Selezione del commutatore di presa del trasformatore: quando utilizzare un commutatore di presa diseccitato o un OLTC

Un trasformatore può avere la capacità, il rapporto di tensione e il livello di isolamento corretti, ma può comunque creare problemi di funzionamento se il suo metodo di regolazione della tensione non corrisponde al sistema di alimentazione effettivo.

Presso Zisheng Electric, la scelta del commutatore di presa del trasformatore viene trattata meglio come una decisione di progettazione del sistema piuttosto che come una scelta di accessori. La domanda chiave non è semplicemente se un commutatore sotto carico (OLTC) sia tecnicamente più avanzato. La vera domanda è se il trasformatore debba regolare il suo rapporto di tensione mentre è energizzato e trasporta il carico.

Per alcuni progetti industriali e di distribuzione, un commutatore di presa diseccitato (DETC) è la soluzione più pratica. Nelle sottostazioni dei servizi pubblici, nelle interfacce per le energie rinnovabili, nelle grandi reti industriali o nei sistemi con variazioni significative di tensione, potrebbe essere necessario un OLTC per mantenere il profilo di tensione richiesto senza interrompere l'alimentazione.

Una scelta errata può aumentare i costi delle apparecchiature, i requisiti di manutenzione e la complessità del controllo, oppure lasciare il progetto senza una capacità di regolazione della tensione sufficiente quando effettivamente necessaria. Questa guida spiega come gli ingegneri e i team EPC dovrebbero valutare la selezione del commutatore di presa del trasformatore, inclusa la variazione della tensione del sistema, l'intervallo delle prese, la dimensione del gradino, la disposizione degli avvolgimenti, la filosofia di controllo, il FAT e la manutenzione a lungo termine.

Cosa fa effettivamente un commutatore di presa del trasformatore?

Un commutatore di presa del trasformatore modifica il numero effettivo di spire in un avvolgimento collegato. Poiché il rapporto di tensione del trasformatore è correlato al rapporto delle spire dell'avvolgimento, la selezione di una diversa posizione della presa consente di regolare il rapporto del trasformatore.

Lo scopo è normalmente quello di compensare condizioni quali:

variazione della tensione di rete

caduta di tensione dell'alimentatore

cambiamenti di carico stagionali

variazione della tensione del generatore

modificare la produzione di energia rinnovabile

configurazione operativa della rete

mantenendo la tensione del bus a valle richiesta

Cambiare i collegamenti degli avvolgimenti su un trasformatore sotto tensione non equivale a cambiarli mentre il trasformatore è isolato. Questa distinzione crea le due principali opzioni ingegneristiche:

Commutatore di presa diseccitato (DETC): la posizione della presa viene modificata solo quando il trasformatore è diseccitato.

Commutatore sotto carico (OLTC): la posizione della presa può essere modificata mentre il trasformatore rimane sotto tensione, in base ai requisiti di progettazione e funzionamento.

La norma IEC 60214-1 copre i requisiti prestazionali e i metodi di prova sia per i commutatori sotto carico che per i commutatori diseccitati, insieme ai relativi meccanismi di azionamento del motore, ove applicabile.

Riferimento tecnico: IEC 60214-1 — Commissione Elettrotecnica Internazionale.

Commutatore di presa diseccitato: semplice, affidabile e spesso sufficiente

Un commutatore di presa diseccitato viene talvolta definito nell'industria come commutatore di presa fuori circuito o senza carico. Il suo limite principale è chiaro: il trasformatore non deve rimanere sotto tensione mentre si cambia la posizione del rubinetto.

Ciò rende il DETC adatto laddove la regolazione della tensione è occasionale anziché continua. Le applicazioni tipiche possono includere:

trasformatori industriali alimentati da una rete relativamente stabile

trasformatori di distribuzione dove la regolazione stagionale è sufficiente

progetti in cui è possibile programmare le chiusure

impianti dove è già prevista la regolazione della tensione a monte

trasformatori che non necessitano di regolazione automatica della tensione del bus secondario

Per un esempio pratico di prodotto, gli acquirenti del sito A possono esaminare il Trasformatore di regolazione della tensione di non eccitazione serie S22 da 10 kV-35 kV , che illustra una famiglia di prodotti di regolazione della tensione diseccitati. La gamma di rubinetti specifica e i parametri di progetto dovrebbero comunque essere confermati rispetto alle specifiche tecniche effettive.

Non è necessario che un DETC trasferisca la corrente da una presa all'altra mentre il trasformatore trasporta il carico. Ciò riduce la complessità di commutazione e generalmente riduce la quantità di manutenzione specifica del commutatore richiesta. Per molti progetti EPC, questa semplicità ha un valore reale.

