Durch Sonnenstürme verursachte geomagnetische induzierte Ströme (GICs) können schädliche Auswirkungen auf Stromnetze, insbesondere Transformatoren, haben. Diese reichen von Geräuschemissionen bei niedrigen GIC-Werten bis hin zu Problemen beim Betrieb des Stromnetzes und Transformatorschäden aufgrund hoher GIC-Werte bei besonders starken geomagnetischen Stürmen.
Die Berechnung von GICs lässt eine Beurteilung von gefährdeten Umspannwerken und Transformatoren zu. Dies ermöglicht zum einen eine präventive Installation von Reduktionsmaßnahmen und zum anderen die Erstellung von Handlungsleitfäden für Stromnetzbetreiber. DC Blocker in Sternpunkten oder Leitungen werden in Stromnetzen nördlicher Breite bereits effektiv eingesetzt. Um die erhöhten Geräuschemission von Transformatoren und GIC-Einfluss zu reduzieren, werden vermehrt Leistungselektronische Komponenten in Transformatoren eingebaut, welche Sättigungseffekten entgegenwirken.
Die Messung von den Auswirkungen von geomagnetischen Strömen in Hochspannungsnetzen wird vor allem von Ländern in nördlichen Breitengraden durchgeführt. In Österreich werden mittlerweile an 9 Transformatoren in 8 Umspannwerken Messungen durchgeführt. Die Messdaten werden für die Evaluierung und Entwicklung von Berechnungsmethoden, zur Identifikation von anderen DC Quellen sowie zur Störungsanalyse verwendet. Für die Berechnung von GICs gibt es mehrere Tools, die mit unterschiedlichen Methoden auf verschiedenen Plattformen realisiert wurden. Diese werden während der Planungs- und Betriebsphase zur Risikoeinschätzung für Stromnetze sowie zur historischen Analyse von Ereignissen eingesetzt. Der Einfluss von GICs ist vor allem bei Transformatoren hoch. Detaillierte Modelle können die kurz- und langfristigen Folgen für Transformatoren und Netze nachbilden. Thermische Modelle bilden die Transformatorerwärmung und die damit verbundene beschleunigte Alterung der Wicklungsisolation in Transformatoren nach, während Hysteresemodelle den unmittelbaren Anstieg an Blindleistung zeigen. Der Vergleich von Modellen und Transformatoren im Labor liefert skalierbare Ergebnisse für Hoch- und Höchstspannungsnetze.
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Bilder: (links) Ein Messsystem in Österreich, womit LFC/GICs im Transformersternpunkt gemessen werden können. (rechts) Standort vom Messgerät.
Bei Erdgas- und Öl-Pipelines wird Korrosion durch GICs aktiv mit einem kathodischen Schutz (engl. cathodic protection, CP) verhindert. Hier wird die Leitung mit einer Beschichtung aus niedrig leitendem Material versehen, und auf einem konstanten Potential gegenüber der umgebenden Erde gehalten.
GIC-Studien in Österreich
Im Projekt GEOMAGICA der GeoSphere Austria (damals ZAMG) wurde ein auf Python basierendes Programm erstellt, welches GICs im Österreichischen Stromnetz berechnet. Das elektrische Feld wird aus Magnetfeld Daten, einem 1D-Modell der unterirdischen Widerstandsschicht und einem 2D-Oberflächen-Dünnschichtmodell der Erde berechnet. Die Berechnungen im Stromnetz werden durch die Lehtinen-Pirjola Methode durchgeführt. Mit dem LFC Simulator wurde vom IEAN (TU Graz) ein GIC Berechnungsprogramm mit grafischer Benutzeroberfläche auf Matlab-Basis erstellt. Das elektrische Feld wird mit der plane-wave Methode aus Magnetfelddaten und einem 1D Erdschichtmodell berechnet. Die Ströme im Hochspannungsnetz werden mit dem aus der Energietechnik bekannten Knoten-Admittanzverfahren ermittelt. Im PREDSTORM-Projekt wird ein Machine-learning Algorithmus mit dem Ziel entwickelt, den Sonnenwind an L1 vorherzusagen. Aus der Vorhersage können unter anderem der Dst index und die Höhe von GICs abgeschätzt werden.