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

Publikationen

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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
D. Albert, P. Schachinger, R. Bailey
Geomagnetically Induced Currents and Space Weather Prediction in Austria
Poster at Space Weather Workshop 2021

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Measurement based transformer modelling approach
In: ETG Congress 2021, pp.1-6.

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In: Space Weather , 20, e2021SW002912. 2021

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In: Conrad Observatory Journal: COBS Journal. Wien, Vol. 6. p. 6 - 6 1 p.,2021

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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

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Sternpunktsgleichströme im Hoch- und Höchstspannungsnetz - aktueller Stand der Forschung
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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
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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

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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

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Bailey, R. L.; Achleitner, G.; Halbedl, T.; Leonhardt, R.
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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

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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, 20^th-24^th 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, 11^th-13^th 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