Die Technikerin führt eine morgendliche Inspektion durch, als sie sieht, dass die Farbe des Silikagels im Atmungsgerät des Transformators von Blau zu leuchtendem Pink im oberen Teil der Säule gewechselt hat, während der Ölstand im Konservator nahe dem Minimum liegt. Sie überprüft, um beide Ereignisse zu protokollieren, erinnert sich jedoch aus dem Wartungshandbuch, dass diese Beobachtungen zwei frühe Warnzeichen für ein Problem anzeigen: Feuchtigkeit und Luft, die in das geschlossene Ölsystem des Transformators eindringen. Dasselbe geschah bei einem Transformator eines anderen Unternehmens, als vor zehn Jahren die Ausrüstung ausfiel, als sie die gleichen Probleme hatte. Nach dem Unfall zeigte der Bericht zur Analyse der gelösten Gase, dass Anzeichen für steigende Wasserstoffwerte vorhanden waren, die schon lange im Zustand des Atmungsgeräts sichtbar waren. Das Problem wurde durch das Gasrelais erkannt – in diesem Fall handelt es sich um ein Buchholzrelais.
Der Artikel liefert Details darüber, wie Atmungsgeräte und Gasrelais in einem Öltransformator funktionieren, ihre Bedeutung, wie man ihre Signale interpretiert und was eine neue Einheit kostet.
Das Atmungsgerät ist ein Teil des Ölkonservators. Es handelt sich um ein auf Silikagel basierendes Gerät, das Feuchtigkeit aus der Luft entfernt, die durch den Ölkonservator angesogen wird, während der Transformator atmet. Das Gasrelais ist ein weiteres Schutzgerät, das normalerweise zwischen dem Konservator und dem Tank installiert ist, um Gasansammlungen aufgrund von Fehlfunktionen des Transformators zu erkennen. Der Preis eines Atmungsgeräts liegt normalerweise zwischen $50 und $300, und das Gasrelais kostet in der Regel zwischen $100 und $600. Generell müssen alle Leistungstransformatoren mit einer Nennleistung über 1 MVA mit Gasrelais ausgestattet sein (IEC 60076-1 Standard). Es ist obligatorisch, dass alle Konservatorarten Atmungsgeräte verwenden. Das Silikagel im Atmungsgerät muss regelmäßig alle 3 bis 6 Monate überprüft und regeneriert werden, wenn es die Farbe ändert.
Warum ölgetauchte Transformatoren beide benötigen
Das Öl, das im ölgetauchten Transformator verwendet wird, erfüllt die doppelte Funktion der Kühlung und Isolierung. Beide Funktionen können durch die zwei Feinde gefährdet werden, gegen die Gasrelais und Atmungsgeräte schützen – Feuchtigkeit und Gas aus internen Fehlern. Ein ölgefüllter Transformator atmet, weil sich das Öl mit der Temperatur ausdehnt und zusammenzieht: Wenn die Last steigt, erwärmt sich das Öl und dehnt sich aus und drückt die Luft durch das Atmungsgerät nach außen. Wenn das Öl abkühlt, kommt die Luft zurück in den Tank. Ohne ein Trockenmittel-Atmungsgerät würde die Luft die Feuchtigkeit ins Öl bringen, da Wasser der schnellste Weg zum Isolationsausfall ist. Nur wenige hundert Teile pro Million Wasser im Transformatoröl können seine Durchschlagfestigkeit dramatisch beeinträchtigen – die Durchbruchspannung kann von über 60 kV auf unter 30 kV mit zunehmender Feuchtigkeit gesenkt werden.
Gasrelais kämpfen die andere Schlacht. Interne Fehler — kurzgeschlossene Wicklungen, Kernfehler, lose Verbindungen — erzeugen Wärme und entladen elektrische Lichtbögen, die Öl in Gase zersetzen. Die gebildeten Gase steigen an die Oberseite des Tanks und gelangen über das Rohr, das zum Gasrelais führt, zum Konservator, wodurch das Gasrelais Gas erkennen kann, lange bevor andere Schutzvorrichtungen es sehen können.
