Selección del cambiador de tomas con transformador: cuándo utilizar un cambiador de tomas sin energía o un OLTC

Un transformador puede tener la capacidad, relación de voltaje y nivel de aislamiento correctos, y aun así crear problemas operativos si su método de regulación de voltaje no coincide con el sistema de energía real.

En Zisheng Electric, la selección del cambiador de tomas para transformadores se trata mejor como una decisión de diseño del sistema que como una elección de accesorios. La pregunta clave no es simplemente si un cambiador de tomas bajo carga (OLTC) es técnicamente más avanzado. La verdadera pregunta es si el transformador necesita ajustar su relación de voltaje mientras está energizado y transporta carga.

Para algunos proyectos industriales y de distribución, un cambiador de tomas desenergizado (DETC) es la solución más práctica. En subestaciones de servicios públicos, interfaces de energía renovable, grandes redes industriales o sistemas con variaciones de voltaje significativas, puede ser necesario un OLTC para mantener el perfil de voltaje requerido sin interrumpir el suministro.

Una elección incorrecta puede aumentar el costo del equipo, los requisitos de mantenimiento y la complejidad del control, o dejar el proyecto sin suficiente capacidad de regulación de voltaje cuando realmente es necesaria. Esta guía explica cómo los ingenieros y los equipos de EPC deben evaluar la selección del cambiador de tomas del transformador, incluida la variación de voltaje del sistema, el rango de tomas, el tamaño del paso, la disposición de los devanados, la filosofía de control, la FAT y el mantenimiento a largo plazo.

¿Qué hace realmente un cambiador de tomas de transformador?

Un cambiador de tomas de transformador cambia el número efectivo de vueltas en un devanado con tomas. Debido a que la relación de tensión del transformador está relacionada con la relación de vueltas del devanado, seleccionar una posición de toma diferente permite ajustar la relación del transformador.

El objetivo normalmente es compensar condiciones tales como:

variación del voltaje de la red pública

caída de voltaje del alimentador

cambios de carga estacionales

variación de voltaje del generador

cambiar la producción de generación renovable

configuración operativa de red

mantener la tensión requerida del bus aguas abajo

Cambiar las conexiones del devanado en un transformador energizado no es lo mismo que cambiarlas mientras el transformador está aislado. Esa distinción crea las dos opciones principales de ingeniería:

Cambiador de tomas desenergizado (DETC): la posición de la toma se cambia solo cuando el transformador está desenergizado.

Cambiador de tomas en carga (OLTC): la posición de la toma se puede cambiar mientras el transformador permanece energizado, sujeto a sus requisitos de diseño y operación.

IEC 60214-1 cubre los requisitos de rendimiento y los métodos de prueba tanto para cambiadores de tomas en carga como para cambiadores de tomas desenergizados, junto con sus mecanismos de accionamiento motorizado, cuando corresponda.

Referencia técnica: IEC 60214-1 — Comisión Electrotécnica Internacional.

Cambiador de tomas sin energía: simple, confiable y a menudo suficiente

En la industria a veces se hace referencia a un cambiador de tomas desenergizado como cambiador de tomas sin circuito o sin carga. Su principal limitación es clara: el transformador no debe permanecer energizado mientras se cambia la posición de la toma.

Esto hace que DETC sea adecuado cuando el ajuste de voltaje es ocasional en lugar de continuo. Las aplicaciones típicas pueden incluir:

transformadores industriales alimentados desde una red relativamente estable

transformadores de distribución donde el ajuste estacional es suficiente

Proyectos donde se pueden programar paradas.

Sistemas donde ya se proporciona regulación de voltaje aguas arriba.

Transformadores que no necesitan regulación automática de voltaje del bus secundario.

Para ver un ejemplo práctico de producto, los compradores del sitio A pueden revisar el Transformador regulador de voltaje sin excitación de 10 kV-35 kV serie S22 , que ilustra una familia de productos de regulación de voltaje desenergizados. La gama de grifos específica y los parámetros del proyecto aún deben confirmarse con las especificaciones técnicas reales.

No es necesario que un DETC transfiera corriente de un grifo a otro mientras el transformador transporta carga. Esto reduce la complejidad de la conmutación y, en general, reduce la cantidad de mantenimiento requerido específico del cambiador de tomas. Para muchos proyectos EPC, esa simplicidad tiene un valor real.

