3.1 전차선로 고장 원인별 생애주기 발생현황 ⁽¹⁾

표 2와 같이 생애주기(건설단계⇒운영단계⇒폐기) 단계별로 전차선로 급전고장 원인 상호간의 관계를 분석하면, 건설단계 57.7[%], 운영단계 30.8[%], 폐기단계 11.5[%]로 건설단계에서 가장 많은 고장이 발생하였고, 건설단계 57.7[%] 중에서도 시공불량이 38.5[%]로 고장원인 종별 중 가장 많은 비중을 차지하였다.

운영단계는 전체 30.8[%] 중 유지보수 소홀이 15.4[%]로 약 절반 정도를 차지하였고, 폐기단계인 부품노후의 설비별 내구연한 경과는 설비를 철거하기 전까지는 운영단계로 봄이 타당하므로 운영단계와 폐기단계를 합하면 42.3[%]로 건설단계의 57.7[%] 보다 고장 비중이 낮았다.

3.2 전차선로 고장 원인 상호간에 미치는 영향

표 3에서 ‘미치는 오류 또는 필요성’은 생애주기 단계(설계⇒시공･제작⇒운영･보수⇒폐기) 마다 그 하위에 미치는 오류 또는 필요한 사항으로 설계서의 공사시방서(재료, 설비, 시공체계, 시공기준 및 시공기술에 대한 기술설명서와 이에 적용되는 행정명세서)와 설계도면(시공될 공사의 성격과 범위를 표시하고 설계자의 의사를 일정한 약속에 근거하여 그림으로 표현한 도서)에 근거⁽⁴⁾로 표 3은 건설단계에서 설계(공사시방서, 설계도면, 제작설명서 등)에서 오류가 발생하면 이후 단계인 자재 제작 결함과 시공 불량이 발생하고, 잘못 제작된 자재를 시공하면 그 설비는 불량하게 되고, 이러한 설계, 자재제작 오류나 시공 불량이 있으면 생애주기 운영단계에서 보수가 필요하게 된다. 또한 자재나 부품이 노후되면 고장이 발생하므로 그 부품은 철거하거나 재사용하려면 교체가 필요하게 된다.

4.1 생애주기 전체단계

그림. 1. 생애주기별 전차선로 전력공급 고장 원인 상호간 관계 모델링

Fig. 1. Modeling of the cause of catenary power supply failure by life cycle

그림 1과 같이 전차선로 급전고장 원인 종별을 생애주기 단계별(건설⇒운영⇒폐기)로 설비의 고장과 정상을 출력값으로 하는 순서도로 모델링 하였다.

설계서의 공사시방서(재료, 설비, 시공체계, 시공기준 및 시공기술에 대한 기술설명서와 이에 적용되는 행정명세서)와 설계도서(시공될 공사의 성격과 범위를 표시하고 설계자의 의사를 일정한 약속에 근거하여 그림으로 표현한 도서)⁽⁴⁾에 의하면 건설단계의 고장원인인 설계(감리)오류가 발생하면 시공불량이나 자재결함으로 이어지고 보수가 필요하게 되므로 그 이하의 모든 생애주기 단계(제작, 시공, 운영, 폐기)에 악영향을 미치는 관계이고, 제작(감리)오류가 발생하면 보수가 필요하고 그 이하 모든 생애주기 단계(시공, 운영, 폐기)에 영향을 미치는 관계가 되며, 시공(감리)오류가 발생해도 보수가 필요하고 그 이하 모든 생애주기 단계(운영, 폐기)에 영향을 미치는 관계가 된다.

그러나 운영단계의 고장원인인 보수소홀, 작업부주의, 이물질은 ｢최근 5년간(2016~2020년) 전철전력분야 장애 현황 및 예방대책 추진현황(2021년)｣의 사례를 보면 운영단계 내에서는 고장 종류 각각 독립된 고장원인으로 작용함을 알 수 있었다.

폐기단계의 고장원인인 부품노후도 그 이하의 생애주기가 없고 인접 고장원인에 영향을 미치지 않으며 설비보전 유지보수에 의해 설비의 마모, 열화, 피로 등을 최소화 하여 교체 등의 시기를 늦출 수 있다는 것을 알 수 있었다.

