Il tecnico sta effettuando un'ispezione mattutina quando vede che il colore del gel di silice nel breather del trasformatore è cambiato da blu a rosa brillante nella parte superiore della colonna, mentre quello del livello dell'olio nel conservatore è vicino al minimo. Controlla per registrare entrambi gli eventi, ma ricorda dal manuale di manutenzione che queste osservazioni indicano due segnali di allerta precoce di un problema: umidità e aria che entrano nel sistema chiuso dell'olio del trasformatore. La stessa cosa è accaduta in un trasformatore di un'altra azienda dieci anni fa quando l'attrezzatura ha subito un guasto a causa degli stessi problemi. Dopo l'incidente, il rapporto di analisi dei gas disciolti ha indicato che c'erano segni di aumento dei livelli di idrogeno che erano stati a lungo visibili nelle condizioni del breather. Il problema è stato rilevato dal relè di gas – in questo caso, presenta un relè Buchholz.
L'articolo fornisce i dettagli su come funzionano i breathers e i relè di gas in un trasformatore ad olio, la loro importanza, come interpretare i loro segnali e quanto costa una nuova unità.
Il breather è una parte del conservatore d'olio. È un dispositivo a base di gel di silice che rimuove l'umidità dall'aria aspirata attraverso il conservatore d'olio mentre il trasformatore respira. Il relè di gas è un altro dispositivo di protezione che è normalmente installato tra il conservatore e il serbatoio per rilevare l'accumulo di gas a causa di malfunzionamenti del trasformatore. Il prezzo di un breather varia normalmente tra $50 e $300 e il relè di gas costa solitamente tra $100 e $600. In generale, tutti i trasformatori di potenza con una potenza superiore a 1 MVA devono essere dotati di relè di gas (standard IEC 60076-1). È obbligatorio per tutti i tipi di conservatori utilizzare i breathers. Il gel di silice nel breather deve essere controllato regolarmente ogni 3-6 mesi e rigenerato quando cambia colore.
Perché i Trasformatori Immersi nell'Olio Necessitano di Entrambi
L'olio utilizzato nel trasformatore immerso nell'olio svolge funzioni doppie di raffreddamento e isolamento. Entrambe le funzioni possono essere compromesse dai due nemici contro cui i relè di gas e i breathers proteggono: umidità e gas da guasti interni. Un trasformatore riempito d'olio respira perché l'olio si espande e si contrae con la temperatura: man mano che il carico aumenta, l'olio si riscalda e si espande e spinge l'aria fuori attraverso il breather. Quando l'olio si raffredda, l'aria torna nel serbatoio. Senza un breather disidratante, l'aria porterebbe l'umidità all'olio poiché l'acqua è il modo più veloce per il guasto dell'isolamento. Solo poche centinaia di parti per milione di acqua nell'olio del trasformatore possono influenzare drammaticamente la sua resistenza dielettrica: la tensione di rottura può essere abbassata da oltre 60 kV a meno di trenta kV con l'aumento dell'umidità.
I relè di gas combattono l'altra battaglia. I guasti interni — avvolgimenti cortocircuitati, guasti del nucleo, connessioni allentate — generano calore e scariche elettriche, che decompongono l'olio in gas. I gas formati salgono verso la parte superiore del serbatoio e vanno al conservatore attraverso il tubo che porta al relè di gas, consentendo così al relè di gas di rilevare il gas molto prima che altre protezioni possano vederlo.
Il Breather: Funzione e Design
Un breather disidratante è un'unità cilindrica che viene installata sull'ingresso d'aria di un conservatore, di solito sulla parte superiore di un serbatoio di conservazione. Il breather utilizza un materiale disidratante che è solitamente gel di silice attraverso il quale passa tutta l'aria in ingresso. Il gel di silice rimuove l'umidità dall'aria in ingresso prima che vada all'olio. Un cambiamento di colore del gel di silice dallo stato attivo (principalmente blu) a quello idratato (rosa, bianco o arancione a seconda del grado) indica la quantità di capacità rimasta per il disidratante per assorbire l'umidità.
L'unità ha tipicamente un sigillo d'olio o una valvola di non ritorno per prevenire la saturazione del disidratante con acqua a causa degli schizzi di pioggia. Il dispositivo consente anche al gas di fuoriuscire e non permette all'umidità di entrare. I moderni breathers possono avere una finestra indicatrice, una cartuccia rimovibile con disidratante per il rinnovo e un riscaldatore in ambienti freddi dove l'umidità può condensarsi all'interno dell'unità. Un tipico breather disidratante può pesare tra uno e tre chilogrammi di gel di silice e funzionare per molti trasformatori di appena un paio di MVA; una scala più grande richiede un alloggiamento più grande o una combinazione di alcuni breathers.
