Seleção do comutador de derivação do transformador: quando usar um comutador de derivação desenergizado ou OLTC

Um transformador pode ter a capacidade, a relação de tensão e o nível de isolamento corretos, mas ainda assim criar problemas operacionais se o seu método de regulação de tensão não corresponder ao sistema de energia real.

Na Zisheng Electric, a seleção do comutador de derivação do transformador é melhor tratada como uma decisão de projeto do sistema, em vez de uma escolha de acessório. A questão principal não é simplesmente se um comutador de derivação em carga (OLTC) é tecnicamente mais avançado. A verdadeira questão é se o transformador precisa ajustar sua relação de tensão enquanto estiver energizado e transportando carga.

Para alguns projetos industriais e de distribuição, um comutador de derivação desenergizado (DETC) é a solução mais prática. Em subestações de concessionárias, interfaces de energia renovável, grandes redes industriais ou sistemas com variação significativa de tensão, um OLTC pode ser necessário para manter o perfil de tensão necessário sem interromper o fornecimento.

A escolha incorreta pode aumentar o custo do equipamento, os requisitos de manutenção e a complexidade do controle – ou deixar o projeto sem capacidade suficiente de regulação de tensão quando for realmente necessário. Este guia explica como engenheiros e equipes de EPC devem avaliar a seleção do comutador de derivação do transformador, incluindo variação de tensão do sistema, faixa de derivação, tamanho do passo, disposição do enrolamento, filosofia de controle, FAT e manutenção de longo prazo.

O que um comutador de transformador realmente faz?

Um comutador de derivação do transformador altera o número efetivo de voltas em um enrolamento com derivação. Como a relação de tensão do transformador está relacionada à relação de espiras do enrolamento, a seleção de uma posição de tap diferente permite que a relação do transformador seja ajustada.

O objetivo normalmente é compensar condições como:

variação de tensão da rede elétrica

queda de tensão do alimentador

mudanças sazonais de carga

variação de tensão do gerador

mudando a produção de geração renovável

configuração operacional de rede

mantendo a tensão necessária do barramento a jusante

Alterar as conexões dos enrolamentos em um transformador energizado não é o mesmo que alterá-las enquanto o transformador está isolado. Essa distinção cria as duas principais opções de engenharia:

Comutador de derivação desenergizado (DETC) — a posição do tap é alterada somente quando o transformador é desenergizado.

Comutador de derivação em carga (OLTC) — a posição do tap pode ser alterada enquanto o transformador permanece energizado, sujeito aos seus requisitos de projeto e operação.

A IEC 60214-1 abrange requisitos de desempenho e métodos de teste para comutadores de derivação em carga e comutadores de derivação desenergizados, juntamente com seus mecanismos acionados por motor, quando aplicável.

Referência Técnica: IEC 60214-1 — Comissão Eletrotécnica Internacional.

Comutador de derivação desenergizado: simples, confiável e muitas vezes suficiente

Um comutador de derivação desenergizado é às vezes referido na indústria como um comutador de derivação fora de circuito ou sem carga. Sua principal limitação é clara: o transformador não deve permanecer energizado enquanto a posição do tap estiver sendo alterada.

Isto torna o DETC adequado onde o ajuste de tensão é ocasional e não contínuo. As aplicações típicas podem incluir:

transformadores industriais alimentados por uma rede relativamente estável

transformadores de distribuição onde o ajuste sazonal é suficiente

projetos onde paradas podem ser programadas

sistemas onde a regulação de tensão a montante já é fornecida

transformadores que não necessitam de regulação automática de tensão no barramento secundário

Para obter um exemplo prático de produto, os compradores do site A podem revisar o Transformador regulador de tensão sem excitação série S22 10kV-35kV , que ilustra uma família de produtos reguladores de tensão desenergizados. A faixa específica de derivação e os parâmetros do projeto ainda devem ser confirmados em relação às especificações técnicas reais.

Não há necessidade de um DETC transferir corrente de uma derivação para outra enquanto o transformador estiver transportando carga. Isso reduz a complexidade da comutação e geralmente reduz a quantidade necessária de manutenção específica do comutador. Para muitos projetos EPC, essa simplicidade tem valor real.

