Risikoorientierte Instandhaltungsoptimierung von Mittelspannungskabeln

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Risikoorientierte Instandhaltungsoptimierung von Mittelspannungskabeln"

Mona Kästner
vor 7 Jahren
Abrufe

1 Risikoorientierte Instandhaltungsoptimierung von Mittelspannungskabeln Jochen Bühler Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 1

2 Inhalt 1. Motivation 2. Aufbau von MS-Kabelanlagen 3. Kosten-Nutzen-Verhältnis von Erneuerungsmaßnahmen 4. Optimaler Einsatz des Erneuerungsbudgets 5. Zusammenfassung Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 2

3 Motivation Spannungsfeld Ausgabenanstieg Netzausbau 60er & 70er Erneuerungsberg Hohe Zuverlässigkeit Kostendruck Liberalisierung 1998 Anreizregulierung 2009 Pönalen 2012 Risikoorientierte Instandhaltung Erkennung von Schwachstellen Größter Nutzen für Budget Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 3

4 Motivation Ziel: Risikoorientierte Erneuerung von MS-Kabel Begründung 90% aller Kundenausfälle sind auf MS zurückzuführen Hauptfehlerquelle in MS: Kabel Problematik Zustandsbewertung nötig Inspektion (und Wartung) nur in Ausnahmefällen möglich Tests zur Zustandsprüfung i.d.r. nicht wirtschaftlich Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 4

5 Aufbau von MS-Kabelanlagen Netze sind historisch gewachsen Unterschiedliche Kabel-Generationen Massekabel Massekabel Massekabel 1961 Traditionell: Ereignisorientierte Instandhaltung PE 1971 L Unterschiedliche Verlegungsumgebungen Berücksichtigung von Teilerneuerungen! Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 5

6 Kosten-Nutzen-Verhältnis von Erneuerungsmaßnahmen Kosten Kabel- und Tiefbaukosten statistische Daten Tiefbaukosten abhängig von Verlegungsort Nutzen Differenz aus Schadensrisiko vor und nach Maßnahme Vergleichbarkeit von Kabeln: Bezug auf Gesamtlänge Definition: Risiko = Schadenswahrscheinlichkeit x Schadenskonsequenz Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 6

7 Kosten-Nutzen-Verhältnis von Erneuerungsmaßnahmen Hier: Risiko = Schadensrate (λ) x Schadenskosten (sk) Grundlage: FGH Studie 299 zum Langzeitverhalten von Kabeln R ( i, j,t,..., t ) = λ ( ) + i, l1,..., l i skk,i K,i ti l i 1 sk i j G,j λ G,j i = Kabelanzahl; K = Kabel; t = Kabelalter; j = Garniturenanzahl; G = Garnitur; l = Kabellänge Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 7

8 Kosten-Nutzen-Verhältnis von Erneuerungsmaßnahmen Kabel Einflüsse auf Gesamtschadensrate Alterung (Alt) Studie Fremdverursachte Schäden (Ext) Studie Außergewöhnliche Eigenschaften (AE) Benutzerdefiniert Schadensanfälligkeit in der Vergangenheit (SA) Fuzzy-Logik λ K ( t) =λk,alt( t) ( 1+ SA + AE) + λk, Ext Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 8

9 Kosten-Nutzen-Verhältnis von Erneuerungsmaßnahmen Fuzzy-Logik-Modell Experten: Schadensintervall stärker gewichtet lang = 10 a kurz =1 a Hängt vom Kabeltyp ab, z.b. PE: hoch = 1 Schaden Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 9

10 Kosten-Nutzen-Verhältnis von Erneuerungsmaßnahmen Schadenskosten Folgekosten Gering, daher Studie Mittelwerte Reparaturkosten Schadenskosten Maßnahmenkosten Fuzzy-Logik Unterbrechungskosten Pönale Fallspezifisch Ausfalldauer Leistung Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 10

11 Kosten-Nutzen-Verhältnis von Erneuerungsmaßnahmen Fuzzy-Logik-Modell für Massekabel Entsprechen min. und max. Werten aus Studie Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 11

12 Optimaler Einsatz des Erneuerungsbudgets Demonstration der Funktionsweise des Modells Ziel: Bestimmung optimaler Erneuerungsmaßnahme Annahme: Kabel identisch (Verlegungsumgebung, etc.) Abschnitt R [ / (km a)] K [k ] R/K [1/(km a)] 1 k2 + m2 + k3 172,36 4,43 0, k1 697,17 33,96 0, k2 4,31 2,21 0, Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 12

13 Optimaler Einsatz des Erneuerungsbudgets Analyse eines real existierenden Ringnetzes Ziel: Gewinnung allgemeiner Erkenntnisse Netzdaten: 10 Ortsnetzstationen 77% Masse-, 19% PE- und 4% VPE-Kabel Schadenshistorie nicht bekannt Keine Feststellung außergewöhnlicher Kabeleigenschaften Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 13

14 Optimaler Einsatz des Erneuerungsbudgets Insgesamt wurden 3443 Erneuerungsoptionen analysiert Starker Abfall, daher gutes Kosten-Nutzen Verhältnis Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 14

15 Optimaler Einsatz des Erneuerungsbudgets Erkenntnisse Unterbrochene Leistung bestimmt maßgeblich Kabelpriorität Unterbrechungskosten >> Reparaturkosten Hohe Erneuerungspriorität von PE, PVC & alten VPE Kabeln Im Vergleich sehr hohe Schadensraten Kurze segmentierte Kabel sind langen vorzuziehen Reduzierung von Muffen bei geringen Kosten Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 15