Der Breather: Funktion und Design
Ein dehydrierender Breather ist eine zylindrische Einheit, die am Lufteinlass eines Konservators installiert ist, normalerweise oben auf einem Konservatorbehälter. Der Breather verwendet das Trockenmittelmaterial, das normalerweise Silikagel ist, durch das die gesamte einströmende Luft strömt. Das Silikagel entzieht der einströmenden Luft Feuchtigkeit, bevor sie zum Öl gelangt. Eine Farbänderung des Silikagels von aktivem Status (meist blau) zu hydratisiertem Zustand (rosa, weiß oder orange, je nach Qualität) zeigt die verbleibende Kapazität des Trockenmittels zur Feuchtigkeitsaufnahme an.
Die Einheit hat typischerweise eine Öldichtung oder ein Rückschlagventil, um eine Sättigung des Trockenmittels mit Wasser durch Regenwasser zu verhindern. Das Gerät ermöglicht auch das Entweichen von Gas und lässt keine Feuchtigkeit eindringen. Moderne Breather können mit einem Anzeige-Fenster, einer abnehmbaren Patrone mit Trockenmittel zur Erneuerung und einem Heizer in kalten Umgebungen ausgestattet sein, wo Feuchtigkeit im Inneren der Einheit kondensieren kann. Ein üblicher dehydrierender Breather kann zwischen ein und drei Kilogramm Silikagel wiegen und für viele Transformatoren mit nur wenigen MVA arbeiten; ein größerer Maßstab erfordert ein größeres Gehäuse oder eine Kombination mehrerer Breather.
Das Gasrelais: Funktion und Design
Das Gasrelais — allgemein als Buchholzrelais bekannt, nach seinem Erfinder Max Buchholz (1921) — ist im Rohrleitungssystem positioniert, das den Haupttank mit dem Konservator verbindet, mit einer leichten Neigung, die zum Anstieg von Gas führt. Es umfasst zwei Schwimmerschalter und einige Typen haben eine Barriere, die Wellen unterscheidet.
- Gasansammlung: Kleine interne Fehler verursachen eine langsame Ansammlung von Gas. Infolgedessen drückt es das Öl im oberen Tankraum nach oben, was den Pegel des oberen Schwimmers senkt und den Alarmkontakt schließt. Dann kann der Techniker das Relais entlüften und Gasproben zur Untersuchung entnehmen.
- Ölanstieg: Wenn ein großer Fehler auftritt, z.B. ein Kurzschluss der Wicklung, beginnt das Öl mit hoher Geschwindigkeit vom Tank zum Konservator zu strömen. Die Trennwand wird freigegeben und lässt den unteren Schwimmer nach unten bewegen, wodurch die Auslöseschaltung geschlossen wird, die zur Trennung des Transformators führt.
Auf diese Weise wird das Buchholzrelais zum ersten und effektivsten Schutzgerät, da es das Auftreten eines Fehlers bemerkt, noch bevor der Strom hoch genug ansteigt, um den Transformator zu trennen.
Typen von Gasrelais und Breather
| Typ | Beschreibung | Typischer Preisbereich |
|---|---|---|
| Standard-Silikagel-Breather | 1-3 kg Trockenmittel-Säule, Öldichtung, Fenster | $50-$300 |
| Großkapazitäts-/Industrie-Breather | 5-15 kg Säule für Leistungstransformatoren, Heizoption | $300-$1,500 |
| Farbwechselanzeige-Breather | Blau-zu-Rosa-Silikagel, austauschbare Patrone | $80-$400 |
| Klassisches Buchholzrelais (Schwimmertyp) | Zwei Schwimmer, Gasalarm + Überstromauslösung, Glassicht | $100-$500 |
| Elektronisches / intelligentes Gasrelais | Hinzugefügte Sensoren, Fernanzeige, DGA-bereiter Anschluss | $400-$1,200 |
Im Falle eines Verteilungs- oder Industrietransformators sind das Buchholz-Schwimmerrelais und ein farbwechselndes Silikagel-Atmungsgerät die bevorzugten Werkzeuge, einfach weil sie die zuverlässigsten und kostengünstigsten sind. Die elektronischen Versionen bieten Daten zum Betrieb des Relais an abgelegenen Standorten.
