WITTERUNGSABHÄNGIGER FREILEITUNGSBETRIEB BEI DER TENNET TSO GMBH - FGE-KOLLOQUIUM SOMMERSEMESTER 2012
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Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb
bei der TenneT TSO GmbH
FGE-Kolloquium Sommersemester 2012
Dr. Michael Schmale - Asset Management | Leitungen
14.06.2012
Dr. M. Schmale
Gliederung
Einleitung
Hintergrund Freileitungs-Monitoring
Konzept Umsetzung Freileitungs-Monitoring
Systemtechnische Betrachtungen
Ergebnisse
Fazit und Ausblick
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 2
Gliederung
Einleitung
Hintergrund Freileitungs-Monitoring
Konzept Umsetzung Freileitungs-Monitoring
Systemtechnische Betrachtungen
Ergebnisse
Fazit und Ausblick
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 3
Erhöhung der Übertragungskapazität
Treiber für Netzverstärkungen
Windenergie, neue Kraftwerke, Stromhandel
gesetzliche Verpflichtungen zur Bereitstellung von Netztransportkapazitäten
Möglichkeiten des Netzbetreibers:
Netzoptimierung
- Ertüchtigung vorhandener Stromkreise, z. B. durch
• Erhöhung der Auslegungstemperatur
• Behebung von Engpässen im UW-Bereich
- Einsatz neuer Technologien, z. B.
• Hochtemperaturleiterseile
• Freileitungs-Monitoring
Netzausbau (Leitungsneubau)
Grundsatz: Netzoptimierung vor Netzverstärkung und Netzausbau
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 4
Gliederung
Einleitung
Hintergrund Freileitungs-Monitoring
Konzept Umsetzung Freileitungs-Monitoring
Systemtechnische Betrachtungen
Ergebnisse
Fazit und Ausblick
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 5
Übertragungskapazität von Freileitungen
Mindestbodenabstand als bestimmende Größe
DIN EN 50341 „Freileitungen über AC 45 kV“
̵ Vorgaben zu Abständen
Einflussparameter:
̵ Stromstärke
̵ Witterung (Temperatur, Wind, Sonne)
Konservative Klimabedingungen gemäß VDE-
AR-N 4210-5 (Hochsommerwetterlage): :
Bodenabstand ̵ 35°C Umgebungstemperatur
̵ 0,6 m/s Windgeschwindigkeit
̵ 900 W/m² Globalstrahlung
Strombelastbarkeit
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 6
Übertragungskapazität von Freileitungen
Mindestbodenabstand als bestimmende Größe
Witterungseinfluss:
Windgeschwindigkeit,
Umgebungstemperatur,
Globalstrahlung
60°C
∆ Leitertemperatur 80°C
∆ Bodenabstand
∆ Strombelastbarkeit
Bodenabstand
nach Norm
Boden
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 7Strombelastbarkeit von Leiterseilen
Randbedingung: max. Leitertemperatur wird eingehalten
Stationärer Zustand: zugeführte Energie = abgeführte Energie
Sonne
zugeführte Energie:
- Pj – Joule‘sche Erwärmung: PJ k j I2 RDC 1 α Tav 20
- Ps – Energieeintrag Sonnenstrahlung: P α S D
S s
Ps
abgeführte Energie:
Pc
- Pc – Kühlung durch Konvektion: Pr I²·R
Pj
Pc π λ f Ts Ta Nu
- Pr – Abstrahlung grauer Strahler:
Pr π D ε σB Ts 273 Ta 273
4 4
Strombelastbarkeit berechenbar Pc Pr Ps
IAC
aus Leitertyp und Wettersituation k j RAC 1 α (Taν 20)
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 8Verlauf der Strombelastbarkeit
in Abhängigkeit von den Klimagrößen
Klima-Strom bezogen auf Nennstrom
Randbedingungen: Strahlung 900 W/m²; Wind senkrecht zum Leiter; 80°C-Auslegung
190
180
170
160
I / INenn [%]
150
140 2,0 m/s
130
1,0 m/s
120
110 0,6 m/s
100
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40
Umgebungstemperatur [°C] Stand der Technik
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 9Temperatur und Windgeschwindigkeit
während Feldversuch bei TenneT
20
18
16 statische
Windgeschwindigkeit [m/s]
14 Auslegung nach
DIN EN 50182
12
10
8
6
4
2
0
-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35
Umgebungstemperatur [°C]
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 10Gliederung
Einleitung
Hintergrund Freileitungs-Monitoring
Konzept Umsetzung Freileitungs-Monitoring
Systemtechnische Betrachtungen
Ergebnisse
Fazit und Ausblick
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 11Verständnis Freileitungs-Monitoring
Unter Freileitungs-Monitoring wird die Bestimmung der
witterungsabhängigen dynamischen Dauerstrombelastbarkeit eines
Stromkreises verstanden
Die Umsetzung beinhaltet die Überprüfung und ggf. Anpassung sämtlicher
Stromkreiskomponenten in Bezug auf die mit Freileitungs-Monitoring
maximal erreichbare Dauerstrombelastbarkeit des Stromkreises
Für den Netzbetrieb ist ferner die Einbindung der klimaabhängigen
dynamischen Dauerstrombelastbarkeiten in die Netzleittechnik erforderlich
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 12Ablauf Umsetzung Freileitungs-Monitoring
nein
Prüfung Trassierung OK? Nachtrassierung
ja
nein
Sonderbegehung OK? Austausch
ja
nein
Prüfung Verbinder OK? Austausch
ja
nein
Prüfung UW OK? Erneuerung
ja
nein
nein alles
Prüfung Schutz und
OK? Erneuerung, Anpassung bearbeitet
Systemgrenzen ja ?
