[유지관리의 법칙] 무정전 전원 공급 장치(UPS) 점검 노하우, 가동 초기 고장 발생률 높아

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[유지관리의 법칙] 무정전 전원 공급 장치(UPS) 점검 노하우, 가동 초기 고장 발생률 높아

2013년 1월 23일 (수) 14:20:28 | 지면 발행 ( 2013년 1월호 - 전체 보기 )

UPS는 과도한 전압 사용 등으로 순간 정전사태가 발생할 때 자동으로 안정된 전원을 공급하는 장치로 전력 사용이 많은 현대사회의 필수 장비다. 특히 요즘처럼 전력수급이 불안정한 때 UPS는 든든한 지원군이 된다. 여느 기자재와 마찬가지로 UPS 또한 사용수명이 있으며 고장도 발생할 수 있다. 비상용 시스템인 만큼 고장 발생을 예측하고 고장 확인 시 즉치 조치를 취하며, 오랫동안 운용하기 위한 UPS 보수 점검은 필수적이다.

정리 김미선 객원기자

무정전 전원 공급 장치 UPS(Uninterruptible Power Supply)는 컴퓨터 의존도가 높아진 현대사회에 필수 기기다. 24시간 365일 안정된 전력을 지속적으로 공급하기 위한 역할을 담당하고 있다. 이런 까닭에 UPS는 높은 신뢰성을 유지해야 하는데 이 신뢰성을 지속하기 위해서는 UPS를 구성하는 전기부품, 기계부품, 전자부품 등의 상태를 정확히 알아 둘 필요가 있으며 때로는 스스로 부품 교체도 해야 한다.

UPS의 고장 발생

<그림 1>에 UPS의 고장률 곡선을 나타냈다. 세로축을 고장률, 가로축을 고장 연도(시간)로 했을 때 고장률이 흡사 욕조 모양을 닮게 되므로, 일반적으로 이 고장률 곡선을 'Bathtub Curve'라고 말한다.
일반적으로 UPS를 포함한 기기 및 시스템의 수명은 사용(가동) 후 전기적 성능 및 기계적 성능이 저하됨으로써 사용상 높은 신뢰성 및 안전성이 유지될 수 없을 때까지의 기간으로 정의한다. 그리고 기기의 수명을 줄이는 고장으로는 우선 비교적 빨리 발생하는 초기 고장과 장기간 사용 시 발생하는 우발고장 그리고 시간의 흐름에 따라 증가하는 마찰 고장(내용 수명) 이렇게 세 종류로 나눌 수 있다.

초기 고장기
고장률은 기기 및 시스템의 사용 초기에 많으며(<그림 1> 욕조 모양의 상단 부분), 시간이 흐르면 감소한다(욕조 모양의 측면 부분). 고장 원인은 기기에 잠재돼 있는 설비 불량, 제조 불량, 재료 결핍, 환경과의 부적합 등을 꼽을 수 있다. 이 시간을 초기고장 기간이라고 한다. 이런 초기 불량은 제조업체가 설계를 검토하고 시험해 점검함으로써 애초에 시장에 유출되지 않도록 관리해야 한다.

우발 고장기
초기 고장을 제거하면 고장률은 현저히 낮아지지만 잠재적 고장이 오랫동안 지속되면 우발적으로 발생하는 경우가 있으므로 전혀 없지는 않다. 초기 고장 기간을 경과하면 고장률은 거의 일정하게, 낮은 수치로 장기간 이어진다(욕조 모양의 바닥 부분).
이를 우발 고장 기간이라고 한다. 기기 및 시스템이 완벽하게 높은 신뢰도로 운용할 수 있는 기간이 있는데 이 기간을 사용 내용 기간 즉, 내용연수(수명)라고 한다.
보수 유지는 이 내용연수를 가능한 연장시키기 위해 시행한다. 예를 들어, UPS 시스템에 사용되는 냉각 팬은 3~5년 동안에 베어링이 마찰돼 팬이 마찰사고 가능 기간에 이른다. 장치의 내용연수에 도달하기 전 이 시기에, 마찰 고장 기간에 다다른 부품이 있으면 교환해 고장 나지 않도록 미리 조치한다.

마찰 고장기
제품이 마찰 및 피로 등으로 고장이 일어나 고장률이 시간과 함께 증가해 가는 기간이다. 수명에 가까워지면 마찰, 피로, 노화 등에 의해 고장률이 급격하게 증가한다(욕조 모양의 다른 한쪽 끝 측면부분).

