Modellierung des Lebenszyklusverhaltens von

Technische Universität GrazErzherzog-Johann-University

Modellierung des Lebenszyklusverhaltens

von Hochspannungsanlagen

Hochspannungsanlagen

Christof Sumereder, Bernhard Körbler, Michael Muhr

6. Oktober 2004, TU Darmstadt

GIS- Anwenderforum 2004

Asset-Management von Hochspannungsschaltanlagen

Inhalt:

• Anlagenstruktur in Österreich• Lebenszyklus von Anlagen• Instandhaltung, Strategien• Zustandsbewertung, Methoden• Statistische Funktionen und Verfahren• Alterungsfunktionen• Modellbildung von Lebensdauerzyklen• Zusammenfassung

Altersstruktur von Anlagen Un < 110kV

Quelle VEÖ

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Baujahr

Altersstruktur von Anlagen Un = 110kV

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

Baujahr

Quelle VEÖ

Betriebsdauer

Lebensdauervorrat(Zustand)

„Normal“ Defekte

KritischerSchwellwert

Betriebsbelastungen

VerunreinigungAlterung

"Lebensdauerverlängerung"durch

Instandhaltungsmassnahmen

Ausfall

Lebensdauer einer Anlage

Instandhaltung

Ziel der Instandhaltung:

– Vermeidung von Betriebsmittelausfällen

– Ausnutzung des Lebensdauervorrates von Betriebsmitteln

– Zuverlässige Funktion der Energieversorgung

Erreichen der gesetzten Ziele durch Wahl von

– geeigneten Instandhaltungsstrategien.

Instandhaltungsstrategien (Auszug)

Zustand

zeitorientiert Time Based Maintenance TBM

zustandsorientiert Condition Based -“- CBM

ereignisorientiert Incident Based -“- IBM

zuverlässigkeitsorientiert Reliability Centered -“- RCM

risikoorientiert Risk Based -“- RBM

vorausschauend Forecast Based -“- FBM

... ... ...

Zustandsbewertung

• Zustandsbewertung im Neuzustand eines Betriebsmittels: – Abschätzung der möglichen Lebensdauer

• Zustandsbewertung im gealterten Zustand eines Betriebsmittels:– Abschätzung des momentanen Zustandes, der

Restnutzungsdauer und Betriebszuverlässigkeit

• Werkzeuge der Zustandsbewertung– Technische Diagnostik– Expertenwissen

Zustandsbewertung: Grundlage zustandsorientierter IH-Strategien!

Möglichkeiten der Zustandsbewertung

• Technische Diagnostik an Betriebsmittel (Messungen im Rahmen der Instandhaltung: Online/Offline, Monitoring)

• Betriebsmitteldatenbank, Störungsstatistik (Expertenwissen)

• Modellierung des Lebenszyklusverhaltens

Verfahren der Technischen Diagnostik (Auszug)

• Materialanalytik – UV, VIS, IR-Spektrometrie, Gaschromatographie, Massenspektrometrie

• Durchschlagsdiagnostik – Ud, ϕ(Ud), t(Ud),

• Teilentladungsdiagnostik– Ue, ϕ(TE), Teilentladungsintensität

• Dielektrische Diagnostik– ii(t), C(f), tanδ(f), (Transferfunktion)

• Mechanische Diagnostik– Schallemissionsanalyse, Dilatometrie, Analyse mechanischer Größen

• Thermische Diagnostik• Visuelle Diagnostik

– Darstellung von γ, Röntgen, UV, IR, Schallabstrahlung– Endoskopie, Stroboskopie

Betriebsmitteldatenbank

• Nenndaten• Betriebsstunden• Durchschnittliche Auslastung• Maximale Belastung• Außergewöhnliche Betriebszustände• Instandhaltung: Maßnahmen, Intervalle• Störungen vergleichbarer Geräte (Störungsstatistik)

Modellierung

• Mathematische Abbildung von physikalischen Prozessen und Vorgängen während des Betriebes– Mechanismen der Alterung

(Arrhenius, Inverse Power Law)– Erfassung der Tätigkeiten aus Instandhaltung,

Wartung, Störungen, Instandsetzung(Einfluß auf den Lebensdauervorrat)

Möglichkeiten der Zustandsbestimmung

Modellbildung (Alterung)

Diagnostik (Eigenschaften)

