안전등급 인버터 및 충전기 내 커패시터의

수명분포와 신뢰도 수준 적용

한국수력원자력(주) 중앙연구원 계전연구소 양창석

2019.08

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더미 텍스트

목 차

1. C-1E 인버터 및 충전기 내 커패시터 수명검증

1.1 열노화 영향분석

1.2 검증수명 결정 및 평가

2. 신뢰성 공학

2.1. 용어 정의

2.2 고장률의 형태 : 욕조곡선(Bathtub Curve)

2.3 커패시터의 수명분포 적용 : 지수분포

2.4. MIL-STD-271 및 690

3. 신뢰도 수준(Confidence Limit) 적용

3.1 커패시터 수명보증시험시간 계산

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시작

커패시터 고장율

자료 유무?

열수명 해석 (Thermal Life Analysis) - 3점 온도에서의 고장율 계산 - 회귀분석 및 열수명곡선 추출

가속노화 시험 (Accelerated Aging Test) - 정격온도(RT) 이상(3점)에서 가

속노화 시험 - Arrhenius 열수명곡선 결정

활성화 에너지

(eV) 산출

활성화 에너지

(eV) 산출

검증수명평가 시험 - 정상운전조건에서의 예상 열 수명(Thermal Life) 계산

- 검증수명(Qualified Life) 결정 및 평가

- 수명보증 시험 : 최대정격온도에서 검증수명기간 시험

검증수명평가 해석 - 정상운전조건에서의 예상 열수명(Thermal Life)계산

- 검증수명(Qualified Life) 결정

끝

Yes

No

열노화 영향 분석 (Thermal Aging Effects Analysis)

검증수명(Qualified Life) 결정 및 평가

3

1. C-1E 인버터 및 충전기 내 커패시터 수명검증

신뢰도 수준 95%적용

1.1 열노화 영향분석

1.1.1. 열수명 해석(Thermal Life Analysys)

• 커패시터 제조사에서 수행한 고장율/내구성 시험자료를 확보하였을 경우 수행

• 아레니우스공식을 통하여 열수명 특성곡선과 활성화에너지 산출

1.1.2. 가속노화시험(Accelerated Aging Test)

• 제조사의 고장율/내구성 자료입수 불가 시 적용

• 3점 온도(10℃간격)를 선정하여 가속노화시험 진행

• 시험 시편은 점당 5개 이상 선정

• 제품고장여부 판단 수락기준(Acceptance Criteria)은 제조사에서 제공하는 기준을 적용

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1. C-1E 인버터 및 충전기 내 커패시터 수명검증

1.2 검증수명 결정 및 평가

1.2.1. 검증수명평가시험 : 열수명 해석으로 활성화 에너지 산출 시 적용

• 각 커패시터의 검증목표수명 설정(최대 10주기, 15년)

• 최대정격온도에서 연속운전시험을 수행

• 시험 완료 후, 모든 커패시터가 고장이 발생하지 않았을 경우 적합판정(Capacitance, ESR,

Leakage Current 등 제작사 기준)

1.2.2. 검증수명평가 해석

• 활성화 에너지를 가속노화 시험으로 산출하였을 경우 검증수명평가를 해석으로 수행함

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1. C-1E 인버터 및 충전기 내 커패시터 수명검증

2.1. 용어 정의

① 고 장 : 부품의 규정된 기능을 잃은 것

② 고장률(λ) : 부품이 단위 시간 내 고장을 일으키는 확률

③ 고장률 수준 : 고장률을 편의적으로 몇 개의 수준으로 구분(MIL-STD-217)

• M=1%, P=0.1%, R=0.01%, S=0.001% (%/1,000hr)

• M 수준 : 1,000시간에 1개 고장 확률이 1%

• 100,000시간에 1개 고장 확률 100%

④ 고장률 분포 : 시간에 따른 고장률을 그래프로 나타낸 분포

I. 지수분포(=우발고장) : 시간에 따른 고장률이 일정함 𝑅 𝑡 = 𝑒−λ𝑡

II. 정규분포(=마모고장) : 시간에 따른 고장률이 증가함

III. 와이블 분포 : Bathtub Curve를 따르는 고장률 분포를 표현

⑤ 신뢰 수준(CL) : 고장률 수준의 고장률 로트가 합격이 되는 확률(60%, 90%, 95%, 99%)

⑥ 누적 시험시간(T) = 시료수(n) × 실제시험시간(t) ……… 식 (1)

⑦ 신뢰성 샘플링 검사 : 총 시험시간 중 발생한 고장개수(r)가 허용실패 시료개수(c)보다

적으면 이 로트를 고장률의 신뢰수준에서 합격시키는 검사방식

2. 신뢰성 공학

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)()( tetR

)σ

μt(1)

