2.1 보조전원장치 수명주기비용 평가모델 설정

시스템의 수명주기 동안 수명주기비용을 계산 및 분석하기 위해서는 비용평가모델 선정이 우선적으로 이루어져야 한다. 비용평가 모델 중 ‘SAE ARP 4293’은 미래 기술비용 예측 및 불확실성을 추정하기 위한 모델로 분석기간 동안 실질적인 지출 비용요소와 분석 시정에서의 예측 비용요소를 포함하고 있다. ‘UNIFE LCC’는 가용성 성능지수를 이용하여 TRS(Total Railway System)내의 RAMS 및 LCC 적용방안을 제시하고 있다. 따라서 본 논문에서는 예방정비 비용과 고장정비 비용을 포함한 신인성 관련 비용을 주요인자로 하는 ‘IEC 60300-3-3’ 규격을 준용하여 비용평가를 실시하였으며, 그림. 1은 ‘IEC 60300-3-3’ 규격의 비용평가 모델을 도식화한 것이다.

‘IEC 60300-3-3’ 비용평가 모델은 제품의 수명주기 단계를 개념 및 정의, 설계 및 개발, 제조, 설치, 작동 및 보전, 처분의 6단계로 정의하고 있어 체계적인 분석이 가능하며, 타 분야에서도 수명주기비용 계산시 일반적으로 적용하고 있는 규격이다⁽³⁾. 기본적으로 수명주기비용(LCC) 예측에는 많은 양의 데이터가 요구되나, 현재 운영 중인 전기기관차의 경우 고장이력, 유지보수 체크리스트 등의 운행이력 관련 데이터 정립이 최근에 이루어져 데이터에 대한 신뢰도가 낮은 편이다. 또한 전기기관차 도입 당시 차량단위로 일괄 구매가 이루어져 각 서브시스템별 부품 단가가 제시되어 있지 않아 보조전원장치에 대한 취득가격이 불분명한 상태이다. 따라서 상기에서 언급한 ‘IEC 60300-3-3’ 비용평가 모델을 그대로 적용하기에는 어려움이 있다.

본 논문에서는 수명주기비용 분석을 위해 8200호대 전기기관차 유지보수 매뉴얼, 기타 관련 도면 등의 다양한 자료를 수집하여 PBS 분류를 정립하였다. 이를 토대로 식(1)과 같이 8200호대에 대한 수명주기비용 평가모델을 도출하였으며 크게 예방정비비, 고장정비비, 운영비로 구성된다.

2.2 8200호대 보조전원장치의 PBS

시스템에 대한 PBS는 수명주기비용 모델링 및 분석에 있어 핵심적인 요소로 시스템 구성품의 관계를 계층적으로 나타낸 구성도를 의미한다. 따라서 PBS는 시스템의 형상을 바탕으로 구성품이 장착 위치와 시스템 기능, 유지보수 활동에 따른 비용 요소의 발생 및 비용 범주를 정의하는 것이 중요하다. 그러므로 전기기관차 보조전원장치의 PBS는 각 장치의 기능을 중심으로 고려해야 하며, 추가적으로 기능을 수행하는 구성품이 장착되는 공간을 고려, 기능적/공간적 정보를 바탕으로 이루어져야 한다. 따라서 기능적/공간적 특성과 물리적/전기적 인터페이스 상관관계 등을 반영하여 Level-1 대분류를 정의하였다. 그리고 Level-2는 독립적으로 정의할 수 있는 개체 단위의 장치로 중분류 하였으며, Level-3~4는 소분류로 장치별 구성요소 또는 부품 수준 단위의 세부 하위품목으로 구성되어 있다.

그림. 2는 8200호대 전기기관차 보조전원장치의 구성을 보여준다. 그림. 3은 8200호대 전기기관차 PBS 분류를 나타낸 것으로 기능적 분류를 통해 Level-1에서 차체 및 설비, 주행장치, 제동장치, 추진제어장치, 보조전원장치 등으로 분류하였으며, Level-2에서는 객체 단위로 충전장치, 축전지, 보조전원용 인버터로 중분류하였다. Level-3~4에서는 장치별 부품수준 단위의 소분류로 구분하였다.

2.3 보조전원장치 CBS 분석

비용분류구조(Cost Breakdown Structure, 이하 CBS)는 시스템의 PBS 도식화를 토대로 수명주기비용 평가를 위하여 각 계층에 대해 비용평가 기준 설정이 필요하며 이에 대한 비용 요소들의 구조를 의미한다. CBS는 획득비용과 운영 유지비용으로 크게 구별되며, 각각 세부적인 비용 요소로 구성되어 있다⁽⁴⁾. 정확한 유지보수비용 산출을 위해서는 비용요소들이 명확하게 정의되거나 예측될 수 있도록 확인해야 한다⁽⁵⁾. 표 1은 전기기관차의 CBS를 나타낸 것으로 운영 유지비용은 전기기관차 운영 및 유지보수 비용으로 구분할 수 있다. 운영비는 전력 사용비용 및 열차운영에 소요되는 인건비, 차량기지 운영비 등으로 구성되어 있다. 유지보수비용은 예방정비 및 고장정비에 대해 각각 계산한 후, 이를 종합하여 시스템에 대한 유지비용으로 계산한다. 또한 개량비용은 유지보수 비용의 많은 부분을 차지하고 있는 부분으로 실제 운영할 때는 고려하지 않는 사항이나 시스템 운영에 따른 수명주기비용 분석을 수행하기 위해서는 별도의 정의가 필요한 부분이다. 하지만 실제 개선에 따른 소요비용 데이터가 정확하지 않아 본 논문에서는 제외하였다.