OLTC: Regulación de voltaje sin apagar el transformador

Un OLTC aborda un requisito operativo diferente. Permite que la relación de vueltas efectivas cambie mientras el transformador permanece energizado y alimentando el sistema.

Durante una transición de toma, el OLTC debe evitar dos condiciones inaceptables: interrumpir la corriente de carga y cortocircuitar directamente las tomas de devanado adyacentes. Eso significa que un OLTC requiere un mecanismo de transición controlado.

Dependiendo del diseño, la transferencia de corriente puede implicar disposiciones de tipo resistencia o tipo reactor. Las aplicaciones modernas también pueden utilizar tecnología de conmutación en vacío. IEC 60214-1 se aplica a OLTC de tipo resistor y reactor e incluye requisitos relevantes para diferentes tecnologías de aislamiento y conmutación.

Referencia técnica: IEC 60214-1 — Comisión Electrotécnica Internacional.

Los OLTC se consideran comúnmente cuando el proyecto requiere regulación automática de voltaje, operaciones frecuentes de grifo, procesos industriales continuos, control de voltaje de subestaciones de servicios públicos, variación de voltaje del generador o de la red, condiciones cambiantes del flujo de energía, grandes instalaciones de energía renovable o cargas críticas donde el cierre para el ajuste del grifo es inaceptable.

DETC vs OLTC: Comparación de ingeniería

Comience con el perfil de voltaje, no con el catálogo de transformadores

La primera entrada para la selección del cambiador de tomas del transformador debe ser el perfil de voltaje esperado en los terminales del transformador. Un ingeniero EPC debería preguntar:

¿Cuál es el voltaje entrante máximo esperado?

¿Cuál es el mínimo?

¿Son esas variaciones temporales o sostenidas?

¿La empresa de servicios públicos ya regula el voltaje?

¿Cuánta caída de voltaje ocurre entre el transformador y las cargas críticas?

¿Hay motores grandes o cargas industriales fluctuantes?

¿La generación renovable cambia el perfil de voltaje local?

¿Es importante desde el punto de vista operativo mantener el bus de BT o MT dentro de un rango estrecho?

Figura 2. Perfil de voltaje conceptual utilizado para definir el rango de derivación y el tamaño del paso.

Sin esta información, la selección del rango de toma se convierte en conjeturas. Un transformador especificado con derivaciones de ±5% puede ser adecuado para un proyecto pero insuficiente para otro. De manera similar, especificar un rango más amplio no hace que el diseño sea automáticamente superior. Un rango de regulación más amplio afecta la disposición del devanado, el aislamiento, las pérdidas y el funcionamiento del cambiador de tomas.

Para una revisión más amplia de los parámetros del transformador antes de publicar una solicitud de cotización, consulte el sitio A Guía de selección de transformadores para proyectos industriales..

El rango de grifo y el tamaño del paso necesitan decisiones separadas

El rango de toma define hasta qué punto se puede ajustar la relación del transformador desde su toma principal. El tamaño del paso define el cambio de voltaje entre posiciones adyacentes. La cuestión de ingeniería importante no es la simetría visual del horario de tomas. Se trata de si el rango y el incremento elegidos pueden mantener el voltaje del sistema en las condiciones operativas esperadas.

Una amplia gama no siempre es mejor

El aumento del rango de derivaciones puede afectar el diseño del devanado, el equilibrio de amperios-vuelta, la regulación de la geometría del devanado, los requisitos de aislamiento, la variación de impedancia entre las derivaciones, las pérdidas y la clasificación de OLTC. Por lo tanto, el diseñador del transformador necesita el rango operativo requerido desde el principio del proyecto. Una solicitud tardía para cambiar el rango de derivación después de la aprobación del diseño electromagnético puede obligar a rediseñar el devanado y la parte activa.

Los pasos muy pequeños también tienen consecuencias

Un paso de voltaje más pequeño puede proporcionar una regulación de voltaje más fina. Pero más posiciones pueden significar más conexiones de derivación, más operaciones OLTC, un acuerdo de regulación más complejo y consideraciones de control adicionales. El ingeniero debe seleccionar un tamaño de paso basado en la tolerancia de voltaje del bus realmente requerida por la red.

