Das Buchholz-Relais: Ein Jahrhundert deutscher Schutztechnik für Transformatoren

Autor: DerSchneider

Einleitung

Wer heute einen großen Leistungstransformator in einem Umspannwerk öffnet, blickt auf ein komplexes Zusammenspiel aus Kupfer, Eisen, Isolieröl und einer Vielzahl elektronischer Sensoren. Doch im Herzen des Schutzkonzepts findet sich seit über hundert Jahren ein mechanisches Meisterwerk, das auf den ersten Blick fast antiquiert wirkt: das Buchholz-Relais. Benannt nach seinem Erfinder Max Buchholz (1875–1956), ist dieses Gas- und Strömungsrelais bis heute der Standard für die innere Fehlererkennung ölgefüllter Transformatoren. Es verbindet auf einzigartige Weise physikalische Einfachheit mit hoher Zuverlässigkeit – und bleibt trotz digitaler Schutzrelais unverzichtbar. Dieser Artikel beleuchtet die historische Entstehung, die präzise Funktionsweise, technische Grenzen, aktuelle Kontroversen und die Zukunftsperspektiven dieser bemerkenswerten Erfindung.

1. Historische Wurzeln: Der Elektrifizierungsboom und die Suche nach Sicherheit

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts erlebte die Elektroindustrie einen gewaltigen Aufschwung. Die Verteilnetze wuchsen, und die Transformatoren wurden immer größer und leistungsfähiger. Gleichzeitig standen die Betreiber vor einem Problem: Konventionelle Überstromschutzrelais an den Leitungsanschlüssen erkannten innere Fehler (etwa Wicklungsschlüsse oder Kernbrände) nur unzuverlässig. Ein Kurzschluss in einer Transformatorwicklung führt zunächst nicht zu einem messbaren Anstieg des Primärstroms, da das übersetzte Verhältnis weitgehend erhalten bleibt. Erst wenn der Fehler sich ausweitet, reagieren die äußeren Schutzrelais – oft zu spät.

Max Buchholz, damals Chefkonstrukteur bei der Firma Sachsenwerk in Dresden, analysierte die typischen Begleiterscheinungen von Transformatorstörungen: Bei Lichtbögen, Isolationsschäden oder Überhitzung zersetzt sich das Isolieröl. Es entstehen Gase (vor allem Wasserstoff, Acetylen, Methan, Kohlenmonoxid), die im Öl aufsteigen. Bei heftigen Fehlern entsteht zudem ein Druckstoß, der eine Ölströmung aus dem Behälter in den Ausdehnungsgefäß (Konservator) auslöst.

Buchholz nutzte diese Phänomene für ein einfaches, aber geniales Konzept: ein Relais, das in die Verbindungsleitung zwischen Transformatorhauptbehälter und Ausgleichsgefäß eingebaut wird. Er meldete sein Patent 1921 an (DE 339 015) und läutete damit eine neue Ära der Transformatorüberwachung ein. Die ersten Geräte kamen ab 1924 in Serie zum Einsatz. Die Industrie erkannte sofort den Wert: Das Buchholz-Relais konnte Fehler erkennen, noch bevor sie sich zu Katastrophen auswuchsen – oft mit Schadensvermeidung und deutlichen Kostenreduktionen.

2. Aufbau und Funktionsweise: Mechanik mit messerscharfer Logik

Das Buchholz-Relais ist ein kompaktes, meist aus Aluminium oder Stahl gefertigtes Gehäuse, das zwischen Transformator (meist am höchsten Punkt des Ölraums) und dem Konservator installiert wird. Im Inneren befinden sich zwei zentrale Elemente:

• Ein Schwimmer mit Kontakt (Gassammelklappe): Der Schwimmer sitzt oben im Relais. Wenn sich Gase ansammeln, sinkt der Ölstand im Relais, der Schwimmer fällt und schließt einen Kontakt (Voralarm).
• Eine Prallplatte mit Kontakt (Strömungsklappe): Unterhalb des Schwimmers sitzt eine Klappe, die bei einer schnellen Ölströmung vom Transformator zum Konservator umklappt und einen zweiten Kontakt schließt (sofortige Auslösung).

Die Ansprechwerte sind einstellbar, üblich sind etwa 150–300 cm³ Gasvolumen für den Alarm und eine Strömungsgeschwindigkeit von 1–2 m/s für die Auslösung.

Tabelle 1: Reaktion des Buchholz-Relais auf verschiedene Fehlerszenarien

Im Normalbetrieb ist das Relais vollständig mit Öl gefüllt; beide Klappen sind in Ruhestellung. Entwickelt sich ein Fehler, steigen zunächst kleine Gasblasen auf – sie sammeln sich oben im Relais, verdrängen Öl, der Schwimmer gibt Alarm. Der Transformator kann noch weiterbetrieben werden, während das Personal eine Ölprobe entnimmt und gaschromatografisch analysiert (Dissolved Gas Analysis – DGA). Bei einer schweren Störung reißt die plötzliche Gas- und Druckwelle die Prallplatte um; der Kontakt schaltet sofort den Leistungsschalter auf der Hoch- und Niederspannungsseite ab.

