Deaktiverede versus belastede tapændringsanordninger: Hvad er forskellen?

Hvad er en Transformator Trin-skifter?

En transformatortrin-skifter er en enhed, der ændrer det effektive antal vindinger i én af transformatorens viklinger. Ved at ændre antallet af vindinger ændres transformatorforholdet og dermed justeres sekundærspændingen.

Den grundlæggende transformatorrelation kan udtrykkes som:

V₁ / V₂ ≈ N₁ / N₂

Hvor:

V₁ er primærspændingen;
V₂ er sekundærspændingen;
N₁ er antallet af primærvindingsvindinger;
N₂ er antallet af vindinger på sekundærviklingen.

Tap-changere installeres normalt på højspændingsviklingen, fordi strømmen er lavere på den side. En lavere strøm kan reducere switchbelastningen og den fysiske størrelse af tap-changer-udstyret. Den faktiske viklingsplacering afhænger dog af transformatorens design og systemkravene.

Transformator-tap-changere falder generelt i to kategorier:

1. Ude-af-drift-tap-changere (DETC)
2. Under-belastning-tap-changere (OLTC)

Den afgørende forskel er, om tap-positionen kan ændres, mens transformatorerne er under spænding og leverer belastning.

Hvad er en ude-af-drift-tap-changer?

En ude-af-drift-tap-changer kan kun betjenes, når transformatorerne er helt ude af drift.

Den kaldes også ofte:

• DETC eller ude-af-drift-tap-changer;
• afbryder til justering uden for kredsløbet;
• afbryder til justering ved frakoblet belastning;
• afbryder til justering ved frakoblet net.

Disse udtryk bruges nogle gange om hverandre på markedet, men »afbryder til justering ved frakoblet net« er den mest præcise beskrivelse, fordi den angiver den væsentlige sikkerhedsbetingelse: transformatoren må ikke være under spænding under drift.

Før tap-stillingen ændres, skal operatører afspærre transformatoren fra alle mulige elektriske kilder, anvende de krævede låse- og mærkeprocedurer, verificere fraværet af spænding og følge transformatorens fabrikants instruktioner.

Hvorfor kan en DETC ikke betjenes, mens den er under spænding?

En konventionel afbryder til justering ved frakoblet net er ikke konstrueret til at etablere eller afbryde laststrøm.

Under en tap-justering kan kontakterne midlertidigt afbryde forbindelsen til én tap, inden forbindelsen til den næste tap etableres. Hvis transformatoren var under spænding, kunne denne handling medføre elektrisk bue dannelse mellem kontakterne.

Mulige konsekvenser inkluderer:

• brændte eller slidte kontakter;
• kulstofdannelse i isoleringsmateriale eller olie;
• indre kortslutninger;
• tap-changer-fejl;
• transformatorbeskadigelse;
• brand- eller personfarer.

Af denne grund må en DETC aldrig betjenes blot fordi transformatoreren synes at være „let belastet“. Den må kun betjenes under de udsatte betingelser, som fabrikanten har specificeret.

Fordele ved en De-Energized Tap Changer

En DETC har en relativt simpel mekanisk og elektrisk konstruktion.

De primære fordele inkluderer typisk:

• lavere startomkostning;
• kompakt konstruktion;
• færre bevægelige komponenter;
• lav vedligeholdelseskrav;
• høj mekanisk pålidelighed;
• simpel manuel betjening;
• egnet til sjældne spændingsjusteringer.

En DETC er ofte passende, når forsyningspændingen er relativt stabil, og transformatorens tap-position kun skal vælges ved installation, idriftsættelse, sæsonvedligeholdelse eller en planlagt nedlukning.

Begrænsninger ved en De-Energized Tap Changer

Den primære begrænsning er, at justering af tap kræver, at transformatorerne tages ud af drift.

En DETC er derfor mindre egnet, når:

• spændingen varierer hyppigt;
• belastningen ændrer sig betydeligt i løbet af dagen;
• produktionen må ikke afbrydes;
• spændingen skal holdes inden for et snævert driftsområde;
• fjern- eller automatisk regulering er påkrævet;
• vedvarende energiproduktion forårsager hyppige spændningssvingninger.

En deaktiveret tap changer korrigerer heller ikke automatisk spændingsændringer, medmindre en operatør slukker transformatoren og manuelt vælger en anden position.