nein ja
EMV (26. BImSchV) OK? Anpassung max. Strom
ja
Freileitungs-
Monitoring
Implementierung Strom-Formel nutzbar
Klimatechnik und Standorte
Dokumentation
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 13Prüfung Verbinder
Verbinder unterliegen Alterung
Ziel: Zustandserfassung von Verbindern, insbesondere Pressverbindern
Methode: Infrarot-Thermographie und Bestimmung Restnutzungsdauer in
Abhängigkeit der voraussichtlichen Strombelastung
Maßnahmen:
sämtliche Pressverbinder im Leitungszug mit Thermographie untersuchen
auffällige Verbindungen austauschen
Gutachten TU Dresden zu Alterungsverhalten von Pressverbindern
bei korrekt montierten Verbindungen verringert sich die Lebensdauer
bei Erhöhung der Strombelastung nur unwesentlich
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 14Intakte T-Abzweigklemme Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 15
Intakter Pressverbinder Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 16
Defekter Pressverbinder Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 17
Freileitungs-Monitoring in der Netzführung
Stationsleittechnik Netzleittechnik
UW
.. Netzleitsystem
Feldebene . Stationsebene
UW
Messung Übergabe an online Berechnung
Klimadaten Leittechnik dyn. Strombelastbarkeit
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 18Gliederung
Einleitung
Hintergrund Freileitungs-Monitoring
Konzept Umsetzung Freileitungs-Monitoring
Systemtechnische Betrachtungen
Ergebnisse
Fazit und Ausblick
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 19Grenzen der Transportkapazität
von Freileitungen
Freileitungs-Monitoring verstärkt die Konzentration hoher
Übertragungsleistungen auf einzelne Leitungskorridore
Stabilitätskriterien (Spannungs- und Winkelstabilität) des
Übertragungsnetzes (380-kV) beachten, um großräumige
Versorgungsunterbrechungen zu vermeiden
Europaweite Vermaschung der Übertragungsnetze erfordert enge
Abstimmung mit kontinentaleuropäischen Transportnetzbetreibern
Einhaltung der in der 26. BImSchV genannten Grenzwerte auch bei
erhöhten Transportkapazitäten
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 20Spannungsstabilität
Grundlagen
Spannungserhöhung bei leerlaufender Leitung (Ferranti-Effekt)
Gleiche Spannungsamplituden bei Betrieb mit natürlicher Leistung
Maximal übertragbare Wirkleistung wird erst bei sehr geringer
Ausgangsspannung erreicht (Berücksichtigung Spannungsband)
1,2 R XL
I
1,0
Spannung U2 / U1
U1 C RL U2
0,8
0,6
U1 = 420 kV
0,4 ℓ = 156 km
X‘ = 0,296 Ω/km
0,2 R‘ = 0,026 Ω/km
C‘ = 0,012 µF/km
0,0
0 1 2 3
Leistung am Leitungsende P2 / Pnat
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 21Spannungsstabilität
Parallelkompensation (MSCDN)
Einsatz von Mechanically Switched Capacitive Damping Network (MSCDN)
Zusätzliche, parallelgeschaltete Kondensatoren am Leitungsende stützen die
Spannung bei hohen Leistungen
1,4
I MSCDN 300 MVA
1,2
MSCDN 600 MVA
Spannung U2 / U1
1,0
0,8
ohne MSCDN
R XL
0,6
0,4
U1 C RL U2
0,2
0,0
0 1 2 3 4
Leistung am Leitungsende P2 / Pnat
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 22Systemstabilität
Übertragungswinkel
Höhere Ströme führen zu größeren Übertragungswinkeln
Gefahr der Winkelstabilität
Reduzierung der Netzimpedanz bzw. des Stromes durch zusätzliche
parallele Leitungen (Netzausbau)
U1 ∙ U2
P2 = Re U2 ∙ I ∗ = sinδ
X
ΔU ⅓I
I I
U1
XL I
ΔU
δ U1
XL ⅓ I
δ
U2 U2
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 23Winkelstabilität als Funktion des Netzausbaus
Höhere Leistungsübertragung bei geringerem Übertragungswinkel
Erhöhung der Systemstabilität (stationäre Stabilitätsreserve)
P U1 U2
P2 sin Erhöhung der
X
Übertragungskapazität
Reduzierung mit
des Übertragungswinkels Netzausbau
PFLM
Pist ohne
Netzausbau
stabil instabil
0° 45° 90° 135° 180°
