Elementarer Schwefel in synthetischen Estern: Was sagt die Forschung?

Synthetische Ester werden seit vielen Jahren als Isolierflüssigkeiten in Transformatoren eingesetzt. Doch auch bei diesen Flüssigkeiten kann ein Stoff zum Problem werden, der bislang vor allem im Zusammenhang mit mineralischen Isolierölen bekannt ist: elementarer Schwefel. Bereits geringe Konzentrationen können unter bestimmten Bedingungen mit metallischen Komponenten im Transformator reagieren und insbesondere versilberte Kontakte beeinträchtigen. Doch wie gelangt elementarer Schwefel in synthetische Ester? Wie unterscheidet sich sein Verhalten von dem in Mineralöl? Wie lässt er sich nachweisen und entfernen? Und welche Erkenntnisse aus der aktuellen Forschung fließen in internationale Normen und Prüfverfahren ein? 

Darüber sprechen wir mit Dr. Jelena Lukić vom Nikola Tesla Institute of Electrical Engineering in Belgrad. Sie verfügt über langjährige Erfahrung auf den Gebieten Isolierflüssigkeiten, korrosiver Schwefel und Diagnostik von Leistungstransformatoren. Sie hat zwei internationale CIGRE-Arbeitsgruppen geleitet – eine zum Thema Kupferkorrosion und eine noch laufende Arbeitsgruppe zur Silberkorrosion – und ist aktiv an der internationalen Normungsarbeit in diesem Bereich beteiligt.

Im Interview erklärt sie, was die Forschung heute über elementaren Schwefel in synthetischen Estern weiß, wie diese Erkenntnisse zur Entwicklung der patentierten TeslaSorb®-Technologie beigetragen haben und welche Bedeutung sie für die praktische Anwendung und die internationale Normung haben. 

Frau Dr. Lukić, elementarer Schwefel wird schon seit einiger Zeit im Zusammenhang mit mineralischen Transformatorenölen diskutiert. Wann wurde in der Forschung deutlich, dass er auch bei synthetischen Estern eine Rolle spielen kann?

Vor einigen Jahren haben wir erstmals Proben von Esterflüssigkeiten untersucht. Im Anschluss daran wurden weitere umfangreiche Forschungsarbeiten eingeleitet. 

Was wissen wir heute darüber, wie elementarer Schwefel in synthetische Ester gelangt – und warum können bereits sehr geringe Konzentrationen problematisch sein?

Einige der Ursachen sind bekannt und liegen in der Flüssigkeit selbst. Ein vollständiges Bild aller Kontaminationswege und Faktoren, die eine Silberkorrosion auslösen, liegt jedoch noch nicht vor. Diese werden derzeit im Rahmen der CIGRE-Arbeitsgruppe JWG D1/A2 84 „Silver Corrosion in Power Transformers“ untersucht, die ich leite.

Niedrige Konzentrationen können aufgrund des großen Verhältnisses zwischen dem Volumen beziehungsweise der Masse der Isolierflüssigkeit und der betroffenen Silberkontaktfläche in Leistungstransformatoren problematisch sein. Selbst bei geringen Konzentrationen steht dadurch genügend elementarer Schwefel zur Verfügung, um Silbersulfid auf einer kleinen betroffenen versilberten Oberfläche abzulagern.  

Ihre Forschung beschäftigt sich insbesondere mit der Reaktion von elementarem Schwefel mit Silber. Was passiert bei dieser Reaktion im Transformator und warum sind versilberte Kontakte besonders relevant?

Ich werde versuchen, dies kurz und einfach zu beantworten. Versilberte Kontakte sind stärker gefährdet als Kupferleiter, da Silber einer schnelleren, direkten Reaktion mit elementarem Schwefel ausgesetzt ist und das Risiko eines Ausfalls des Leistungstransformators aufgrund der Art des dynamischen Betriebs des OLTC sowie der Ablösung von Silbersulfidpartikeln infolge von Kontaktgleiten unter normalen Betriebsbedingungen höher ist.

Dies führt zu großem Interesse seitens der Erstausrüster (OEMs) und der Eigentümer von Leistungstransformatoren an der Durchführung von Risikobewertungen sowie an der Umsetzung priorisierter Wartungsmaßnahmen, der Anwendung effizienter Abhilfemaßnahmen und der Durchführung von Sanierungsmaßnahmen.

Das Nikola-Tesla-Institut ist in der Lage, einen umfassenden Ansatz zur Lösung dieses aufkommenden Problems in Stromnetzen anzubieten – von der Prüfung über die Risikobewertung bis hin zu Abhilfemaßnahmen und Sanierungsmaßnahmen. 

Sie haben die Reaktion von elementarem Schwefel mit Silber in synthetischen Estern und Mineralöl verglichen. Was waren die wichtigsten Ergebnisse dieser Untersuchungen?

Die wichtigsten Erkenntnisse betrafen die höhere Reaktionsgeschwindigkeit bei der Bildung von Silbersulfid in synthetischen Esterflüssigkeiten im Vergleich zu Mineralölen.  

Bedeutet dies, dass synthetische Ester grundsätzlich anfälliger für Probleme durch elementaren Schwefel sind als Mineralöle – oder wäre diese Schlussfolgerung zu pauschal? 