OLTC: Regolazione della tensione senza spegnere il trasformatore

Un OLTC risponde a un diverso requisito operativo. Consente di modificare il rapporto spire effettivo mentre il trasformatore rimane energizzato e alimenta il sistema.

Durante una transizione di presa, l'OLTC deve evitare due condizioni inaccettabili: l'interruzione della corrente di carico e il cortocircuito diretto delle prese dell'avvolgimento adiacente. Ciò significa che un OLTC richiede un meccanismo di transizione controllato.

A seconda del progetto, il trasferimento di corrente può comportare disposizioni di tipo resistore o di tipo reattore. Le applicazioni moderne possono anche utilizzare la tecnologia di commutazione del vuoto. La norma IEC 60214-1 si applica agli OLTC di tipo resistore e reattore e include requisiti relativi a diverse tecnologie di isolamento e commutazione.

Riferimento tecnico: IEC 60214-1 — Commissione Elettrotecnica Internazionale.

Gli OLTC sono comunemente presi in considerazione laddove il progetto richiede la regolazione automatica della tensione, frequenti operazioni di presa, processi industriali continui, controllo della tensione delle sottostazioni di servizio, variazione della tensione del generatore o della rete, modifiche delle condizioni del flusso di potenza, grandi impianti di energia rinnovabile o carichi critici in cui l'arresto per la regolazione delle prese è inaccettabile.

DETC vs OLTC: confronto ingegneristico

Inizia con il profilo di tensione, non con il catalogo dei trasformatori

Il primo input per la selezione del commutatore di presa del trasformatore dovrebbe essere il profilo di tensione previsto ai terminali del trasformatore. Un ingegnere EPC dovrebbe chiedere:

Qual è la tensione in ingresso massima prevista?

Qual è il minimo?

Queste variazioni sono temporanee o durature?

L'azienda a monte regola già la tensione?

Quanta caduta di tensione si verifica tra il trasformatore e i carichi critici?

Ci sono motori di grandi dimensioni o carichi industriali variabili?

La generazione rinnovabile cambia il profilo di tensione locale?

Mantenere il bus LV o MV entro un raggio ristretto è operativamente importante?

Figura 2. Profilo di tensione concettuale utilizzato per definire l'intervallo di prese e la dimensione del passo.

Senza queste informazioni, la selezione dell'intervallo di selezione diventa un'ipotesi. Un trasformatore specificato con prese del ±5% può essere adeguato per un progetto ma insufficiente per un altro. Allo stesso modo, specificare un intervallo più ampio non rende automaticamente il progetto superiore. Un campo di regolazione più ampio influisce sulla disposizione degli avvolgimenti, sull'isolamento, sulle perdite e sul funzionamento del commutatore.

Per una revisione più ampia dei parametri del trasformatore prima del rilascio di una richiesta di offerta, consultare il sito A Guida alla scelta dei trasformatori per progetti industriali.

L'intervallo del tocco e la dimensione del passo richiedono decisioni separate

La gamma di prese definisce la distanza in cui è possibile regolare il rapporto del trasformatore rispetto alla presa principale. La dimensione del passo definisce la variazione di tensione tra posizioni adiacenti. L’importante questione ingegneristica non è la simmetria visiva della pianificazione dei rubinetti. Dipende se l'intervallo e l'incremento scelti possono mantenere la tensione del sistema nelle condizioni operative previste.

Una vasta gamma non è sempre migliore

L'aumento della portata delle prese può influire sulla progettazione dell'avvolgimento, sul bilanciamento ampere-giro, sulla regolazione della geometria dell'avvolgimento, sui requisiti di isolamento, sulla variazione di impedenza tra le prese, sulle perdite e sulla classificazione OLTC. Il progettista del trasformatore necessita quindi del campo operativo richiesto nelle prime fasi del progetto. Una richiesta tardiva di modifica della portata della presa dopo l'approvazione del progetto elettromagnetico può costringere a riprogettare l'avvolgimento e la parte attiva.

Anche i piccoli passi hanno delle conseguenze

Un gradino di tensione più piccolo può fornire una regolazione della tensione più precisa. Ma più posizioni possono significare più connessioni di derivazione, più operazioni OLTC, un accordo di regolamentazione più complesso e considerazioni di controllo aggiuntive. L'ingegnere dovrebbe selezionare una dimensione del passo in base alla tolleranza della tensione del bus effettivamente richiesta dalla rete.

Quale avvolgimento dovrebbe essere tappato?

