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1 김두현 이종호 충북대학교안전공학과 ( 접수 / 채택 ) Qualitative Assessment for Hazard on the Electric Power Installations of a Construction Field using FMEA Doo-hyun Kim Jong-ho Lee Department of Safety Engineering, Chungbuk National University (Received June 28, 2004 / Accepted December 6, 2004) Abstract : This paper presents an qualitative assessment for hazard on the electric power installations of a construction field using FMEA. The power installations have the mission to maintain the highest level of service reliability on the works. The more capital the electric power invest, the higher service reliability they plausibly will achieve. However, because of limited resources, how effectively budgets can be allocated to achieve service reliability as high as possible. The assessment typically generates recommendations for increasing component reliability, thus improving the power installation safety. The FMEA tabulates the failure modes of components and how their failure affects the power installations being considered. In order to estimate the risks of a failures, the FMEA presents criticality estimation or risk priority number using the severity, occurrence, and detectability. The results showed that the highest components of the risk priority number among components were condenser, transformer, MCCB and LA. And In case of the criticality estimation, the potential failure modes were abnormal temperature rise, insulation oil leakage, deterioration for the transformer, overcurrent for the MCCB and operation outage for the LA. Key Words : FMEA, electric power installation, qualitative assessment 1. 서론 1) 건설현장에서사용중인전력설비는건설현장의전력공급에대한신뢰성에영향을미치고있으며, 그중요성이커지면서개방형에서큐비클형태의수전설비로바뀌고있다. 또한안정적으로전력공급을위해서많은종류의부품들로상호결합된복잡한구조로구성되어있다. 이런복잡하고중요한전기설비의안전을유지하려면평소에진단 ( 점검, 검사, 측정등 ) 을철저히실시하는것이효과적일것이다. 건설현장에서는작업이진행됨에따라케이블과설비등이쉽게손상받을수있으며새로운설비의증설과작업중혼잡한상황은현장을통제하기가 To whom correspondence should be addressed. yijho@korea.com 어렵게되는등의위험한상황이될수있다. 또한전력설비가외부환경에노출되어있어환경의변화에직면하게되면결함이생기기때문에낙뢰, 온도, 습도등의변수에크게좌우된다. 변압기자체가어떤원인으로고장이발생하게되면외부의배전선로를통해전력회사의변전소로사고가파급되기도한다. 이러한건설현장에서의전력설비고장은현장의작업중단, 복구까지의노력과시간의손실, 고장직후또는복구작업중의재해유발가능성등많은위험성을동반하고있으므로그취급여하에따라서감전, 화재, 전기설비소손등의재해를수반하게된다. 그러므로전력설비의특성을감안하여수시설비점검은절대적으로필요하다. 그러나건설현장이라는특성상어려운실정이므로우선적으로신뢰성높은전력설비를계획하여야한다. 경제적이면서도안전하게전력공급을지속적으로할 36