Il Relè di Gas: Funzione e Design
Il relè di gas — comunemente chiamato relè Buchholz dal suo inventore Max Buchholz (1921) — è posizionato nel sistema di tubazioni che collega il serbatoio principale con il conservatore, avendo una leggera inclinazione che porta all'accumulo di gas. Include due interruttori a galleggiante e alcuni tipi hanno una barriera che distingue le onde.
- Accumulo di gas: Piccoli guasti interni causano un lento accumulo di gas. Di conseguenza, spinge l'olio verso l'alto nella camera del serbatoio superiore, riducendo il livello del galleggiante superiore e chiudendo il contatto di allarme. Poi il tecnico può sfiatare il relè e prelevare campioni di gas per l'esame.
- Surge dell'olio: Quando si verifica un grande guasto, ad esempio, un cortocircuito dell'avvolgimento, l'olio inizia a fuoriuscire dal serbatoio al conservatore ad alta velocità. La paratia viene rilasciata e fa muovere il galleggiante inferiore verso il basso chiudendo così il collegamento di trip che porta alla disconnessione del trasformatore.
In questo modo, il relè Buchholz diventa il primo e il più efficace dispositivo di protezione poiché rileva l'emergere di un guasto anche prima che la corrente aumenti abbastanza da disconnettere il trasformatore.
Tipi di Relè di Gas e Breathers
| Tipo | Descrizione | Fascia di Prezzo Tipica |
|---|---|---|
| Breather standard in gel di silice | Colonna di disidratante da 1-3 kg, sigillo d'olio, finestra | $50-$300 |
| Breather di grande capacità / industriale | Colonna da 5-15 kg per trasformatori di potenza, opzione riscaldatore | $300-$1,500 |
| Breather indicante il cambiamento di colore | Gel di silice da blu a rosa, cartuccia sostituibile | $80-$400 |
| Relè Buchholz classico (tipo galleggiante) | Due galleggianti, allarme gas + interruzione di sovratensione, vetro di osservazione | $100-$500 |
| Relè gas elettronico / intelligente | Sensori aggiuntivi, indicazione remota, porta pronta per DGA | $400-$1,200 |
Nel caso di un trasformatore di distribuzione o industriale, il relè di tipo galleggiante Buchholz e un breather a cambio di colore in gel di silice sono gli strumenti preferiti, semplicemente perché sono i più affidabili e i più economici. Le versioni elettroniche offrono dati sul funzionamento del relè in luoghi remoti.
Lettura dei segnali: cosa ti dice ogni dispositivo
| Osservazione | Significato probabile | Azione |
|---|---|---|
| Gel di silice diventato rosa / bianco | Disidratante esaurito; umidità che entra nell'olio | Rigenerare o sostituire il gel di silice; controllare il contenuto d'acqua nell'olio |
| Livello dell'olio basso nel conservatore con gel blu | Perdita d'olio o ingresso d'aria | Trovare e riparare la perdita; riempire l'olio |
| Allarme del relè gas attivato, gas nel vetro | Guasto interno lento; la composizione del gas lo identifica | Raccogliere campione di gas per DGA; non ripristinare senza analisi |
| Interruzione del relè gas attivata | Guasto maggiore; sovratensione dell'olio | Isolare il trasformatore; indagare prima di riattivare |
| Allarmi frequenti del relè gas, nessuna variazione di carico | Guasto interno ricorrente o connessione allentata | Ispezione interna completa; test di resistenza degli avvolgimenti e rapporto di trasformazione |
La pratica più importante riguardo alla manutenzione del trasformatore è considerare l'allarme del relè gas come una richiesta di campione di laboratorio, non solo un ripristino. La presenza di idrogeno (H₂) e acetilene (C₂H₂) indica l'occorrenza di arco, la presenza di etilene (C₂H₄) e etano (C₂H₆) indica punti caldi mentre una bassa concentrazione di idrogeno indica scariche parziali. Ogni caso porta a un'area diversa del trasformatore.
Specifiche e selezione
| Parametro | Respiro | Relè gas |
|---|---|---|
| Capacità / valutazione | Massa del desiccante: 1-15 kg in base al volume dell'olio | Dimensione del tubo: DN50-DN100 corrispondente al tubo del conservatore |
| Standard | IEC 60076-1 correlato; specifiche del produttore | IEC 60076-1; relè testato secondo lo standard del produttore |
| Materiali | Corpo zincato / in acciaio inossidabile, finestra in vetro o policarbonato | Corpo in fusione con porte di visione in vetro, galleggianti in ottone/acciaio |
| Contatti di allarme / interruzione | Nessuno (solo visivo) o allarme opzionale in caso di alta umidità | Due contatti indipendenti: allarme gas, interruzione di sovratensione (ad es., 250 V, 2-3 A AC) |
| Montaggio | Parte superiore del conservatore, ingresso dell'aria | Tubo tra serbatoio e conservatore, pendenza 1-5° |
Scegliere la dimensione del foro del tubo tenendo conto del relè gas utilizzato e della classificazione dei contatti, sia AC che DC. Per i disidratatori, utilizzare la quantità di desiccante in base alla capacità dell'olio del trasformatore e al tasso di respirazione, con una regola generale che, per le apparecchiature di distribuzione, utilizzare circa 1 kg di gel di silice per ogni 1.000-2.000 litri di olio.
