Niederfrequente Sternpunktströme 2

Einfluss von niederfrequenten Transformatorsternpunktströmen auf Leistungstransformatoren und das Übertragungsnetz

Transformatorsternpunktströme mit Frequenzen nahe 0 Hz, d. h. quasi Gleichstrom, werden z. B. durch Erdmagnetfeldänderungen (geomagnetisch induzierte Ströme, GIC) oder z. B. durch Gleichstromanlagen verursacht. Diese niederfrequenten Ströme (LFC) sind im Hochspannungs-Übertragungsnetz unerwünscht. Sie können zu Ausfällen von Transformatoren und damit des gesamten Netzes führen. Die Ziele dieses Forschungsprojekts sind:

• Untersuchung des Einflusses von niederfrequenten Strömen auf Transformatoren
• Reduzierung der Effekte von niederfrequenten Strömen im Übertragungsnetz
• Berechnung niederfrequenter Ströme im Übertragungsnetz
• Messung niederfrequenter Ströme im Übertragungsnetz

Abbildung 1 zeigt die Organisation und Aufteilung des Forschungsprojekts.


Abbildung 1: Projekt-Organigramm und Forschungsfelder

Leistungstransformatoren
Die niederfrequenten Ströme im Hochspannungsnetz führen vor allem bei Transformatoren zu Problemen. Die Ströme verursachen ein erhöhtes Betriebsgeräusch, eine Verzerrung der Spannung und eine Erwärmung des Transformators. Dies wirkt sich negativ auf die Sicherheit und Stabilität des Stromnetzes aus. Um die Auswirkungen der niederfrequenten Ströme genauer zu untersuchen und besser zu verstehen, werden im Rahmen des Projekts Nf-Sternpunkt 2 im IEAN-Labor Versuche mit Transformatoren durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden zwei Verteilnetztransformatoren, wie sie in ländlichen Gebieten zu finden sind, umgebaut. Der Umbau erlaubt es, die Transformatoren in einer beliebigen Schaltgruppe auf der Niederspannungsseite zu betrieben und macht den Hochspannungssternpunkt von außen zugänglich. Abbildung 2 zeigt die beiden umgebauten Transformatoren in der Hochspannungsprüfzelle des IEAN.

Abbildung 2: Hochspannungsprüfzelle mit Leistungstransformatoren am IEAN

Netzberechnung
Das entwickelte Simulations-Tool (Abbildung 3) berechnet die GIC's im Stromnetz aus einem elektrischen Feld und der Netzkonfiguration. Das elektrische Feld kann entweder aus Magnetfeldmessdaten berechnet oder direkt in das Tool eingegeben werden. Für die Berechnung des elektrischen Feldes aus den Magnetfeldmessungen wird die Plan-Wave-Methode mit einem 1D-Erdleitfähigkeitsmodell verwendet.

Abbildung 3: LFC Simulations-Tool

Mit dem Simulations-Tool werden die Auswirkung verschiedene Schaltzustände, Erdleitfähigkeiten und Magnetfeldrichtungen auf die Stromverteilung im Netz untersucht.

Transformatorsternpunkt-Messsystem
Das Transformatorsternpunktmesssystem ist ein unabhängiges Messsystem (Abbildung 5), das aus der Ferne gesteuert werden kann. Als Stromsensor wird ein Nullfluss-Stromwandler verwendet. Der Sternpunktstrom wird mit 1 Hz abgetastet, durch einen aktiven Tiefpassfilter gefiltert und mit einem Einplatinencomputer aufgezeichnet. Mit der aktuellen Konfiguration der Messelektronik können Sternpunktströme mit einer Amplitude bis zu 25 A und beiden Polaritäten gemessen werden (Abbildung 4). Darüber hinaus stehen drei weitere Spannungsmesskanäle zur Verfügung, die ebenfalls mit einer Abtastrate von 1 Sekunde aufgezeichnet werden.

