13.10.2026 • Energie

Faraday-Effekt spürt kritische Ströme im Versorgungsnetz auf

Faseroptisches Messsystem kann ungewollte Gleichströme im Hochspannungsnetz in Echtzeit erfassen und somit Schäden an Transformatoren verhindern.

Ungewollte Gleichströme können in Umspannwerken Probleme verursachen

Quelle: EMS, TU Graz

Der immer komplexer werdende Verbund aus Stromerzeugern und -abnehmern stellt die Energieübertragungsinfrastruktur vor große Herausforderungen. So treten etwa durch den Einsatz immer leistungsstärkerer Wechsel- und Gleichrichter im Übertragungsnetz Ströme mit einer sehr geringen Frequenz auf, die quasi Gleichströmen entsprechen und in unserem Wechselstromnetz für Probleme sorgen. Quellen dafür können neben der Anbindung erneuerbarer Energiequellen auch Wallboxen für Elektrofahrzeuge oder geomagnetische Stürme sein. Dadurch ausgelöste Störungen können die Lebensdauer von Transformatoren, beispielsweise in Umspannwerken, stark reduzieren, im schlimmsten Fall kann es zu Netzinstabilität oder sogar zu einem Blackout kommen. Bei der Überwachung dieser Ströme kommen kommerzielle induktive Stromwandler bezüglich Isolierung, Bandbreite und Sättigung an ihre Grenzen.

Faseroptisches Messsystem kann ungewollte Gleichströme im Hochspannungsnetz in Echtzeit erfassen und somit Schäden an Transformatoren verhindern.

Das Forschungsteam bei der Installation seines Messsystems für Feldtests. Bildquelle: Alexander Fröhlich - IEAN - TU Graz

Als mögliche Lösung hat ein Team des Instituts für elektrische Messtechnik und Sensorik der TU Graz um Projektleiter Reinhard Klambauer sowie die Doktoranden Johannes Mandl, Philipp Trampitsch und Lukas Liedl gemeinsam mit dem Unternehmen ARTEMES ein faseroptisches System entwickelt. Dies ermöglicht das präzise Messen der Gleichstromkomponente direkt auf der Hochspannungsebene von 220 bis 380 Kilovolt. Bisher eingesetzte induktive Wandler messen lediglich den Summenstrom am geerdeten Sternpunkt, an dem die Stromphasen zusammentreffen. Das neue System erfasst hingegen den ungewollten Gleichstrom gleichzeitig mit dem normalen Betriebsstrom auf verschiedenen Spannungsebenen, bietet eine sehr hohe Frequenzbandbreite und macht zusätzlich auch hochfrequente Störungen sichtbar. Durch seine kompakte Bauweise und seine Isolation lässt es sich auch nachträglich einfach einbauen und in bestehenden Anlagen verteilt installieren.

„Das Problem von Gleichströmen im Wechselstromnetz besteht darin, dass sie die Eisenkerne der Transformatoren in eine magnetische Sättigung treiben“, sagt Werner Schöffer, CEO der ARTEMES GmbH. „Das kann soweit 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.“

Um die gewünschten Messergebnisse zu erhalten, nutzt das Projektteam die Faraday-Rotation von polarisiertem Licht in einem transparenten Medium. Ist dieses einem Magnetfeld ausgesetzt dreht sich dadurch die Polarisationsebene des Lichts. Da die von Stromleitungen erzeugten Magnetfelder direkt vom dort fließenden Strom abhängen, lässt sich dieser inklusive Störungen erfassen. Dafür montieren die Forschenden eine auf einem 3D-gedruckten Spulenkörper aufgewickelte Glasfaser um den Stromleiter und schicken Licht hindurch. Der dafür notwendige optische Aufbau sowie die Auswerteelektronik ist eine Eigenentwicklung des Teams. In einem Field Programmable Gate Array (FPGA) werden die aufgezeichneten optischen Signale mithilfe von eigenen Algorithmen in Echtzeit verarbeitet. Daraus wird der aktuelle Stromwert abgeleitet. Die sicherheitskritische Kommunikation und den Datenexport übernimmt ein Miniaturrechner (DataHub) des Projektpartners ARTEMES.

In Feldtests mit Unterstützung der Austrian Power Grid AG und in Zusammenarbeit mit dem Institut für Elektrische Anlagen und Netze der TU Graz hat das Forschungsteam das System bereits erfolgreich langzeiterprobt. So gelang es beispielsweise, durch Messung von Gleichstrom einen geomagnetischen Sturm am 1. Januar 2025 in Echtzeit zu detektieren. Bei weiteren Tests wurden zwei Varianten des Messverfahrens ausprobiert. Die AC-Variante ist auf eine hohe Frequenzbandbreite optimiert, um in der Lage zu sein, auch impulshafte Stromspitzen oder -abfälle im Mikrosekundenbereich – etwa durch Wechselrichter oder Schaltanlagen – zu erfassen. Die DC-Variante legt den Fokus auf die präzise Erfassung von niedrigfrequenten Strömen, insbesondere geomagnetisch induzierten Gleichströmen. In nächsten Schritten sollen beide Verfahren weiter optimiert werden, um sie zur Marktreife zu führen. [TU Graz / dre]

Lastprofilanalysen, ARTEMES GmbH, Eibiswald und Villach

Photonic Sensors (Reinhard Klambauer), Bereich Sensor Systems and Sensor Physics, Institut für Elektrische Messtechnik und Sensorik, TU Graz