Langfristige Entwicklung der Betriebsmittelzuverlässigkeit

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1 Langfristige Entwicklung der Betriebsmittelzuverlässigkeit Dr.-Ing. Karl-Heinz Weck, Dr.-Ing. Hendrik Vennegeerts, Dipl.-Ing. Uwe Zickler Forschungsgemeinschaft für Elektrische Anlagen und Stromwirtschaft e.v.

2 Überblick Motivation und Herausforderungen Blick in die Vergangenheit Auswertung der Verbandsstatistiken von 958 bis 2008 Prognose der Betriebsmittelzuverlässigkeit für die Zukunft Auswertung der FGH-Schadensstatistik (AiF-Projekt) Einfluss der Betriebsmittelbelastung auf das Alterungsverhalten Fazit

3 Motivation und Herausforderungen Motivation gute Betriebsmittelzuverlässigkeit ist die Grundlage für eine hohe Versorgungszuverlässigkeit Prognose der Betriebsmittelzuverlässigkeit erforderlich Prognose für die Zukunft basiert im Wesentlichen auf Daten der Vergangenheit statistische Analyse verfügbarer Daten und Interpretation der Ergebnisse Herausforderungen Alterung der Betriebsmittel bei anstehendem "Erneuerungsberg" und knappen Budgetvorgaben Auswahl wirtschaftlicher Technologien vor dem Hintergrund der Qualitätsregulierung Abschätzung des Einflusses durch geänderte Belastung der Betriebsmittel (z. B. durch dezentrale Erzeugung) Dokumentation der richtigen, weil relevanten Daten zur statistischen Auswertung 2

4 Blick in die Vergangenheit Datenbasis: VDEW-/ VDN-/ FNN-Statistiken seit 958 Besonderheiten für die Interpretation mehrfacher Wechsel der Erfassungsschemata, daher Plausibilitätsprüfung auf auffällige Sprünge erfolgt unterschiedliche Grundgesamtheiten und Altersstrukturen durch Ausbau der Netze bis in die 70er Jahre freiwillige Beteiligung unterschiedlicher Unternehmen in den einzelnen Berichtsjahren ab 994 neue Bundesländer in Statistik enthalten Technologiewechsel (häufig in älteren Jahrgängen keine ausreichende Fehlerortunterteilung) für dargestellte Betriebsmittel und Erfassungsjahre vergleichbare Erfassungsmethodik und Begriffsdefinition verwendet Ziel: Darstellung der Anlagenqualitätsentwicklung dafür Aufteilung nach Störungsanlassklassen Aufzeigen des Verbesserungspotenzials durch Betriebsmitteltausch 3

5 Auswertung der Verbandsstatistiken von 958 bis 2008 Störungshäufigkeit von MS-Kabeln pro 00 km und Jahr 4 Störungshäufigke eit 8 00km Rest Fremde Einwirkungen kein erkennbarer Anlass Jahr stetige Verringerung der Störungshäufigkeit: Deutungsversuche bei keinem erkennbaren Anlass bessere Kabelqualität (VPE-Kabel) durch fremde Einwirkungen verbesserte Planauskunft und Planungswerkzeuge Zwischenanstieg nach 990 aufgrund reger Bautätigkeiten in den neuen Bundesländern

6 Auswertung der Verbandsstatistiken von 958 bis 2008 Störungshäufigkeit von MS-Freileitungen pro 00 km und Jahr 2 00km Rest Atmosphärische Einwirkungen kein erkennbarer Anlass Störungshäufigke eit Jahr keine Verringerung der Störungshäufigkeit und somit keine Qualitätsverbesserung erkennbar größter Einfluss durch atmosphärische Einwirkungen keine wesentliche Änderung der eingesetzten Technologie grundsätzlich deutlich höhere Störungshäufigkeit als Kabel 5

7 Auswertung der Verbandsstatistiken von 958 bis 2008 Störungshäufigkeit von Ortsnetzstationen (ONS) pro 00 ONS und Jahr ONS Störungshäufigkeit % Anteil Maststationen Rest Atmosphärische Einwirkungen Fremde Einwirkungen kein erkennbarer Anlass Anteil Maststationen Jahr deutliche Verringerung der Störungshäufigkeit Abnahme des Maststationsanteils mit Einfluss, aber nicht alleine entscheidend Abnahme der Störungen sowohl bei keinem erkennbaren Anlass als auch durch atmosphärische Einwirkungen Einsatz von Kompaktstationen sowie verbesserter Überspannungsschutz 6