In den Umspannwerken wird der Erdungsschalter des Transformatorsternpunkts mit einer mobilen Erdungseinrichtung überbrückt. Das Kabel wird dann, wie in Abbildung 6 dargestellt, durch den Stromwandler geführt.

Links
Low Frequency Current Simulation Tool
Zeitraffervideo IEAN-Transformatorumbau
Transformatorgeräusch mit und ohne überlagertem Gleichstrom
Siemens Energy DC Detection App
 

Publikationen
2022
Sergey, E. Z., Albert, D., Moroz, Y. I., Renner, H.
Further Improvements in Topological Transformer Model Covering Core Saturation
In IEEE Access, vol. 10, pp. 64018-64027, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3183279

Albert, D. Domenig., L, Schachinger, P., Roppert, K., Renner, H.
Comparing two topology transformer hysteresis models derived from DC hysteresis measurements
17. Symposium on Electromagnetic Phenomena in Nonlinear Circuits (EPNC) 2022, Hamburg, Deutschland

D. Albert, P. Schachinger, A. Pirker, C. Engelen, F. Belavić, G. Leber, H. Renner
Power Transformer Hysteresis Measurement
17. Symposium Energieinnovation EnInnov 2022, Graz

P. Schachinger, D. Albert, R. Bailey
Geomagnetically Induced Currents and Space Weather Prediction in Austria Space Weather Prediction GIC Simulation and Measurement GIC Simulation Electric field calculation
Poster at Space Weather Workshop 2022

S. E. Zirka, D. Albert, Y. I. Moroz, H. Renner
Further Improvements in Topological Transformer Model Covering Core Saturation
in IEEE Access, vol. 10, pp. 64018-64027, 2022, doi: 10.1109/ACCESS.2022.3183279

Schachinger, P., Albert, D., & Renner, H.
Low Frequency Currents Source Identification. in IEEE. (Hrsg.)
2022 20th International Conference on Harmonics & Quality of Power (ICHQP): Power Quality in the Energy Transition

Albert, D., Schachinger, P., & Bailey, R. L.
Geomagnetically Induced Currents and Space Weather Prediction in Austria.
Postersitzung präsentiert bei Space Weather Workshop 2022, Graz, Österreich.

Schachinger, P., Albert, D., Renner, H., & Achleitner, G.
(Angenommen/Im Druck). Einfluss von Spannungsänderungen und anderen Quellen auf niederfrequente Sternpunktströme.
Beitrag in 17. Symposium Energieinnovation : Future of Energy - Innovationen für eine klimaneutrale Zukunft, Virtuell, Österreich.

Albert, D., Schachinger, P., Pirker, A., Engelen, C., Belavic, F., Leber, G., & Renner, H.
(Angenommen/Im Druck). Power Transformer Hysteresis Measurement.
EnInnov2022 - 17. Symposium Energieinnovation Verlag der Technischen Universität Graz.

2021
Albert, D.; Maletic, D.; Renner, H.
Measurement Based Transformer Modelling Approach
ETG Congress 2021, pp.1-6

Albert, D.; Schachinger, P.; Bailey, R. L.; Renner, H.; Achleitner, G.
Analysis of Long-Term GIC Measurements in Transformers in Austria
In: Space Weather , 20, e2021SW002912. 2021

Schachinger, P.; Albert, D.; Bailey, R. L.; Achleitner, G.; Renner, H.
Geomagnetically Induced Current Measurement in the Austrian Transmission Grid
In: Conrad Observatory Journal: COBS Journal. Wien, Vol. 6. p. 6 - 6 1 p.,2021

Bailey, R. L., Leonhardt, R., Möstl, C., Schachinger, P. & Albert, D.,
Historical Analysis of Geomagnetic Storm Scales in Austria
In: Conrad Observatory Journal: COBS Journal. Wien, Vol. 6. p. 5 - 5 1 p.,2021

Schachinger, P.; Albert, D.; Renner, H.
Geomagnetically induced currents: A measurement based inverse determination of earth impedances
In: 56th International Universities Power (UPEC), Middlesbrough, United Kingdom, 2021, Conference Paper

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