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1960년대부터 국내 철도차량 제작이 시작되어, 1990년대 이후에는 국내 운영 철도차량은 대부분 국산화 기술개발이 이루어지고 있다.¹⁾ 이러한 기술개발과는 별개로 철도차량의 운행 중 발생하는 고장으로 인해 승객의 불편이나 가용도가 떨어지고, 중요 고장의 경우 열차지연, 승객불편, 교통혼란 등을 초래하게 된다. 이에 따라 전동차를 구성하는 장치들의 신뢰성이 중요하게 요구되고 있다.

철도산업의 발전에 따라 유럽에서는 1999년에 철도 RAMS(Reliability, Availability, Maintainability and Safety)에 대한 유럽규격인 EN 50126을 발간하였다. EN 50126은 2002년 9월에 IEC 62278³⁾로 국제 규격으로 제정되었다. 이러한 규격을 바탕으로 해외 대부분의 철도 프로젝트 사양서에는 어떤 형태로든 RAMS 요구사항이 반영되고 있다.²⁾

현재 국내 철도 운영기관은 철도안전법 내 철도안전관리체계 기술기준에 따라 신규 차량 및 부품을 도입하고자 할 때 RAMS 분석 결과를 필수적으로 요구하고 있다. 이는 IEC 62278³⁾ 및 IEC 62279⁴⁾를 기반으로 시스템 생명주기에 따른 RAM 및 안전성 활동을 적용하여 최적의 유지보수 관리 방안을 찾는 것이 목적이다. 또한 최근 들어 철도 운영사에서는 운영 유지보수 비용을 예측하기 위하여 RAMS 분석 결과를 바탕으로 한 수명주기비용(Life Cycle Cost, LCC) 분석 결과를 요구하고 있다. 하지만 제대로 된 RAMS 분석 수행에는 데이터 관리 미흡, 분석 능력 및 인력의 부족, 분석 결과의 활용 부재 등 많은 어려움이 존재한다.⁵⁾

이에 본 연구에서는 RAMS 국제 기준서인 IEC 62278에서 요구하는 절차에 따라 동력분산식 고속철도 차량용 모듈형 주회로 차단시스템에 대한 고장률 예측, 신뢰성 분석, 고장유형 및 영향 분석 및 유지보수성 분석을 수행하였으며, 그에 따른 수명주기비용을 추정하였다. 추정된 수명주기비용의 절감을 위한 방안을 적용하여 비용절감 효과를 확인하였다.

모듈형 주회로 차단시스템은 전기동차의 지붕에 탑재되는 장치로서, 가선 전원으로부터 전원을 입력받아 차량을 기동하며, 이상 전류 발생 시 주회로 차단기가 개방되어 전원을 차단하고, 주회로 내의 충전전압을 접지스위치를 통해 방전시켜 차량 내 고압 장치의 보호를 목적으로 하는 장치이다.

모듈형 주회로 차단시스템은 주회로 차단기, 접지스위치, 단로기, 진공차단부, 계기용 변압기, 전류용 변압기, 피뢰기, 진단감시장치 등으로 구성되어 있다. 주회로 차단기는 진공 인터럽터를 포함하는 진공차단부와 진공차단부의 개폐 동작을 위한 조작기구부와 동작을 위한 신호및 압력을 제어하는 제어부로 구성되어 있다. 진공차단부의 핵심 부품인 진공 인터럽터는 전원의 통전과 차단을 담당하는 부품으로 진공상태의 높은 절연내력과 전자기력을 이용한 아크소호 성능을 바탕으로 차단기의 소형화 및 경량화를 가능하나 해당 성능을 유지하기 위해서는 진공 인터럽터 동작 수명내에 고진공도 유지, 개폐접점의 내구성 등의 고신뢰성 요구된다. 단일 박스 내에 각종 기기를 모두 통합 설치하여 외부 상황변화(기온, 습도, 비 또는 눈, 압력 등)에 의한 영향을 최소화하고 외부로부터의 충격으로부터 보호하여 제품의 신뢰성 및 전력공급 안정성을 확보하기 위하여 박스형태로 모듈화하였다. Fig 1과 Fig. 2에 시스템의 구성과 모듈박스 주회로 구성도를 나타내었다.

Fig. 1 
Main circuit breaker system for EMU

Fig. 2 
Main circuit diagram for module box

수명주기(Life Cycle)란 제품의 계획에서부터 폐기까지에 이르는 전 과정을 나타내는 용어로 일반적으로 계획단계, 설계단계, 입찰 및 계약단계, 시공단계, 인도관계, 유지관리단계, 해체, 폐기단계 등 모든 단계를 포함한다. 따라서 철도차량의 수명주기비용은 철도차량의 수명주기 동안 발생하는 모든 비용 즉 계획, 설계, 시공, 유지관리, 해체, 폐기 등에 소요되는 전체 비용을 의미한다. 일반적인 수명주기비용은 식 (6)과 같이 구성된다.

