Assessing Maintenance of Medium Voltage Cable Networks Under Time-Varying Loading

1. Probleemstelling

De elektrificatie en de energietransitie leiden tot fundamentele veranderingen in de belastingprofielen van elektriciteitsnetten. Distributienetbeheerders (DSO's) moeten hun bestaande middenspanningskabels (MV) nu opereren onder dynamischere en vaak zwaardere belastingen dan waarvoor ze oorspronkelijk zijn ontworpen.

• Huidige tekortkoming: Bestaande onderhoudsmodellen gaan vaak uit van stationaire (constante) belastingcondities. Ze overschatten daardoor de levensduur van kabels, omdat ze de versnelde thermische veroudering door piekbelastingen en variabele belasting niet in aanmerking nemen.
• Risico: Het opereren nabij of boven de ampaciteit (stroomdraagvermogen) versnelt de thermische veroudering. Dit kan leiden tot een drastische toename van uitval en onderhoudskosten, vergelijkbaar met wat er gebeurt bij verouderde infrastructuur in andere sectoren (zoals spoorwegen en wegen) bij zwaardere belasting.
• Specifiek probleem: Er is een gebrek aan methoden om de impact van tijdsvariërende belasting op de uitvalkans van een heterogene populatie van kabels (met verschillende leeftijden en isolatietypes) te kwantificeren.

2. Methodologie

De auteur introduceert een nieuwe benadering die thermische verouderingsfysica koppelt aan niet-stationaire betrouwbaarheidstheorie.

• Thermisch Verouderingsmodel:
  • De temperatuur van de geleider wordt gemodelleerd als een functie van de stroomsterkte ($I_c$).
  • Voor XLPE-kabels wordt het Arrhenius-model gebruikt om de versnellingsfactor van veroudering te berekenen.
  • Voor PILC-kabels (oudere kabels) wordt het Montsinger-model toegepast, waarbij de levensduur halveert bij elke stijging van de temperatuur met een specifieke factor ($\Delta T$).
• Effectieve Leeftijd (Effective Age):
  • In plaats van alleen de kalenderleeftijd te gebruiken, wordt een "effectieve leeftijd" $A(a, t)$ gedefinieerd. Dit is de geïntegreerde veroudering over de tijd, gewogen door de temperatuurgeschiedenis.
  • De formule houdt rekening met tijdsvariërende belastingprofielen $\rho_T(T, t)$, inclusief overgangsfases van lage naar hoge DER-integratie (Distributed Energy Resources).
• Weibull-verdeling:
  • De uitvalkans ($\lambda$) wordt gemodelleerd met een Weibull-verdeling, waarbij de schaalparameter afhangt van de effectieve leeftijd en de verouderingsversnelling.
  • De methode leidt tot een analytische benadering (een "shortcut") om de toename van onderhoud te schatten bij veranderingen in het belastingprofiel.
• Onderhoudsstrategieën:
  De methode wordt toegepast op drie strategieën:
  1. Run-to-failure: Vervanging alleen na uitval.
  2. Replace-all: Vervanging op een vaste leeftijd (bijv. 50 jaar).
  3. Preventief onderhoud: Gebaseerd op gezondheidsindices en resterende levensduur.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Nieuw Kader: Een analytisch kader dat thermische veroudering koppelt aan niet-stationaire belastingprofielen, waardoor de evolutie van uitval in een populatie kabels tijdens de energietransitie kan worden geschat.
• Shortcut-methode: Een snelle rekenmethode om de verhouding van onderhoudsbehoeften ($N(t_1)/N(t_0)$) te berekenen voor verschillende scenario's (voor en na de energietransitie) zonder complexe simulaties voor elke individuele kabel.
• Differentiatie per Isolatie: Het model onderscheidt expliciet tussen de verouderingsmechanismen van moderne XLPE-kabels en verouderende PILC-kabels.

4. Resultaten (Case Studies)

De studie gebruikt datasets uit Denemarken en het Oberrhein-netwerk in Duitsland.

• Niet-lineaire Versnelling:
  • Een klein percentage van de tijd met zeer hoge belasting heeft een disproportioneel groot effect. In een PV-gedreven scenario veroorzaakt slechts 1,4% van de tijd (boven de nominale temperatuur) 46% van de totale thermische veroudering.
  • Dit betekent dat piekbelastingen de levensduur veel sneller verkorten dan een gemiddelde belasting zou suggereren.
• Impact op Kabeltypes:
  • PILC-kabels: Deze zijn extreem gevoelig. De studie toont aan dat een kleine fractie (25%) van oude, slechte kwaliteit PILC-kabels verantwoordelijk is voor 82% van alle uitval.
  • Onderhoudsbehoefte: Voor netwerken met oude PILC-kabels kan de onderhoudsbehoefte onder toekomstige belastingcondities 10 tot 300 keer hoger liggen dan nu. Voor de "Run-to-failure" strategie bij XLPE-kabels kan de toename zelfs oplopen tot een factor van 1,4 miljoen in extreme scenario's (vanwege de exponentiële relatie in het model).
• Strategie-effectiviteit:
  • De "Replace-all" strategie (vaste vervangingsleeftijd) is inefficiënt en kostbaar omdat hij niet rekening houdt met de daadwerkelijke staat van de kabel.
  • Preventief onderhoud kan de uitval verminderen, maar de toename in onderhoudskosten door de energietransitie blijft significant als de belastingprofielen niet worden aangepast.
• Sensitiviteit: De resultaten zijn zeer gevoelig voor de vormparameter ($\beta$) van de Weibull-verdeling. Kleine wijzigingen in deze parameter leiden tot grote verschillen in de voorspelde onderhoudsbehoeften.

5. Betekenis en Conclusie

De paper biedt een cruciaal instrument voor netbeheerders om te plannen voor de toekomstige realiteit van de energietransitie.

• Waarschuwing: Het overschatten van de levensduur van kabels op basis van historische, stationaire belastingdata leidt tot een groot financieel risico en een toename van uitval.
• Praktische Toepassing: De methode stelt DSO's in staat om te begrijpen dat de "top" van de belastingcurve (pieken) de belangrijkste drijver is voor veroudering, niet het gemiddelde.
• Beleid: Het onderstreept de noodzaak om onderhoudsstrategieën en vervangingsplannen dynamisch aan te passen aan de veranderende belastingprofielen, met name voor netwerken met een hoge aandeel verouderde PILC-kabels. Zonder deze aanpassing dreigt een "maintenance cliff" (een plotselinge, enorme toename van onderhoudskosten en uitval).

Kortom, de studie bewijst dat de energietransitie niet alleen een vraag naar meer capaciteit is, maar ook een fundamentele uitdaging voor de betrouwbaarheid en levensduur van de bestaande kabelinfrastructuur, die alleen kan worden beheerd door tijd-variërende verouderingsmodellen toe te passen.