Korrosiver Schwefel in Transformatorenölen

Korrosiver Schwefel in Transformatorenölen

Korrosiver Schwefel in
Transformatorenölen
Technisches Bulletin zu Problemen, Konsequenzen
und Verfahrensempfehlungen
Power Transmission and Distribution
Seit einigen Jahren treten verstärkt Ausfälle
relativ neuer Transformatoren nach einigen
Jahren Betrieb auf. Die Ursache dieser Fehler
ist vielfach ein Windungsschluss, verursacht
durch halbleitende Schichten von Kupfersulfid,
die vom Kupferleiter ausgehend durch einige
Papierschichten eindringen. Verschiedentlich
wird aber auch die Bildung von leitfähigen
Ablagerungen von Kupfersulfid auf Isolierteilen wie z. B. Beilagen oder anderen Pressspanteilen beobachtet.
Dieses Phänomen verursacht erhebliche Unsicherheiten bei Herstellern, Betreibern und
unabhängigen Beratern.Immer wieder treten
dabei Fragen auf, wie z. B. Haben Transformatorenöle ihre natürlichen Grenzen erreicht?
Welche elektrischen Betriebsmittel sind Risiken
ausgesetzt? Welche Wege werden in der
Zukunft beschritten?
Trotz der relativ wenigen Fälle, die weltweit
auf diese Ursache zurückzuführen sind, möchte
die Siemens Transformatorengruppe sicherstellen, dass allen ihren Kunden die möglichen
Risiken bekannt sind und ihnen helfen, die notwendigen Maßnahmen zum Minimieren des
Risikos zu ergreifen.
Mit der vorliegenden Information will Siemens
eine Beschreibung des Phänomens, sowie eine
Zusammenstellung der bis jetzt vorliegenden
Untersuchungen und möglichen Präventivmaßnahmen vorstellen.
Welche elektrischen Geräte
sind betroffen?
Die meisten der bekannten Fälle betreffen Drosseln,
HGÜ- und Maschinentransformatoren, die am oberen
Niveau der Nennlast oder im Überlastbetrieb und/
oder bei hohen Umgebungstemperaturen betrieben
werden. Transformatoren, die wegen korrosiven
Schwefels ausfielen, waren meistens „geschlossenen
Typs“ (Gummisack) und mit papierisolierten Flachdrähten ausgeführt, die Isolieröle überwiegend nicht
inhibierte oder teil-inhibierte Öle mit niedrigem
Raffinationsgrad.
Was geschieht?
Um eine ausreichende Stoßspannungsfestigkeit zu
erreichen, werden bei Drosseln und Maschinentransformatoren sehr oft verschachtelte Wicklungen verwendet – unter Berücksichtigung der notwendigen
Sicherheitsmarge bei der Papierisolierung. Im Falle
von in das Papier eindringenden Kupfersulfidschichten wird dieser Sicherheitsabstand reduziert
und ein Durchschlag damit entsprechend wahrscheinlicher.
Darüber hinaus erhöhen leitfähige Kupfersulfidschichten die Leitfähigkeit von Isolierteilen (Fig. 1).
In diesem Fall können kleine Gasblasen produziert
werden, welche die dielektrische Festigkeit wesentlich herabsetzen.
Externe Faktoren, wie z. B. transiente Überspannungen oder Kurzschlüsse können zusätzlich zum
beschleunigten Ausfall der dielektrisch geschwächten Isolation führen.
Wie ist korrosiver Schwefel zu erkennen?
Fig. 1: Papierisolierte Leiter mit wachsender leitfähiger
Kupfersulfidschicht von innen nach außen
Fig. 2: Abwickeln von papierisoliertem Leiter. Die Papierlage
am Leiter zeigt eine glänzende Schicht von Kupfersulfid
2
In den meisten Fällen ist es nicht möglich, Ablagerungen aus Kupfersulfid durch eine gewöhnliche
Inspektion zu erkennen. Der Kupferdraht muss abgewickelt und das Papier entölt werden, damit die
glänzenden Ablagerungen sichtbar werden (Fig. 2).
Der Kupferleiter kann dunkel oder bunt gefärbt sein.
Die Verfärbung kann über die gesamte Länge eines
Leiters deutlich variieren.
Welche diagnostischen Merkmale
sind erkennbar?
Untersuchung eines Öls
auf Korrosivität
Gas-in-Öl Charakteristiken
Die Gas-in-Öl Analyse der betroffenen elektrischen
Geräte zeigt keine signifikanten Veränderungen
oder Unregelmäßigkeiten. Temperaturen um 150°C
reichen für die Entwicklung von korrosivem Schwefel
aus, die Spaltgasentwicklung läuft dabei aber noch
auf einem niedrigen Niveau ab. In manchen Fällen
kann eine Erhöhung der Kohlenoxidgase auf höhere
Betriebstemperaturen hindeuten.
