📘 Relé Buchholz e Proteções Mecânicas de Transformadores

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1. Identificação Normativa e Visão Geral

O Relé Buchholz (designação ANSI 63B ou 63G) é o mais consagrado dispositivo de proteção mecânica intrínseca para transformadores de potência e reatores imersos em líquido isolante com tanque de expansão (conservador). Patenteado pelo engenheiro alemão Max Buchholz em 1921, o dispositivo opera instalado na tubulação de interligação entre o topo da cuba principal do transformador e o tanque conservador, sendo regido internacionalmente pelas normas IEC 60076-22-1, DIN 42566 e no Brasil pela ABNT NBR 5356.

Sua singularidade no Sistema Elétrico de Potência (SEP) reside no fato de detectar anomalias dielétricas e térmicas incipientes muito antes que qualquer relé elétrico diferencial (ANSI 87T) ou de sobrecorrente (ANSI 50/51) consiga registrar perturbações nas formas de onda de corrente de linha. O relé monitora a geração de microbolhas gasosas provenientes da decomposição pirolítica do óleo mineral e do isolamento sólido celulósico, além de atuar de forma instantânea e autônoma sob ondas de choque hidráulicas resultantes de curtos-circuitos francos entre espiras ou para a carcaça.

graph LR
    subgraph "Tanque Principal"
        ARC["Falha Dielétrica / Arco Elétrico"] --> DECOMP["Pirólise do Óleo: H2, CH4, C2H2"]
        DECOMP --> BUBBLE["Microbolhas Gasosas Ascendentes"]
        ARC --> SURGE["Expansão Explosiva / Onda de Choque"]
    end
    subgraph "Tubulação com Inclinação 2° a 5°"
        BUBBLE -->|Subida Natural por Empuxo| REL_GAS["Buchholz: Câmara Superior"]
        SURGE -->|Fluxo Violento de Óleo > 1.0 m/s| REL_FLUX["Buchholz: Palheta Mecânica"]
    end
    subgraph "Painel de Proteção / Disjuntores"
        REL_GAS -->|Boia Superior Afunda| ALARM["ANSI 63B - Contato de ALARME"]
        REL_FLUX -->|Flap Deslocado| TRIP["ANSI 63B - Contato de TRIP / 86 Bloqueio"]
    end

Classificação Normativa de Proteções Mecânicas de Transformadores

Dispositivo de Proteção	Função ANSI	Princípio Físico de Atuação	Ponto de Instalação	Ação Típica de Controle
Relé Buchholz (DN 50 / DN 80)	63B	Acúmulo de gás por flutuação (Alarme) e vazão de óleo por arraste (Trip)	Tubulação Tanque-Conservador	Alarme supervisory / Desligamento instantâneo
Válvula de Alívio de Pressão (PRV)	63P	Disco acionado por mola contra sobrepressão estática ($>0.35\text{ a }0.70\text{bar}$)	Topo da cuba principal	Trip instantâneo + Sinalizador mecânico
Relé de Pressão Súbita (SPR / Qualitrol)	63	Diafragma diferencial acoplado a fole que ignora variações lentas	Parede lateral / topo sob óleo	Trip instantâneo sem retardo
Indicador Magnético de Nível (OLI)	71	Boia mecânica acoplada por acoplamento magnético estanque	Tanque Conservador	Alarme de nível baixo / Trip de nível crítico
Termômetros de Óleo e Enrolamento (OTI / WTI)	26 / 49	Fole térmico + imagem térmica via transformador de corrente interno	Termopoço na tampa	Controle de ventilação (estágios 1 e 2) e Trip

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2. Aspecto Visual e Corte Anatômico

O Relé Buchholz é montado em corpo maciço de ferro fundido nodular ou liga de alumínio fundido à prova de intempéries (grau de proteção IP66), provido de flanges circulares normatizados (tipicamente DN 50 para transformadores de até $10\text{MVA}$ e DN 80 para potências superiores).