OLTC: Regulação de Tensão sem Desligamento do Transformador

Um OLTC atende a um requisito operacional diferente. Ele permite que a relação de espiras efetivas mude enquanto o transformador permanece energizado e alimentando o sistema.

Durante uma transição de tap, o OLTC deve evitar duas condições inaceitáveis: interromper a corrente de carga e curto-circuitar diretamente os taps dos enrolamentos adjacentes. Isso significa que um OLTC requer um mecanismo de transição controlado.

Dependendo do projeto, a transferência de corrente pode envolver arranjos do tipo resistor ou do tipo reator. As aplicações modernas também podem usar tecnologia de comutação a vácuo. A IEC 60214-1 se aplica a OLTCs do tipo resistor e reator e inclui requisitos relevantes para diferentes tecnologias de isolamento e comutação.

Referência Técnica: IEC 60214-1 — Comissão Eletrotécnica Internacional.

Os OLTCs são comumente considerados quando o projeto requer regulação automática de tensão, operações frequentes de derivação, processos industriais contínuos, controle de tensão de subestações de serviços públicos, variação de tensão de gerador ou rede, mudanças nas condições de fluxo de energia, grandes instalações de energia renovável ou cargas críticas onde o desligamento para ajuste de derivação é inaceitável.

DETC vs OLTC: comparação de engenharia

Comece com o perfil de tensão, não com o catálogo de transformadores

A primeira entrada para seleção do comutador de derivação do transformador deve ser o perfil de tensão esperado nos terminais do transformador. Um engenheiro EPC deve perguntar:

Qual é a tensão de entrada máxima esperada?

Qual é o mínimo?

Essas variações são temporárias ou sustentadas?

A concessionária upstream já regula a tensão?

Quanta queda de tensão ocorre entre o transformador e as cargas críticas?

Existem motores grandes ou cargas industriais flutuantes?

A geração renovável altera o perfil de tensão local?

A manutenção do barramento de BT ou MT dentro de uma faixa estreita é operacionalmente importante?

Figura 2. Perfil de tensão conceitual usado para definir a faixa de tap e o tamanho do passo.

Sem essas informações, a seleção do intervalo de toque torna-se uma adivinhação. Um transformador especificado com taps de ±5% pode ser adequado para um projeto, mas insuficiente para outro. Da mesma forma, especificar uma faixa mais ampla não torna automaticamente o design superior. Uma faixa de regulação mais ampla afeta o arranjo do enrolamento, o isolamento, as perdas e a função do comutador.

Para uma revisão mais ampla dos parâmetros do transformador antes do lançamento de uma RFQ, consulte o site A Guia de seleção de transformadores para projetos industriais.

O alcance do toque e o tamanho do passo precisam de decisões separadas

A faixa de tap define até que ponto a relação do transformador pode ser ajustada em relação ao seu tap principal. O tamanho do passo define a mudança de tensão entre posições adjacentes. A importante questão de engenharia não é a simetria visual do esquema de torneiras. É se a faixa e o incremento escolhidos podem manter a tensão do sistema sob as condições operacionais esperadas.

Uma ampla variedade nem sempre é melhor

O aumento da faixa de tap pode afetar o projeto do enrolamento, o equilíbrio ampere-espira, a regulação da geometria do enrolamento, os requisitos de isolamento, a variação de impedância entre os taps, as perdas e a classificação OLTC. O projetista do transformador, portanto, precisa da faixa operacional necessária no início do projeto. Uma solicitação tardia para alterar a faixa de derivação após a aprovação do projeto eletromagnético pode forçar o redesenho do enrolamento e da parte ativa.

Passos muito pequenos também têm consequências

Um passo de tensão menor pode fornecer uma regulação de tensão mais precisa. Mas mais posições podem significar mais conexões de derivação, mais operações de OLTC, um arranjo de regulação mais complexo e considerações de controle adicionais. O engenheiro deve selecionar um tamanho de passo baseado na tolerância de tensão do barramento realmente exigida pela rede.