σ

μtP(Zt)P(TR(t)

2.2 고장률의 형태 : 욕조곡선(Bathtub Curve) – 일반적인 전자제품의 수명분포

• DFR (Decreasing Failure Rate)

• CFR (Constant Failure Rate) = 지수분포

• IFR (Increasing Failure Rate) = 정규분포

• DFR+CFR+IFR = 와이블 분포

2. 신뢰성 공학

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)(th

초기 고장기간

early failure

decreasing failure rate

(DFR)

우발 고장기간

random failure

constant failure rate

(CFR)

increasing failure rate

(IFR)

마모 고장기간

wear-out failure 1t 2t

t

2. 신뢰성 공학

2.3 커패시터의 수명분포 적용 : 지수분포

• 초기 고장은 공장 품질검사 및 발전소 인수검사(일반규격품일 경우 CGID*)를 통하여 제품

출하 전에 배제

• 후기 고장은 주기적 검사 및 제품의 교체주기를 설정함으로써 배제

커패시터의 고장은 우발고장기간에 집중된다 = 고장률이 지수분포를 따른다

* CGID(Commercial Grade Item Dedication) : 일반규격품 품질검증

A 커패시터 제작사의 고장률 분포

그래프(지수분포 적용함)

B 커패시터 제작사의 신뢰도

함수(지수분포 적용함)

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2. 신뢰성 공학

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2.4. MIL-STD-271 및 690

• 제품의 고장률이 지수분포를 이루는 경우 신뢰성 시험 기준으로 MIL-STD-

217(RELIABILITY PREDICTION OF ELECTRONIC EQUIPMENT)을 사용하며, 이에

따르는 표본선정 기준(=신뢰성 샘플링 검사)은 MIL-STD-690(Failure Rate Sampling

Plans and Procedures)을 따름

• MIL-HDBK-217은 미 국방부에서 군용 전자 장비 및 시스템 획득간의 신뢰도 예측을 위

해 개발한 전기전자 부품 고장률 예측 모델로 1962년 초판이 발간되었으며(William

Denson(1998)), 1991년에 217F로 개정, 1995년에는 217F Notice 2로 부분 수정이 이

루어 진 후 현재까지 지속적으로 활용되고 있다. 국내에서는 방위산업을 포함하여 가장

범용적으로 사용되고 있는 규격임

① 1940년대 세계 2차대전 시 미국 군용항공기 통신장비의 60%~75%가 첫 비행 시 고장(원인 : 진공관)

② 1952년 미 국방성에서 AGREE(Advisory Group on Reliability of Electronics Equipment, 전자 장비의 신뢰성

에 대한 자문단)를 설립함.(MIL-STD규격의 근간을 이루고 신뢰성 공학의 기초가 됨)

③ 1958년 MIL-STD-441”군사 전자 장비의 신뢰성”과 MID-R-26667”신뢰성과 수명 요구조건, 전자장비”를 발행

④ 위 문서들을 기초로 1982년 MIL-HDBK-217 “전자 장비의 신뢰도 예측”이 발행되고 미국방부에 의 해 1995년

민간에 공개되면서 전 산업의 신뢰성 공학 활용에 기초가 됨

3. 신뢰도 수준 적용

3.1 커패시터 수명보증시험시간 계산

① 운전온도 40℃에서 15년(=131,400hr)의 수명을 보증하는 고장률(λ)

• (100(%) × 1,000(hr)) ÷ 131,400(hr) = 0.76104%/1,000hr

② 고장률 15년에 따른 누적시험시간(T) – MIL STD 690 Appendix A Table A-1 신뢰도 수준 95% 적용

• (299,375) ÷ 0.76104 = 393,376hr @ 40℃

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3. 신뢰도 수준 적용

3.1 커패시터 수명보증시험시간 계산(계속)

③ 가속노화시험(TACC) 계산 : 아레니우스 방정식

• 활성화 에너지(E) 0.785eV(제조사 수명자료를 통하여 산출)

• 가속노화시간(TACC) =

T = 누적시험시간, E = 활성화 에너지, k = 볼츠만 상수, TR = 정격온도(105 ℃), TO = 운전온도(40 ℃)

가속노화시간(TACC) : 2,638hr @105℃

④ 시험 표본수량과 시간 계산

• 가속노화시험시간(TACC) 2,638hr/시료수 1개(Single Sample)

• 시료수(n) = 10개

• 누적 시험시간(T) = 시료수(n) × 수명보증 시험시간(t) (p.6 식(1) 참조)

• 수명보증 시험시간(t) = 2,638hr(TACC) ÷ 10개(n) = 263.77hr ≒ 264hr

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TEXT THANK YOU

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