2.4 보조전원장치 고장이력 및 유지보수 주기 분석

식(1)에서 언급한 수명주기비용 평가모델을 바탕으로 예방정비비와 고장정비비에 대한 비용 도출을 위해서는 전기기관차의 유지보수주기와 고장이력에 대한 분석이 필요하다.

표 2와 표 3은 각각 전기기관차의 정비 주기와 약호에 대한 의미를 나타낸 것이다. 유지보수 체계는 정비 범위 및 종류에 따라 4단계의 예방 작업 수준인 반복정비, 기본정비, 경정비 및 중정비로 구성된 하나의 사이클로 이루어진다. 각 유지보수는 주행거리와 회기한도에 따라 나누어지며, 두 개 기준 중에 우선 도달하는 것에 맞춰 정비를 실시하게 된다. 반복정비는 운행 중 정기적으로 실시하는 검사로 불규칙하고 우발적인 고장을 찾아내는 검수단계이다. 기본정비는 예정된 검수 주기에 도달할 경우 전기기관차의 신뢰성 수준을 유지하기 위하여 전문 인력을 통해 차량 또는 부품에 대한 정기 검수를 실시하는 단계이다.

경정비는 정기 예방 유지보수 단계로 부품이 사용수명에 도달하였을 경우 부품 교환검수를 실시한다. 그리고 중정비는 부품 또는 차체를 완전히 분해하여 점검하는 작업(Overhaul)으로 종합적인 분해검사 및 복원수리를 실시한다. 최근 5년간 운행 중인 전기기관차의 계통별 고장현황을 살펴보면, 표 4에서 볼 수 있듯이 보조전원장치가 포함된 전기계통에서 전체 122건 중 48건 발생하여 고장비율이 39.3％로 가장 많이 발생하였으며, 추진제어장치인 전력변환 19.7%, 공기제동계통 9.0%, 차체 주행계통 25.4%, 기타 6.6% 순으로 발생하였다.

2.5 보조전원장치 주요 고장원인

고장현황을 바탕으로 보조전원장치 주요 고장원인을 분석해본 결과 부품별로는 회로차단기, 감지기 및 카드류, 계전기류, 공기계통 동결에 의한 고장이 많이 발생하는 것으로 분석되었다. 최근 고장발생 경향은 계전기, 접촉기, 축전지, 제작사 작업불량 등에 의한 고장이 증가하고 있는 추세이다. 몇 가지 고장현황을 살펴보면 그림. 4와 같이 축전지 충전전원 계전기 불량으로 인한 고장이다. 충전전원 계전기 여자용 전원은 정상 공급되었으나, 계전기 코일 저항 값의 불량으로 여자되지 못하여 코일 열화가 발생한 사례이다.

그림. 5는 충전장치 제어전원 공급기 퓨즈 용손으로 인한 고장사례이다. 축전지 충전장치 제어유니트 내부 제어전원 공급기(Power Supply)의 퓨즈 용손에 의해 충전장치 제어용 공급전원이 차단되어 충전전압을 발생시키지 못해 축전지 전압이 강하하여 열차 운행이 중지되었다.

2.6 보조전원장치 LCC 분석

식(1)에서 제시한 수명주기비용 평가모델을 통한 비용 분석을 실시하기 위해 기본적인 조건을 설정하였다. 표 5는 비용평가 구성항목별 비용 산정방식을 나타낸 것이다. 우선적으로 운영 유지비용에 대한 운영비, 예방 및 고장정비비에 소요되는 인건비는 코레일 직원 평균임금 자료를 인용하여 인당 1일 임율을 산정하였다. 수명주기 비용 산출은 1편성 기준으로 하였으며, 환경비용의 대부분은 해체, 폐기 시 비용이 발생되고 국내에서는 관련 기준이 정립 단계이므로 환경비용은 제외했다. 수명주기 비용항목은 2.3절의 CBS를 바탕으로 초기 도입비용, 해체 및 폐기 비용을 제외한 유지관리 비용(운영, 고장정비, 예방정비비)으로 한정한다. 부품별 내용년수는 코레일 고정자산 회계지침에 의거하였으며⁽⁶⁾, 불분명한 것은 제조사 제품특성을 적용하여 산정했다. 분석기간은 수명주기비용 산출 시 품목별 내용년수가 다르므로 30년으로 가정하였다.