Ursachen und Auswirkungen von Gleichströmen in Drehstromnetzen

Die Arbeit zeigt die Auswirkungen und Folgen, die durch parasitäre Gleichströme in induktiven Betriebsmitteln entstehen. Dabei wird zuerst auf die grundlegende Funktion von induktiven Betriebsmitteln geschaut. Um die Effekte von Gleichstrom in einer Simulation nachbilden zu können, wird in einem ersten Schritt ein Simulationskonzept entwickelt, welches elektrische und magnetische Netzwerke mithilfe des Jiles-Atherton Modells nachbilden kann. Dadurch können alle Effekte des Eisenkerns wie Sättigung und Hysterese, welche für die Auswirkungen von Gleichstrom relevant sind, in der Simulation nachgebildet werden. Das Simulationskonzept ist so flexibel gehalten, dass beliebige induktive Betriebsmittel nachgebildet werden können. Als Simulationsumgebung kommt MATLAB Simulink mit der Simscape-Erweiterung zum Einsatz. Nachdem die prinzipielle Funktionsweise des Simulationskonzeptes anhand eines Laboraufbaus nachgewiesen wurde, wird anschließend der Gleichstromeinfluss auf einen induktiven Stromwandler untersucht. Dieser verfügt über Mess- und Schutzkerne, welche sich hinsichtlich ihrer Gleichstrombeeinflussung deutlich unterscheiden.
Um Gleichströme in Übertragungsnetzen messen und identifizieren zu können, wird ein Messsystem entwickelt, mit dem Gleichströme an geerdeten Sternpunkten von Transformatoren gemessen werden können. Durch die kurzschlussfeste Auslegung bis 15 kA stellt der Einsatz des Messgerätes kein Sicherheitsrisiko für den stabilen Netzbetrieb dar. Das Messystem kann neben Gleichstrom auch Wechselstromanteile bis 3,75 kHz messen. Der kombinierte Messbereich beträgt 85 A, welche mit einer Diskretisierung von 24 Bit aufgelöst werden.
Die stärkste, jedoch nur kurzzeitig auftretende Gleichstrombeeinflussung wird durch geomagnetisch induzierte Ströme (GIC) hervorgerufen. Die Arbeit zeigt die Weiterentwicklung eines Berechnungsmodells für diese GIC-Ströme. Dabei werden Messdaten von verteilten Erdmagnetfeld Messstationen und ein globales Leitfähigkeitsmodell verwendet, um anhand eines ausgewählten Netzausschnittes die GIC-Ströme zu berechnen. Mit den historischen Daten der Magnetfeld-Messstationen können besonders starke Ereignisse berechnet werden, um eine Worst-Case Abschätzung für die Gleichstrombelastung durch GIC-Ströme zu erhalten.

Michael Schühle absolvierte von 2008 - 2015 das Bachelor- und Masterstudium in Elektro- und Informationstechnik an der Universität Stuttgart.
Anschließend war er bis 2020 als Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Energieübertragung und Hochspannungstechnik der Universität Stuttgart tätig.
Seit 2020 arbeitet er als Entwicklungsingenieur für Teilentladungsmesssysteme bei der Firma BSS Hochspannungstechnik GmbH.