Das lässt sich sagen, wenn wir dieselben Verbindungen in derselben Konzentration vergleichen, jedoch nicht grundsätzlich. Denn das Problem der Schwefelkorrosion – sowohl an Silber als auch an Kupfer – ist bei Mineralölen leider nach wie vor sehr präsent. Dabei treten typischerweise elementarer Schwefel und andere Verbindungen wie DBDS in wesentlich höheren Konzentrationen auf, als wir sie in synthetischen Esterflüssigkeiten finden.  

Wie lässt sich elementarer Schwefel in synthetischen Estern zuverlässig nachweisen? Reichen die etablierten Prüfverfahren für korrosiven Schwefel dafür aus?

Elementarer Schwefel lässt sich im niedrigen Konzentrationsbereich (unterhalb des ppm-Bereichs) nur schwer quantifizieren. Die derzeit verfügbaren Methoden reichen nicht aus. Selbst die aktuellen Normen für Korrosionstests mit Silberstreifen sind nicht ausreichend.

Eine zuverlässige Erkennung und Quantifizierung von elementarem Schwefel lässt sich mit hochqualifiziertem Personal und Geräten der neuen Generation umsetzen – dabei muss es sich nicht unbedingt um sehr teure Geräte handeln, doch die Anwendung der Methoden muss von hochqualifizierten Fachkräften begleitet werden.

Die derzeit verfügbare Methode, die hinsichtlich der Empfindlichkeit die besten Ergebnisse liefert, ist die ASTM D 1275-15.

In den kommenden Jahren wird man sich der Einführung neuer Methoden und Richtlinien widmen.  

Wie hat das Nikola Tesla Institute seine Forschungsergebnisse in die patentierte TeslaSorb^®-Technologie überführt, und welche Erkenntnisse haben Pilotprojekte und praktische Anwendungen zur Entfernung von elementarem Schwefel aus synthetischen Estern bisher geliefert?

Wichtige Erkenntnisse betreffen einen umfassenden Ansatz bei der Untersuchung, bei dem Isolierflüssigkeiten für Leistungstransformatoren unabhängig von der Art der Isolierflüssigkeit auf korrosiven Schwefel geprüft werden.

Auf Grundlage dieser Untersuchungen sollen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten Instrumente für eine fundierte Diagnostik und Risikobewertung bereitstellen. Darüber hinaus besteht dringender Bedarf, wirksame Technologien zu entwickeln und einzusetzen, mit denen die Flüssigkeit effizient wiederaufbereitet werden kann, um Risiken zu mindern und die Betriebsdauer installierter Leistungstransformatoren zu verlängern. Ebenso müssen Recyclingverfahren für Isolierflüssigkeiten am Ende der Lebensdauer eines Leistungstransformators etabliert werden.

Das akkreditierte Labor und das Forschungs- und Entwicklungsteam des Nikola Tesla Institute können einen umfassenden Ansatz umsetzen, der Diagnostik, Risikobewertung und langfristig wirksame Maßnahmen zur Risikominderung umfasst.

Die patentierte TeslaSorb-Technologie hat sich bei mehreren Vor-Ort-Behandlungen korrosiver synthetischer Esterflüssigkeiten als wirksam erwiesen. Dabei konnte elementarer Schwefel vollständig entfernt und die Eigenschaften des behandelten synthetischen Esters auf die Qualität einer neuen Flüssigkeit verbessert werden. Die Technologie wurde mit zwei Transformatorenherstellern validiert. Derzeit befinden sich weitere Projekte mit einem großen Energieversorgungsunternehmen und zwei Transformatorenherstellern in Vorbereitung.

Die Einführung und Skalierung der TeslaSorb-Technologie auf dem Markt soll im Rahmen einer festen Partnerschaft und Zusammenarbeit mit EOS als Servicepartner erfolgen.

Erste nachgewiesene kommerzielle Anwendungen, die den Bedarf des Marktes aufgreifen, umfassen die Lieferung von 50 Tonnen recyceltem synthetischem Ester an einen Transformatorenhersteller in Europa. Die Flüssigkeit ist nicht korrosiv und weist die Qualität einer neuen Flüssigkeit auf.

In den kommenden Jahren soll die TeslaSorb-Technologie am Markt etabliert werden, um Lösungen für die Erneuerung und Verlängerung der Lebensdauer von Leistungstransformatoren bereitzustellen. Gleichzeitig sollen wirksame Recyclingverfahren für esterbasierte Isolierflüssigkeiten etabliert und entsprechende Normen eingeführt werden.  

Gibt es derzeit Änderungen an den internationalen Normen zum Thema elementarer Schwefel? Welche neuen Anforderungen sind ab dem kommenden Jahr zu erwarten – und wie sind Sie selbst an der Entwicklung dieser Standards beteiligt?

Verfügbare standardisierte Prüfverfahren werden derzeit im IEC TC 10 in die Spezifikationen für neue, ungebrauchte synthetische Esterflüssigkeiten aufgenommen. Gleichzeitig steht eine Überarbeitung des Leitfadens für die Wartung synthetischer Ester-Isolierflüssigkeiten im Betrieb noch aus, um diesem neu auftretenden Problem Rechnung zu tragen.

Diese Überarbeitung sollte auf den Erkenntnissen und Schlussfolgerungen der derzeit tätigen CIGRE-Arbeitsgruppe JWG D1/A2 84 basieren. Diese arbeitet an der Überarbeitung der Prüfverfahren für Silberkorrosion, um deren Empfindlichkeit zu erhöhen und die tatsächlichen Bedingungen in Leistungstransformatoren besser abzubilden.  

Vielen Dank für das Interview und die wertvollen Einblicke in Ihre Forschungsarbeit, Frau Dr. Lukić! 

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