2 수있게전력설비를관리해나갈필요가있다 1,2). 일반수변전설비의경우국내연구는미비한실정이며, 특히건설현장의임시전력설비에대한정성적평가를하거나, 해왔던연구가거의없는실정이어서이에대한연구가지속되어야할것이다. 본연구에서는건설현장에서사용중인전력설비를구성하고있는기기들중에서서브시스템과부품에대한정성적평가를하고자한다. 이를위해서 what if 라는질문을염두에두면서고장모드및영향분석 (failure modes and effects analysis ; FMEA) 으로각부품에대한정성적분석및각부품이고장났을경우그것이시스템에어떠한영향을미치는가를정성적평가를하고자한다. 2. FMEA 분석절차 건설현장의수전설비를정성적으로평가하기위해서는많은정성적평가기법이있지만본연구에서는기본설계단계에서부터생산단계에이르기까지제품이의도한대로기능을발휘할것인가를평가하고, 만족하지못할때는개선활동을통해고장을사전에예방하고자하는신뢰성활동의하나인 FMEA(failure modes and effects analysis) 를사용하였다. FMEA 는부품고장간의인과관계를체계적으로규명하고, 시스템에치명적일수있는고장모드, 특히전파될수있는단일결함의최초징후를제공한다는큰장점이있다. 또한정상적인기능으로부터의이탈뿐만아니라, 파생되는결과들을규명할수있다는점에서여러시스템의안전성분석기법으로널리사용되고있다. 이러한평가기법을통하여현재사용중인수전설비의유지 보수및신뢰성을향상시킬수있을것이다. 시스템 (system) 은정해진많은기능을달성하기위하여몇개의서브시스템 (sub-system) 의조합으로되어있고, 또이것은각각의구성품 (component) 단위로조립되어있으며, 이것은다시조립품 (assembly), 부품 (part) 으로조립되어요구되는기능을충족시키고있다. 따라서분석수준을어디까지하느냐에따라분석대상이광범위해지기때문에본전력설비에서는시스템과서브시스템의수준까지분해하여 FMEA 를실시할것이다. 이렇게분석수준을정한다음은부품이나기기등의고장모드 (failure mode) 를선정하여야한다. 이것은기기나부품의고유특성의변화나기기에가해지는스트레스등의 Fig. 1. FMEA Procedure 원인에의해발생한다. 잠재고장 (potential failure) 은반드시일어나는고장이아니라일어날가능성이있는모든고장을과거사고사례, 고장기록, 경험, 유사부품의고장이력그리고 brain storming 등을이용해서찾아낸다. 이것은고장모드가과거에발생했던것이재발하는것이기때문에많은정보가필요하다. 고장원인 (failure cause) 은고장모드의원인을기술하는것으로하나의고장모드에대해한가지이상의고장원인을가질수있기때문에, 각각의고장모드에대해서모든잠재적인독립원인을규명한다. 그리고 Fig. 1 은 FMEA 실행순서를나타내고있다 3). 3. FMEA worksheet 작성및평가 FMEA 는정성적분석중에서기능적인면을중심으로시스템구성품의기능및성능에대한영향을평가할수있으며, 고장모드는기기나부품의고유특성이변화하여그기능을잃었을경우또는물리적, 기술적으로실패한경우로선정하였다. 그리고고장발생원인은각부품의메커니즘을검토하여 1 차적인고장을기입하였다. 일반적으로많이이용하고있는고장모드로서국제전기표준규격인 IEC ; FMEA 에제시된것을이용하였다 4). 그리고인간과오에의한고장원인을본 FMEA 에서는직접적으로검토하지않았다. 본연구에서사용된건설현장의수전설비를 Fig. 2 에서보여주고있으며분석대상의시스템주요사양은 ASS(25.8kV 3P 200A), MOF(13.2kV/110V, 한국안전학회지, 제 19 권제 4 호, 2004 년 37

3 김두현, 이종호 에대한중요성과우선순위를보조하는데도움을줄수있으며, 수용가능한위험성에대한명확한경계를설정할수있다. 이를위해서각각의고장모드에대한발생빈도 (occurrence) 와영향도 (severity) 에의한중요도 (criticality) 를평가하고, 검출도 (detectability) 를포함시켜세가지값에의하여결정되는위험우선순위를계산하였다. 이는많은고장모드에대해상대적으로위험한부품을선택적으로우선순위를결정하고사후조치에관한결정을보조하는데많은기여를할수있다. RPN 값을계산하기위해서고장모드의발생빈도, 시스템의영향도, 및고장발생시의검출도인세범주로분류하여평가하였으며, 각범주를다섯단계로나누고각각의단계에수준을 1 5 까지로부여하였다. Table 1~3 은발생빈도, 영향도그리고검출도에대한등급을보여주고있다. Table 1. Classification and grades of occurrence Class Occurrence Level Criteria Ⅰ remote 1 Failure is unlikely. Ⅱ low 2 Relatively few failures. Ⅲ moderate 3 Occasional failures. Ⅳ high 4 Repeated failures. Ⅴ very high 5 Failure is almost inevitable. Fig. 2. Skeleton diagram 30/5A), PF( 24kV 200A), Trans(P 3Φ4W 22.9kV, S 380/220V, C 3Φ 400kVA), MCCB(4P, 3P 다수 ) 등으로구성되었다. 현장에서사용되고있는주요장치로부하측기기를점검할때회로를차단하는단로기 (disconnecting switch; DS), 외부이상전압 ( 번개등 ) 으로부터전기실의전기기기를보호하는피뢰기 (lightning arrester;la), 부하측에서단락사고및지락사고가발생하였을때신속히회로를차단하는차단기 (circuit breaker; CB), 역률개선을위한콘덴서 (condenser), 기기측에서단락사고가발생시기기를보호하는전력퓨즈 (power fuse; PF), 그리고계기용변압변류기 (metering out-fit; MOF) 와적산전력량계 (Wh), 계기류등이있다. 분석과정에서 FMEA 의한계성을보완하기위해중요도평가와위험우선순위 (risk priority number ; RPN) 를이용하였다 5). 이는시스템의점검및보수 Table 2. Classification and grades of severity Class Severity Level Criteria : severity of effect I none 1 No effect. II minor 2 III low 3 IV high 4 V hazardous 5 Failure inducing unplanned maintenance but has no severe effect on system. Inducing failure such as functional incapability on corresponding subsystem. Failure inducing consequence such as operable incapability of system. Failure has possibility of very severe consequence. Table 3. Classification and grades of detectability Class Detectability Level Criteria I very high 1 Very high chance detect a potential cause and subsequent failure mode. II moderately high 2 Moderately high chance will detect. III low 3 Low chance will detect. IV remote 4 Remote chance will detect. V very remote 5 Very remote chance will detect. 38 Journal of the KOSOS, Vol. 19, No. 4, 2004