8 Auswertung der Verbandsstatistiken von 958 bis 2008 Schadenshäufigkeit von Ortsnetztransformatoren (ONT) pro 00 ONT und Jahr hier Schäden mit Störung ONT Schadenhäufigkeit Rest Atmosphärische Einwirkungen Fremde Einwirkungen kein erkennbarer Anlass Jahr deutliche Verringerung der Schadenshäufigkeit insbesondere bei atm. Einwirkungen verbesserter Überspannungsschutz bei keinem erkennbaren Anlass bessere Qualität der eingesetzten (Gießharz-)Transformatoren, aber Sättigung erreicht 7

9 Prognose der Betriebsmittelzuverlässigkeit Ziele und Methodik der FGH-Forschungsaktivitäten* Ziel: Entwicklung typspezifischer Prognosemodelle zur Beschreibung der Zuverlässigkeit von Betriebsmitteln in elektrischen Verteilungsnetzen Methodik Erfassung umfassender Daten zu Schäden als grundlegende Voraussetzung Konzentration auf relevante Netzkomponenten der MS-Ebene statistische Analyse der erfassten Daten Verfügbarkeit der Mengengerüste detailliert nach Alter, Technologie etc. Fokus auf Weiterentwicklung und Verifikation der Prognosemodelle Unterscheidung nach Technologie, Funktion, Hersteller Einfluss von Erneuerung und Instandhaltung Historie AiF-Forschungsvorhaben Asset Management von Verteilungsnetzen bearbeitet von Juli 2003 bis Juni 2005 Erfassung und systematische Auswertung von ca Datensätzen von 2 Netzbetreibern * gefördert über AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.v.) / BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie ) 8

10 Auswertung der FGH-Schadensstatistik Schadensaufkommen an Netzkomponenten in der MS-Ebene 96.0 % HS/MS-Transformator Leistungsschalter 4.0 % 4.2 % Schäden ohne Störung Schäden mit Störung 95.8 % Umspannwerke / Schaltstationen % 00 Schadenaufkommen MS/NS-Transformator Lastschalter.2 % 2.4 % Schäden ohne Störung Schäden mit Störung 78.6 % 88.8 % Netzstationen % 00 Schadenaufkommen Mehrzahl der Schäden führen derzeitig nicht zu einer Störung Anzahl minor failures >> Anzahl Major Failures hohe Wirksamkeit der praktizierten Instandhaltung 9

11 Auswertung der FGH-Schadensstatistik Ortsnetztransformatoren empirische Schadenshäufigkeit für Schäden mit und ohne Störung Schäden ohne Störung Schäden mit Störung 00ONT a Schadenhäufigkeit a 50 Alter gute Übereinstimmung für Schäden mit Störung mit den Verbandsstatistiken Zunahme der Schäden ohne Störung mit Alter durch IH-Maßnahmen erkannt 0

12 Auswertung der FGH-Schadensstatistik Papiermasse-Kabel Anzahl der Ereignisse und zugehöriges Mengengerüst (Schaden = Störung) Ereignisse Systemlänge 3500 km Ereignisse Systemlänge Ereignisse mit einem Verlegejahr vor Verlegejahr Problem: Verlegejahre sind teilweise unbekannt, insbesondere der alten Kabel Schätzungen notwendig

13 Auswertung der FGH-Schadensstatistik Papiermasse-Kabel empirische Störungshäufigkeit und abgeleitete Störungsrate pro 00 km und Jahr 5 00km a 4 Empirische Häufigkeit Störungsrate h S plus Anteil der Muffen und Endverschlüsse von ca. 0.9 Störungen pro 00 km und Jahr Große Unsicherheit im Bereich hohen Alters.5 h S = / 00km a a 80 Alter Annahme: moderater Anstieg der Störungsrate aufgrund verringerter mechanischer Belastbarkeit und Spannungsfestigkeit bei Erdschluss 2

14 Entwicklung der durchschnittlichen Störungshäufigkeit für MS-Kabel bei reiner Erneuerung Ersatz der Papiermasse-Kabel durch VPE-Kabel nach 60 Jahren 4 00km a 3 Papiermasse-Kabel VPE-Kabel Störungsraten Mengengerüste von 2005 Papiermasse-Kabel VPE-Kabel 2500 km Störungsrate Erneuerungszeitpunkt PM-Kabel Systemlänge a 80 Alter.6 00km a.2 Störungshäufigkeit it a 90 0 Alter Papiermasse-Kabel VPE-Kabel a 65 Prognosezeit 3