Qual enrolamento deve ser aproveitado?

Os enrolamentos de tap são comumente dispostos no lado de alta tensão, embora o arranjo correto dependa do projeto do transformador e dos requisitos do sistema. Para um determinado nível de potência, a corrente do enrolamento de alta tensão é inferior à corrente de baixa tensão, o que pode simplificar os requisitos de transporte de corrente do arranjo regulador. Mas esta não é uma regra que deva ser aplicada sem revisão de projeto.

O enrolamento selecionado para derivação afeta a corrente de passagem nominal do OLTC, o nível de isolamento, a geometria do enrolamento, a faixa de regulação, as características de impedância e o posicionamento físico do comutador de derivação. A especificação do projeto deve definir o comportamento necessário do sistema e permitir que o projetista do transformador coordene o enrolamento regulador e o comutador de acordo.

A posição do tap pode afetar mais do que a relação de tensão

Um erro comum na aquisição é assumir que todos os parâmetros do transformador permanecem exatamente inalterados em toda a faixa de taps. Talvez não. A posição do tap pode influenciar a resistência do enrolamento, a perda de carga, a impedância de curto-circuito, a corrente em seções específicas do enrolamento, a tensão de tensão e as condições de fluxo, dependendo do arranjo de regulação.

Para estudos de sistema, os engenheiros precisam entender se os cálculos são baseados na derivação principal, na derivação de tensão máxima, na derivação de tensão mínima ou em outra condição operacional especificada. Estudos de proteção, cálculos de queda de tensão e estudos de operação em paralelo devem utilizar as condições de tap que representam o caso real de operação.

A seleção do OLTC requer mais do que a corrente nominal

Um OLTC deve ser selecionado de acordo com a carga elétrica e operacional real. A IEC/IEEE 60214-2 fornece orientação de aplicação para seleção de comutadores de derivação em carga e desenergizados e considera parâmetros de aplicação, formas de onda de corrente, condições operacionais, sobrecarga, operações repetidas, instalação e serviço de campo.

Referência Técnica: IEC/IEEE 60214-2 — Comissão Eletrotécnica Internacional / IEEE.

A regulação automática de tensão precisa de uma filosofia de controle

A instalação de um OLTC não cria por si só um sistema eficaz de regulação automática de tensão. Caso seja necessário controle automático, o projeto também precisa definir a filosofia do regulador. As entradas típicas podem incluir medição de tensão de barramento, tensão alvo, zona morta, atraso de tempo, limites superior e inferior, feedback de posição de tap, seleção local/remota, comandos de aumento/descida, contatos de alarme e interface SCADA ou DCS.

Figura 3. Lógica de regulação automática de tensão do OLTC e caminho de feedback.

Sem configurações adequadas de banda morta e atraso, um OLTC pode operar desnecessariamente em resposta a flutuações de tensão de curta duração. As operações excessivas de tap aumentam o dever de comutação mecânica e a demanda de manutenção sem fornecer benefícios úteis ao sistema. A filosofia de controle precisa, portanto, distinguir entre desvios de tensão genuínos e sustentados e perturbações temporárias.

Projetos de energias renováveis ​​precisam de atenção especial

Projetos solares, eólicos e BESS podem criar condições de tensão diferentes das redes de distribuição unidirecionais convencionais. O fluxo de energia pode mudar com a irradiância solar, a produção de vento, o carregamento e a descarga da bateria, os modos de operação do inversor e os requisitos de despacho da rede.

Um transformador utilizado neste ambiente não deve ser automaticamente especificado com um OLTC, mas o projeto necessita de um estudo de controle de tensão. A equipe de EPC deve determinar se a regulação de tensão será realizada por controles do inversor, controle de potência reativa, OLTC da subestação, regulação da concessionária a montante ou uma combinação coordenada. Se dois reguladores de tensão independentes reagirem ao mesmo desvio sem coordenação, eles poderão trabalhar um contra o outro.