Siemens vertritt die Philosophie, dass Testmethoden
die Wechselwirkung zwischen den Transformatorenmaterialien wie z. B. Kupfer, Papier und Öl wiedergeben sollen und einen vernünftigen Kompromiss
zwischen thermischer, Oxidations- und Korrosionsstabilität des Öls darstellen müssen.
Die von Siemens entwickelte Testmethode für
korrosiven Schwefel wurde in einem Ringtest in
CIGRETF A2.32.01 ausgewertet und zur Standardisierung empfohlen. In diesem Test wird ein papierisolierter Flachdraht im entsprechenden Transformatorenöl für 72 Stunden bei 150 °C erhitzt. Die
Kupfer- und die Papieroberfläche werden auf Verfärbung, bzw. glänzende Ablagerungen untersucht
(Fig. 3a und Fig. 3b)
Öl-Eigenschaften
Es sind keine signifikanten Veränderungen der Ölwerte beobachtet worden. Trotzdem wird dringend
empfohlen, die Gas-in-Öl- und Ölwerte kontinuierlich zu verfolgen, um mögliche Unregelmäßigkeiten
früh genug zu erkennen. Die Bildung von Kupfersulfid kann nicht mit dem Gehalt von Kupfer im Öl in
Zusammenhang gebracht werden.
Polymerisationsgrad von Isolierpapier
Isolierpapier von entsprechend ausgefallenen Transformatoren wurde auf den Polymerisationsgrad (DP)
hin untersucht. Es konnte keine starke Papieralterung festgestellt werden.
Wie kann risikobehaftetes Equipment
zuverlässig identifiziert werden?
Der Mechanismus der Kupfersulfid-Bildung ist bislang unbekannt. Sauerstoffradikale und elektrische
Felder scheinen dabei eine wichtige Rolle zu spielen.
Die Anwendung von korrosivem Öl alleine ist noch
keine ausreichende Argumentation für die Klassifizierung eines elektrischen Geräts als risikobehaftet.
Die Praxis zeigt, dass risikobehaftete Einheiten zwei
oder mehr der nachstehend genannten Bedingungen
erfüllen. Da der Mechanismus und die Faktoren,
welche die Kupfersulfidbildung beeinflussen, nicht
bekannt sind, bedarf es weiterer Betriebsdaten und
Informationen, damit die Risikofaktoren präziser
klassifiziert werden können.
Risikobehaftetes Equipment beinhaltet eine Kombination von zwei oder mehreren Faktoren, die nachstehend aufgelistet sind:
Korrosives Öl
+
+
+
+
+
Hohe Betriebs-/Umgebungstemperaturen
Gummisack
Anwendung von nicht beschichteten
Kupferleitern
Fig. 3a: Kupfer und Papier
aus dem Test mit einem
nicht korrosiven Öl
Präventivmaßnahmen für
risikobehaftetes Equipment
Mögliche Präventivmaßnahmen, die zur Zeit in Frage
kommen, sind:
Passivierung des Isolieröls
Ölwechsel
Passivierung des Isolieröls
Die Gruppe der Metallpassivatoren umfasst Verbindungen auf Benzotriazolbasis, die mit der Kupferoberfläche reagieren und sie dadurch schützen
können (Fig. 4). Diese Reaktion kann aber unter
bestimmten Bedingungen reversibel sein.
Der am meisten verbreitete Passivator bezüglich der
Kupferkorrosion im Isolieröl ist Irgamet 39 (Ciba).
Metallpassivatoren wurden bereits in der Vergangenheit oft in Schmier- oder Trafoölen zur Verbesserung
der Oxidationsbeständigkeit oder zur Verminderung
der statischen Aufladung angewendet.
