Buchholzschutz für Transformatoren – erfunden in Kassel, eingesetzt in der Welt
Überströme und Überspannungen, die Wicklungen von Transformatoren und Drosselspulen beschädigen können, lassen sich im Netzbetrieb eines durch Freileitungen gespeisten Umspannwerkes nie ganz vermeiden. Einem Transformator, der z. B. während eines Gewitters durch Blitzeinschlag in die Freileitung oder die Schaltanlage automatisch vom Netz abgetrennt wurde, sieht man aber von außen meistens nicht an, ob er beschädigt wurde. Max Buchholz, Gründungsmitglied des VDE Kassel in 1922, war Vorstand des "Preußischen Maschinenbauamts Kassel", welches für die Planung und den Bau der maschinen- und elektrotechnischen Einrichtungen für die Eder- und Diemeltalsperre noch kurz vor dem 1. Weltkrieg gegründet wurde. Bei seiner Arbeit fielen ihm die relativ häufigen Transformatorenschäden auf, meist verursacht durch Gewitter. Er untersuchte sie genau und erkannte, dass durch die große Hitze der Lichtbögen sowohl die lsoliermaterialien an den Wicklungen – meist der Oberspannungsseite – zerstört wurden als auch das isolierende Trafoöl verdampfte. Hierbei können auch größere Mengen von Gasen freigesetzt werden. Entscheidende Denkanstöße zur Lösung des Problems erhielt er, wie die Chroniken berichten, zufällig in der Badewanne sitzend. Er unterhielt sich hierüber mit einem Mitarbeiter und der brachte ihn auf die richtige Lösung, welche sich im Lauf der folgenden Jahre weltweit durchsetzte.
Wenn auch die untenstehende Zeichnung dem Inhalt eines Vortrags von Max Buchholz vor den Mitgliedern des Hessischen Bezirksvereins Deutscher Ingenieure (heute der Nordhessische BV des VDI) und des Elektrotechnischen Vereins Kassel (heute der VDE BV Kassel) am 7. März 1933 entstammt, ist sie vermutlich viel älter und wurde zur Herstellung der ersten Schutzgeräte verwendet. Anhand dieser Abbildung lässt sich die Wirkungsweise für den Transformatorschutz beschreiben:
Das Buchholzschutz-Gerät wird in die Verbindungsleitung zwischen dem ölgefüllten Transformatorgehäuse und dessen oberhalb angeordnetem Ausdehnungsbehälter eingebaut, wobei die Rohrverbindung nicht waagerecht, sondern zum Ausdehnungsbehälter hin zumindest leicht ansteigend verlegt werden muss. Nur so können die sich bei Überspannungsentladungen aus Öl und Isolierstoffen freigesetzten Gase und Dämpfe aufsteigen und sich im Deckelbereich des Gerätes sammeln. Wie die Abbildung rechts bzw. oben zeigt, schwimmt der Auftriebskörper für "Trafowarnung" auf dem Öl bzw. liegt an der oberen Gehäusewandung an. Aufsteigende Gase "wandern" nicht bis ins Ausdehnungsgefäß, sondern sammeln sich unter dem verschraubten Deckel oben und drücken bei ausreichender Menge den Ölspiegel durch Druck nach unten. Sie verursachen dadurch über den Kontakt, der beim Gerät mit geöffnetem Gehäuse (unten im Ausstellungregal abgelegt, bitte nicht berühren!) aus hier entfernten, mit Quecksilber gefülltem Glasröhrchen und Anschlusskontakten bestand, die Warnmeldung.
Das im Ausstellungsregal angeschraubte und aufgeschnittene Gerät hat sogenannte "Reedkontakte", welche durch einen äußeren Magneten betätigt werden. Zu erkennen ist in der Abbildung oben auch, dass der Auftriebskörper bei einem durch einen starken inneren Überschlag im Trafo verursachten Ölstrom bei dieser Ausführung nach unten gedrückt wird und dort den Kontakt für "Trafoabschaltung" betätigt. Über das untere Ventil kann Öl abgelassen werden, über das obere können die Gase entnommen und auf Brennbarkeit, Geruch und Farbe zum Rückschluss auf beschädigte Materialien entnommen werden. Zu erkennen ist in der Abbildung oben auch, dass der Auftriebskörper bei einem durch einen starken inneren Überschlag im Trafo verursachten Ölstrom bei dieser Ausführung nach unten gedrückt wird und dort den Kontakt für "Trafoabschaltung" betätigt.
Werden aufgrund relativ geringer Blitzeinwirkung nur kleinere Mengen der Gase freigesetzt, sammeln sich diese auf dem Weg zum oberhalb angeordneten Ausgleichsbehälter, der mit der Außenluft (heute über einen Luftentfeuchter) in Verbindung steht, im Bereich des Deckels des später so genannten "Buchholzrelais" und können zwecks Analyse entnommen werden. Wird eine Mindestmenge überschritten, drücken sie den oberen, einem Tischtennisball ähnelnden Auftriebskörper nach unten und dieser betätigt einen Kontakt, welcher zur sogenannten "Trafowarnung" führt und einer Leitstelle meldet, dass hier eine Untersuchung der Gase erfolgen sollte.