Transformadores paralelos adicionam outra camada de coordenação

Onde dois transformadores operam em paralelo, a posição do tap e a relação de tensão tornam-se especialmente importantes. Unidades paralelas precisam de relações de tensão e relações de fase compatíveis. Se suas relações efetivas diferirem porque os transformadores estão operando em posições de tap diferentes, poderá ocorrer corrente circulante ou compartilhamento de carga desigual.

Um esquema OLTC automático para transformadores paralelos pode, portanto, precisar de controle mestre-seguidor, controle de corrente circulante, coordenação de posição de tap ou lógica de bloqueio. Isto deve ser acordado antes do comissionamento. A simples instalação de dois transformadores OLTC idênticos não garante uma regulação paralela correta.

O que deve ser verificado durante a FAT?

Um FAT para um transformador equipado com um comutador não deve ser reduzido a verificar se o mecanismo se move. A equipe do projeto deve verificar a relação funcional completa entre o comutador, o transformador e o sistema de controle.

Sequência de posição de toque

Confirme se todas as posições especificadas podem ser alcançadas na sequência correta.

Indicação de posição mecânica

O indicador de posição física deve coincidir com a posição real do tap.

Operação Local e Remota

Onde for fornecido acionamento motorizado, verifique os modos de operação necessários.

Intertravamentos elétricos

Verifique se os limites e os intertravamentos impedem a operação fora da faixa permitida.

Feedback de posição de toque

Confirme se o sinal enviado ao sistema de controle corresponde à posição mecânica real.

Relação do transformador entre torneiras

Revise as medições de relação nas posições de tap necessárias de acordo com o programa de teste do transformador aplicável.

Resistência ao enrolamento

Quando exigido pela especificação do teste, revise os resultados nas posições de derivação relevantes para garantir consistência.

Circuito de controle OLTC

Verifique a alimentação do motor, circuito de controle, alarmes, limites finais e terminais de interface.

Regulador Automático de Tensão

Se o AVR estiver incluído no pacote do transformador, simule comandos de controle relevantes e verifique a resposta.

Figura 4. Fluxo de verificação FAT para um transformador equipado com comutador de derivação.

Checklist FAT para transformadores comutadores

A manutenção deve ser considerada antes da seleção

Um OLTC realiza manobras mecânicas e elétricas durante o serviço. Seus requisitos de ciclo de vida, portanto, diferem daqueles de um simples comutador de derivação desenergizado. A estratégia de manutenção pode depender da tecnologia OLTC, número de operações, serviço atual, meio isolante, instruções do fabricante, ambiente operacional e dados de monitoramento de condição.

A moderna tecnologia OLTC do tipo vácuo pode reduzir certas demandas de manutenção relacionadas ao arco elétrico em comparação com arranjos convencionais de troca de óleo, mas não elimina a necessidade de inspeção e gerenciamento do ciclo de vida. A IEC/IEEE 60214-2 inclui orientações de aplicação que abrangem considerações de serviço de campo, comissionamento, operação, manutenção e monitoramento.

Referência Técnica: IEC/IEEE 60214-2 — Comissão Eletrotécnica Internacional / IEEE.

Erros comuns de especificação do comutador de tap

Especificando OLTC sem estudo de tensão

Isto acrescenta custos e complexidade sem demonstrar que é necessária uma regulamentação contínua.

Selecionar DETC quando o desligamento for inaceitável

O transformador poderá posteriormente exigir correção de relação, mas as operações não poderão desenergizar a carga.

Copiando intervalo de toques de outro projeto

As condições de tensão podem ser completamente diferentes.

Ignorando posições extremas de toque

Corrente, perda, impedância e comportamento térmico devem ser revisados ​​sob as condições relevantes para o projeto do transformador.

Esquecendo a interface de controle

Um OLTC pode ser mecanicamente completo enquanto o projeto ainda não possui as interfaces SCADA, AVR ou de alimentação auxiliar necessárias.

Deixando as decisões do comutador até o projeto tardio

O alcance e a disposição dos taps podem afetar a geometria do enrolamento. Mudanças tardias podem causar um redesenho significativo.

