Ein Buchholzrelais ist ein Sicherheitsmerkmal einiger elektrischer Transformatoren, Drosselspulen oder elektrischer Hochspannungskondensatoren und -drosseln. Es wurde entwickelt, um im Falle eines Kurzschlusses, einer Lichtbogenbildung oder anderer gefährlicher elektrischer Fehler, wie einer Explosion oder einer sich verschlechternden Überhitzung, eine Ausbreitung von Schäden zu verhindern. Das Konzept für das Relais wurde von Max Buchholz erfunden, einem Ingenieur und Erfinder des 20. Jahrhunderts, dessen Vorfahren im 1800. Jahrhundert aus Deutschland in die USA auswanderten. 1921 entwickelte er erstmals das Buchholzrelais, das jedoch erst in den 1940er Jahren in den USA verbreitet eingesetzt wurde.
Jedes Buchholzrelais fungiert als eine Art Leistungsschalter, der meistens an der Oberseite von ölgefüllten elektrischen Transformatoren angebracht ist, wo sich ein Ölvorratsbehälter befindet, der als Ausdehnungsgefäß bekannt ist. Die Hauptaufgabe des Geräts besteht darin, eine Dielektrizitätskonstante oder Isoliereigenschaft für den Transformator aufrechtzuerhalten, und dies kann durch die Steuerung der Zufuhr von zirkulierendem Öl aus dem Ausdehnungsgefäß sowie durch die Erkennung von Luftlecks in das System erfolgen. Sicherheitsschalter wie das Buchholzrelais sind ein wesentlicher Bestandteil moderner Stromverteilungsnetze. Sie wurden entwickelt, um im Falle eines lokalisierten Fehlers Schäden an größeren Bereichen des Systems zu minimieren, die sich ansonsten ausbreiten und andere Transformatoren weiter unten in der Leitung überlasten könnten.
Die Konstruktion solcher Geräte ist hochbelastbar, so dass sie hohen elektrischen Strömen und wechselnden Klimabedingungen standhalten. Das Gehäuse ist kuppelförmig und besteht aus einem wetterfesten Aluminiumgehäuse mit eingebauter mechanischer Prüf- und Auslösekreissteuerung sowie einem Sichtfenster aus gehärtetem Glas zur visuellen Überwachung des Isolierölstands. Die Schalter in einem Buchholzrelais sind in der Lage, Spannungen von 24 bis 250 Volt Wechselstrom (AC) oder Gleichstrom (DC) zu handhaben, und die Isolierung des Relais ist 2,000-Volt-Ladungen gewachsen. Das Isolieröl selbst ist eine Form von hochtemperaturstabilem Mineralöl oder fluorierten Kohlenwasserstoffverbindungen auf Silikonbasis, die normalerweise einen funktionellen Temperaturbereich zwischen 77° bis 239° Celsius haben.
Eine Reihe von Ölschwimmern in einem Buchholzrelais wird verwendet, um Fehlerpegel im Transformator zu messen. Kleinere elektrische Fehler erzeugen eine kleine Menge Gas im Öl, wodurch ein oberer Schwimmer bewegt wird und das Relais einen externen Alarm auslöst. Bei größeren Fehlern wird so viel Gas freigesetzt, dass ein Auslöseschalter im Buchholzrelais aktiviert wird, wenn eine Klappe am größeren, unteren Schwimmer durch das aufsteigende Gas gedreht wird und das Relais den Transformator unterbricht. Für einen Reset des Systems ist ein externer Taster am Gerät vorgesehen, wenn die Störungsursache ermittelt und behoben wurde. Wenn der Transformator ein geringfügiges Ölleck erleidet oder eine kleine Menge Luft in das Gerät eindringt, aktiviert die kleine Schwimmerbaugruppe den Alarm. Bei größeren Leckagen wird der Auslöseschalter durch den größeren Schwimmer ausgelöst und die Anlage abgeschaltet.
Variationen des Designs können anstelle einer Schwimmervorrichtung einen Quecksilberschalter umfassen, der an der Drehklappe für die untere Baugruppe angebracht ist. Einige Geräte verfügen auch über Prüfhähne, um zu überprüfen, ob die Schwimmer und Quecksilberschalter ordnungsgemäß funktionieren, indem Luft durch das System geleitet und deren Reaktion überwacht wird. Die Relaisbaugruppe wird oft auf einer hochbelastbaren Gusseisenplatte montiert und die Anschlüsse sind mit Keramik isoliert, um dem Buchholzrelais zusätzliche Festigkeit und Haltbarkeit zu verleihen.