15 Ausblick auf aktuelles FGH-Forschungsvorhaben* Motivation: Erhöhung der Datenqualität und -quantität als Grundlage belastbarer Prognosemodelle Bearbeitungszeitraum:. April 200 bis 30. September 202 Teilnehmerkreis: FNN, 4 Dienstleister, 3 Hersteller, 2 Forschungsstellen, 8 Netzbetreiber 24/7 Netze GmbH E.ON Bayern AG E.ON Mitte AG Energie Wasser Niederrhein GmbH EWE NETZ GmbH LEW Netzservice GmbH NRM Netzdienste Rhein-Main GmbH Rheinische Netzgesellschaft mbh RWE Rhein-Ruhr Verteilnetz GmbH Stadtwerke Düsseldorf Netz GmbH Stadtwerke Ratingen GmbH Stadtwerke Schifferstadt Süwag Netz GmbH SWM Infrastruktur GmbH Vattenfall Europe Distribution Berlin GmbH Vattenfall Europe Distribution Hamburg GmbH VNB Rhein-Main-Neckar GmbH & Co. KG WEMAG Netz GmbH stetige Erweiterung, langfristig Ausweitung auf Verbandsebene * gefördert über AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.v.) / BMWi (Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie ) 4

16 Alterungsvorgänge Betriebsbeanspruchungen und Wirkungen Beanspruchung Wirkung Alterung Hohe Betriebsspannung Überspannungen Hohe Dielektr. Verluste, Übererregung, Teilentladungen Isolation von Transform./Wandler, Papiermasse-Kabel Hohe Belastung durch Betriebsströme Hohe Temperatur mit Materialdehnung Isolation von Transform./Kabel, Kontakte Ungünstige Umgebungsbedingungen Oberflächenströme, Korrosion, Versprödung Isolatoren, Gehäuse, Dichtungen 5

17 Zukünftig zu erwartende Beanspruchung der Betriebsmittel Spannungsbeanspruchungen Änderungen für das öffentliche Netz in Zukunft nicht absehbar im Übertragungsnetz Betrieb mit der höchst zulässigen Netzspannung möglich Umgebungsbedingungen in Zukunft eher Verbesserungen zu erwarten Strombeanspruchungen durch Verbrauchereinrichtungen zukünftig kaum Änderungen wegen (n-)-prinzip Strombelastung meist deutlich unter Bemessungsstrom (Ausnahme: reine Strahlennetze) durch dezentrale Erzeugungsanlagen starke Erhöhung der Betriebsströme möglich 6

18 EEG-Erzeugungsanlagen heute und 2020 in Deutschland Installierte Leistung im Jahr 2020 >68 GW 7

19 Strombeanspruchungen in der Zukunft Anschluss von EEG-Erzeugungsanlagen nicht (n-)-sicher Betriebsmittel wirtschaftlich optimiert Strombeanspruchung nahe dem Bemessungswert der Betriebsmittel Temperaturen der Betriebsmittel erreichen Werte deutlich über den heutigen Werten starke Schwankungen der Temperaturen bei Windenergie- und Photovoltaikanlagen Stärkere Alterung als heute zu erwarten Isolation der Einspeisetransformatoren Isolation der Kabel Kontakte der Strombahnen 8

20 Fazit Hohe Versorgungszuverlässigkeit setzt gute Betriebsmittelzuverlässigkeit voraus Neue Technologien tragen nachweislich zur Verbesserung der Versorgungsqualität bei Geeignete Statistiken liefern wertvolle Erkenntnisse über das Schadens- und Störungsgeschehen in der Zukunft Dokumentation relevanter Daten als fortlaufenden Prozess Weiterentwicklung vorhandener Prognosemodelle unternehmensübergreifende Auswertung erhöht die Belastbarkeit der Ergebnisse Einbezug bisheriger Betriebserfahrungen Abgleich mit statistischen Analysen Vermeiden von Fehlinterpretationen Aufgrund zukünftiger Betriebsmittelbelastungen schnellere Alterung möglich Effektfrüherkennung durch statistische Erfassung 9