우발 고장기에 MTBF 늘리기

기기 및 시스템의 안정성 지표로 MTBF(Mean Time Between Failures, 평균 고장 간격)라는 용어를 사용한다. MTBF란 고장과 다음 번 고장까지의 평균 간격을 나타내는 것으로, 즉 연속 가동할 수 있는 시간의 평균값이라 할 수 있다. MTBF의 수치가 클수록 고장 간격이 길어져 안정된 시스템이 되므로 그만큼 제품 신뢰성이 높아진다. MTBF를 평가하는 것은 안정기인 우발 고장 기간을 대상으로 한다.
UPS는 점검을 통해 노화 및 마찰이 발생하는 부품을 초기에 발견하면 부품 교환만으로 기능 및 성능을 유지할 수 있다. 즉, <그림 1>에서와 같이, 내용연수를 A에서 B까지 연장시킬 수 있다. UPS 시스템은 이차적 영향으로 발생하는 고장률을 최대한 낮게 유지하는 것도 중요하다. 그러나 UPS 자체가 다수의 전기 부품과 재료의 집합체이기에 부품의 연수말기로 가면 갈수록 그 고장을 예측하기 어렵다. 따라서 부하급전의 무정전화라는 중대한 직무를 담당하는 UPS 시스템은 우발 고장 기간에 MTBF를 늘려 오랫동안 사용할 수 있도록 지속적으로 보수를 유지하는 것이 중요하다.

점검의 필요성

UPS 시스템은 매일 행하는 일상점검, 일정 기간마다 계획한 후 진행하는 정기점검이 있는데 UPS의 건전한 운용을 위해 꼭 필요하다.
UPS 시스템의 부하 측 시스템은 245시간 365일 가동되고 있어 점검 시 부하급전을 지속하면서 점검할 수 없는 부위도 있다. 이때는 시스템의 일부분을 분리하거나 보수 바이패스 회로를 사용해 정기점검하는 것이 일반적이다. 정지해야만 하는 부위를 점검할 때에는 사전에 부하 측과 조정하는 등 정전 계획이 필요하다. 아래에 일반적인 일상점검과 정기점검에 대해 설명한다.

일상점검
평소 운용 상태에서 육안으로 이상 및 변화가 없는지 확인하는 방법이다. 주로 표시등 확인, 계기류의 계측 기록, 운전음 변화, 이취(이상한 냄새), 주위환경 등을 확인하는 것으로, 주로 시각과 촉각, 후각, 감각 등을 사용한다.
작업 그 자체는 간단하지만, 평소의 운전 상태를 파악하는 것이 목적이기 때문에 매일 실시하는 것이 중요하다. 미터의 계측 기록도 중요하다. 장기적으로 기록하고 그래프화하면 부하 및 전류의 움직임을 파악할 수 있게 되므로 내재된 이상 징후를 발견할 수도 있다.
일상점검의 주기(시간 간격)는 부하 시스템의 중요도와 가동 상황에 맞춰 결정하는 것이 바람직하다. 일상점검의 실제 사례를 <표 1>에 나타냈다

정기점검
정기점검은 주로 청소와 전기시험으로 나뉜다. 청소 시에는 온도, 습도, 각종 부식성 가스, 해염 입자, 오일미스트, 카본 더스트 등의 환경의 영향을 받지않는지 기기 내부의 상황을 확인한다.
기기 내부의 사용 부품에 변색, 변형, 액체의 낙하흔적 등 일상점검에서는 확인할 수 없는 부분의 외관을 육안으로 점검하고 이물 혼입 유무 및 각 부품과 도체의 조임 정도를 확인한다.
실내를 환기시키면서 흙먼지가 다량 부착되거나 염해 및 카본 더스트로 말미암은 부식이 원인이 돼 고장 나는 경우도 흔히 볼 수 있다. 이처럼 열악한 환경은 부품 노화 진행을 촉진할 뿐 아니라 고장의 원인이 되기도 하므로 UPS 시스템의 환경에 신경쓸 필요가 있다.
청소와 내부 확인을 마친 후에는 절연 저항을 측정해 절연 노화 유무를 진단한다. 이와 함께, 전기 시험으로는 제어 전원 확인, 보호회로 점검, 무부하 시 UPS 기동, 운전전압및파형측정등을시행하고, 기동·정지 시 운전 중 소음·이음·이취 유무도 확인한다.
UPS 본체 및 입·출력반에 사용되는 각 차단기도 주기적 점검과 동시에 타이머 등의 동작 시간 측정 등도 함께 행한다. 또한 UPS 본체나 입·출력반에 사용하는 각 차단기(VCB, ACB, MCCB, MC 등)도 주기적으로 점검하면서 타이머 등의 작동 시간도 함께 측정한다.
수명이 정해져 있는 전해 콘덴서의 경우에는 육안으로 누액의 유무, 외관 상황 및 방폭 밸브의 변동유무를 확인한다. 그리고 수명기에 특성 측정(용량 등)을 점검해 노화 상태를 판단한다.