수명주기비용 추정 대상은 현장교체단위(LRU)를 기준으로 구성한 PBS를 기준으로 수행하였으며, 아래의 Table 5와 같이 LCC 분석에는 RAM 분석 단계별로 요구되는 파라메터들이 존재한다. 아이템의 고장확률 또는 기능열화를 줄이기 위해 미리 정해진 간격 또는 규정된 기준에 따라 수행되는 예방보전에 대한 비용과 결함 인식 후에 아이템이 요구기능을 수행할 수 있는 상태가 되도록 복구하기 위해 수행되는 사후보전에 대한 비용 등을 적용하여 분석을 수행하였다.

식 (7)은 유지보수비용으로 기본적으로 인건비와 재료비로 구성되며, 전체 수명주기 동안의 유지보수 시행 횟수, 아이템 수량, 인건비 단가 등을 고려하여 그에 따른 각각의 비용을 산출하였다.

고속열차의 기대수명(30년) 동안 매년 발생하는 수명주기비용 추정 결과와 항목별 비율을 Fig. 6과 Fig. 7에 나타내었다. 고속열차 1편성에 대한 주회로 차단기의 전체 수명주기비용은 약 4억4천6백만 원 정도이며, 전체 비용에서 초기 구매 20%, 10년마다 교체하는 부품 비용 12%, 사후 유지보수 비용 16%, 예방 유지보수 비용이 약 52% 정도 차지하였다. 하지만 이러한 유지보수 항목은 고장률과 유지보수 계획에 의한 예측 결과이며, 수명주기 동안 발생할 수 있는 많은 불확실성이 존재하기 때문에 정확성을 보장하기 어렵다. 따라서 수명주기의 단계에 따른 LCC 절감을 위한 고려사항을 아래와 같이 정리하였다.

Fig. 6 
LCC result for module-type MCB

Fig. 7 
LCC ratio by element

1) 계획단계 : 타당성 평가에 사용되는 비용정보를 통해 수명주기를 체계적으로 인식하게 하고, 사용가치에 대한 초기 투입비용 및 유지보수 비용의 균형점을 찾는다.

2) 설계단계 : 수명주기에서 발생하는 다양한 불확실성 제약조건을 수치화하여 경제적인 설계대안을 마련한다.

3) 제작단계 : 제작사에 적합한 차량/설비 제작공법과 자원을 선택하게 하고, 원가분석의 합리성에 도움을 주어 높은 품질의 차량/설비를 제작한다.

4) 운영 및 유지보수 단계 : 제작된 차량/설비의 유지보수, 외부 환경적 변화 요인 등을 예측하여 자산 가치에 대한 불확실성에 대비할 수 있는 운영비용의 변화를 비교 분석한다.

설계단계 및 유지보수 단계의 LCC 절감 방안을 적용한 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 고속열차 1편성당 기대수명(30년) 동안 약 4천만 원 정도의 비용절감 효과를 보인다. 이를 국내에서 운용되는 고속열차 1,500여 량(110여 편성, 2020년 기준 근사치)에 적용하면, 기대수명 동안 약 40여 억 원 가량의 절감 효과를 보이는 것으로 확인되었다.

Fig. 8 
Modified LCC result

본 연구에서는 모듈형 주회로 차단시스템에 대한 국제 규격 및 국내 철도운영기관의 신뢰성 관리체계를 적용하여 RAM 분석 및 수명주기비용을 추정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 하위 구성품을 계층구조(PBS)를 분석하고, 각 부품에 대한 고장률을 예측한 결과를 기초로 RBD를 구성하여 각 하위 시스템 및 전체 시스템에 대한 신뢰도를 분석하였다. 시스템의 MTBF는 64,707시간으로 분석되었다.

2) FMEA 및 유지보수성 분석을 통해, 고장 유형, 영향, 사후보전 시 수행되는 활동 및 소요시간 등을 정리하여 유지보수성 분석을 수행하였으며, MTTR은 1.60시간으로 분석되었다. 또한 철도운영기관에서 관리하는 기준에 따른 예방 유지보수 결과를 정리하였다.

3) 모듈형 주회로 차단시스템의 수명주기비용(LCC)을 추정하여 예방 및 사후 유지보수에 소요되는 비용을 추정하였으며, LCC 비용 절감 방안을 적용하면 국내에서 운용되는 고속열차에 대하여 30년 동안 약 40여 억 원 가량의 비용 절감효과를 보이는 것으로 확인하였다. 이러한 자료는 향후 유사 시스템에 대한 RAM 목표 수립 및 LCC 분석 등 기초자료로 유용하게 활용될 것으로 보인다.