Tanksimulation zur Streufeldanalyse an DC-beeinflusstem Modelltransformator

Abstract

Von der Sonne emittierte Plasmaströme können das Magnetfeld der Erde durch ein Wechselfeld überlagern. Trotz geringer Dynamik werden in der Erde erhebliche, so genannte GICs (Geomagnetically Induced Currents) induziert. Ein GIC hat niedrige Frequenz, typische Werte sind 0,001 Hz-0.01 Hz, daher kann es als DC-Strom behandelt werden. Er kann in Hochspannungsnetze einfließen und durch geerdete Transformatoren wieder in das Erdinnere zurückkehren. Das kann zu Zerstörungen der Maschine führen, vor allem durch stark erhöhten Streufluss.<br />In der vorliegenden Arbeit werden GICs an einem Modelltransformator simuliert und Effekte des erhöhten Streufeldes messtechnisch in einem Modelltransformators mit Tanksimulation untersucht. Für den Fall des Dreiphasentrafos ausgeglichener Erregung - d.h. DC-Erregung für jede AC-Phase - wurden generell äußerst schwache Effekte beobachtet. Eine erhebliche Verstärkung ergibt sich allerdings bei Simulation von ferromagnetischem Tankmaterial. Dazu wird eine schwach magnetische Stahlplatte definiert an den Transformator angenähert. Es ergeben sich deutliche Erhöhungen der Magnetisierungsströme. Das kann damit erklärt werden, dass das Magnetmaterial dem Gleichfeldfluss ein Rückschlussjoch liefert. Dies führt zur Verschiebung des Arbeitspunktes in Richtung Sättigung und somit zum verstärkten Bedarf an Erregung.<br />Zum Rückschluss auf die örtliche Verteilung des Streufeldes wurden auf die Stahlplatte Spitzenkontakte aufgesetzt, um jene Spannungen zu messen, die der lokalen Wirbelfeldstärke entsprechen. Die Messungen erfolgten in 90 Bereichen der Platte, wobei jeweils zwei Komponenten der Feldstärke erfasst wurden. Als Ergebnis zeigte sich, dass sich die Wirbelfelder - und damit auch die Streufeldkomponenten des Trafos - im Nahbereich der äußeren Magnetisierungsspulen konzentrieren.<br />Schließlich wurde auch der Fall nicht-ausgeglichener Erregungen untersucht. Hier ist der GIC-Effekt von vorneherein stärker, da schwach erregte Schenkel als Rückschlussjoch fungieren. Annäherung von Magnetmaterial ergab weitere Verstärkungen. Als interessanter Effekt zeigt sich, dass eine AC/DC-Erregung des R-Schenkels zu erhöhtem Streufeld des - weit entfernten - T-Schenkels führt, und umgekehrt. Eine Erklärung für den unerwarteten Effekt konnte zunächst nicht gefunden werden.

Plasma streams emitted by the sun can superpose the geomagnetic field with an alternating field. Despite of low dynamics, substantial, so-called GICs (Geomagnetically Induced Currents) are induced into the earth. They can flow into high-voltage transmission line and return to the interior of the earth via grounded transformers. This can damage the machine, particularly because of a strong leakage flux.<br />In this paper GICs were simulated using a model transformer, and the effects of the increased stray field were analyzed. In the case of a three-phase-transformer biased excitation yielded low effects . The simulation of a ferromagnetic tank, however, resulted in a substantial amplification. For this purpose, a low-magnetic steel plate was converged to the transformer, which led to a considerable increase of magnetisation currents. An explanation for this lies in the magnetic material that provides a magnetic back path yoke. This shifts the operating point to the saturation region and thus leads to an increased demand of excitation.<br />For conclusions, on the local distribution of the stray field, point contacts were put on the steel plate. The voltage that corresponds to the local eddy current field strength was measured. The measurements were carried out on 90 regions of the plate in each position, two eddy field components were detected. The results show that the field concentrates above the outer excitation coils. Finally also the case of unbalanced excitations was analysed. Here the GIC-effect was stronger from the beginning, since weakly excited limbs function as a magnetic back-path yoke. Convergence of magnetic material led to further amplifications. As an interesting effect, DC-excitation of the R-limb resulted in an increased stray field of the far away T-limb and vice versa. An explanation for this surprising effect was not found so far.<br />