A técnica está realizando uma inspeção matinal quando ela vê que a cor do gel de sílica no dessecador do transformador mudou de azul para rosa brilhante na parte superior da coluna, enquanto o nível de óleo no conservador está próximo do mínimo. Ela verifica para registrar ambos os eventos, mas se lembra do manual de manutenção que essas observações indicam dois sinais de alerta precoce de um problema: umidade e ar entrando no sistema fechado de óleo do transformador. A mesma coisa aconteceu em um transformador de outra empresa quando, há dez anos, o equipamento falhou ao experimentar os mesmos problemas. Após o acidente, o relatório de análise de gás dissolvido indicou que havia sinais de aumento nos níveis de hidrogênio que já eram visíveis há muito tempo na condição do dessecador. O problema foi detectado pelo relé de gás – neste caso, ele possui um relé Buchholz.
O artigo fornece os detalhes sobre como os dessecadores e relés de gás operam em um transformador a óleo, sua importância, como interpretar seus sinais e quanto custa uma nova unidade.
O dessecador é uma parte do conservador de óleo. É um dispositivo à base de gel de sílica que remove a umidade do ar aspirado através do conservador de óleo enquanto o transformador respira. O relé de gás é outro dispositivo de proteção que normalmente é instalado entre o conservador e o tanque para detectar acúmulo de gás devido a falhas no transformador. O preço de um dessecador normalmente varia entre $50 e $300 e o relé de gás geralmente custa entre $100 e $600. Geralmente, todos os transformadores de potência com classificação acima de 1 MVA devem ser equipados com relés de gás (norma IEC 60076-1). É obrigatório que todos os tipos de conservadores utilizem dessecadores. O gel de sílica no dessecador deve ser verificado regularmente a cada 3 a 6 meses e regenerado quando mudar de cor.
Por que Transformadores Imersos em Óleo Precisam de Ambos
O óleo utilizado no transformador imerso em óleo desempenha funções duplas de resfriamento e isolamento. Ambas as funções podem ser comprometidas pelos dois inimigos contra os quais os relés de gás e dessecadores protegem — umidade e gás de falhas internas. Um transformador preenchido com óleo respira porque o óleo se expande e contrai com a temperatura: à medida que a carga aumenta, o óleo aquece e se expande, empurrando o ar para fora através do dessecador. Quando o óleo esfria, o ar volta para o tanque. Sem um dessecador dessecante, o ar traria a umidade para o óleo, pois a água é a maneira mais rápida de falha de isolamento. Apenas algumas centenas de partes por milhão de água no óleo do transformador podem afetar dramaticamente sua resistência dielétrica — a tensão de ruptura pode ser reduzida de 60+ kV para abaixo de trinta kV com o aumento da umidade.
Os relés de gás lutam a outra batalha. Falhas internas — enrolamentos em curto, falhas no núcleo, conexões soltas — criam calor e descarregam arcos elétricos, que decompõem o óleo em gases. Os gases formados sobem para o topo do tanque e vão para o conservador através do tubo que leva ao relé de gás, permitindo assim que o relé de gás detecte o gás muito antes que outras proteções possam vê-lo.
O Breather: Função e Design
Um breather desidratante é uma unidade cilíndrica que é instalada na entrada de ar de um conservador, geralmente no topo de um tanque de conservador. O breather utiliza um material dessecante que geralmente é gel de sílica, através do qual todo o ar que entra passa. O gel de sílica retira a umidade do ar que entra antes que ele chegue ao óleo. Uma mudança na cor do gel de sílica do status ativo (principalmente azul) para o hidratado (rosa, branco ou laranja, dependendo da qualidade) indica a quantidade de capacidade restante para o dessecante absorver a umidade.
A unidade normalmente possui um selo de óleo ou uma válvula de retenção para evitar a saturação do dessecante com água devido a respingos de chuva. O dispositivo também permite que o gás escape e não permite que a umidade entre. Os breathers modernos podem vir com uma janela indicadora, cartucho removível com dessecante para renovação e um aquecedor em ambientes frios onde a umidade pode se condensar dentro da unidade. Um breather desidratante usual pode pesar entre um e três quilos de gel de sílica e funcionar para muitos transformadores de apenas alguns MVA; uma escala maior requer um alojamento maior ou uma combinação de alguns breathers.