Detalhamento dos Componentes Internos e Callouts

• ① Flange de Entrada do Tanque Principal: Conexão aparafusada que recebe o óleo do transformador. A tubulação deve possuir obrigatoriamente inclinação ascendente contínua entre $2^{\circ }$ e $5^{\circ }$ em direção ao relé e conservador, impedindo que bolhas de gás fiquem retidas nas soldas da tampa.
• ② Flange de Saída para o Conservador: Conexão conectada à continuação da tubulação com inclinação mantida, conduzindo o óleo ao tanque de expansão. Em operação normal, toda a câmara do relé permanece 100% preenchida por óleo mineral isolante.
• ③ Boia Superior de Alarme (Acúmulo de Gás Lento): Boia oca de alumínio ou material polimérico expandido insensível a hidrocarbonetos, articulada sobre mancal com rolamento de baixo atrito. À boia é fixado um magneto permanente que aciona uma ampola de contato reed switch hermética (ou interruptor basculante de mercúrio nos modelos clássicos). Quando gases se acumulam no domo superior do relé, o nível do óleo desce, a boia perde empuxo e fecha o contato de ALARME (faixa de calibração: $100\text{ a }300{\text{cm}}^3$ de gás).
• ④ Válvula de Palheta de Fluxo (Flap Paddle) para TRIP: Placa metálica circular ou retangular suspensa perpendicularmente ao fluxo longitudinal de óleo, mantida em posição de repouso por contrapeso calibrado ou mola de retenção ajustável. Em condições de arco elétrico violento na cuba, a expansão térmica explosiva projeta uma frente de onda de óleo contra a palheta. Quando a velocidade do fluido ultrapassa o limiar normativo ($v>1.0\text{ a }1.5\text{m/s}$), a força hidrodinâmica bascula a palheta, acionando o contato de DESLIGAMENTO INSTANTÂNEO (TRIP).
• ⑤ Boia Inferior de Nível Crítico: Boia secundária posicionada na metade inferior do corpo do relé. Em caso de vazamento maciço de óleo na cuba ou ruptura de radiadores, quando o óleo esvazia o relé abaixo da linha de centro da tubulação, a boia inferior afunda, disparando o contato de trip para impedir a energização de enrolamentos desprovidos de refrigeração e isolação.
• ⑥ Válvula e Torneira Superior de Purga e Amostragem: Conexão roscada no topo do domo com agulha de vedação estanque. Permite a sangria de bolhas de ar aprisionadas durante o comissionamento e possibilita a coleta de amostras de gases acumulados diretamente em seringas de vidro estanques para ensaio de Cromatografia de Gases Dissolvidos (DGA) em laboratório.

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3. Princípios Físicos de Operação

3.1 Termodinâmica da Degradação Dielétrica e Pirólise dos Fluidos

O isolamento interno de transformadores de potência é composto pelo sistema papel kraft celulósico (isolamento sólido) impregnado por óleo mineral naftênico ou parafínico (hidrocarbonetos do tipo $C_n{H}_{2n+2}$ e hidrocarbonetos cíclicos). Sob estresse térmico ou elétrico anormal, ocorrem quebras homolíticas e heterolíticas das ligações covalentes $C-H$, $C-C$ e $C-O$:

$\text{Petroˊleo (Hidrocarbonetos)}\stackrel{\Delta T,\text{Descargas}}{\to }{H}^{\bullet }+C{H}_3^{\bullet }+C_2{H}_5^{\bullet }⟶H_2,C{H}_4,C_2{H}_6,C_2{H}_4,C_2{H}_2$

A energia térmica liberada em falhas dielétricas dita a composição estequiométrica dos gases formados:

1. Descargas Parciais (Efeito Corona): Em campos elétricos localizados ($<150^{\circ }\text{C}$), a energia de ionização rompe principalmente ligações $C-H$ fracas, gerando predominantemente Hidrogênio ($H_2$) molecular e traços de Metano ($C{H}_4$).
2. Superaquecimentos Térmicos ($150^{\circ }\text{C}<T<700^{\circ }\text{C}$): À medida que a temperatura pontual se eleva em pontos quentes de conexões frouxas ou laminações em curto no núcleo magnético, formam-se hidrocarbonetos saturados e insaturados: Etano ($C_2{H}_6$) em temperaturas médias e Etileno ($C_2{H}_4$) em temperaturas elevadas ($>500^{\circ }\text{C}$).
3. Arco Elétrico de Alta Energia ($T>1000^{\circ }\text{C}$ a $3000^{\circ }\text{C}$): No canal de plasma ionizado de uma quebra dielétrica franca, a temperatura extrema decompõe instantaneamente as moléculas em radicais livres que se recombinam predominantemente na forma de Acetileno ($C_2{H}_2$), hidrocarboneto de tripla ligação cuja síntese exige altíssima energia endotérmica ($\Delta H_f^{\circ }=+226.7\text{kJ/mol}$).
4. Degradação Térmica da Celulose: As moléculas de celulose ($[C_6{H}_{10}{O}_5{]}_n$) degradam-se liberando água, Monóxido de Carbono ($CO$) e Dióxido de Carbono ($C{O}_2$). A relação $C{O}_2/CO$ constitui indicador primordial da perda de vida útil do papel isolante.

