Gleichstrom-Sättigung Faseroptischer Stromsensor schützt Umspannwerke

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Gleichströme im Wechselstromnetz treiben Transformatoren in die Sättigung. Ein von der TU Graz und Artemes entwickeltes faseroptisches Messsystem visualisiert sie erstmals direkt auf Hochspannungsebene.

Gleichstromanteile im Wechselstromnetz sind ein wachsendes Problem für Umspannwerke: Leistungsstarke Wechsel- und Gleichrichter, wie sie beispielsweise an Windparks, PV-Anlagen oder Wallboxen vorkommen, speisen niederfrequente Ströme ins Netz ein, die sich wie Gleichstrom verhalten. Hinzu kommen geomagnetisch induzierte Ströme, ausgelöst durch Sonnenstürme. Beide Effekte treiben die Eisenkerne von Transformatoren in die magnetische Sättigung.

„Das Problem von Gleichströmen im Wechselstromnetz besteht darin, dass sie die Eisenkerne der Transformatoren in eine magnetische Sättigung treiben“, sagt Werner Schöffer, CEO von Artemes. „Das kann so weit führen, dass sich die Lebensdauer von Transformatoren verkürzt oder sie ausfallen. In einem Umspannwerk lässt sich der Ausfall eines Transformators zwar kompensieren, aktuell braucht es aber mehrere Jahre, um Ersatz zu bekommen. Und im Fall von geomagnetischen Stürmen tritt das Phänomen zudem nicht regional auf. Daher ist es wichtig, derartige Störungen live mitverfolgen und zielgerichtet eingreifen zu können.“

Warum induktive Wandler hier an Grenzen stoßen

Kommerzielle induktive Stromwandler messen den Gleichstromanteil bislang meist indirekt, als Summenstrom am geerdeten Sternpunkt des Transformators, an dem die Stromphasen zusammentreffen. Eine Messung direkt am Leiter scheitert an Isolationsanforderungen, begrenzter Bandbreite und der eigenen Sättigungsneigung induktiver Kerne. Das neue System der TU Graz umgeht das, indem es galvanisch getrennt und ohne magnetischen Kern misst. Zudem wird der Gleichstrom gleichzeitig mit dem normalen Betriebsstrom auf verschiedenen Spannungsebenen erfasst.

Faraday-Effekt statt Induktion

Grundlage ist der magnetooptische Faraday-Effekt: Ein Magnetfeld, das durch einen stromdurchflossenen Leiter entsteht, dreht die Polarisationsebene von linear polarisiertem Licht, das durch eine umliegende Glasfaser geführt wird. Da diese Drehung proportional zur Stromstärke ist, lässt sich nach entsprechender Kalibrierung daraus der Leiterstrom inklusive überlagerter Störanteile rekonstruieren.

Im Aufbau des Teams um Projektleiter Reinhard Klambauer sowie die Doktoranden Johannes Mandl, Philipp Trampitsch und Lukas Liedl ist die Glasfaser auf einem 3D-gedruckten Spulenkörper um den Leiter gewickelt. Optischer Aufbau und Auswerteelektronik sind Eigenentwicklungen des Teams; ein FPGA übernimmt die Echtzeitverarbeitung der optischen Rohsignale und leitet daraus den aktuellen Stromwert ab. Die sicherheitskritische Kommunikation und den Datenexport übernimmt ein Miniaturrechner (DataHub) von Artemes.

Das Team hat zwei Messvarianten realisiert: eine AC-Variante mit hoher Bandbreite für impulshafte Stromspitzen oder -abfälle im Mikrosekundenbereich, wie sie etwa durch Wechselrichter oder Schaltanlagen verursacht werden, sowie eine DC-Variante, die auf die präzise Erfassung niederfrequenter Ströme, insbesondere geomagnetisch induzierter Gleichströme, fokussiert ist.

Im Feldtest einen Sonnensturm in Echtzeit erfasst

In Feldtests mit Unterstützung der Austrian Power Grid hat das Forschungsteam das System bereits erfolgreich langzeiterprobt. Dabei gelang es, durch Messung des Gleichstroms einen geomagnetischen Sturm am 1. Januar 2025 in Echtzeit zu detektieren. Konkrete Messwerte zu diesem Ereignis liegen aus der Pressemeldung nicht vor; sie wären für eine technisch belastbare Einordnung wünschenswert und sollten vor Veröffentlichung beim Projektteam nachgefragt werden.

„Wenn das System vollständig einsatzbereit ist, bietet es einen sicheren Rückhalt für die Stromversorgung“, sagt Reinhard Klambauer. „Das faseroptische System ermöglicht es, hochfrequent, isoliert und sättigungsfrei zu messen. Damit bietet es einen sicherheitsrelevanten Mehrwert für energietechnische Anlagen sowohl im Betrieb als auch bei Spezialanwendungen.“ (heh)

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