Transformatorkern-Sättigung durch geomagnetischen Sturm

Solare Winde - von der Sonne austretende Plasmaströme - verändern das magnetische Umfeld der Erde. An ihrer leitfähigen Rinde induziert dies ein elektrisches Wirbelfeld. Es resultieren elektrische Stromflüsse, über Tausende von Kilometern hinweg - so genannte GICs (geomagnetically induced currents). GICs nehmen den Weg geringsten elektrischen Widerstandes. Durch geerdete Generatoranlagen fließen sie in Hochspannungsnetze ein und verlassen diese wieder durch ihrerseits geerdete Leistungstransformatoren. Die viele Meter großen weichmagnetischen Maschinenkerne können damit in halbzyklische Sättigung geraten und somit zum Zusammenbruch des normalen Funktionsverhaltens. Folgeerschei-nungen - für die zeitlich steigende Relevanz erwartet wird - sind etwa aus Kanada / USA bekannt. 1989 kam es in einem Atomkraftwerk zur thermischen Zerstörung eines Großtrans- formators. Extreme Überhöhungen und Verzerrungen von Magnetisierungsströmen führten landesweit zu Zusammenbrüchen von Stromversorgung und Kommunikationseinrichtungen. Derartige Folgeerscheinungen von GICs sind bestens bekannt und wissenschaftlich gut erforscht. Kaum bekannt hingegen sind die magnetischen Veränderungen, die sich im Magnetkern der betroffenen Maschine ergeben. Dabei ist evident, dass die GIC-Anfälligkeit eines Kerns von zahlreichen konstruktiven Parametern abhängt, wie der Phasenzahl, der Geometrie, dem Typ der Laminate, ihrer Verzapfung und Paketierung bis hin zu erhitzenden planaren Wirbelströmen (planar eddy currents = PECs) im Material von Kern und Tank. Für den Einsatz in GIC- gefährdeten Gebieten der Welt erschwert diese Unkenntnis die spezifi-sche Anpassung der Konstruktionen. Ziel des Projektes ist eine erste systematische Untersuchung des physikalischen Kernverhaltens als Grundlage für gezielte technische Strategien. Geplant ist die experimen-telle Simulation von GICs an nur einen Meter großen Modelltransformatorkernen. Innere magnetische Effekte der lamellierten Kerne sollen erstmals auf artefaktfreie Weise durch Dünnschicht-Sensorelemente analysiert werden. Die damit nur unvollständige physikalische Information über Wirbelfelder - inklusive PECs - soll durch theoretische Modelle ergänzt werden. Aber auch durch Oberflächenanalysen, durch ein in einem früheren FWF-Projekt erstelltes Scanning-System. Gemeinsam mit einem japanischen Institut soll aus dem magne-tischen Verhalten die Relevanz der oben genannten konstruktiven Parameter für GIC-Folge-erscheinungen rekonstruiert werden. Mit dem weltweit größten Produzenten von Leistungs-transformatoren als Partner soll letztlich versucht werden, das erarbeitete physikalische Ver-ständnis praktisch zu nutzen. Für Strategien (a) zur Entwicklung GIC-resistenter Maschinen und (b) an neuralgischen Standorten zur Absicherung GIC-empfindlicher Anlagen. Für alle Beteiligten lässt sich spezielle Attraktivität des Projektes erwarten, indem es theo-retische und industrielle Aspekte verschiedener Disziplinen in sich vereinigt - der Geophysik, des Magnetismus, der Elektrodynamik, elektrischer Maschinen und energetischer Netze.

Im Normalfall arbeiten Transformatoren mit symmetrischer Magnetisierung mit periodisch wechselnder Magnetisierung in eine Richtung und der Gegenrichtung. Das Ausmaß der Magnetisierung wird auf einen "günstigen" Bereich beschränkt, womit Energieverluste und auf sogenannter Magnetostriktion beruhende Geräuschentwicklung in tolerierbaren Grenzen bleiben. Beide Faktoren steigen jedoch an, wenn sogenanntes "Bias" als Gleichstromüberlagerung aufkommt. Der günstige Bereich wird einseitig überschritten, und es tritt teilweise Sättigungsmagnetisierung auf. Starkes Bias kann durch erhöhte Sonnenaktivität entstehen. In der Erdrinde entstehen geomagnetisch induzierte Ströme (GICs), die über Hochspannungsleitungen in den Transformator einfließen. Aber auch die Globalisierung der Elektrizitätsversorgung bei Einschaltung von Gleichstrom oder auch Windstrom führt zu Bias. Es zeigt zwar geringere Intensität, andererseits aber Nachteile im Sinne von Langzeiteffekten. Die resultierenden Energieverluste und akustischen Umweltbelastungen haben große praktische Bedeutung, als Anlass für breite weltweite Forschung. Allerdings beschränkt sich die gesamte Literatur auf Störungen des Transformators als Gesamtheit, vor allem bezüglich seiner Wechselwirkung mit dem Netz. Das vorliegende Projekt war ein erster Ansatz zu einer Untersuchung der Beeinflussung der verschiedenen regionalen Komponenten des magnetischen Kerns, also etwa der langen Schenkel, oder der so genannten T-Verzweigungen sehr komplexen Verhaltens. Im Rahmen des Projektes wurden praktisch alle wesentlichen magnetischen Parameter des Kernes untersucht, d.h. lokale Verteilungen von magnetischer Feldstärke, Flussdichte, Streufeld, elektrischer Wirbelfeldstärke, Energieverluste, und Magnetostriktion und Vibration. Als globale Erkenntnis zeigte sich z.B. dass negative Effekte von Bias vor allem dort zu erwarten sind, wo ohne Bias besonders gutes Verhalten herrscht - und umgekehrt. Untersucht wurde auch, welche Regionen für Streufelder verantwortlich sind, die biologische Effekte verursachen könnten, vor allem aber störende Wirbelströme im den Kern umhüllenden Tank. Nicht nur hier zeigte sich als bisher unbekanntes "far-off"-Phänomen, dass das Bias eines Kernschenkels sich am stärksten in dem zu ihm diametral fernsten Schenkel auswirkt. Die Untersuchungen wurden auf verschiedensten Ebenen vorgenommen, mit den nur Mikrometer großen so genannten Domänen als unterste Ebene. Bei Bias zeigte sich eine Tendenz zu plattenförmigen Domänen, womit sich starke Anstiege Magnetostriktion erklären. Als Kompromiss konnten die Untersuchungen nicht auf der obersten Ebene von vielen Metern großen Transformatoren vorgenommen werden, sondern nur an 1 m großen Modellen. Auch das Kerninnere konnte nur ansatzweise analysiert werden. Als weltweit erstmaliger Ansatz aber konnten innere Sättigungsbereiche mittels neuartiger MACC-Methode numerisch abgeschätzt werden. Sie verspricht multi-direktionale Modellierungen von aus vielen Paketen aufgebauten Kernen großer Transformatoren