Werden jedoch aufgrund eines entstandenen Schadens im Gehäuse größere Mengen Gase freigesetzt, die zu einem Druckanstieg und somit einer Ölströmung zum Ausgleichsbehälter führen, wird der untere "Tennisball" bewegt und betätigt einen zweiten Kontakt, der zur "Trafoabschaltung" führt.
Das im Regal für Mess- und Schutztechnik und in den beiden oberen Bildern vorgestellte Gerät ist zwecks Erläuterung der Schutzwirkung aufgeschnitten und somit unbrauchbar. Das links bzw oben abgebildete Gerät ohne äußeres Gehäuse sehen Sie entweder weiter unten in diesem Ausstellungsregal (bitte nicht berühren!) oder lassen Sie es sich durch unsere ehrenamtlich tätigen Vereinsmitglieder für Führungen oder Aufsicht vorführen. Es war im Osten Deutschlands lange im Einsatz und stammt aus der zweiten Hälfte des vergangenen Jahrhunderts.
Der Einbau des Buchholzschutz-Gerätes b erfolgt – wie die Abbildung rechts bzw. oben zeigt – in das Verbindungsrohr zwischen dem Deckel des Transformatorgehäuses c und seinem Ausdehnungsbehälter a für temperaturbedingte Volumenänderungen durch Wetter und Trafobelastung. In den früher üblichen Trafo-Aufstellzellen von Ortsnetz-Stationen oder Industriebetrieben wurde der Ausdehnungsbehälter häufig an der Wand befestigt, heute sind dort – bedingt durch fast ausschließliche Verwendung erdverlegter 10- oder 20-kV-Mittelspannungsleitungen und damit Vermeidung von Blitzeinschlägen – entweder hermetisch gekapselte Transformatoren (wie unser Exponat eines 20/0,4-kV-Ortsnetztransformators) oder es sind Trockentransformatoren mit Gießharzisolierung, welche kein Buchholzschutz-Gerät benötigen. An Netztransformatoren, wie im Beispiel des 400-/110-/20-kV-Umspannwerkes der Städtische Werke Kassel Netz + Service GmbH zu sehen, sind die Ausgleichsbehälter am Trafo befestigt.
Die Abbildung links bzw. oben zeigt den inneren Aufbau des von der AEG ausgeführten Gerätes. Die AEG wurde wie auch Siemens nach der am 14.12.1923 ausgegebenen Patentschrift, angemeldet und gültig ab dem 27.09.1921, an Max Buchholz eine der Lizenznehmerinnen und kam bereits in einem ersten Prüfbericht (ausgelegt im fahrbaren Unterlagengestell links vom Exponat) vom November 1922 zu dem Ergebnis:
"Wie die Versuche zeigen, ist der Apparat .... von den entwickelten Konstruktionender beste und zuverlässigste und wird voraussichtlich den Anforderungen des Betriebes vollkommen genügen."
Bei der AEG-Ausführung befinden sich zwei Gefäße a und b, schwenkbar über c gelagert, im Schutzgerät. Im oberen für "Trafowarnung" und unteren für "Trafoauslösung" befinden sich je ein Rollkörper d. Das obere Gefäß a wird bei einer Gasansammlung durch Öl- oder Isolierstoffzersetzung unter dem Deckel nach links unten geschwenkt, der Rollkörper löst dabei den oberen Kontakt e für "Trafowarnung" aus. Bei einem starken Überschlag mit Ölströmung von rechts nach links wird durch diesen das untere Gefäß b nach links unten geschwenkt und die "Trafoauslösung" bewirkt. Der Anschluss der beiden Rohrleitungen erfolgt links zum Ausdehnungsgefäß und rechts zum Transformatorgehäuse. Das Foto unten bzw rechts zeigt die Ausführung des Gerätes, hier mit Anschluss links zum Trafo. Es hat wie die Ausstellungsstücke auch vorn ein verschraubtes Fenster mit einer Skala zur Anzeige der gesammelten Gasmenge.
Erahnen Sie jetzt die Antwort auf die Frage, warum Max Buchholz die Lösung in der Badewanne sitzend fand? Wenn nein erhalten Sie diese, zusammen mit vielen Unterlagen zur Wirkungsweise und den Versuchen im Umspannwerk Sandershausen sowie im Kraftwerk Borken bis zur Einsatzreife in der Mappe links im Abschnitt Buchholzschutz. Zweifellos regt die Antwort zum Schmunzeln an. Aber sie stimmt, denn der Enkel von Max Buchholz hat sie von seinem Großvater selbst erzählt bekommen und dem Verfasser dieser Beschreibung vor einigen Jahren bestätigt.
Dieser bereits in Kurzform erschienene Internet-Artikel im Teilgebiet Schutztechnik innerhalb des Sammlungsgebietes Elektrische Energietechnik vom 19.06.2020 wurde durch zahlreiche weitere Informationen und Darstellungen für das Objekt des Monats Juni 2024 ergänzt.
Text: Wolfgang Dünkel
Bilder und Bildmontage: Wolfgang Dünkel
Bildquellen: Patentschrift, Versuchsbeschreibungen, Prüfunterlagen, leihweise erhalten aus dem Privatbesitz von Herrn Karl-Friedrich Buchholz
(last update 31.05.2024)