Die Signale lesen: Was jedes Gerät Ihnen sagt
| Beobachtung | Wahrscheinliche Bedeutung | Maßnahme |
|---|---|---|
| Silikagel wurde pink / weiß | Trockenmittel erschöpft; Feuchtigkeit dringt in das Öl ein | Silikagel regenerieren oder ersetzen; Öl-Wasser-Gehalt überprüfen |
| Ölstand niedrig im Konservator mit blauem Gel | Ölleck oder Luft eindringen | Leck finden und beheben; Öl nachfüllen |
| Gasrelais-Alarm ausgelöst, Gas im Glas | Langsame interne Störung; Gaszusammensetzung identifiziert sie | Gasprobe für DGA sammeln; nicht zurücksetzen ohne Analyse |
| Gasrelais-Auslösung betätigt | Schwerwiegende Störung; Ölüberdruck | Transformator abschalten; untersuchen, bevor er wieder unter Spannung gesetzt wird |
| Häufige Gasrelais-Alarmmeldungen, keine Laständerung | Wiederkehrende interne Störung oder lose Verbindung | Vollständige interne Inspektion; Wicklungswiderstands- und Windungsverhältnis-Tests |
Die wichtigste Praxis in Bezug auf die Wartung von Transformatoren besteht darin, den Gasrelais-Alarm als Anfrage für eine Laborprobe zu betrachten, nicht nur als Rücksetzung. Das Vorhandensein von Wasserstoff (H₂) und Acetylen (C₂H₂) weist auf das Auftreten von Lichtbogen hin, das Vorhandensein von Ethylen (C₂H₄) und Ethan (C₂H₆) zeigt Hotspots an, während eine niedrige Konzentration von Wasserstoff auf Teilentladung hinweist. Jeder Fall führt zu einem anderen Bereich des Transformators.
Spezifikationen und Auswahl
| Parameter | Entlüfter | Gasrelais |
|---|---|---|
| Kapazität / Nennwert | Trockenmittelmasse: 1-15 kg pro Ölvolumen | Rohrgröße: DN50-DN100 passend zum Konservatorrohr |
| Norm | IEC 60076-1 related; manufacturer spec | IEC 60076-1; relay tested per manufacturer standard |
| Materialien | Galvanized / stainless body, glass or polycarbonate window | Cast body with glass sight ports, brass/steel floats |
| Alarm / trip contacts | None (visual only) or optional alarm on high humidity | Two independent contacts: gas alarm, surge trip (e.g., 250 V, 2-3 A AC) |
| Montage | Conservator top, air inlet | Pipe between tank and conservator, 1-5° slope |
Choose the bore size of the pipe in consideration with the gas relay being used, and the rating of the contacts, either AC or DC. For desiccators, go with the amount of desiccant according to the oil capacity of the transformer and the breathing rate, with a usual rule of thumb that, for distribution equipment, use around 1 kg of silica gel for every 1,000-2,000 liters of oil.
Maintenance Intervals and Procedures
Both devices are inexpensive, easy to use, and frequently ignored, which is what causes the devices to fail to perform their functions effectively. A logical plan is as follows:
- Breather – every three to six months check the color of the silica gel. Replace or regenerate the gel when it has become ineffective. Blue silica gel can be dried out by putting it in an oven set to 105-120° C and keeping it there for several hours until it returns to its blue color.
- Gas relay – once per year check that the device functions by opening the test valve through which the alert contact closes whenever the device operates.
- Gas relay – for each oil dissolved gas analysis, compare the accumulated gas content with the gas records inside the body of the transformer.