Fig. 3b: Kupfer und
Papier aus dem Test mit
einem korrosiven Öl
Die Untersuchungen über die Verträglichkeit von
Irgamet 39 (übliche Konzentration von 100 ppm) mit
Isolieröl zeigt folgendes:
Irgamet 39 beeinflusst die dielektrischen
Parameter von Isolieröl nicht
Die Oxidationsstabilität des ursprünglichen
Isolieröls könnte geringfügig reduziert werden
Laborergebnisse zeigten eine höhere Spaltgasbildung in passivierten Ölen, die aber in der
Praxis nicht bestätigt ist
Irgamet 39 ist nicht stabil unter oxidativen
Bedingungen
Nicht alle Isolieröle haben ein gutes Ansprechverhalten gegenüber Passivatoren
Betriebsbedingungen (Transiente, Kurzschlüsse, Wartungsmaßnahmen)
Erfahrung des Herstellers
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Die Passivierung muss durch Fachpersonal unter Verwendung einer Lösung von Irgamet 39 im Isolieröl
vorgenommen werden. Die Ölpassivierung hat im
Wesentlichen folgende Vor- und Nachteile:
Vorteile der Passivierung
Nachteile der Passivierung
Metallpassivatoren stoppen die
Kupferkorrosion,
Metallpassivatoren können die
Kupferkorrosion verhindern, bzw.
stoppen, aber weder korrodiertes
Kupfer, noch mit Kupfersulfid kontaminiertes Isolierpapier in ihren
Ursprungszustand zurückführen.
Metallpassivatoren beeinflussen die
Öleigenschaften nicht.
Der Passivator kann im Betrieb verbraucht werden, deshalb ist eine
Überwachung im Betrieb notwendig.
Siemens empfiehlt für die Behandlung von betroffenen Transformatoren/Drosseln:
Erwägen der Möglichkeit einer Senkung der Last
und/oder der Öltemperatur
Passivierung auf eine Endkonzentration von
100 ppm
Fortsetzung der regelmäßigen Öl-Überwachungsmaßnahmen: Gas-in-Öl Analyse, Ölqualität,
Passivatorengehalt
N
N
N
N
N
N
N
Cu
Cu
Cu
Cu
Cu
Cu
Cu
Cu
Cu
Cu
Fig. 4: Dünner Film von Benzotriazol
auf der Kupferoberfläche
Siemens AG
Power Transmission and Distribution
Transformers Division
Katzwanger Straße 150
90461 Nürnberg
Germany
Was muss in Zukunft getan werden?
Eine neue Ölspezifikation mit strengeren Tests auf
korrosiven Schwefel ist notwendig. Dies wird möglicherweise zu einer Veränderung der bis jetzt verwendeten Öltypen und zu einer anwendungsspezifischen statt einer nur allgemeinen Ölspezifikation
führen.
Es muss berücksichtigt werden, dass natürliche
Schwefelverbindungen zu der öleigenen Oxidationsstabilität, insbesondere im Falle der nicht inhibierten
Öle beitragen. Sie könnten aber unter bestimmten
Bedingungen einen Einfluss auf die Kupferkorrosivität
aufweisen. Eine höhere Raffinationsstufe des Isolieröls wird den Schwefel weitgehend entfernen, aber
auch das Öl „nackt“ belassen, d. h. ohne Schutz gegen
Oxidationsvorgänge.
In solchen Fällen ist die Zugabe von Oxidationsinhibitoren (z. B. DBPC di-t-butyl-p-cresol) absolut notwendig,
damit das Isolieröl Oxidationsbeständigkeit aufweist.
Diese Entwicklung könnte zu einem starken Anstieg
der Anwendung von hoch raffinierten inhibierten
Isolierölen in der Zukunft führen.
Cu
Cu
Cu
Cu
Cu
H
N
H
H
N
Ölwechsel
Eine weitere Möglichkeit zur Verhinderung der Kupfersulfidbildung ist der Ölwechsel. Es muss allerdings,
gewährleistet werden, dass die Mischung aus „altem“
und „neuem“ Öl keine korrosiven Eigenschaf ten aufweist. Ölwechsel kann kein korrodiertes Kupfer wiederherstellen und keine leitfähigen Ablagerungen auf
dem Isolierpapier entfernen.
Cu
Wir unterstützen Sie in jeder Hinsicht!
Cu
Cu
Leiteroberfläche
Falls Sie Bedenken bei irgendeinem Ihrer Transformatoren haben, nehmen Sie bitte Bezug auf dieses
Bulletin. Falls Sie Fragen über Siemens Transformatoren haben, kontaktieren Sie bitte Ihren Repräsentanten, damit wir Ihnen die notwendige, fachkundige Unterstützung geben können.
Order No. E50001-U410-A111
Printed in Germany
Dispo 19200
TH 101-060688 101964 WS 07062.
E-Mail: corrosive-sulfur@siemens.com
www.siemens.com/energy
Die Informationen in diesem Dokument enthalten allgemeine Beschreibungen der technischen Mög lichkeiten,welche im Einzelfall nicht immer vorliegen
müssen. Die gewünschten Leistungsmerkmale sinddaher im Einzelfall bei Vertragsschluss festzulegen.
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