Development of instrumentation for measuring Geomagnetically Induced Currents (GICs) and effect of shield wires on GICs simulations

Abstract

As Correntes Geomagneticamente Induzidas (GICs) são o resultado de variações rápidas no campo geomagnético terrestre e da condutividade finita da Terra. Ao longo de estruturas condutoras aterradas, como as redes de transporte de energia elétrica, as GICs podem fluir e, para tempestades geomagnéticas intensas, podem ser uma ameaça ao regular fornecimento de energia. Por esta razão, o interesse na modelação das GICs tem vindo a crescer.O trabalho desta dissertação consiste em simular o efeito dos cabos de guarda em modelos de GICs e na montagem e instalação de um instrumento de medição de GICs numa subestação da rede elétrica. Os cabos de guarda podem transportar GICs tal como as linhas de transmissão de energia. Um circuito equivalente simples que considera o efeito das resistências e das forças eletromotrizes induzidas (fem) ao longo dos cabos de guarda foi concebido. Este modelo é uma extensão de um modelo já estudado que considerava apenas as resistências dos cabos de guarda. Foram realizados testes usando parâmetros teóricos e também parâmetros reais de duas linhas de transmissão da rede elétrica nacional. Os resultados mostram que, para alguns casos, é importante considerar os cabos de guarda e, se for utilizado o circuito equivalente, a fem induzida deve ser considerada. Além disso, ao aumentar a complexidade do modelo de circuito adicionando mais linhas de transmissão de energia a uma subestação, o circuito equivalente apresentado nesta dissertação tem uma precisão maior do que o circuito equivalente que despreza a fem induzida. Para validar os valores previstos nos modelos, é importante fazer medições de GICs. Esta dissertação também abrange a tarefa de construir e instalar um sistema de medição para monitorização de GICs no neutro de um determinado transformador. O sistema consiste num sensor de corrente de efeito Hall e foi construído sobre uma Raspberry Pi 4 com um conversor analógico-digital de alta resolução (24 bits). Os testes preliminares em laboratório mostram uma precisão de medição de 0.056A. O sistema foi instalado na Subestação de Paraimo da REN e está operacional a recolher dados já tendo registado alguns eventos candidatos a GICs para além da expectável modulação diurna devida às variações de temperatura.

Geomagnetically Induced Currents (GICs) are the result of rapid variations in the Earth's geomagnetic field and of the finite Earth's conductivity. Along grounded conducting structures such as transmission power networks, GICs can flow and, for extreme events, can be a threat to the power system normal operation. For this reason, interest in modeling GICs has been growing. This thesis work consists both in simulating the shield wire effects on GICs models and in assembling and installing a GIC measuring instrument at a power grid substation. Shield wires can carry GICs similarly to power transmission lines. A simple equivalent circuit model that considered the effect of resistances and induced electromotive forces (emf) along the shield wires was derived. This model is an extension of an already studied model that consider only shield wire resistances. Tests were done using synthetic parameters and also realistic parameters from two Portuguese transmission lines. Results show that for some cases, it is important to consider shield wires and if the equivalent circuit is used, the induced emf must be taken into consideration. In addition, when increasing the complexity of the circuit model by connecting more power transmission lines to a substation, the equivalent circuit presented in this thesis has a higher accuracy than the equivalent circuit that neglects the induced emf. GIC measurements should be taken in order to validate predicted values from GIC models. This thesis also encompasses the task of assembling and installing a measuring system to monitor GICs in the neutral of a given transformer. The system relies on a Hall effect current sensor and it was built over a Raspberry Pi 4 with a high resolution digitizer (24-bits). Preliminary tests in laboratory show a measurement precision of 0.056A. The system was installed at Paraimo Substation from REN and it is operational to collect data having already registered some candidate events for GICs in addition to the expected diurnal modulation due to temperature variations.