Gli avvolgimenti delle prese sono comunemente disposti sul lato a tensione più alta, sebbene la disposizione corretta dipenda dalla progettazione del trasformatore e dai requisiti del sistema. Per un dato livello di potenza, la corrente dell'avvolgimento AT è inferiore alla corrente LV, il che può semplificare i requisiti di trasporto di corrente del dispositivo di regolazione. Ma questa non è una regola da applicare senza la revisione del progetto.

L'avvolgimento selezionato per la presa influisce sulla corrente passante nominale OLTC, sul livello di isolamento, sulla geometria dell'avvolgimento, sul campo di regolazione, sulle caratteristiche di impedenza e sul posizionamento fisico del commutatore di presa. Le specifiche del progetto dovrebbero definire il comportamento richiesto del sistema e consentire al progettista del trasformatore di coordinare di conseguenza l'avvolgimento di regolazione e il commutatore.

La posizione del rubinetto può influenzare più del rapporto di tensione

Un errore comune nell'approvvigionamento è presupporre che tutti i parametri del trasformatore rimangano esattamente invariati nell'intera gamma di prese. Potrebbero no. La posizione della presa può influenzare la resistenza dell'avvolgimento, la perdita di carico, l'impedenza di cortocircuito, la corrente in particolari sezioni dell'avvolgimento, lo stress di tensione e le condizioni di flusso a seconda della disposizione di regolazione.

Per gli studi di sistema, gli ingegneri devono capire se i calcoli si basano sulla presa principale, sulla presa di tensione massima, sulla presa di tensione minima o su un'altra condizione operativa specificata. Gli studi sulla protezione, i calcoli sulla caduta di tensione e gli studi sul funzionamento in parallelo dovrebbero utilizzare le condizioni di presa che rappresentano il caso operativo reale.

La selezione OLTC richiede più della corrente nominale

Un OLTC deve essere selezionato in base al servizio elettrico e operativo effettivo. IEC/IEEE 60214-2 fornisce una guida applicativa per la selezione dei commutatori sotto carico e diseccitati e considera i parametri applicativi, le forme d'onda della corrente, le condizioni operative, il sovraccarico, le operazioni ripetute, l'installazione e l'assistenza sul campo.

Riferimento tecnico: IEC/IEEE 60214-2 — Commissione Elettrotecnica Internazionale/IEEE.

La regolazione automatica della tensione richiede una filosofia di controllo

L'installazione di un OLTC non crea di per sé un efficace sistema automatico di regolazione della tensione. Se è richiesto un controllo automatico, il progetto deve anche definire la filosofia del regolatore. Gli ingressi tipici possono includere la misurazione della tensione del bus, la tensione target, la zona morta, il ritardo, i limiti superiore e inferiore, il feedback della posizione del rubinetto, la selezione locale/remota, i comandi alza/abbassa, contatti di allarme e interfaccia SCADA o DCS.

Figura 3. Logica di regolazione automatica della tensione e percorso di feedback OLTC.

Senza adeguate impostazioni di banda morta e ritardo, un OLTC può funzionare inutilmente in risposta a fluttuazioni di tensione di breve durata. Un numero eccessivo di operazioni di prelievo aumenta il lavoro di commutazione meccanica e la richiesta di manutenzione senza fornire vantaggi utili al sistema. La filosofia di controllo deve pertanto distinguere tra una vera deviazione di tensione sostenuta e disturbi temporanei.

I progetti di energia rinnovabile richiedono un’attenzione speciale

I progetti solari, eolici e BESS possono creare condizioni di tensione che differiscono dalle tradizionali reti di distribuzione unidirezionali. Il flusso di potenza può cambiare in base all'irraggiamento solare, alla potenza del vento, alla carica e allo scaricamento della batteria, alle modalità operative dell'inverter e ai requisiti di distribuzione della rete.

Un trasformatore utilizzato in questo ambiente non dovrebbe essere automaticamente specificato con un OLTC, ma il progetto necessita di uno studio sul controllo della tensione. Il team EPC dovrebbe determinare se la regolazione della tensione sarà eseguita mediante controlli dell'inverter, controllo della potenza reattiva, OLTC della sottostazione, regolazione della rete a monte o una combinazione coordinata. Se due regolatori di tensione indipendenti reagiscono alla stessa deviazione senza coordinamento, possono lavorare l'uno contro l'altro.

I trasformatori paralleli aggiungono un altro livello di coordinamento

Quando due trasformatori funzionano in parallelo, la posizione della presa e il rapporto di tensione diventano particolarmente importanti. Le unità parallele necessitano di rapporti di tensione e relazioni di fase compatibili. Se i loro rapporti effettivi differiscono perché i trasformatori funzionano su posizioni diverse della presa, possono verificarsi correnti circolanti o una ripartizione del carico non uniforme.

