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문제 정의
- 본 연구에서는 AC 220V, 30A, 2P(30㎃/0.03s) 누전차단기 757개를 전국 각 지역에서 수거하여 사용기간, 수용가 구분, 사용장소, 설치장소, 환경조건 및 사용부하를 파악하고 차단기 외함상태, 핸들, 오염상태, 접속단자 부식상태, 전기적 부식으로 인한 도전로 발생 및 나사풀림 등에 대해 조사를 하였다. 수거된 누전차단기는 육안점검을 통해 차단기의 외형의 변형상태를 조사하였으며, 트립버튼 시험을 실시하여 기계적 고장유무를 판단하였으며 전기적 성능 시험을 위해 누전차단기 정격감도전류 30㎃에 따른 동작시간 0.
제안 방법
- 누전차단기의 교체주기를 결정하는데 있어 미니탭을 이용하여 수거된 누전차단기의 신뢰성 분석을 실시하였다. 미니탭은 1972년 미국 펜실베니아 주립대학에서 통계용 프로그램으로 개발되어 사용되어졌으며, 국내에서 가장 보급도가 높은 수명자료 분석용 통계 소프트웨어이다.
- 누전차단기의 누전트립 동작시간 시험을 위해 누전차단기 시험기(C.A 6030, CHAUVIN ARNOUX, Fr)를 이용하여 30 ㎃에 누전을 발생시켜 동작시간을 측정하였다.
- 즉, 수명자료를 대상으로 분포적합 시 후보 분포 중에서 더 적은 A-D 통계량 값을 가지는 분포가 적합 한다는 것을 의미한다. 누전차단기의 수명자료를 분석해 보았을 때 고장이 발생된 완전자료와 고장이 발생되지 않은 불완전 자료가 섞여 있어 분석을 위해 수명자료 중 수거된 누전차단기가 시기 안에 고장이 나지 않은 상황을 임의 관측 중단이라고 가정했을 때 모수적 추정방법을 이용하였다.
- 따라서 본 논문에서는 국내 전 지역을 대상으로 하여 사용되어진 누전차단기를 수거하여 누전차단기의 사용환경 및 사용위치에 따른 고장여부를 판단하고 차단기 수명을 통계분석프로그램인 미니탭(minitab, USA)을 이용하여 분석하였다. 본 연구는 차단기 개발과 현장에서의 전기재해 감소를 위한 중요한 자료로 활용이 가능할 것으로 사료된다.
- 03초 동작 유무 시험을 실시하였다. 또한 뇌임펄스 내전압 시험을 실시하여 최종적으로 고장을 판단하였다[5-7].
- 본 논문에서는 현장에서 사용되어진 누전차단기를 수거하여 누전차단기의 설치환경 및 누전차단기 상태 등에 대한 실태 분석을 실시한 후 각 차단기에 대해 트립시험, 누전트립 동작시간시험, 뇌 임펄스 내전압시험, 감도전류 시험을 통해 고장유무를 판단하였다. 그리고 시험을 통해 확보된 누전차단기의 수명데이터를 이용하여 신뢰성 분석을 실시하였다.
- 수거된 누전차단기 샘플은 트립장치의 고장여부를 판정하기 위하여 누전차단기에 정격전압 220V를 인가한 상태에서 테스트 버튼에 의한 차단기 트립시험을 실시하였다[7,8]. 트립시험 결과 43.
- 03s) 누전차단기 757개를 전국 각 지역에서 수거하여 사용기간, 수용가 구분, 사용장소, 설치장소, 환경조건 및 사용부하를 파악하고 차단기 외함상태, 핸들, 오염상태, 접속단자 부식상태, 전기적 부식으로 인한 도전로 발생 및 나사풀림 등에 대해 조사를 하였다. 수거된 누전차단기는 육안점검을 통해 차단기의 외형의 변형상태를 조사하였으며, 트립버튼 시험을 실시하여 기계적 고장유무를 판단하였으며 전기적 성능 시험을 위해 누전차단기 정격감도전류 30㎃에 따른 동작시간 0.03초 동작 유무 시험을 실시하였다. 또한 뇌임펄스 내전압 시험을 실시하여 최종적으로 고장을 판단하였다[5-7].