4.2 생애주기 건설단계

그림. 2. 건설단계의 전차선로 전력공급 고장 원인 관계

Fig. 2. Relations between causes of power supply failures in catenary lines in the construction phase

그림 2와 같이 생애주기 건설단계의 급전고장 원인은 설계오류, 자재결함, 시공불량, 설계․시공 감리소홀로 나타났고, 설계오류, 자재결함, 시공불량 모두가 아니어야만 해당 설비가 정상이 되고, 설계오류인 경우는 그 이하 자재결함이나 시공불량이 반드시 발생하여 고장나고, 보수가 필요하게 되논 관계가 되고, 자재결함인 경우도 그 이하 시공불량이 반드시 발생하여 고장나고 보수가 필요하게 된다.

이들 고장원인간 상관관계는 설계오류 〉자재결함 〉시공불량의 종속(포함)관계이고, 자재결함, 시공불량은 운영단계의 보수를 필요로 하는 건설단계와 운영단계간의 병합관계로 나타났다.

위와 같이 건설단계(설계, 자재, 시공)에서 어느 하나라도 오류가 발생하면 설비는 고장이 발생하게 되고, 운영단계인 보수가 필요하게 되어 운영단계에도 악영향을 미치게 됨을 알 수 있다.

4.3 생애주기 운영단계

그림. 3. 운영단계의 전차선로 전력공급 고장 원인 관계

Fig. 3. Relations between the causes of power supply failures on catenary lines in the operation stage

그림 3과 같이 생애주기의 운영단계의 급전고장 원인은 보수소홀, 작업부주의, 이물질로 나타났고, 건설단계에서의 모든 오류(설계오류, 자재결함, 시공불량, 설계․시공 감리소홀)의 영향을 받게되어 보수의 필요성이 대두된다. 이들 고장원인 상호간 관계는 건설단계 또는 건설단계과 운영단계처럼 종속(포함)관계나 병합관계가 아니라 고장원인 각각 독립적인 관계임을 알 수 있다.

4.4 생애주기 폐기단계

그림. 4. 폐기단계의 전차선로 전력공급 고장 원인 관계

Fig. 4. Relationship between the cause of power supply failure in the catenary in the phase of disposal

그림 4와 같이 생애주기 폐기단계의 급전고장 원인은 부품노후로 나타났고, 이 부품노후는 설비별 부품(자재)의 내용연수가 경과하여 절연성능이 떨어지거나 부식․탈락하여 전차선로 급전고장이 발생하였다.

5.1 입력변수

전형적인 욕조곡선(bathtub curve)의 가로축이 시간이고, 세로축이 고장률인 것을 응용하여, 시뮬레이션 곡선에는 생애주기(Life Cycle)가 시간의 흐름에 따라 건설⇒운영⇒폐기라는 것에 착안하여 가로축에는 시간적 흐름인 생애주기를 입력하고, 세로축에는 고장건수를 입력하여 시뮬레이션 하였다.

5.2 시뮬레이션

그림. 6. 생애주기별 고장 곡선

Fig. 6. Failure curve by life cycle

그림 6은 엑셀 프로그램의 챠트도구를 이용하여 전차선로 고장원인 7가지 종류를 생애주기 순서대로 고장발생 건수를 입력하였다.

전형적 욕조곡선(bathtub curve)의 고장률 패턴과 비교하여 최근 5년간(2016년~2020년) 국내 커티너리 전차선로 급전고장 26건(고장원인 7종)을 전형적 욕조곡선에 적용하여 변화 추이를 비교하여 보면, 건설단계인 시공불량 10건은 약 6건으로 감소되어야 하는 것으로 예측되는데, 이는 건설단계(설계, 시공, 감리)에서의 오류나 불량이 운영단계(보수필요)에 생애주기상 필연적으로 미치는 포함관계가 있음을 알 수 있고, 폐기단계인 부품노후 3건은 약 6건으로 증가되어야 하는 것으로 예측되는데 비교적 감소한 이유는 운영(유지보수) 단계에서 설비(장치)별 내용연수를 적용하여 내용연수가 경과한 설비(장치)는 적기 교체하고, 4단계 기준값(목표값, 허용값, 경고값, 조치값)에 의한 조건부 유지보수로 인한 것으로 추정된다. ⁽³⁾