16 Zusammenfassung Spannungsfeld: Erneuerungsberg Liberalisierung Lösungsansatz: Risikoorientierte Erneuerung von MS-Kabeln Maximaler Nutzen für gegebenes Budget Bewertung Kosten-Nutzen-Verhältnis von Erneuerungen - Kosten: Kabelkosten und Tiefbaukosten - Nutzen: Absenkung des Schadensrisikos Anwendung auf real existierenden Netzausschnitt Gewinnung allgemeine Erkenntnisse Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 16

17 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 17

18 Altersstruktur der Kabel eines städtischen Verteilungsnetzes Anteil [%] >50 6 Alter [a] Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 18

19 Prinzipieller Aufbau eines Mittelspannungsnetzes Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 19

20 Stromkreislängen von Mittelspannungskabeln Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 20

21 Gesamtrisiko R R R ( i, j,t,...,t, l,..., l ) = R ( i, j,t,...,t, l,..., l ) + R ( i, j,t,...,t, l l ) Ges 1 i 1 i EAS 1 i 1 i VHA 1 i 1,..., EAS VHA ( i, j,t1,...,t i, l1,..., l i ) = skeas K,i λeas K,i( ti ) l i + ( i, j,t,..., t, l,..., l ) = sk λ ( t ) 1 i 1 i i j sk EAS G, j λ i EAS G,j VHA K,i VHA K,i i l i + skvha G,j λvha i j G, j R ' Ges = R l Ges Ges = R Ges,Vor l R Ges Ges,Nach Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 21

22 Kosten-Nutzen-Verhältnis von Erneuerungsmaßnahmen Kosten Summe aus Kabel- und Tiefbaukosten Mittlere Kabel- und Tiefbaukosten aus statistischen Daten Tiefbaukosten: Berechnung mit Werten in Tabelle Verlegungsort Unversiegelter Boden Versiegelter Boden & niedriges Verkehrsaufk. Versiegelter Boden & hohes Verkehrsaufk. Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 22 Tiefbaukosten 90 /m 110 /m 200 /m Quelle: Consentec

23 Kosten-Nutzen-Verhältnis von Erneuerungsmaßnahmen Schadensrate Studien: Übergangsmuffen entsprechen Grundlage: Muffen von Studie Massekabeln zum Langzeitverhalten von Zeitlich Kabeln konstant Kabel Garnitur Masse EAS, VHA EAS, VHA VPE EAS, VHA EAS, VHA PE, PVC Mittelwert - Verhältnis: 2/3 Endv. zu Muffe Längenabhängig EAS, VHA Verhältnis Muffen: 2,75 pro km Entspricht VPE Länge Kabelanlage: Zeitlich Annahmen konstant ø 651m Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 23 Längen- & Altersabhängig Entspricht VPE Quellen: FGH & ETG

24 Schadensrate - Kabel λ EAS K ( t) =λeas K,Alt( t) ( gewalt + SA gewsa + AE gewae ) + λeas K,Ext gewext λ VHA K ( t) =λ ( t) ( gew + SA gew + AE gew ) VHA K,Alt Alt SA AE Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 24

25 Regelwerk Schadensanfälligkeit Schadensintervall Schadenshäufigkeit Schadensanfälligkeit lang normal normal lang hoch erhöht kurz normal stark erhöht kurz hoch stark erhöht Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 25

26 Schadensrate Garnituren VPE-Muffe λ EAS G = 21% , km = 2,47 10 ( 13,9% + 21% ) km a 2,75 a 1 VPE-Endverschluss λ EAS G = 13,9% , ,651km = 1,46 10 ( 13,9% + 21% ) km a 2 a 1 Schadensrate VPE-Kabel Massekabel [1/a] Muffe Endverschluss Muffe Endverschluss EAS 2, , , , VHA 8, , , , Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 26

27 Regelwerk Maßnahmenkosten Zugänglichkeit Verkehr VPE-Kabel [ ] Massekabel [ ] Minimaler Aufwand Freiliegendes Kabel Unversiegelter Boden Versiegelter Boden Nicht direkt zugänglich niedrig hoch niedrig hoch Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 27

28 Fuzzy Maßnahmenkosten Massekabel Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 28

29 Ergebnisse Schlussfolgerung Der Ersatz von Masseendverschlüssen bietet sich dann an, wenn die Länge des angeschlossenen Kabels bis zur nächsten Muffe nur sehr kurz ist (ca. 15 Meter). Besondere Einflüsse, welche die altersbedingte Schadensrate eines Kabels erhöhen, beeinflussen nur unterproportional dessen Priorität. Stark segmentierte Massekabel sind kritischer als stark segmentierte VPE-Kabel. Begründung VPE-Endverschlüsse weisen eine wesentlich niedrigere EAS-Schadenrate auf als Masseendverschlüsse. Weiterhin sind Endverschlüsse leicht zugänglich. Durch den Ersatz einer kurzen Kabelstrecke kann also eine starke Absenkung des Schadensrisikos bei vergleichsweise niedrigen Investitionskosten erreicht werden. Ein Großteil der Kabelschäden wird durch externe Einflüsse verursacht. Auf diesen Schadensanteil hat eine beschleunigte Alterung des Kabels keine Auswirkung. Die Schadensraten von VPE-Muffen sind um ca. eine Zehnerpotenz niedriger als die von Massekabel-Muffen. Institut für Elektrische Energieversorgung Jochen Bühler 29

Ähnliche Dokumente

RISIKOORIENTIERTE INSTANDHALTUNGSOPTIMIERUNG VON MITTELSPANNUNGSKABELN

RISIKOORIENTIERTE INSTANDHALTUNGSOPTIMIERUNG VON MITTELSPANNUNGSKABELN Jochen Bühler, Martin Hallas, Gerd Balzer Technische Universität Darmstadt, Landgraf-Georg-Str. 4 64283 Darmstadt, +49(0)6151/16-3151,