- 04이다. 정규분포와 와이블분포의 A-D값이 최소치이며 근사하나 수명평가 분석에서는 와이블분포가 더 적합하므로 와이블분포를 사용하였다[9]. 그림 15는 전체샘플에 대한 와이블분포 특성을 개략적으로 보여주는 것으로 확률밀도함수, 와이블 분포, 생존함수, 위험함수를 확인할 수 있다.
데이터처리
- 본 논문에서는 현장에서 사용되어진 누전차단기를 수거하여 누전차단기의 설치환경 및 누전차단기 상태 등에 대한 실태 분석을 실시한 후 각 차단기에 대해 트립시험, 누전트립 동작시간시험, 뇌 임펄스 내전압시험, 감도전류 시험을 통해 고장유무를 판단하였다. 그리고 시험을 통해 확보된 누전차단기의 수명데이터를 이용하여 신뢰성 분석을 실시하였다.
이론/모형
- 모수적 추정방법에는 최소제곱법과 최대우도법(MLS : Maximum Likehood Estimation)이 있는데 최소제곱법은 소표본 또는 관측중단이 클 경우 적합하며 일반적으로 최대우도법이 최소제곱법 보다 우수한 정밀도를 제공하므로 모수추정법은 최대우도법을 사용하였다[9]. 그림 13은 데이터 분석 순서도이다.
- 미니탭은 1972년 미국 펜실베니아 주립대학에서 통계용 프로그램으로 개발되어 사용되어졌으며, 국내에서 가장 보급도가 높은 수명자료 분석용 통계 소프트웨어이다. 저압차단기 757개에 대한 수명자료를 이용하여 수명 분포를 결정하는데 있어서는 Anderson-Darling 적합도 검정법을 사용하였다. 미니탭을 사용하여 A-D값을 얻어낼 수 있으며 A-D 통계량 값은 확률지에 나타낸 점과 이들을 적합한 직선의 대응점, 또는 경험적 누적분포함수와 이론적 분포함수와의 차이를 측정하는 값이며, 분포의 꼬리 부분에 큰 가중치를 가지도록 하여 적합한 직선과 그래프에 표시된 점과의 가중된 제곱 거리(Weighted Squared Distance)를 구한 값이다.
성능/효과
- (1) 누전차단기가 아직도 옥외에 많이 설치되어 있어 쉽게 분진에 노출되고 또 자외선에 의한 열화, 기후 환경에 의한 열화로 차단기의 상태가 좋지 않음을 알 수 있다.
- (2) 트립시험, 누전트립 동작시간 시험 결과 수거된 누전차단기에서는 약 50%가 실패할 확률은 약 7.5년 정도로 산출되었다.
- (3) 뇌임펄스 내전압 시험결과 10년 이내의 제품보다 10년이 초과된 제품에서 약 20% 정도 많은 시험 실패율을 보였다.
- (4) 신뢰성 분석을 통해 얻어 낸 MTTF는 전체 누전차단기 대해서는 12.7년이었으며, 설치위치에 따른 MTTF는 옥내의 경우 12.9년, 옥외의 경우 11.9년으로 약 1.0년 정도의 수명차이를 보였다. 또한 설치환경에 따른 MTTF는 습기장소에 사용되어진 누전차단기가 건조장소에서 사용되어진 누전차단기에 비해 4.
- 33이다. 그리고 와이블분포 분석으로 얻어 낸 평균고장시간(MTTF: Mean Time To Failure)은 12.7년으로 표준오차 0.23으로 산출되었다. 차단기가 10% 고장이 발생하는 시간인 B10은 5.
- 0년 정도의 수명차이를 보였다. 또한 설치환경에 따른 MTTF는 습기장소에 사용되어진 누전차단기가 건조장소에서 사용되어진 누전차단기에 비해 4.7년의 수명차이를 보였으며, 분진장소에서 사용되어진 누전차단기는 0.1년의 수명차이를 나타냈다. 이는 누전차단기의 환경적 열화인자 중 습기가 누전차단기의 수명에 매우 큰 영향을 미치고 있는 것을 알 수 있으며, 옥외에 설치되어 있는 누전차단기의 경우 분진에 많이 노출되고 또 자외선에 의한 열화, 기후 환경에 의한 열화로 차단기 수명이 단축되고 있는 것으로 판단된다.
- 그림 8은 차단기 스위치(핸들)부분에 대한 조사결과 정상 79%, 개폐불가 9%, 동작불량 7%, 균열 5% 차지하고 있어 재질의 보완이 필요한 것을 알 수 있다. 또한 전원측, 부하측 나사 상태에 대한 조사결과 정상이 67%를 차지하고 있고 부식 22%, 분실 11%를 차지하였다. 누전차단기 수거를 위해 교체 후 보관 상태에서 나사를 분실 한 경우도 포함되었을 것으로 추측된다.
