Niederfrequente Sternpunktströme (GIC)

Einfluss von niederfrequenten Strömen auf Leistungstransformatoren und das Übertragungsnetz
Ströme mit Frequenzen nahe 0 Hz, also quasi DC, sind im Hochspannungsübertragungsnetz unerwünscht. Die niederfrequenten Ströme können zur Sättigung von Leistungs-transformatoren führen. Durch die Sättigung erhöht sich die Lautstärke, die Blindleistungsaufnahme und die Verlustleistung der Transformatoren. Diese Effekte können sich negativ auf die Systemstabilität und damit auf die Versorgungssicherheit auswirken.

Problemstellung und Lösungsansatz
Im Projekt wird das Verhalten von Leistungstransformatoren im Labor untersucht, mit Simulationen verglichen und Rückschlüsse auf das Verhalten der Transformatoren im Übertragungsnetz gezogen. Zur Verifizierung der Annahmen, werden an 6 Messpunkten im österreichischen Übertragungsnetz Sternpunktmessungen und Phasenmessungen durchgeführt. Das eigene Simulations-Programm dient zur Berechnung der niederfrequenten Ströme im Übertragungsnetz und zur Identifikation gefährdeter Transformatoren und zur Beurteilung des Netzzustandes. Abbildung 1 zeigt die verschiedenen Forschungsfelder im Projekt.


Abbildung 1: Projekt-Organigramm und Forschungsfelder

Ursache der niederfrequenten Ströme
Als Ursache für die niederfrequenten Ströme wurden bereits Erdmagnetfeldänderungen (engl. geomagnetic disturbances, kurz GMD) identifiziert, die u. a. durch die Interaktion der Sonne auf das Magnetfeldsystem der Erde entstehen. Diese geomagnetisch induzierten Strömen werden auch als GIC bezeichnet. Daher werden Magnetfeldmessdaten zur Berechnung des Netzzustandes im eigenen Simulations-Programm berücksichtigt und genutzt.


Abbildung 2: Prinzip der geomagnetischen Induktion im Erdreich
Weitere Ursachen und Quellen der niederfrequenten Ströme sind Gegenstand der aktuellen Forschung.

Leistungstransformatoren
Im Rahmen des Projektes werden Laborversuche (Abbildung 3) mit Leistungstransformatoren durchgeführt, um den Einfluss der Schaltgruppe bei verschiedenen niederfrequenten Belastungen zu untersuchen. Dazu wurden zwei Leistungstransformatoren so umgebaut (Abbildung 4), dass die Schaltgruppe auf einer Seite des Transformators frei einstellbar ist.


Abbildung 3: Versuchsaufbau im Labor


 Abbildung 4: Umgebauter Transformator

Netzauswirkungen
Mit Hilfe des Simulations-Programms (Abbildung 5) und der Transformator-Sternpunktmessungen wird das Modell zur geomagnetischen Beeinflussung des Übertragungsnetzes verifiziert. Unter Berücksichtigung der lokalen Ströme, können die Einflüsse der Transformatoren berechnet werden und somit ein Gesamtbild des Netzzustandes generiert werden. Daraus lassen sich Handlungsmaßnahmen für den Netzbetreiber ableiten, um einen dauerhaften stabilen Netzbetrieb zu gewährleisten.


Abbildung 5: Simmulationsprogramm

Messsysteme
Aktuell werden an 6 Transformatoren im österreichischen Übertragungsnetz die Sternpunktströme (Abbildung 6) und in einem Umspannwerk die Phasenströme (Abbildung 7) gemessen. Weitere Messstandorte und Messmethoden befinden sich in der Vorbereitung. Die Messdaten im 1-Sekundenraster erlauben die Validierung der Berechnungen aus der Software und den Laborversuchen. Die Herausforderung bei der Messung der Phasenströme ist der unterschiedliche Messbereich. Die zu messende niederfrequenten Ströme haben Amplituden bis 25 A, wobei gleichzeitig betriebsfrequente Ströme von bis in den einstelligen Kiloampere-Bereich auf das Messsystem wirken.


