수 있으나, 부품 사용 시간이 증대되어 미래 비용은 감소하게 된다. 분석을 위해 각 주요부품의 MTBF를 –50%에서 +50%까지 5% 단위별로 변화시켜 민감도 분석을 실시하였다. 분석 결과를 그래프로 나타냈으며 그림. 7과 같다.

처음 기준값에서 10~15%까지는 비용이 감소하였으나 15%를 지나는 시점부터 감소폭이 급격히 낮아졌다. 이는 MTBF가 10~ 15% 가량 증가하는 것은 전체적인 비용 절감 효과를 볼 수 있으나, 그 이상의 증가는 높은 품질로 인하여 신뢰성은 증가하겠지만 비용 대비 효율이 매우 낮다는 것을 보여준다. 민감도 분석 결과를 바탕으로 추후 비용절감을 위한 부품 품질 개선 시 일정 수준에서의 품질관리가 필요함을 확인하였다.