¿Qué devanado se debe aprovechar?

Los devanados de derivación suelen estar dispuestos en el lado de mayor tensión, aunque la disposición correcta depende del diseño del transformador y de los requisitos del sistema. Para un nivel de potencia determinado, la corriente del devanado de AT es menor que la corriente de BT, lo que puede simplificar los requisitos de transporte de corriente del dispositivo de regulación. Pero esta no es una regla que deba aplicarse sin una revisión del diseño.

El devanado seleccionado para la toma afecta la corriente nominal nominal del OLTC, el nivel de aislamiento, la geometría del devanado, el rango de regulación, las características de impedancia y la ubicación física del cambiador de tomas. La especificación del proyecto debe definir el comportamiento requerido del sistema y permitir que el diseñador del transformador coordine el devanado de regulación y el cambiador de tomas en consecuencia.

La posición del grifo puede afectar más que la relación de voltaje

Un error de adquisición común es suponer que todos los parámetros del transformador permanecen exactamente sin cambios en todo el rango de tomas. Puede que no. La posición de la toma puede influir en la resistencia del devanado, la pérdida de carga, la impedancia de cortocircuito, la corriente en secciones particulares del devanado, la tensión de tensión y las condiciones de flujo dependiendo de la disposición de regulación.

Para los estudios de sistemas, los ingenieros deben comprender si los cálculos se basan en la toma principal, la toma de voltaje máximo, la toma de voltaje mínimo u otra condición operativa específica. Los estudios de protección, cálculos de caída de tensión y estudios de operación en paralelo deben utilizar las condiciones de toma que representan el caso de operación real.

La selección de OLTC requiere más que la corriente nominal

Se debe seleccionar un OLTC en función del servicio eléctrico y operativo real. IEC/IEEE 60214-2 proporciona orientación de aplicación para seleccionar cambiadores de tomas en carga y desenergizados y considera los parámetros de aplicación, formas de onda de corriente, condiciones de operación, sobrecarga, operaciones repetidas, instalación y servicio de campo.

Referencia técnica: IEC/IEEE 60214-2 — Comisión Electrotécnica Internacional/IEEE.

La regulación automática de voltaje necesita una filosofía de control

La instalación de un OLTC no crea por sí sola un sistema automático de regulación de voltaje eficaz. Si se requiere control automático, el proyecto también debe definir la filosofía del regulador. Las entradas típicas pueden incluir medición de tensión de bus, tensión objetivo, banda muerta, retardo de tiempo, límites superior e inferior, retroalimentación de posición de toma, selección local/remota, comandos de subida/bajada, contactos de alarma e interfaz SCADA o DCS.

Figura 3. Lógica de regulación automática de voltaje del OLTC y ruta de retroalimentación.

Sin configuraciones adecuadas de banda muerta y retardo, un OLTC puede funcionar innecesariamente en respuesta a fluctuaciones de voltaje de corta duración. Las operaciones excesivas de toma aumentan el trabajo de conmutación mecánica y la demanda de mantenimiento sin proporcionar un beneficio útil al sistema. Por lo tanto, la filosofía de control debe distinguir entre una desviación de tensión sostenida genuina y perturbaciones temporales.

Los proyectos de energía renovable necesitan atención especial

Los proyectos solares, eólicos y BESS pueden crear condiciones de voltaje que difieren de las redes de distribución unidireccionales convencionales. El flujo de energía puede cambiar con la irradiación solar, la producción de viento, la carga y descarga de la batería, los modos de funcionamiento del inversor y los requisitos de despacho de la red.

Un transformador utilizado en este entorno no debe especificarse automáticamente con un OLTC, pero el proyecto sí necesita un estudio de control de voltaje. El equipo de EPC debe determinar si la regulación de voltaje se realizará mediante controles de inversor, control de potencia reactiva, OLTC de subestación, regulación de servicios públicos aguas arriba o una combinación coordinada. Si dos reguladores de tensión independientes reaccionan sin coordinación ante la misma desviación, pueden actuar uno contra el otro.