Übertragungswinkel
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 24Gliederung
Einleitung
Hintergrund Freileitungs-Monitoring
Konzept Umsetzung Freileitungs-Monitoring
Systemtechnische Betrachtungen
Ergebnisse
Fazit und Ausblick
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 25Beispiel Strombelastbarkeit mit FLM
175
normierte Strombelastbarkeit [%]
150
125
115%
100
75
Zeitraum ein Monat
01.03.2011 - 31.03.2011
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 26Häufigkeitsverteilungen
von Strombelastung und Strombelastbarkeit
statische Strombelastbarkeit
nach DIN EN 50182
40
35
30
dynamische,
witterungsabhängige
Häufigkeit [%]
25
Strombelastbarkeit
Strombelastung
20
15
10
5
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180
Strom [%]
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 27Status Freileitungs-Monitoring 220/380-kV
Feldversuch Flensburg: Erste Freileitungs-
Monitoring
Realisierung des Monitoring-Konzeptes
Dänemark
(110-kV Ebene) Energienet.dk Schweden
Svenska
Kraftnät
Vorbereitung Höchstspannungsnetz
(380-kV und 220-kV) Leitungen
Hamburg
zwischen Hamburg und Gießen
Niederlande
abgeschlossen TenneT
Lehrte
Inbetriebnahme 2011
50Hertz
Transmission
Amprion
Strombelastung begrenzt durch
Systemstabilität Gießen
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 28Witterungsabhängige Strombelastbarkeit
der ertüchtigten Leitungen zwischen Hamburg und Gießen
5.000
witterungsabhängige Strombelastbarkeit [A]
4.000 4.000 A
3.150 A
3.000
Viererbündel AL/ST 240/40: 2.580 A
2.500 A
2.000
2.000 A
1.000
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Zeit [%]
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 29Strombelastbarkeitskarte
Dänemark
Energienet.dk
Schweden
Ermittelt wird die minimale
Svenska
Kraftnät
Strombelastbarkeit bei >80%
140 % Windeinspeisung
150 %
Hamburg Diese steht statistisch abgesichert für
Niederlande Planungsszenario zur Verfügung
TenneT
130 % Lehrte
Strombelastbarkeiten sind gültig für eine
50Hertz
zugehörige Region
Transmission
Amprion
Regionen gemäß meteorologischer
Gießen
Vorgaben eingeteilt
120 % Zusätzliche Strombelastbarkeiten im
Planungsszenario Windeinspeisung
werden eingetragen
EnBW
Strombelastbarkeiten beziehen sich auf für
115 %
80°C ausgelegte Leitung
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 30Gliederung
Einleitung
Hintergrund Freileitungs-Monitoring
Konzept Umsetzung Freileitungs-Monitoring
Systemtechnische Betrachtungen
Ergebnisse
Fazit und Ausblick
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 31Fazit und Ausblick
Voraussetzungen für Freileitungs-Monitoring:
- primärtechnische Ertüchtigungen
- Anpassung Schutzsysteme
- Überprüfung Systemstabilität
Freileitungs-Monitoring
- erfordert weniger Netzausbau
- führt zu geringerer Umweltbeanspruchung
- bedingt evtl. Netzengpässe während der Umbauphase
Stand der Technik
Praxis bei TenneT: keine Genehmigungsverfahren für Ertüchtigung
vorhandener Leitungen
Flächendeckende Einführung in der Höchstspannung
Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 32Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr.-Ing. Michael Schmale TenneT ist nach dem Zusammenschluss mit transpower der erste grenzüberschreitende Übertragungsnetzbetreiber für Strom in Europa. Mit ungefähr 20.000 Kilometern an Hoch- und Höchstspannungsleitungen und 35 Millionen Endverbrauchern in den Niederlanden und in Deutschland gehören wir zu den Top 5 der Netzbetreiber in Europa. Unser Fokus richtet sich auf die Entwicklung eines nordwesteuropäischen Energiemarktes und auf die Integration erneuerbarer Energie. Taking power further. www.tennet.eu Witterungsabhängiger Freileitungsbetrieb Dr. M. Schmale 14.06.2012 33
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