Uno schema OLTC automatico per trasformatori in parallelo può quindi richiedere il controllo master-follower, il controllo della corrente circolante, il coordinamento della posizione della presa o la logica di blocco. Questo dovrebbe essere concordato prima della messa in servizio. La semplice installazione di due trasformatori OLTC identici non garantisce una corretta regolazione in parallelo.

Cosa dovrebbe essere controllato durante il FAT?

Un FAT per un trasformatore dotato di commutatore di presa non dovrebbe limitarsi a verificare se il meccanismo si muove. Il team di progetto dovrebbe verificare la completa relazione funzionale tra commutatore, trasformatore e sistema di controllo.

Tocca Sequenza di posizioni

Confermare che tutte le posizioni specificate possano essere raggiunte nella sequenza corretta.

Indicazione della posizione meccanica

L'indicatore di posizione fisica dovrebbe corrispondere alla posizione effettiva del rubinetto.

Operazione locale e remota

Laddove sia prevista la motorizzazione verificare le modalità di funzionamento richieste.

Interblocchi elettrici

Verificare che i limiti e gli interblocchi impediscano il funzionamento al di fuori dell'intervallo consentito.

Tocca Feedback sulla posizione

Confermare che il segnale inviato al sistema di controllo corrisponda alla posizione meccanica effettiva.

Rapporto del trasformatore tra i rubinetti

Rivedere le misurazioni del rapporto nelle posizioni dei rubinetti richieste in base al programma di test del trasformatore applicabile.

Resistenza dell'avvolgimento

Laddove richiesto dalle specifiche del test, rivedere i risultati nelle posizioni dei rubinetti pertinenti per verificarne la coerenza.

Circuito di controllo OLTC

Verificare l'alimentazione del motore, il circuito di controllo, gli allarmi, i limiti finali e i terminali dell'interfaccia.

Regolatore automatico di tensione

Se l'AVR è incluso nel pacchetto del trasformatore, simulare i comandi di controllo rilevanti e verificare la risposta.

Figura 4. Flusso di verifica FAT per un trasformatore dotato di commutatore di presa.

Lista di controllo FAT per trasformatori di commutatori sotto presa

La manutenzione deve essere considerata prima della selezione

Un OLTC esegue la commutazione meccanica ed elettrica durante il servizio. I suoi requisiti di ciclo di vita differiscono quindi da quelli di un semplice commutatore di presa diseccitato. La strategia di manutenzione può dipendere dalla tecnologia OLTC, dal numero di operazioni, dal servizio attuale, dal mezzo isolante, dalle istruzioni del produttore, dall'ambiente operativo e dai dati di monitoraggio delle condizioni.

La moderna tecnologia OLTC di tipo sotto vuoto può ridurre alcune richieste di manutenzione legate agli archi rispetto alle soluzioni convenzionali di cambio dell'olio, ma non elimina la necessità di ispezione e gestione del ciclo di vita. IEC/IEEE 60214-2 include una guida applicativa che copre considerazioni sull'assistenza sul campo, la messa in servizio, il funzionamento, la manutenzione e il monitoraggio.

Riferimento tecnico: IEC/IEEE 60214-2 — Commissione Elettrotecnica Internazionale/IEEE.

Errori comuni nelle specifiche del commutatore di presa

Specificare OLTC senza uno studio sulla tensione

Ciò aggiunge costi e complessità senza dimostrare la necessità di una regolamentazione continua.

La selezione di DETC quando lo spegnimento non è accettabile

Il trasformatore potrebbe successivamente richiedere una correzione del rapporto, ma le operazioni non possono diseccitare il carico.

Copia dell'intervallo di tocchi da un altro progetto

Le condizioni di tensione possono essere completamente diverse.

Ignorare le posizioni di tocco estreme

Corrente, perdita, impedenza e comportamento termico dovrebbero essere rivisti nelle condizioni rilevanti per la progettazione del trasformatore.

Dimenticare l'interfaccia di controllo

Un OLTC può essere completato dal punto di vista meccanico mentre nel progetto mancano ancora le necessarie interfacce SCADA, AVR o di alimentazione ausiliaria.

Lasciare le decisioni sui commutatori fino alla progettazione avanzata

La gamma e la disposizione delle prese possono influenzare la geometria dell'avvolgimento. Le modifiche tardive possono causare una riprogettazione significativa.