4 3.1. 중요도평가중요도평가는고장이발생하는경우그로인하여부품이나시스템또는운영자가받는영향의정도를평가하며, 영향도를주안점으로하여분석하는것으로일명리스크행렬 (risk matrix) 이라고불려진다. 특히, 발생빈도가높고, 영향도도높은등급을갖는고장모드에주의를기울이기위하여사용되는수단이다. 중요도는고장모드의발생빈도와영향도에의해평가하는것으로다음식으로구할수있다 5). 중요도 = 발생빈도 영향도 이것은리스크의개념과같은것으로바람직하지않은사건의발생확률 ( 발생빈도 ) 과그로인해야기될수있는피해결과 ( 강도, severity) 로부터추정된다. 여기에서는제한된시간과자금으로완벽한재해예방을한다는것은사실상불가능하기때문에중요도를 3 가지등급으로나누고자한다. 발생확률과피해강도모두낮은경우, 발생확률은높지만발생시재해강도가낮은형태의사건, 즉흔히우리주변에서볼수있는사소한고장의경우, 그리고발생확률은낮더라도일단발생하면피해규모가큰사건, 더욱이발생확률까지크다면문제는심각하게되는 경우로나누고자한다. 따라서시스템의안전성은바로이러한유형의재해를구별해내고이런재해에안전의노력을극대화하자는것이다. 이러한위험성평가의방향을최초로제시한문건이 MIL- STD-882 이다. 이것은원래미군의물자조달을위한군용안전규격이었는데그사고방법이나기법이일반산업시스템, 제품안전이나시스템안전의전체구조를체계적으로제공하고있기때문에리스크관리의기본으로널리활용되어왔다 6). 중요도를평가하기위해사용된평가표는 실천 FMEA 手法 을참고하였으며 Table 4 에서나타내고있다 7). High (10 이상 ), Medium (5~9), Low (5 미만 ) 등급으로관리지침을설정하는데이용하였다. 또한높은수치를나타내는것은관리나능력을집중함으로서재해예방노력의효율을증대시킬수있을것이다. Table 4. Criticality estimation matrix Severity Occurrence I II III IV V A Low B C 3 Medium High 15 D E Table 5. FMEA of the electric power installations Item Potential Failure Severity Mode Potential Effect(s) of Failure Occurrence Potential Cause/Mechanism Failure Detection RPN Action Taken 변압기이상한냄새발생 3 성능저하 2 국부가열 3 18 원인규명대책 M 절연유누유유면위치 ASS 애자균열 4 콘덴서 단자부과열변색 5 과열, 파손, 정전이상수치지시 정전, 오동작및성능저하 3 성능저하, 수명감소 가스킷열화, 패킹불량, 부식, 균열, 계기고장, 누유 먼지및이물질에의한절연열화고주파유입, 부적당한기기선정 4 60 COS 퓨즈용단 4 부하측정전 2 차단전류용량부족열화, 부식 4 32 MCCB 투입불능 3 전압 Trip 장치의이상 2 부족전압, 코일소손 1 6 오동작트립 LA 기능정지 5 3 정격전류이하에서트립시동전류에서트립 변압기나기타장비파손 4 3 단자부느슨해짐에따른발열차단기내부발열, 진동, 충격시동돌입전류조건사이의차 과대서지, 절연성능불량, 흡습, 방전이없음이물질부착에의한외부플래시오버 가스킷교환, 교체, 도색, 조이기 Critically Matrix 3 24 교체, 청소 M 2 12 체결력강화, 교체 M 적정차단용량으로교환 전원개선반송수리 통기, 조임, 교환, 쿠션으로내진정정및선정변경 성능정기점검, 설계기준강화청소, 교체 H M M H H 한국안전학회지, 제 19 권제 4 호, 2004 년 39