Los transformadores paralelos añaden otra capa de coordinación

Cuando dos transformadores operan en paralelo, la posición de la toma y la relación de voltaje se vuelven especialmente importantes. Las unidades en paralelo necesitan relaciones de voltaje y relaciones de fase compatibles. Si sus relaciones efectivas difieren porque los transformadores están operando en diferentes posiciones de toma, puede resultar en corriente circulante o reparto de carga desigual.

Por lo tanto, un esquema OLTC automático para transformadores en paralelo puede necesitar control maestro-seguidor, control de corriente circulante, coordinación de la posición de toma o lógica de bloqueo. Esto debería acordarse antes de la puesta en servicio. La simple instalación de dos transformadores OLTC idénticos no garantiza una correcta regulación en paralelo.

¿Qué se debe comprobar durante la FAT?

Un FAT para un transformador equipado con un cambiador de tomas no debe reducirse a verificar si el mecanismo se mueve. El equipo del proyecto debe verificar la relación funcional completa entre el cambiador de tomas, el transformador y el sistema de control.

Secuencia de posición del grifo

Confirme que se puedan alcanzar todas las posiciones especificadas en la secuencia correcta.

Indicación de posición mecánica

El indicador de posición física debe coincidir con la posición real del grifo.

Operación local y remota

Cuando se proporcione accionamiento por motor, verifique los modos de funcionamiento requeridos.

Enclavamientos eléctricos

Verifique que los límites y enclavamientos impidan el funcionamiento fuera del rango permitido.

Comentarios sobre la posición del grifo

Confirme que la señal enviada al sistema de control corresponde a la posición mecánica real.

Relación de transformador entre grifos

Revise las mediciones de relación en las posiciones de toma requeridas de acuerdo con el programa de prueba de transformador aplicable.

Resistencia del devanado

Cuando lo requiera la especificación de la prueba, revise los resultados en las posiciones de toma relevantes para garantizar la coherencia.

Circuito de control OLTC

Verifique el suministro del motor, el circuito de control, las alarmas, los límites finales y los terminales de interfaz.

Regulador de voltaje automático

Si el AVR está incluido en el paquete del transformador, simule comandos de control relevantes y verifique la respuesta.

Figura 4. Flujo de verificación FAT para un transformador equipado con un cambiador de tomas.

Lista de verificación FAT para transformadores cambiadores de tomas

Se debe considerar el mantenimiento antes de la selección

Un OLTC realiza conmutación mecánica y eléctrica durante el servicio. Por lo tanto, sus requisitos de ciclo de vida difieren de los de un simple cambiador de tomas sin energía. La estrategia de mantenimiento puede depender de la tecnología OLTC, la cantidad de operaciones, el servicio actual, el medio aislante, las instrucciones del fabricante, el entorno operativo y los datos de monitoreo de condiciones.

La moderna tecnología OLTC de tipo vacío puede reducir ciertas demandas de mantenimiento relacionadas con la formación de arcos en comparación con los arreglos convencionales de cambio de aceite, pero no elimina la necesidad de inspección y gestión del ciclo de vida. IEC/IEEE 60214-2 incluye una guía de aplicación que cubre consideraciones de servicio de campo, puesta en servicio, operación, mantenimiento y monitoreo.

Referencia técnica: IEC/IEEE 60214-2 — Comisión Electrotécnica Internacional/IEEE.

Errores comunes en la especificación del cambiador de tomas

Especificación de OLTC sin un estudio de voltaje

Esto añade costos y complejidad sin demostrar que se necesita una regulación continua.

Seleccionar DETC cuando el apagado es inaceptable

Es posible que más adelante el transformador requiera una corrección de relación, pero las operaciones no pueden desenergizar la carga.

Copiar el rango de derivación de otro proyecto

Las condiciones de voltaje pueden ser completamente diferentes.

Ignorar posiciones extremas de tap

La corriente, las pérdidas, la impedancia y el comportamiento térmico deben revisarse en las condiciones relevantes para el diseño del transformador.

Olvidar la interfaz de control

Un OLTC puede completarse mecánicamente mientras el proyecto aún carece de las interfaces SCADA, AVR o de alimentación auxiliar requeridas.

Dejar las decisiones sobre los cambiadores de tomas hasta el último diseño

El rango de tomas y la disposición de las tomas pueden afectar la geometría del devanado. Los cambios tardíos pueden provocar un rediseño significativo.