Ein oft übersehener, aber wichtiger Punkt: Das Buchholz-Relais arbeitet völlig unabhängig von elektrischen Messwandlern – es ist ein primärphysikalischer Sensor. Es reagiert direkt auf die Fehlererscheinung, nicht auf deren sekundäre Strom- oder Spannungsänderungen. Das macht es immun gegen viele Fehlerquellen elektronischer Relais (etwa Sättigung von Stromwandlern).

3. Vorteile und historische Bedeutung

Die Durchsetzung des Buchholz-Relais war rasant. Bis in die 1970er Jahre war es in Mittel- und Großtransformatoren praktisch unverzichtbar. Seine Vorteile:

• Früherkennung: Es erfasst bereits kleine Fehler, die andere Schutzsysteme übersehen.
• Selektivität: Es unterscheidet zwischen langsamen Gasungen (Alarm) und schnellen Strömungen (Auslösung).
• Einfachheit: Keine externe Hilfsspannung nötig (potenzialfrei), robust gegen elektromagnetische Störungen.
• Überwachung von Ölstand: Sinkt der Ölstand durch Undichtigkeit, fällt der Schwimmer ebenfalls – das gibt Alarm vor einer Trockenlaufschädigung.

Die Kombination aus Gas- und Strömungserkennung war seinerzeit revolutionär. Buchholz selbst schrieb 1925 in einem Aufsatz: „Damit ist ein Schutzmittel gegeben, das jede Störung im Inneren des Transformators, selbst die geringfügigste, sicher und schnell zur Anzeige bringt.“ Es dauerte nicht lange, bis die VDE (Verband Deutscher Elektrotechniker) den Buchholz-Schutz in ihre Richtlinien aufnahm.

4. Kritik, Grenzen und Missverständnisse

Keine Technik ist perfekt. Im Laufe der Jahrzehnte zeigten sich auch Schwächen des Buchholz-Relais:

• Keine Reaktion auf reine Wicklungsfehler ohne Gasung: Bei manchen Isolationsschäden (z. B. Kurzschluss zwischen zwei Windungen eines Leiters) entsteht zunächst kaum Gas – das Relais bleibt stumm, bis sich der Fehler ausweitet.
• Fehlauslösungen durch Vibration oder Erschütterung: Bei Bahntransformatoren oder in erdbebengefährdeten Regionen kann die Prallplatte ungewollt auslösen; hier sind besondere Sicherungen (Blockiervorrichtungen) erforderlich.
• Abhängigkeit von der Einbaulage: Das Relais muss absolut waagerecht und an der höchsten Stelle des Transformators sitzen. Falsche Neigungen führen zu Fehlfunktionen.
• Probleme bei Transformatoren mit Ölzwangsumlauf: Moderne große Transformatoren haben Pumpen, die das Öl durch Kühler treiben. Die dabei auftretenden Strömungen können das Buchholz-Relais verwirren. Hierfür gibt es spezielle Ausführungen mit verzögerter oder abgestufter Ansprechcharakteristik.
• Gasbildung durch normale Alterung: Auch bei unkritischem Betrieb entstehen geringe Mengen an Gas. Ältere Transformatoren können daher häufiger Alarme auslösen, ohne dass ein relevanter Fehler vorliegt.

Ein verbreitetes Missverständnis ist, dass das Buchholz-Relais „jeden inneren Fehler erkennt“. Das ist falsch. Es erkennt nur solche, die mit ausreichender Gas- oder Ölströmung einhergehen. Reine Kontaktprobleme an den Durchführungen außen am Transformator bleiben unsichtbar. Daher wird das Buchholz-Relais immer zusammen mit anderen Schutzverfahren eingesetzt: Überstrom-Zeit-Schutz, Differentialschutz (besonders empfindlich für Windungsfehler) und Temperaturüberwachung.

5. Das Buchholz-Relais im Zeitalter digitaler Schutztechnik

Heute stehen leistungsfähige numerische Schutzrelais zur Verfügung, die Ströme, Spannungen, Temperatur und sogar online die Gaslöslichkeit im Öl auswerten (DGA-online). Warum also noch ein mechanisches Relais aus dem Jahr 1921?