Intervalli e procedure di manutenzione
Entrambi i dispositivi sono economici, facili da usare e frequentemente trascurati, il che causa il fallimento dei dispositivi nel svolgere le loro funzioni in modo efficace. Un piano logico è il seguente:
- Disidratatore – ogni tre-sei mesi controllare il colore del gel di silice. Sostituire o rigenerare il gel quando è diventato inefficace. Il gel di silice blu può essere asciugato mettendolo in un forno impostato a 105-120° C e mantenendolo lì per diverse ore fino a quando non torna al suo colore blu.
- Relè gas – una volta all'anno controllare che il dispositivo funzioni aprendo la valvola di prova attraverso la quale il contatto di allerta si chiude ogni volta che il dispositivo è in funzione.
- Relè gas – per ogni analisi del gas disciolto nell'olio, confrontare il contenuto di gas accumulato con i registri di gas all'interno del corpo del trasformatore.
- Guarnizione del disidratatore – una volta all'anno assicurarsi che i livelli dell'olio e le valvole di non ritorno siano a un livello appropriato. La guarnizione asciutta significa potenziale umidità che entra attraverso il proprio portale del disidratatore.
Il costo di quel semplice monitoraggio può essere di alcune centinaia di dollari all'anno, mentre i costi di non monitorarli possono portare a avvolgimenti danneggiati dall'umidità o guasti interni non rilevati che portano a un completo riavvolgimento del trasformatore che costa, in media, il 50-80 percento di un nuovo trasformatore.
Quando il relè gas riceve un campione, la concentrazione di gas mostra cosa ha causato il guasto poiché questo è ciò che il laboratorio coinvolto nell'analisi del gas disciolto controlla sempre per primo.
| Firma del gas | Guasto indicato | Passo successivo raccomandato |
|---|---|---|
| Alto H₂ + C₂H₂ (acetilene) | Arco nel avvolgimento o nel nucleo | Ispezione interna; test di resistenza degli avvolgimenti e rapporto di trasformazione |
| Alto H₂ da solo (bassa concentrazione) | Scarica parziale | Continuare il monitoraggio DGA; controllare per hardware allentato |
| Alto C₂H₄ + C₂H₆ (etilene/etano) | Punto caldo termico (surriscaldamento) | Controllare il profilo di carico, raffreddamento, livello dell'olio; ripetere DGA in 1-3 mesi |
| Alto CO + CO₂ | Invecchiamento della carta/isola o surriscaldamento | Analisi del furano; stimare la vita residua dell'isolamento |
| Dominato dall'azoto senza gas di guasto | Respirazione normale / nessun guasto interno | Continuare il monitoraggio di routine |
Dove vengono utilizzati
I respiratori e i relè di gas possono essere trovati su molti trasformatori riempiti d'olio con conservatori, tipicamente da 50 kVA in su. La configurazione standard include:
- Trasformatori di distribuzione (50-2.500 kVA): respiratore standard con un relè di gas che è fortemente raccomandato per sopra 1 MVA.
- Trasformatori di potenza (5-100 MVA): un respiratore più grande, relè Buchholz con allarme e capacità di disconnessione che è obbligatoria secondo IEC 60076-1.
- Trasformatori di sollevamento del generatore e di rete: diversi respiratori e relè sono solitamente dotati della possibilità di monitoraggio elettronico.
- Trasformatori con design ermeticamente sigillati e serbatoi di espansione: il respiratore può essere rappresentato solo da un sacco di espansione; tuttavia, il relè di gas è ancora un fattore sopra 1 MVA.
Trasformatori ermeticamente sigillati e a tenuta d'aria (utilizzando azoto) semplificano il lavoro di un respiratore; tuttavia, il conservatore con un respiratore prevarrà per molti anni, specialmente in luoghi con carico variabile e alti tassi di umidità.
Confronto tra marche e prezzi
| Marca | Origine | Prodotti | Fascia di prezzo approssimativa |
|---|---|---|---|
| MR Reinhausen | Germania | Relè di gas premium e accessori | $300-$1,500 |
| ABB | Svizzera/Svezia | Relè e respiratori come accessori per trasformatori | $150-$1,000 |
| Schneider Electric | Francia | Accessori protettivi di classe distribuzione | $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 Energia Elettrica | Cina | 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.
Domande frequenti
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.
Riferimenti
- IEC 60076-1 — Trasformatori di Potenza, Requisiti Generali — 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.
Conclusione
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.