Un flujo de trabajo práctico de selección de EPC

Obtenga el rango real de voltaje de la red : utilice datos de servicios públicos, resultados de flujo de carga y escenarios operativos del proyecto.

Defina el voltaje del bus controlado requerido : determine qué rango de voltaje realmente necesita el equipo aguas abajo.

Determine si la interrupción es aceptable : si el ajuste del grifo solo puede ocurrir durante paradas planificadas, el DETC puede ser adecuado. Si es necesario corregir el voltaje durante el funcionamiento continuo, evalúe el OLTC.

Establezca el rango y el paso de la toma : base esto en los resultados del estudio del sistema en lugar de en un valor copiado estándar.

Defina la filosofía de control : para los sistemas OLTC, especifique la operación automática/manual, el punto de ajuste, la banda muerta, el retardo y las interfaces remotas.

Revise las condiciones de funcionamiento anormales : considere la sobrecarga, los armónicos, la temperatura ambiente y las operaciones frecuentes cuando sea relevante.

Congele el requisito antes del diseño detallado del transformador : la disposición de las tomas debe ser parte de los datos aprobados del transformador.

Verificar durante FAT : verifique tanto el rendimiento eléctrico del transformador como el sistema operativo del cambiador de tomas.

Coordine la puesta en servicio del sitio : la configuración final del regulador debe coincidir con la red real, no simplemente con la configuración de prueba de fábrica.

¿Qué información deben enviar los compradores al fabricante del transformador?

Para un transformador que requiere regulación de voltaje, una solicitud de cotización útil debe incluir más que la capacidad nominal y el voltaje nominal. Proporcionar:

diagrama unifilar

Tensión nominal AT y BT

Tensión de alta tensión máxima y mínima esperada.

rango de bus regulado BT/MT requerido

frecuencia nominal

rango de grifo requerido

paso de toque preferido si ya está determinado

Requisito DETC u OLTC si está definido

perfil de carga

información motora grande

Información del inversor renovable cuando sea relevante.

requisito de operación paralela

control y filosofía SCADA

suministro auxiliar

especificación técnica del proyecto

Si aún se necesita una comparación más amplia de productos, revise el sitio A gama de productos de transformadores antes de fijar el tipo de transformador final y el esquema de regulación.

Para clasificaciones industriales medianas y grandes, el La Guía de selección de transformadores de 2500 kVA proporciona un contexto de adquisición adicional para voltaje, refrigeración y selección específica del proyecto.

Elija el cambiador de tomas de los requisitos del sistema

La elección entre un cambiador de tomas desenergizado y un OLTC debe provenir de las necesidades operativas del sistema de energía. Una red industrial estable con ajustes de voltaje ocasionales puede ganar poco con la complejidad adicional de un OLTC. Una subestación de servicios públicos o un proceso crítico que requiere una regulación continua de voltaje puede no tener una alternativa práctica.

El mismo principio se aplica al rango de toma, tamaño de paso y control. Más posiciones no son automáticamente mejores. Una gama más amplia no es automáticamente más segura. Un OLTC no es automáticamente un transformador de mayor calidad. La solución técnicamente correcta es aquella que mantiene el perfil de voltaje requerido y al mismo tiempo coincide con el diseño del transformador, el servicio de conmutación, la estrategia de mantenimiento y la filosofía operativa del proyecto.

IEC 60214-1 define requisitos de rendimiento y métodos de prueba para cambiadores de tomas, mientras que IEC/IEEE 60214-2 proporciona guía de aplicación para seleccionarlos, aplicarlos y mantenerlos.

Referencia técnica: IEC 60214-1 y IEC/IEEE 60214-2 — Comisión Electrotécnica Internacional/IEEE.

Para la revisión del proyecto, Zisheng Electric puede evaluar la capacidad confirmada del transformador, el voltaje del sistema, el rango de tomas, las condiciones de operación y las especificaciones técnicas en conjunto en lugar de tratar el cambiador de tomas como un accesorio aislado. Si está preparando una RFQ o revisión técnica, envíe el diagrama unifilar, la hoja de datos del transformador, el cronograma de carga, el rango de voltaje y las especificaciones del proyecto.

Nuestro equipo de ingeniería revisará los requisitos y responderá a las consultas del proyecto dentro de las 24 horas.