- Breather seal – once per year ensure that oil levels and non-return valves are at an appropriate level. The dried out seal means potential humidity entering via breather’s own port.
The cost of that simple monitoring may be a few hundreds of dollars per year, while the costs of not monitoring them may lead to moisture-affected windings or non-detected internal failures leading to a complete transformer rewind costing, on the average, 50-80 percent of a new transformer.
When gas relay gets a sample, gas concentration shows what caused the fault to occur as this is what the lab involved in dissolved gas analysis always checks first.
| Gas Signature | Indicated Fault | Recommended Next Step |
|---|---|---|
| High H₂ + C₂H₂ (acetylene) | Arcing in the winding or core | Internal inspection; winding resistance and turns-ratio tests |
| High H₂ alone (low concentration) | Teilentladung | Continue DGA monitoring; check for loose hardware |
| High C₂H₄ + C₂H₆ (ethylene/ethane) | Thermal hot spot (overheating) | Check load profile, cooling, oil level; repeat DGA in 1-3 months |
| High CO + CO₂ | Paper/insulation ageing or overheating | Furan analysis; estimate remaining insulation life |
| Nitrogen-dominated with no fault gases | Normal breathing / no internal fault | Continue routine monitoring |
Where They Are Used
Breathers and gas relays can be found on many oil-filled transformers with conservators, typically from 50 kVA and on up. The standard configuration includes:
- Distribution transformers (50-2,500 kVA): standard breather with a gas relay that is strongly recommended for above 1 MVA.
- Power transformers (5-100 MVA): A larger breather, Buchholz relay with alarm, and trip capability which is obligatory per IEC 60076-1.
- Generator step-up and network transformers: Several breathers and relays are usually fitted with the possibility of electronic monitoring.
- Transformers with hermetically sealed and expansion-tank designs: breather can be represented only by an expansion bag; however, gas relay is still a factor above 1MVA.
Hermetically sealed and airlocked transformers (using nitrogen) simplify the job of a breather; nonetheless, conservator with a breather will prevail for many years, especially in places with variable load and high humidity rates.
Marken- und Preisvergleich
| Marke | Herkunft | Produkte | Ungefährer Preisbereich |
|---|---|---|---|
| MR Reinhausen | Deutschland | Premium gas relays and accessories | $300-$1,500 |
| ABB | Schweiz/Schweden | Relays and breathers as transformer accessories | $150-$1,000 |
| Schneider Electric | Optimierungsmaßnahmen in der Praxis | Distribution-class protective accessories | $80-$500 |
| Comem (Italy) / Lokato | Italy / China | Specialist gas relay and conservator accessory makers | $100-$600 |
| General accessory suppliers | Various | Silica gel breathers, all sizes | $50-$1,200 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | Breathers, Buchholz relays, complete tank assemblies with accessories | $60-$700 |
In the accessories segment, manufacturers like MR Reinhausen and Comem set the standards for gas relay quality, while manufacturers from Europe face serious popularity among buyers of power transformer solutions. The complete transformer — tank, conservator, breather, and Buchholz relay tested as one assembly — is supplied by manufacturers like Jiangsu Subian Electric Power, which does all of the work at the manufacturer site and provides low prices that are about 40-60% lower than those of Western manufacturers. The difference lies in the fact that the quality of the gas relay and breather is not the area where you save your money buying a transformer, but rather the area that defines whether good manufacturer treats the accessories as a part of transformer design or not.
How to Choose and Install
- Connect the gas relay to the pipe. Choose a conservator connection diameter (nominal bore DN50-DN80) and the transformer’s rating to ensure the contact ratings for the trip circuit are suitable.
- The breather should be selected according to the oil volume in the transformer. The higher the volume of oil, the higher the breathing rate and the amount of desiccant; ensure that you have a heater installed if you are working under frosty or humid conditions.