Die Antwort ist vielschichtig. Erstens ist das Buchholz-Relais nach wie vor extrem zuverlässig; seine Fehlauslöserate liegt bei weit unter 0,1 % pro Jahr. Zweitens ist es redundant – es arbeitet nach einem völlig anderen physikalischen Prinzip als elektronische Sensoren. Fällt etwa die Hilfsspannung des digitalen Relais aus, bleibt das Buchholz-Relais (als direkt wirkendes mechanisches Gerät) weiter aktiv. Drittens ist es preiswert und benötigt keine komplexe Parametrierung.

Dennoch gibt es eine anhaltende Kontroverse: Einige Planer und Versorgungsunternehmen ersetzen bei Neubauten das Buchholz-Relais durch kombinierte Gas- und Drucküberwachungssysteme (sogenannte „Fast Gas Relays“ oder „Sudden Pressure Relays“), die auf Drucksensoren basieren und noch schneller reagieren. Andere bleiben dem klassischen Buchholz verbunden, weil es den Vorteil der Gassammlung für Diagnosen bietet – die entnommene Gasprobe erlaubt eine genaue Analyse der Fehlerart (z. B. ob es sich um Lichtbögen, Überhitzung oder Teilentladungen handelt). Ein reiner Druckschalter kann das nicht.

Tabelle 2: Vergleich Buchholz-Relais vs. moderne digitale Schutzsysteme

6. Zukunftsausblick: Auslaufmodell oder Dauerbrenner?

Der Trend geht zu immer mehr Sensordaten und condition-based maintenance. Hersteller arbeiten an intelligenten Buchholz-Relais, die neben dem reinen Schaltkontakt auch den Gasdruck, die Temperatur und die Füllhöhe digital erfassen und über ein Kommunikationsprotokoll (z. B. IEC 61850) melden. So bleibt die bewährte mechanische Basis erhalten, wird aber um eine digitale Schnittstelle erweitert.

In extremen Spannungsbereichen (z. B. 800-kV-Gleichstromübertragung) und bei speziellen Transformatortypen (Trockentransformatoren, gasisolierte Transformatoren) ist das Buchholz-Relais naturgemäß nicht einsetzbar – dort wird auf andere Konzepte zurückgegriffen. Im klassischen Öltransformatorensegment oberhalb von 1 MVA wird es aber auch in den nächsten Jahrzehnten eine Rolle spielen. Kein anderer Sensor kann so einfach, so robust und so kostengünstig sowohl das Sammeln von Fehlergasen als auch das Erkennen von Ölstoßströmungen gewährleisten.

Fazit und Ausblick

Max Buchholz schuf vor über einem Jahrhundert ein Gerät, das die Grundlage für die sichere und wirtschaftliche Nutzung großer Transformatoren legte. Das Buchholz-Relais ist ein Paradebeispiel für den Erfindergeist der deutschen Elektroindustrie der 1920er Jahre. Es zeigt, wie eine tiefe physikalische Beobachtung (Gas- und Strömungseffekte) in eine einfache, aber hochwirksame Maschine übersetzt werden kann. Weder die Digitalisierung noch moderne Sensortechniken haben es bisher vollständig verdrängen können – und das aus gutem Grund: Es ist komplementär, redundant und in seiner Robustheit kaum zu übertreffen.

In einer Zeit, in der immer mehr Schutzfunktionen softwarebasiert werden, mahnt das Buchholz-Relais zur Besonnenheit: Nicht jede Innovation macht das Bewährte überflüssig. Wer heute einen Transformator plant, sollte die Frage nicht „Buchholz oder digital?“ stellen, sondern „Wie kombiniere ich Buchholz mit digitalen Systemen optimal?“. Die beste Lösung ist eine hybride – mit dem mechanischen Urgestein als Rückgrat.

Der Autor dankt den Ingenieuren der Schutztechnik, die über Generationen hinweg diese einfache und geniale Erfindung am Leben erhalten haben.

Quellen

• Buchholz, M. (1925): „Der Gas- und Strömungsschutz für Transformatoren“. ETZ – Elektrotechnische Zeitschrift, Heft 12, S. 345–349.
• Kuechler, A. (2018): Transformatoren – Grundlagen, Betrieb, Schutz. 4. Auflage, VDE Verlag, Berlin, ISBN 978-3-8007-4470-9. (Kapitel 8: Transformatorschutz, S. 450–478)
• Ziegler, G. (2012): Numerischer Schutz – Grundlagen, Funktionsweise, Anwendung. VDE Verlag, Berlin, ISBN 978-3-8007-3010-8. (Kapitel 6.3: Buchholz-Schutz)
• VDE/ABB (2015): Schutztechnik in Energieversorgungsnetzen – Praxisleitfaden. VDE-Schriftenreihe Band 176.
• Patentschrift DE 339 015: „Einrichtung zum Schutze von Öltransformatoren“ (Max Buchholz, 1921).
• CIGRE WG A2.42 (2010): Protection of Transformers – Present and Future. CIGRE Technical Brochure No. 424.