- 본 연구에서는 써지 발생기(LSS-6030)을 이용하여 규정보다 낮은 시험전압인 4㎸로 시험을 실시하였으며 시험결과 그림 12와 같이 10년 이내의 제품보다 10년이 초과된 제품에서 약 20% 정도 높은 시험 실패율을 보였다. 누전차단기는 충격파로부터 내부회로를 보호하기 위해 써지 보호소자(MOV : Metal Oxide Varistor)내장하고 있는데 MOV는 시간이 경과됨에 따라 열화되기 때문에 10년이 초과된 누전차단기에서 실패율이 증가한 것으로 판단된다.
- 57이다. 설치환경에 따른 누전차단기 샘플에 대한 MTTF는 습기장소에 사용되어진 누전차단기가 건조장소에서 사용되어진 누전차단기에 비해 약 4.7년 정도의 수명차이를 보였으며, 분진장소에서 사용되어진 누전차단기는 약 0.1년 정도의 수명차이를 보였다. 이는 누전차단기의 환경적 열화인자 중 습도에 의한 영향이 누전차단기의 수명에 매우 큰 영향을 미치고 있는 것을 알 수 있다.
- 차단기 설치환경은 그림 4와 같이 건조지역 76%로 대부분이었으며 분진 16%, 습기 8%를 차지하였다. 전원측, 부하측 접속단자 부식 정도도 파악결과 그림 5와 같이 상태가 좋은 것은 64%이고, 양단부식 24%, 전원측 부식 6%, 부하 부식 6%를 차지하였으며 옥외 노출로 인한 단자 부식이 많음을 알 수 있었다. 전원측, 부하측에 관한 오염상태는 그림 6과 같이 정상이 58%로 과반수 이상을 차지하고 있으나 분진 40%, 기름 2%를 차지하고 있다.
- 미니탭을 사용하여 A-D값을 얻어낼 수 있으며 A-D 통계량 값은 확률지에 나타낸 점과 이들을 적합한 직선의 대응점, 또는 경험적 누적분포함수와 이론적 분포함수와의 차이를 측정하는 값이며, 분포의 꼬리 부분에 큰 가중치를 가지도록 하여 적합한 직선과 그래프에 표시된 점과의 가중된 제곱 거리(Weighted Squared Distance)를 구한 값이다. 즉, 수명자료를 대상으로 분포적합 시 후보 분포 중에서 더 적은 A-D 통계량 값을 가지는 분포가 적합 한다는 것을 의미한다. 누전차단기의 수명자료를 분석해 보았을 때 고장이 발생된 완전자료와 고장이 발생되지 않은 불완전 자료가 섞여 있어 분석을 위해 수명자료 중 수거된 누전차단기가 시기 안에 고장이 나지 않은 상황을 임의 관측 중단이라고 가정했을 때 모수적 추정방법을 이용하였다.
- 1%가 정상이었으며 그림 9와 같은 추세를 가지고 있다. 트립시험 결과를 이용하여 사용기간에 따른 성공률에 대한 추세선을 구하였으며, 트립시험에서 약 50%가 실패(고장)할 확률은 대략 7.5년인 것으로 산출되었다. 이는 현상적인 방법에 의한 것으로 정밀한 분석을 위해 신뢰성 분석프로그램이 이용되었다.
후속연구
- 따라서 본 논문에서는 국내 전 지역을 대상으로 하여 사용되어진 누전차단기를 수거하여 누전차단기의 사용환경 및 사용위치에 따른 고장여부를 판단하고 차단기 수명을 통계분석프로그램인 미니탭(minitab, USA)을 이용하여 분석하였다. 본 연구는 차단기 개발과 현장에서의 전기재해 감소를 위한 중요한 자료로 활용이 가능할 것으로 사료된다.
- 이와 같은 연구결과를 활용하여 전기설비 정기점검 및 검사시 교체주기 이상이 된 누전차단기에 대해서는 전기안전관리자가 구두통보, 교체권고, 불량통보 등의 단계를 적용하여 사전에 누전차단기를 교체사용하면 누전차단기의 오동작 및 불량에 의해 발생되는 전기재해를 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.
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