O Relé de Gás: Função e Design
O relé de gás — comumente referido como relé Buchholz em homenagem ao seu inventor Max Buchholz (1921) — é posicionado no sistema de tubulação que conecta o tanque principal ao conservador, tendo uma leve inclinação que leva ao acúmulo de gás. Inclui dois interruptores de flutuação e alguns tipos têm uma barreira que distingue ondas.
- Acúmulo de gás: Pequenas falhas internas causam acúmulo lento de gás. Como resultado, isso empurra o óleo para cima na câmara do tanque superior, o que reduz o nível do flutuador superior e fecha o contato de alarme. Então, o técnico pode ventilar o relé e fazer amostras de gás para exame.
- Surto de óleo: Quando uma grande falha acontece, por exemplo, um curto-circuito do enrolamento, o óleo começa a jorrar do tanque para o conservador em alta velocidade. O defletor é liberado e faz o flutuador inferior se mover para baixo, fechando assim a conexão de disparo que leva à desconexão do transformador.
Dessa forma, o relé Buchholz se torna o primeiro e mais eficaz dispositivo de proteção, pois percebe a emergência de falha mesmo antes que a corrente aumente o suficiente para desconectar o transformador.
Tipos de Relés de Gás e Breathes
| Tipo | Descrição | Faixa de Preço Típica |
|---|---|---|
| Breather padrão de gel de sílica | Coluna de dessecante de 1-3 kg, selo de óleo, janela | $50-$300 |
| Breather de grande capacidade / industrial | Coluna de 5-15 kg para transformadores de potência, opção de aquecedor | $300-$1,500 |
| Breather indicativo de mudança de cor | Gel de sílica azul para rosa, cartucho substituível | $80-$400 |
| Relé Buchholz clássico (tipo flutuador) | Dois flutuadores, alarme de gás + disparo de surto, visor de vidro | $100-$500 |
| Relé de gás eletrônico / inteligente | Sensores adicionais, indicação remota, porta pronta para DGA | $400-$1,200 |
No caso de um transformador de distribuição ou industrial, o relé tipo flutuador Buchholz e um desumidificador de gel de sílica de mudança de cor são as ferramentas preferidas, simplesmente porque são os mais confiáveis e os mais baratos. As versões eletrônicas oferecem dados sobre a operação do relé em locais remotos.
Lendo os Sinais: O Que Cada Dispositivo Te Diz
| Observação | Significado Provável | Ação |
|---|---|---|
| Gel de sílica ficou rosa / branco | Dessecante esgotado; umidade entrando no óleo | Regenerar ou substituir o gel de sílica; verificar o teor de água no óleo |
| Nível de óleo baixo no conservador com gel azul | Vazamento de óleo ou entrada de ar | Encontrar e corrigir vazamento; completar o óleo |
| Alarme do relé de gás acionado, gás no vidro | Falha interna lenta; a composição do gás a identifica | Coletar amostra de gás para DGA; não reiniciar sem análise |
| Disparo do relé de gás acionado | Falha maior; surto de óleo | Isolar o transformador; investigar antes de reenergizar |
| Alarmes frequentes do relé de gás, sem mudança de carga | Falha interna recorrente ou conexão solta | Inspeção interna completa; testes de resistência de enrolamento e relação de espiras |
A prática mais importante em relação à manutenção de transformadores é considerar o alarme do relé de gás como um pedido de amostra de laboratório, não apenas um reset. A presença de hidrogênio (H₂) e acetileno (C₂H₂) indica a ocorrência de arco, a presença de etileno (C₂H₄) e etano (C₂H₆) indica pontos quentes, enquanto a baixa concentração de hidrogênio aponta para descarga parcial. Cada caso leva a uma área diferente do transformador.
Especificações e Seleção
| Parâmetro | Desumidificador | Relé de Gás |
|---|---|---|
| Capacidade / classificação | Massa do dessecante: 1-15 kg por volume de óleo | Pipe size: DN50-DN100 matching conservator pipe |
| Padrão | IEC 60076-1 related; manufacturer spec | IEC 60076-1; relay tested per manufacturer standard |
| Materials | 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) |
| Montagem | 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) | Descarga parcial | 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.
Comparação de Marcas e Preços
| Marca | Origem | Produtos | Approx. Price Range |
|---|---|---|---|
| MR Reinhausen | Alemanha | Premium gas relays and accessories | $300-$1,500 |
| ABB | Suíça/Suécia | Relays and breathers as transformer accessories | $150-$1,000 |
| Schneider Electric | França | 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.
Perguntas Frequentes
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.
Referências
- 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.
Conclusão
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.