Geomagnetisch Induzierte Ströme (GIC)

Einfluss von niederfrequenten Strömen auf Leistungstransformatoren und das Übertragungsnetz

Ursache der niederfrequenten Ströme
Als Ursache für niederfrequente Ströme (engl. low frequency currents) wurden bereits Erdmagnetfeldänderungen (engl. geomagnetic disturbances, kurz GMD) identifiziert, die u. a. durch die Interaktion der Sonne mit dem Magnetfeld der Erde entstehen (Abbildung 1). Diese geomagnetisch induzierten Strömen werden auch als GICs bezeichnet. Mit Hilfe von Magnetfeldmessungen können GICs und deren Auswirkungen auf Netze berechnet werden.


Abbildung 1: Prinzip der geomagnetischen Induktion im Erdreich

Weitere Ursachen und Quellen der niederfrequenten Ströme sind Gegenstand der aktuellen Forschung.

Leistungstransformatoren:
Die niederfrequenten Ströme im Hochspannungsnetz verursachen vor allem bei Transformatoren Probleme. Erhöhte Lautstärke, Spannungsverzerrungen und eine Erwärmung des Transformators sind die Folge davon. Dadurch wird auch die Stabilität des Netzes negativ beeinflusst. Um die Wirkweise der niederfrequenten Ströme genauer zu untersuchen und besser zu verstehen, werden im Rahmen des Projekts Nf-Sternpunkt 2 Versuche mit Transformatoren im eigenen Labor durchgeführt. Dazu wurden zwei Verteilnetztransformatoren, wie man sie in ländlichen Gebieten auf Strommasten findet, umgebaut. Der Umbau ermöglicht es, die Transformatoren auf der Niederspannungsseite in einer beliebigen Schaltgruppe zu betreiben und macht den Hochspannungssternpunkt von außen zugänglich.


Abbildung 2: Versuchsfeld des IEAN mit umgebauten Transformatoren

In den Versuchen werden die Transformatoren z. B. auf der Hochspannungsseite miteinander verbunden und über den Sternpunkt ein Gleichstrom eingespeist. Damit wird im Labor eine vergleichbare Anordnung wie im Hochspannungsnetz nachgestellt.

Netzberechnung
Im Simulationsprogramm (Abbildung 3) können GICs und deren Auswirkungen auf Transformatoren und Übertragungsnetzen berechnet werden. Aus Magnetfelddaten in Kombination mit Erdleitfähigkeiten wird mit Hilfe einer ebenen Welle ein elektrisches Feld berechnet. Mit Übertragungsnetzdaten inklusive der Koordinaten der Umspannwerke werden daraus Spannungen und in weiterer Folge die Ströme in Transformatoren, Leitungen und Erdern berechnet. Des Weiteren können auch konstante, elektrische Felder für worst-case Analysen angegeben werden.


Abbildung 3: LFC Simulation-Tool

Aus diesen Berechnungen lassen sich Maßnahmen für den sicheren Betrieb von Übertragungsnetzen ableiten.

Messsysteme
Aktuell werden an 7 Transformatoren im österreichischen Hochspannungsnetz der APG die Sternpunktströme gemessen (Abbildung 4).



Abbildung 4: Österreichisches Übertragungsnetz mit Messorten

Die Messdaten erlauben die Validierung der Berechnungen aus der Software und den Laborversuchen. Das Messsystem wurden eigens für diese Messungen am Institut entwickelt (Abbildung 5, Abbildung 6). Es ermöglicht die automatisierte Messung und den Fernzugriff auf die Messdaten. Da vor allem Anteile mit Frequenzen kleiner als 1 Hz von Bedeutung sind, werden aus dem Messsignal alle Signale mit einer Frequenz größer 0,5 Hz herausgefiltert. So werden nur die niederfrequenten Ströme aufgezeichnet

Abbildung 5: Sternpunktmessgerät mit Schaltschrankheizung


Abbildung 6: Installiertes Sternpunktmessgerät im 380kV
Sternpunkt

Publikationen

2021
Albert, D.; Maletic, D., Renner, H.
Measurement based transformer modelling approach
In: ETG Congress 2021, pp.1-6.

2020
Albert, D.; Achleitner G.
Sternpunktsgleichströme im Hoch- und Höchstspannungsnetz - aktueller Stand der Forschung
In: Sternpunktbehandlung in Netzen bis 110 kV (D-A-CH), Online-Veranstaltung, 22.09.2020, Präsentation

Prohammer, M. Rueschitz, D. Albert and H. Renner
"Transformer Saturation Methods and Transformer Response to Low Frequency Currents," PESS 2020
IEEE Power and Energy Student Summit, 2020, pp. 1-6.


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 Sternpunktströme im Ubertragungsnetz - Ein Überblick über aktuelle und zukünftige Forschung in Oesterreich
In 16. Symposium Energieinnovation (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

Projekt Information
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Prof. Herwig Renner

 


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