3.2 Princípio de Arquimedes e Estabilidade da Boia Superior

A boia superior do relé Buchholz é projetada com volume deslocado $V_b$ e massa própria $m_b$, operando imersa em óleo mineral de densidade ${\rho }_{\text{oˊleo}}\approx 870\text{ a }890{\text{kg/m}}^3$:

$F_{\text{lıˊquida}}=E-P={\rho }_{\text{oˊleo}}\cdot V_b\cdot g-m_b\cdot g$

Como ${\rho }_{\text{oˊleo}}\cdot V_b>m_b$, em condições normais existe um empuxo líquido positivo para cima ($F_{\text{lıˊquida}}>0$), mantendo a boia em sua posição de topo com o contato elétrico aberto.

Quando gases gerados na cuba sobem pela tubulação inclinada e se acumulam na cúpula de vidro do relé, o volume gasoso aprisionado desloca o nível livre de óleo para baixo. Ao atingir o volume crítico de calibração ($V_{\text{gaˊs}}\ge V_{\text{alarme}}$):

$V_{\text{imerso}}<\frac{m_b}{{\rho }_{\text{oˊleo}}}⟹F_{\text{lıˊquida}}<0$

O peso próprio supera o empuxo residual, a boia bascula para baixo ao redor do seu eixo e o campo magnético do ímã acoplado fecha as lâminas ferromagnéticas do reed switch, fechando o circuito de alarme externo.

3.3 Dinâmica dos Fluidos e Arraste Hidrodinâmico na Palheta de TRIP

No caso de um curto-circuito de alta corrente entre fases ou enrolamento-tanque, o calor dissociativo do arco elétrico vaporiza violentamente o óleo na zona de falha, gerando uma onda de choque de pressão volumétrica transitória. Como a cuba de aço é rígida, a expansão hidrostática força uma aceleração brusca da coluna de óleo em direção ao tanque conservador através do duto de interligação:

$\Delta P={\rho }_{\text{oˊleo}}\cdot \frac{dv}{dt}\cdot L+\xi \frac{{\rho }_{\text{oˊleo}}{v}^2}{2}$

A palheta retangular (área transversal frontal $A_p$) imersa no fluxo transversal sofre uma força de arrasto hidrodinâmico regida pela equação de Rayleigh-Stokes:

$F_{\text{arrasto}}=\frac{1}{2}{C}_d\cdot {\rho }_{\text{oˊleo}}\cdot A_p\cdot v^2$

Onde:

• $C_d$: Coeficiente de arrasto da placa plana imersa ($\approx 1.15\text{ a }1.30$).
• ${\rho }_{\text{oˊleo}}$: Massa específica do óleo mineral isolante ($885{\text{kg/m}}^3$ a $20^{\circ }\text{C}$).
• $A_p$: Área projetada da palheta de disparo (${\text{m}}^2$).
• $v$: Velocidade de escoamento do fluido ($\text{m/s}$).

O basculamento da palheta ocorre quando o torque exercido pela força de arraste supera o conjugado restaurador antagonista gerado pelo contrapeso gravitacional calibrado ($m_c$ com braço de alavanca $r_c$):

${\tau }_{\text{arrasto}}=F_{\text{arrasto}}\cdot r_p>{\tau }_{\text{contrapeso}}=m_c\cdot g\cdot r_c\cdot \cos \theta$

Nas normas internacionais, essa condição de desequilíbrio é rigorosamente aferida em bancada hidrodinâmica para defletir com velocidades nominais de:

$v_{\text{limiar}}=1.00\text{m/s}\pm 15\%\text{ou}1.50\text{m/s}\pm 15\%$

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4. Diagrama de Aplicação Prática

A figura abaixo demonstra a integração eletromecânica completa do Relé Buchholz no transformador de potência de uma subestação de alta tensão, com seu circuito de disparo interligado ao relé de bloqueio irreversível (ANSI 86), atuando diretamente nas bobinas de abertura (ANSI 52TC) dos disjuntores de alta tensão ($138\text{kV}$) e média tensão ($13.8\text{kV}$).

graph TD
    subgraph "Arranjo Físico do Transformador de Força"
        TANK["Cuba Principal: Óleo Mineral + Enrolamentos"]
        TUBO["Tubulação Flangeada DN 80 (Inclinação 3°)"]
        BUCH["Relé Buchholz DN 80 (ANSI 63B)"]
        CONS["Tanque Conservador de Expansão de Óleo"]
        SILICA["Secador de Ar com Sílica Gel Dessecante"]
        