Un flusso di lavoro pratico per la selezione dell'EPC

Ottieni l'intervallo di tensione di rete reale : utilizza i dati dei servizi pubblici, i risultati del flusso di carico e gli scenari operativi del progetto.

Definire la tensione del bus controllato richiesta : determinare di quale intervallo di tensione ha effettivamente bisogno l'apparecchiatura a valle.

Determinare se l'interruzione è accettabile : se la regolazione del rubinetto può avvenire solo durante gli arresti pianificati, il DETC potrebbe essere adeguato. Se è necessario correggere la tensione durante il funzionamento continuo, valutare OLTC.

Stabilire l'intervallo e il passo di selezione : basarsi sui risultati dello studio del sistema anziché su un valore copiato standard.

Definire la filosofia di controllo : per i sistemi OLTC, specificare il funzionamento automatico/manuale, il setpoint, la banda morta, il ritardo e le interfacce remote.

Esaminare le condizioni operative anomale : considerare il sovraccarico, le armoniche, la temperatura ambiente e le operazioni frequenti, ove pertinente.

Congelare i requisiti prima della progettazione dettagliata del trasformatore : la disposizione dei rubinetti dovrebbe far parte dei dati approvati del trasformatore.

Verifica durante FAT : controllare sia le prestazioni elettriche del trasformatore che il sistema operativo del commutatore.

Coordinare la messa in servizio del sito : le impostazioni finali del regolatore devono corrispondere alla rete effettiva, non semplicemente alla configurazione di test di fabbrica.

Quali informazioni dovrebbero inviare gli acquirenti al produttore del trasformatore?

Per un trasformatore che richiede una regolazione della tensione, una richiesta di offerta utile dovrebbe includere una capacità superiore alla capacità nominale e alla tensione nominale. Fornire:

schema unifilare

tensione nominale AT e BT

tensione AT massima e minima prevista

portata bus regolata BT/MT richiesta

frequenza nominale

intervallo di rubinetteria richiesto

passaggio di tocco preferito se già determinato

Requisito DETC o OLTC se definito

profilo di carico

grandi informazioni motorie

informazioni sull'inverter rinnovabile, ove pertinente

requisito di funzionamento in parallelo

controllo e filosofia SCADA

alimentazione ausiliaria

specifica tecnica del progetto

Se è ancora necessario un confronto più ampio tra i prodotti, rivedere il sito A gamma di prodotti del trasformatore prima di fissare il tipo di trasformatore finale e lo schema di regolamentazione.

Per i rating industriali di medie e grandi dimensioni, il La Guida alla selezione del trasformatore da 2500 kVA fornisce ulteriore contesto di approvvigionamento per tensione, raffreddamento e selezione specifica del progetto.

Scegli il commutatore di prese dai requisiti di sistema

La scelta tra un commutatore di presa diseccitato e un OLTC dovrebbe derivare dalle esigenze operative del sistema di alimentazione. Una rete industriale stabile con aggiustamenti occasionali della tensione può guadagnare poco dalla complessità aggiuntiva di un OLTC. Una sottostazione di servizio o un processo critico che richiede una regolazione continua della tensione potrebbe non avere alternative pratiche.

Lo stesso principio si applica alla gamma di rubinetti, alla dimensione del passo e al controllo. Più posizioni non sono automaticamente migliori. Una gamma più ampia non è automaticamente più sicura. Un OLTC non è automaticamente un trasformatore di qualità superiore. La soluzione tecnicamente corretta è quella che mantiene il profilo di tensione richiesto rispettando al tempo stesso il design del trasformatore, il servizio di commutazione, la strategia di manutenzione e la filosofia operativa del progetto.

La norma IEC 60214-1 definisce i requisiti prestazionali e i metodi di prova per i commutatori di presa, mentre la norma IEC/IEEE 60214-2 fornisce una guida applicativa per la selezione, l'applicazione e la manutenzione degli stessi.

Riferimento tecnico: IEC 60214-1 e IEC/IEEE 60214-2 — Commissione Elettrotecnica Internazionale/IEEE.

Per la revisione del progetto, Zisheng Electric può valutare insieme la capacità confermata del trasformatore, la tensione del sistema, la portata delle prese, le condizioni operative e le specifiche tecniche anziché trattare il commutatore di presa come un accessorio isolato. Se stai preparando una richiesta di offerta o una revisione tecnica, invia lo schema unifilare, la scheda tecnica del trasformatore, il programma di carico, l'intervallo di tensione e le specifiche del progetto.

Il nostro team di ingegneri esaminerà i requisiti e risponderà alle richieste di progetto entro 24 ore.