StatistikBetriebsmitteldaten (Anlagen-Lebenslauf)

Zustand der Anlage

Zusammenwirken statistischer Funktionen

0 20 40 60 80 100 120 1400

Zeit t

f(t)R(t)

dttftF0

dttdFtf )()( =

)(1)( tFtR −=

)()()(

)(1)()(

Bewertung mit statistischen Verfahren

Technische Diagnostik

math. Alterungsmodelle

Betriebsmittelstatistiken

math. statistische Funktionen:• Ausfallwahrscheinlichkeit• Zuverlässigkeit• Risiko• Ausfallsrate• Fehlerrate

Erstellung von AlterungsmodellenMethode 1:

– Dauer bzw. Alterungsversuche unterschiedlicher Belastungen

– Umgebungsbedingungen bleiben konstant

it ...Ausfall

stat. Dichtefunktionen

– Dauer- bzw. Alterungsversuche mit einer Dauerbelastungsstufe

– Feststellung der verbliebenen Belastbarkeit in regelmäßigen Zeitintervallen

Methode 2:

Quelle: A. Pack, Service Aged Medium Voltage Cables – A Critical ReviewOf Polyethylene Insulated Cables, ISEI 2004, 19.-22.09.2004 Indianapolis

Zustandsbeurteilung mit Alterungsmodellen

Belastbarkeit(Zustand)

Belastung 1

AusfallswahrscheinlichkeitP(l,t)

„1“

Ausfall

Prinzip:

Belastung 2

Ausfall

Alterungsmodell

Berechnung von Ausfallswahrscheinlichkeiten

Belastbarkeit

Belastung

P(l,t)∫∞

),()(),( dltlFlftlP ii

t1 t2 t3 t4 t5

• Beschreibung von Alterungsmodellen (Belastbarkeit) mit statistischen Größen

• Beschreibung der Belastung mit statistischen Größen

• Berechung der Ausfallswahrscheinlichkeit

Mathematische Formulierung von Modellen

• Erfassung von:– Instandhaltungstätigkeiten (Inspektion, Wartung, Instandsetzung,

Störungsbehebung)– Betriebsmitteldatenbank, Systemeigenschaften– Ergebnisse der technischen Diagnostik

• Bewertung mittels statistischen und empirischen Lebensdauerfunktionen in einer Datenbank

• Ermittlung von Kennzahlen für die Bewertung des Betriebsmittelzustandes, Instandhaltungsaufwandes und der Priorität von Anlagen

HS- Freileitung Allgemeines

LTG 1233,75 km

2 Systeme1980

70 Jahreeinfach

Inspektion, visuelle ÜberprüfungLeiter- und ErdseileVerbindungenÜberspannungsableiterKabelaufführungen. .

Erweiterte InspektionThermovisionWiderstandsmessungen. .. .

WartungAusästenReinungsmassnahmen .. .. ..

technische NutzungsdauerBegehbarkeitTopologie.

Name der FreileitungTrassenlängeSystemanzahlBaujahr

Betriebsmitteldaten

Bewertung

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Prorität

Aufwand

Zustand

Dateneingabe

Datenbewertung

Erfassung der Daten

Kennzahlen der Instandhaltungspraxis

Vergleich ausgewählter Betriebsmittel

Zusammenfassung: Nutzen der Modellierung

• Objektive Bewertung von Betriebsmittel, Erstellung von Kennzahlen• Vergleich verschiedener Netzabschnitte und Betriebsmittel• Variation von Parametern durch Simulation möglich und

Optimierung der Instandhaltungsstrategie:

– Weniger Defekte– Weniger Verluste – mehr Qualität– Minimierung der Kosten– Erhöhung der Lebensdauer– Minimierung des Ausfallsrisikos– Bessere Entscheidungsgrundlage

Technische Universität GrazInstitut für Hochspannungstechnik

und SystemmanagementInffeldgasse 18

8010 GrazTel.: 0316/873-DW

FAX: 0316/873-7408

O.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. Michael Muhr DW 7400 muhr@hspt.tu-graz.ac.atUniv.Ass. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Körbler DW 7415 koerbler@hspt.tu-graz.ac.atUniv.Ass. Dipl.-Ing. Dr. Christof Sumereder DW 7411 sumereder@hspt.tu-graz.ac.at

Modellierung des Lebenszyklusverhaltens von

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