        TANK -->|Fluxo Ascendente de Óleo e Gases| TUBO
        TUBO --> BUCH
        BUCH --> CONS
        CONS --- SILICA
    end

    subgraph "Sinais Elétricos de Campo (Cabos Blindados em Corrente Contínua 125 Vcc)"
        BUCH -->|Contato Seco NA 1: Boia Gás| ALARM_PANEL["Painel de Alarme Supervisory / CLP (ANSI 63B-A)"]
        BUCH -->|Contato Seco NA 2: Palheta Fluxo| TRIP_LOCKOUT["Relé Auxiliar de Bloqueio Rápido (ANSI 86T)"]
    end

    subgraph "Desligamento e Travamento de Segurança"
        TRIP_LOCKOUT -->|Trip Bobina Abertura| BRK_HV["Disjuntor AT 138 kV (ANSI 52-1)"]
        TRIP_LOCKOUT -->|Trip Bobina Abertura| BRK_LV["Disjuntor MT 13.8 kV (ANSI 52-2)"]
        TRIP_LOCKOUT -->|Bloqueio de Fechamento| RECLOSER_BLOCK["Bloqueio Lógico de Religamento Automático"]
    end

Regra Operacional Crucial de Proteção 86

Bloqueio Irreversível por Relé Mecânico

O contato de trip do Relé Buchholz NUNCA deve operar religamento automático ou disparo temporizado. A atuação do Buchholz por surto de óleo denota deformação mecânica de bobinas ou colapso dielétrico catastrófico no interior do tanque. O sinal de TRIP deve excitar um Relé de Bloqueio 86 com retenção eletromecânica biestável (Lockout Relay), impedindo qualquer tentativa de re-energização manual ou automática do transformador até que inspeções visuais internas, testes elétricos de resposta em frequência (SFRA) e cromatografia DGA atestem a integridade da máquina.

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5. Metodologia de Especificação e Caso Numérico Resolvido

A especificação de um relé Buchholz exige a compatibilização do diâmetro nominal da tubulação com o volume total de óleo e a potência nominal da máquina, a calibração de velocidade de trip e a interpretação diagnóstica dos gases coletados.

5.1 Critérios de Dimensionamento Mecânico de Linha

1. Seleção de Diâmetro Nominal (DIN 42566 / IEC 60076-22-1):
   • Transformadores até $1000\text{kVA}$ (sem conservador): Relé não aplicável (utiliza-se Relé de Pressão Súbita ou Tampa hermética com colchão de $N_2$).
   • Transformadores de $1000\text{kVA}$ até $10.000\text{kVA}$ (volume de óleo até $10.000\text{L}$): DN 50 ($2^{\prime \prime }$ de diâmetro interno nominal).
   • Transformadores $>10.000\text{kVA}$ (volume de óleo $>10.000\text{L}$): DN 80 ($3^{\prime \prime }$ de diâmetro interno nominal).
2. Seleção da Velocidade Limiar de Trip:
   • $v=1.00\text{m/s}\pm 15\%$: Ajuste padrão para transformadores com circulação de óleo do tipo ONAN (óleo natural, ar natural) ou ONAF (óleo natural, ar forçado).
   • $v=1.50\text{m/s}\pm 15\%$: Ajuste mandatório para transformadores com refrigeração forçada por bombas de óleo dirigidas OFAF ou ODAF, evitando falsos disparos pela transição dinâmica do início de bombeamento forçado.
3. Volume de Gás para Alarme: Faixa normativa padronizada entre $150{\text{cm}}^3$ e $250{\text{cm}}^3$.

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5.2 Caso Prático de Engenharia Resolvido: Análise Cromatográfica DGA

Dados da Instalação e Amostra Coletada

Um transformador de potência de $30.0\text{MVA}$, $138/13.8\text{kV}$, classe de refrigeração ONAN/ONAF, volume de óleo de $22.000\text{litros}$, apresentou sinalização de ALARME de Acúmulo de Gás no Buchholz no sistema SCADA da subestação.

O operador de campo inspecionou o visor do relé e constatou um volume acumulado de $180{\text{cm}}^3$ de gás de coloração acinzentada. O técnico de manutenção conectou uma seringa de vidro especial de $50\text{ml}$ à válvula de purga ⑥ e coletou amostra de gás para ensaio cromatográfico imediato em laboratório físico-químico.

Os teores cromatográficos de gases dissolvidos extraídos da amostra resultaram nas seguintes concentrações volumétricas:

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