5호선 전동차 인버터냉각장치 공기흐름센서의 효율적인 유지보수 방안 연구 :A Study on the Effective Maintenance Strategy of Air Flow Sensor for Inverter Cooling System of Subway Line 5

서진

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자료유형: 학위논문

저자정보: 서진 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 김정국, 구정서

발행연도: 2017

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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2017

5호선 전동차 인버터냉각장치 공기흐름센서의 사용수명연구

서진 , 구정서 , 김정국 한국철도학회 학술발표대회논문집 2017.10 학술대회자료

5호선 전동차 인버터냉각장치 공기흐름센서의 효율적인 유지보수 방안 연구

서진 철도안전학과 2017.01 학위논문

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전동차는 전기를 동력원으로 인버터장치를 사용하여 모터나 승객편의장치에 필요한 전원을 공급하는 방식으로 인버터장치 내 부품들의 동작 시 발생되는 높은 열을 냉각시키기 위해 인버터박스 내 냉각장치를 설치하여 내부기기를 보호하고 있다. 전동차 인버터 냉각하는 방식으로 강제 송풍냉각, 냉매식 자연냉각, 자연냉각 등이 사용되고 있으며, 현재 서울교통공사에서 운영하는 5호선 전동차에서는 강제냉각방식을 사용하고 있다.
강제냉각방식은 인버터함 내 송풍기를 이용하여 공기를 강제 순환하는 방식으로, 냉각장치 부품 중 공기흐름을 실시간으로 감시하는 공기흐름센서가 있어 고장 감지 시 전동차를 보호하기 위해 단계적으로 인버터 동작을 차단하며, 결과적으로 전동차 출력 감소, 보조전원의 부하반감 등으로 정상운행에 심각한 차질이 발생하게 된다.
전동차 인버터 냉각장치는 매년 약 26건의 고장이 발생하고 있으며, 고장의 주원인인 공기흐름센서는 4개월마다 외관 및 기능점검을 시행하고 있지만, 고장 발생 전까지 특이한 고장 징후가 없어 예방점검으로는 불량을 발견하기가 어려워 현재는 대부분 고장발생 후 조치하는 사후정비로 관리되고 있어, 이를 개선하기 위한 새로운 정비 정책 마련이 필요하다고 판단되었다.
본 연구에서는 전동차 인버터 냉각장치에 대해 FMECA를 실행하여 공기흐름센서가 위험우선순위로 선정되었고, 10년간의 필드데이터를 사용하여 통계프로그램으로 분석한 결과 형상모수는 열화적(마모고장) 특성을 지녔으며, 4.81년의 평균수명을 산출하였다. 그리고 신뢰도함수를 사용하여 최소비용을 고려한 수명교체정책과 일괄교체정책에 시뮬레이션 평가를 통해 두 정책 모두 최소비용이 거의 비슷하게 소요됨을 알 수 있었으며, 서울교통공사의 현재 검사체계와 정비여건 등을 감안할 때 일괄교체방식이 관리 측면에서 좀 더 효율적이라고 판단된다.
이 연구는 전동차 유지보수에 있어 위험도는 높지만 예방점검이 어려운 공기흐름센서의 고장 예방을 위해 신뢰도 분석을 통한 수명예측과 교체정책방안을 제시하였으며, 교통공사 전동차 유지관리정책에 반영되어 전동차 정비의 효율성 향상과 안전성 확보에 도움이 되기를 기대한다.

The Subway supplys electric power to motor or equipment for passenger convenience by using inverter device which uses electricity as a power source, and as a result, high heat is generated. In order to cool the high heat and protect the internal device, cooling device is installed in inverter box. Forced air cooling, refrigerant natural cooling, and natural cooling are commonly used, and line no.5 run by Seoul Metro is currently using forced air cooling system.
Forced air cooling system enforces air to circulate by using an air blower. In the inverter box, when error is detected by air flow sensor which is an part of cooling devices, inverter operation shuts off step by step in order to protect the subway vehicle. As a result, normal operation is disrupted because of reduced output power, half loss of auxiliary power, etc. Every year, line 5 inverter cooling devices are broken approximately 26 times. The air flow sensor, which is main cause of failure, is being inspected by its external appearance and function every 4 months, but it''s still hard to predict failure by prevention check since it shows no specific symptom before it''s broken, so we are currently using breakdown replacement method to manage most of the failure. Thus, establishment of new maintenance standard seems to be necessary to improve this situation.

In this study, by applying FEMCA method about subway inverter cooling device, air flow sensor is chosen as risk priority. Also by statistically analyzing 10-year field data, we found that air flow sensor''s shape parameters have deteriorated (wear failure) characteristics, and average lifetime of 4.81 years. Finally, through simulating evaluation on age replacement policy and block replacement policy considering minimum expense by using reilability function, we found that both 2 policies takes nearly same cost.
Considering current inspection system and condition of maintenance of Seoul Metro, block replacement policy seems more efficient in terms of management.
This study suggests lifetime prediction through reliability analysis and replacement policy method for air flow sensor which is hard to predict its failure and is critical for subway maintenance, and it''s expected to be useful for insuring safety and improving maintenance efficiency of the subway by being reflected in the subway maintenance policy of Seoul Metro.

Ⅰ. 서 론 1
1 연구의 배경 및 목적 1
2. 국내의 신뢰도 연구동향 2
3. 연구대상 및 내용 3
Ⅱ. 이론적 배경 5
1. 신뢰성 일반 5
2. 신뢰성 척도 6
3. 수명분포 12
4. 욕조곡선 13
5. 신뢰도 예측 15
6. 정비정책 이론 17
III. 인버터 냉각장치 신뢰도 기반의 고장분석 23
1. 전동차 운영 현황 23
2. 인버터 냉각장치의 구성 및 성능 24
3. 인버터 냉각장치 유지보수 기준 28
4. 인버터 냉각장치 측정시험 기준 31
5. 공기흐름센서 교환실적 분석 32
6. 인버터 냉각장치 유지보수 문제점 33
7. 인버터 냉각장치의 FMECA(Failure Mode and Effect Analysis) 분석 35
가. 시스템 고장분석 36
나. 시스템 분류 37
다. 고장모드 분류 및 고장원인 분석 39
라. 위험도 분류(Risk Category) 41
마. 위험우선순위 RPN(Risk Priority Number) 평가 44
8. 인버터 냉각장치의 FMECA 분석 결과 46
IV. 인버터 냉각장치 공기흐름센서의 수명 예측 47
1. 개요 47
2. 고장데이터 수집 47
3. 고장데이터 분석 48
4. 공기흐름센서 검사주기 산출 54
5. 공기흐름센서 수명예측 결과 57
Ⅴ. 교체정책 선정방법 연구 58
1. 교체정책 시뮬레이션 평가 58
2. 최소 비용을 고려한 교체정책의 비교 61
3. 교체정책 시뮬레이션 결과 62
Ⅵ. 결 론 63
참고문헌 65
부록 67
Abstract 70
감 사 글 72

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