- Make sure that the relay is positioned correctly. A slope of 1-5° toward the relay is recommended to ensure that the gas collects in the relay—make sure that the arrow on the relay indicates the conservator.
- Connect the alarm and the trip circuits separately. The gas alarm must be connected to SCADA; on the contrary, the surge trip must be wired to the transformer breaker circuit.
- Place the breather on the highest point of the pipe. The air intake must be placed above the maximum oil level in the conservator so that the oil cannot flood the desiccant.
- Specify the devices in the contract. Indicate the type of relay and the capacity of the breather in the purchase order, and make sure you have their testing reports in the delivery certificate.
Häufig gestellte Fragen
How much does a breather and gas relay cost?
The price of a standard silica gel breather with a weight of between 1 kg and 3 kg varies from 50 to 300 dollars; that of a large power transformer breather is in the range of either $300 to $1,500 or above. A traditional Buchholz gas relay costs between $100 and $500, while an electronic one with remote monitoring costs between $400 to $1,200. Both accessories amount to not more than three percent of the price of a complete transformer.
How often should I check or change the silica gel in the breather?
Perform visual checks on the color at least every three to six months, more frequently in humid environments. If the blue gel becomes pink or white, it is fully used up. Regenerate it by heating it to between 105 °C and 120 °C until its color becomes blue again or replace it altogether. If the saturated breather is not replaced, moisture will enter the oil leading to failure of the insulation system.
What does the gas relay actually detect?
This device can identify two kinds of faults. First is gas build up caused by a slow internal fault where the gas forces the oil to displace the float which causes an alarm contact. Second is a sudden surge of oil caused by a severe fault that moves a baffle which opens the transformer’s circuit breaker instantaneously. The gas collected can be analyzed to determine its composition (hydrogen, acetylene, ethylene) thereby informing whether the fault was due to arcing, hot spots, or partial discharge.
Why does my gas relay alarm keep operating with no load change?
A repeat gas alarm with normal load generally indicates that there is an internal fault, usually a loose connection, a shorted turn, or overheating of the core. Avoid resetting the alarm without first taking gas samples and performing gas-in-oil analysis.If the gas alarm is triggering often, it indicates that the transformer requires the conduct of internal tests (insulation resistance, turns ratio, and winding resistance tests).
Can a transformer run without a gas relay?
The statement is technically correct. However, it is bad practice and non-compliance to use Buchholz on transformers with a power rating more than approximately 1 MVA, where protection is mandatory, according to IEC 60076-1. The Buchholz relay is the only piece of equipment detecting the developing internal faults before phase-to-phase short-circuit occurs. Without it, the first sign of fault may be the catastrophic trip or fire. The cost of the relay is between $100 and $600, and this relay is considered one of the cheapest forms of protection in substations.
Referenzen
- IEC 60076-1 — Power Transformers, General Requirements — The master standard covering accessories such as gas relays on oil-immersed transformers.
- IEEE C57.106 — Guide for Acceptance and Maintenance of Insulating Mineral Oil — Moisture limits and oil condition guidance that breather maintenance protects.
- IEEE 62 — Guide for Diagnostic Field Testing of Electric Power Apparatus — Field testing context for relays and insulation.
- MR Reinhausen — Accessories and Gas Relays — Reference documentation for premium gas relay designs.
- OSHA Electrical Safety Guidance — Workplace safety context for working on energized transformer protection systems.
- Transformers Magazine — Industry publication with practical articles on breather and relay maintenance.
Fazit
The first ones to appear on the list of low-cost and informative components that are almost forgotten about but still very necessary in an oil-filled transformer are the gas relay and the breather. The first one alerts you about any possible issues inside the transformer and indicates when something goes wrong.
- Check the color of the silica gel every 3 to 6 months and when not functional, regenerate or replace it.
- Do not treat any gas relay alarm as a delete button; treat it as a request for a DGA sample.
- Make a check of the gas relay for functioning every year and ensure that the trip circuit works all right.
- In the transformer contract, include these two components and ask for the records of their tests.