5 김두현, 이종호 3.2. 위험우선순위평가시스템의고장영향을평가하는방법으로위험우선순위를이용하여평가하는것도좋은방법중의하나이다. 이위험우선순위는중요도를평가하는고장모드의발생빈도와영향도에고장의검출도를추가하여평가하는것으로다음식으로평가한다 5). 위험우선순위 (RPN) = 발생빈도 영향도 검출도 위험우선순위의값이크다는것은해당고장모드로인해시스템이나기기가큰영향을받을수있고, 혹은그와같은고장이자주발생할수있으며, 고장이발생하더라도감지가어렵다는것을의미한다. 그리고우선적으로시정조치를시행하여영향도나발생도, 검출도중의한, 두개또는전부를감소시킴으로써위험우선순위값을감소시켜야하는고장모드라는것을의미한다. 현장의전력설비에대한 FMEA 분석결과는중요도및위험우선순위가높게평가된기기별고장모드를종합하여그일부를 Table 5 와같이나타내었다. 각부품에대한 RPN 값으로위험의우선순위를결정하였는데그결과를 Fig. 3 에서보여주고있다. RPN 값이 40 이상으로평가된고장모드를 Group A, 16 이상 40 미만인경우를 Group B, 그리고 16 미만을 Group C 등급으로분류하였다. 이기법은파레토커브 (Pareto's curve) 의특성으로서분류항목의합계에대한비율을구하거나, 분류항목을몇개합하여그전체에서점하고있는비중을발견하게되는등개선을위해노력을투입하여야할방향을정하는데도움을줄수있다. 일반적으로 FMEA 에의한분석은상위 10% 의대책에의해대상시스템의신뢰성을 80% 이상개선가능한것으로많이알려 져있다 8). 따라서상위 10% 에해당하는 Group A 에대한고장모드를검토하는것이타당하다고볼수있다. 건설현장의전력설비에서빈번하게발생하는사고의원인및형태를규명하는데정성적인분석인 FMEA 만으로는한계가있기때문에정량적분석이가능한 FTA 를실시하여여러분석기법들을상호보완적적용을통하여신뢰성을향상시켜야할것이다. 4. 결론 본논문은건설현장에서사용중인전력설비에대하여신뢰성예측기법인 FMEA 를통하여잠재적고장모드와그원인을부품수준으로부터파악하여그영향을분석하였으며, 시스템이나기기의가동에치명적인영향을미치는고장모드에대하여적절한대책을제시함으로써시스템의선택적관리를할수있어정전시의대처방안, 재투입순서및방법, 그리고이에따른파급효과를미연에막을수있을것이다. 1) 중요도평가의경우 critical matrix 에서 High 등급에해당되는고장모드는변압기의경우이상온도상승, 이상음발생, 절연유누유, 폭발, 절연물열화, 철심단자부및탭이상으로인한고장모드가주를이루고있다. 콘덴서의경우기름누설, 절연파괴및내부단락, MCCB 의경우오동작트림, 과전류에의한부동작, LA 의경우기능정지, 소손, PT 의경우파손이시스템에영향을많이받는것으로해석되었다. 2) 위험우선순위 (RPN) 가높은고장모드중에서상위 10% 에해당되는기기는변압기, MCCB, 콘덴서, LA 가해당되고있어높은신뢰성을갖는부품으로설치해야하며, 운전중관리자는세심한주의를기울여야한다. 참고문헌 Fig. 3. Risk level classification by RPN 1) 건설현장의전기안전, 한국산업안전공단, pp. 1~26, ) 전기설비관리지침, 대한홍보사출판부, ) 제품안전을위한리스크평가기법및소프트웨어활용지침, 한국표준협회, pp. 54~61, Journal of the KOSOS, Vol. 19, No. 4, 2004

6 4) ISO 60812, Analysis Techniques for System Reliability - Procedure for Failure Mode and Effect Analysis (FMEA), ) John B. Bowles, The new SAE FMECA Standard, Proc. Ann. Reliability & Maintainability Symp., pp. 48~53, ) MIL-STD-882, System safety program requirements, ) 小野寺勝重, 實踐 FMEA 手法, 日科技連, ) IEC 50 (191) : International Electro-mechnical Vocabulary (IEV), Chapter 191 : Dependability and quality of service, 한국안전학회지, 제 19 권제 4 호, 2004 년 41

REVIEW CHART

Rev.6, 29. June 2015 보호및절연협조 2015. 06. 29 한국철도시설공단 REVIEW CHART 1 2 Ω 3 4 5 6 단락보호과전류방식 단락보호 지락보호비율차동방식 단락보호과전류방식 지락보호지락과전류 7 8 9 10 I inrush FLA 배at sec 11 12 I pickup Slope P I n 여기에서 I n 변류기 차정격전류