Um fluxo de trabalho prático de seleção de EPC

Obtenha a faixa real de tensão da rede — Use dados da concessionária, resultados de fluxo de carga e cenários operacionais do projeto.

Defina a tensão necessária do barramento controlado — Determine qual faixa de tensão o equipamento downstream realmente precisa.

Determine se a interrupção é aceitável — Se o ajuste de tap só puder ocorrer durante paradas planejadas, o DETC poderá ser adequado. Se a tensão precisar ser corrigida durante a operação contínua, avalie o OLTC.

Estabeleça a faixa e o passo de tap — Baseie-se nos resultados do estudo do sistema, em vez de em um valor padrão copiado.

Definir filosofia de controle — Para sistemas OLTC, especifique operação automática/manual, ponto de ajuste, zona morta, atraso e interfaces remotas.

Revise as condições operacionais anormais — Considere sobrecarga, harmônicos, temperatura ambiente e operações frequentes quando relevante.

Congelar o requisito antes do projeto detalhado do transformador — A disposição dos taps deve fazer parte dos dados aprovados do transformador.

Verifique durante o FAT — Verifique o desempenho elétrico do transformador e o sistema operacional do comutador.

Coordenar o comissionamento do local — As configurações finais do regulador devem corresponder à rede real, não apenas à configuração de teste de fábrica.

Que informações os compradores devem enviar ao fabricante do transformador?

Para um transformador que requer regulação de tensão, uma RFQ útil deve incluir mais do que a capacidade nominal e a tensão nominal. Fornecer:

diagrama unifilar

tensão nominal de alta e baixa tensão

tensão HV máxima e mínima esperada

faixa de barramento regulada necessária de BT/MT

frequência nominal

faixa de toque necessária

etapa de toque preferida, se já determinada

Requisito DETC ou OLTC, se definido

perfil de carga

informações sobre motores grandes

informações sobre inversores renováveis, quando relevante

requisito de operação paralela

controle e filosofia SCADA

alimentação auxiliar

especificação técnica do projeto

Se uma comparação mais ampla de produtos ainda for necessária, revise o site A gama de produtos de transformadores antes de fixar o tipo final do transformador e o esquema de regulação.

Para classificações industriais de médio e grande porte, o O Guia de seleção de transformadores de 2500kVA fornece contexto adicional de aquisição para tensão, refrigeração e seleção específica do projeto.

Escolha o Tap Changer nos requisitos do sistema

A escolha entre um comutador de derivação desenergizado e um OLTC deve partir das necessidades operacionais do sistema de potência. Uma rede industrial estável com ajustes ocasionais de tensão pode ganhar pouco com a complexidade adicional de um OLTC. Uma subestação de serviço público ou um processo crítico que exija regulação contínua de tensão pode não ter alternativa prática.

O mesmo princípio se aplica ao alcance do tap, tamanho do passo e controle. Mais posições não são automaticamente melhores. Uma faixa mais ampla não é automaticamente mais segura. Um OLTC não é automaticamente um transformador de qualidade superior. A solução tecnicamente correta é aquela que mantém o perfil de tensão necessário, ao mesmo tempo em que combina o projeto do transformador, o regime de comutação, a estratégia de manutenção e a filosofia operacional do projeto.

A IEC 60214-1 define requisitos de desempenho e métodos de teste para comutadores de derivação, enquanto a IEC/IEEE 60214-2 fornece orientação de aplicação para seleção, aplicação e manutenção deles.

Referência Técnica: IEC 60214-1 e IEC/IEEE 60214-2 — Comissão Eletrotécnica Internacional / IEEE.

Para a revisão do projeto, a Zisheng Electric pode avaliar a capacidade confirmada do transformador, a tensão do sistema, a faixa de derivação, as condições operacionais e as especificações técnicas em conjunto, em vez de tratar o comutador como um acessório isolado. Se você estiver preparando uma RFQ ou revisão técnica, envie o diagrama unifilar, ficha técnica do transformador, cronograma de carga, faixa de tensão e especificação do projeto.

Nossa equipe de engenharia analisará os requisitos e responderá às consultas do projeto dentro de 24 horas.