Abbildung 6: Sternpunktmessung


 Abbildung 7: Phasenmessung

Publikationen

2020
Albert, D.; Schachinger, P.; Renner, H.; Hamberger, P.; Klammer, F.; Achleitner, G.
Field experience of small quasi DC bias on power transformers A first classification of low-frequency current pattern and identification of sources

In: Cigre 2020 Session, 2020, Accepted Conference Paper

Schachinger, P.; Albert, D.; Renner, H; Bailey, R. L.; Achleitner, G.; Leber, G.
Niederfrequente Sternpunktstroeme im Ubertragungsnetz - Ein Ueberlick ueber aktuelle und zukuenftige Forschung in Oesterreich
In 16. Symposium Energieinnovations (EnInnov), Graz, Austria, 2020, Conference Paper & Presentation

2019
Bailey, R. L.; Möstl, C.; Amerstorfer, U. V.; Amerstorfer, T.; Weiss, A. J.; Hinterreiter, J.; Reiss, M. A.; Albert, D.
PREDSTORM and SOLARWIND2GIC: Forecasting of Space Weather Effects and GIC with Python

Machine Learning in Heliophysics, Amsterdam, Netherlands, 2019, Conference Poster

Albert, D.; Halbedl, T.; Renner, H. Bailey R. L.; Achleitner, G.
Geomagnetically induced currents and space weather - A review of current and future research in Austria
In: 54th International Universities Power (UPEC), Bucharest, Romania, 2019, Conference Paper

Halbedl, T.
Low Frequency Neutral Point Currents on Transformer in the Austrian power Transmission Network
PhD Thesis, Graz, Austria, 2019

2018
Bailey, R. L.; Achleitner, G.; Halbedl, T.; Leonhardt, R.
Geomagnetically Induced Currents in Austria
In: EnInnov, Graz, Austria, 2018, Conference Presentation

Halbedl, T.; Renner, H.; Achleitner, G.
Geomagnetically induced currents modelling and monitoring transformer neutral currents in Austria
In: e&i, 2018

Bailey, R. L.; Halbedl, T.; Schattauer, I.; Achleitner, G.; Leonhardt, R.
Validating GIC Models With Measurements in Austria: Evaluation of Accuracy and Sensitivity to Input Parameters
In: Space Weather, 16, 887–902, 2018, DOI: 10.1029/2018SW001842

Bailey, R. L.; Halbedl, T.; Schattauer, Ingrid; Römer, Alexander; Achleitner, G.; Beggan, C. D.; Wesztergom, Viktor; Egli, Ramon; Leonhardt, R.
Modelling geomagnetically induced currents in midlatitude Central Europe using a thin-sheet approach
In: Ann. Geophys., 35, 751-761, 2017, Journal Paper, DOI: 10.5194/angeo-35-751-2017

2016
Halbedl, T.; Renner, H.; Bailey, R. L.; Leonhardt, R.; Achleitner, G.
Analysis of the impact of geomagnetic disturbances on the Austrian transmission grid

In: 19th Power Systems Computation Conference 2016, Genoa, Italy, 20th-24th June 2016, Conference Paper, DOI: 10.1109/PSCC.2016.7540833

2014
Halbedl, T.; Renner, H.; Sakulin, M.; Achleitner, G.
Measurement and analysis of neutral point currents in a 400-kV-network

In: 2014 Electric Power Quality and Supply Reliability Conference (PQ), Rakvere, Estonia, 11th-13th June 2014, Conference Paper, DOI: 10.1109/PQ.2014.6866785

Halbedl, T.,
Messung von Gleichströmen am Sternpunkt von Drehstromtransformatoren im Höchstspannungsnetz
Master Thesis, Graz University of Technology, Graz, Austria, 2014

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Prof. Herwig Renner

  • Austrian Power Grid
  • Siemens AG