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비상용 발전기를 구비한 시스템은 UPS 시스템과 비상용 발전기를 같이 급전 운전 시험해 봄으로써 정전 시 동작 및 축전지 운전 중 축전지 노화를 확인해 둘 필요가 있다. 축전지는 1셀당 전압과 내부 저항을 점검하고 청소와 체결 정도를 확인하는데, 노화 진단도 중요하므로 이는 아래에서 다시 설명한다.
UPS 시스템의 점검 항목과 그 내용은 제조업체에 문의해 보고 장기간에 걸쳐 점검 계획을 세우는 것이 중요하다. 일반적인 정기점검의 항목과 주의사항을 <표 2>에 나타냈다.

정기적인 부품 교환의 필요성
'Bathtub Curve'의 우발 고장 기간(<그림 1>)에서 수명이 짧은 부품을 정기적으로 혹은 노화 확인 후 교체하는 것은 장치 및 시스템의 내용연수를 늘리는 데 매우 중요하다. 다만, 부품의 수명은 사용환경(습도·온도·흙먼지·분위기) 및 운전 시간 등에 좌우되기에 일반적으로 규정할 수는 없다.
전자부품은 주로 아레니우스Arrehenius 법칙에 따르는 것이 대부분으로, 온도가 10℃ 오르면 수명은 1/2로 줄어들기 때문에 수명에 한계가 있는 부품의 교환은 사용 환경을 고려해 계획해야 한다. 일반적으로 UPS 시스템에사용되는부품중냉각팬, 전해콘덴서, 제어 전원 유닛, 제어 전원용 기판, 축전지 등이 수명 한계성 부품이라고 할 수 있다. 이들은 UPS로의 영향을 고려해 계획적으로 교환해야 한다.

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정해진 수명 이상 사용해 변형이 일어난 축전지 모습

UPS 시스템의 축전지
UPS 시스템에 사용되는 축전지는 상용 전원이 정전됐을 때 그 기능을 발휘하는 가장 중요한 구성부품이다. 일반적으로 UPS 시스템용 축전지 설비는 여러 대의 축전지를 직렬로 접속해 200개 정도가 된다. 이처럼 많은 축전지를 사용하므로 만약 축전지 한 개가 불량이어도 남은 축전기가 있어 괜찮을 거라고 오해하기 쉽다. 그러나 직렬로 접속되기에 노화한 축전지가 하나라도 포함돼 있다면 전류가 흐르지 않게 된다. 그 결과 만약 정전이라도 발생하게 되면 아무리 남은 축전지가 정상적으로 작동한다 해도 정전 보상 시간이 매우 짧아진다. 다시 말해, 한 개의 노화된 축전지가 설비 전체를 노화시키는 결과를 발생시키는 셈이다.
언제 발생할지 예측 불가능한 정전에 대비해 축전지 설비는 정상적으로 유지하는 것이 매우 중요하다. 노화를 눈치 채지 못하고 계속 사용함으로써 발화 및 변형이 일어나고, 심지어 상용 전원 정전 시 UPS 시스템으로서 제 기능을 하지 못해 시스템을 다운시킨다는 사례도 적지 않다.
축전지 성능의 저하 정도는 수명 한계에 다다르면서 서서히 빨라진다. 따라서 축전지는 소정의 방전시간을 만족시키지 못하는 시점에 교체해야만 한다. 그리고 그 교체 시기를 정확하게 파악하기 위해 용량 시험을 실시해야 한다. 용량 시험은 UPS 시스템 운용 중에 간단히 할 수 있는 일이 아니므로 축전지 노화 진단이 필요하다.
최근 축전지의 노화 진단 기술이 발달하면서 순시방전에 따른 전압 변화를 검지하고(일정 전류를 단기간 방전함으로써 방전 특성과 회복 전압 특성을 계측), 그 측정 데이터를 자동 저장해 데이터화함으로써 정밀도 높은 진단이 가능해졌다. 이것은 불량축전지 1셀의 교환 시기 혹은 축전지 전체의 교환시기를 판단하는 재료로도 매우 중요하다. 또한 UPS 시스템의 부하 설비 운용 중 측정이 가능하다는 사실도 유효성을 높이고 있다.
UPS 역할의 중요성을 고려해 축전지의 노화 진단을 정기적으로 실시함으로써 이상 및 갱신 시기를 정확하게 판단할 필요가 있다.