Hvad er en on-load tap changer?

En on-load tap changer ændrer transformatorforholdet, mens transformatorerne forbliver strømførende og fører laststrøm.

Det forkortes almindeligvis som OLTC . I nogle markeder bruges også betegnelsen load tap changer , eller LTC.

En OLTC overfører laststrømmen fra én vindingstap til en nærliggende tap uden at afbryde forsyningen. Denne funktion gør den velegnet til elsystemer, der kræver hyppig, automatisk eller fjernstyret spændingsregulering.

IEC 60214 omfatter krav til ydeevne og prøvningsmetoder for pålastede og aflastede tapchangers. Ifølge IEC’s anvendelsesprincipper er en OLTC konstrueret til at ændre transformatorforholdet, mens transformatorerne er strømførende og belastet, uden at afbryde forsyningen.

Typiske OLTC-anvendelser

Transformatorer med pålastet tapændring anvendes almindeligt i:

• transmissionssubstationer;
• distributionssubstationer;
• kraftværker;
• stål- og metallurgiske anlæg;
• miner;
• datacentre;
• store industrielle anlæg;
• vedvarende-energiprojekter;
• kritisk infrastruktur;
• anlæg med last, der er følsom over for afbrydelser.

---

Hvordan fungerer en belastningsafbryder?

En OLTC skal udføre to opgaver samtidigt:

1. Oprethold strømstien under tap-skiftet.
2. Forhindre en for stor cirkulerende strøm mellem nabotaps.

Nabotransformertaps har forskellige elektriske potentialer. En direkte forbindelse mellem dem ville skabe en cirkulerende strøm, der kunne være stor nok til at beskadige vindingen eller skifteudstyret.

En OLTC bruger derfor en kontrolleret overgangsproces.

Make-Before-Break-switchning

En typisk OLTC opretter en forbindelse til det næste tap, inden det oprindelige tap fuldt ud afbrydes. Dette driftsprincip beskrives almindeligvis som make before break .

Under den korte overgangsperiode kan OLTC være forbundet til to nabotaps.

Der indføres en impedans for at begrænse den cirkulerende strøm mellem dem. Afhængigt af OLTC-konstruktionen kan denne overgangsimpedans være:

• en overgangsmodstand;
• en overgangstransformator, nogle gange kaldet en forebyggende autotransformator.

Megger beskriver OLTC-processen som at broføre en tilstødende tap, inden den belastningsbærende tap afbrydes. En resistiv eller reaktiv impedans begrænser cirkulerende strøm, mens de to taps midlertidigt er forbundet.

Typisk sekvens for resistorbaseret OLTC

Selvom den præcise sekvens afhænger af OLTC-konstruktionen, er en forenklet resistorbaseret drift følgende:

1. Transformatoren fører belastning gennem den aktuelle tap.
2. En overgangskontakt forbinder den næste tap via en overgangsmodstand.
3. Begge taps er midlertidigt forbundet, mens modstanden begrænser cirkulerende strøm.
4. Den primære strømvej overføres til den nye tap.
5. Den oprindelige tap afbrydes.
6. Overgangsmodstanden fjernes fra kredsløbet.
7. OLTC udfører handlingen på den nye serviceposition.

Overgangsmodstanden bruges kun i en kort skiftetid. Den er ikke beregnet til at forblive kontinuerligt tilsluttet i en normal serviceposition.

Moderne OLTC’er kan bruge konventionelle buekontakter, vakuumafbrydere, modstandsovergange, reaktorovergange eller andre fabrikantspecifikke arrangementer.

---

Hovedkomponenter i en OLTC

En traditionel modstands-baseret OLTC kan omfatte:

Tapvælger

Tapvælgeren identificerer den næste vindingstap. Den udfører normalt valgfunktionen uden at skifte den fulde laststrøm.

Diverterafbryder

Diverterafbryderen overfører laststrømmen fra den oprindelige tap til den valgte tap.

Overgangsmodstande

Overgangsmodstandene begrænser cirkulerende strøm, mens to nabopositioner midlertidigt er forbundet.

Skifteselektor

En omstilling- eller grov/fin-skifteselektor kan udvide reguleringens område uden at kræve et overdreven stort antal tilslutninger til reguleringsspolen.

Motordrevet mekanisme

Den motordrevne mekanisme leverer den nødvendige energi og den kontrollerede sekvens til gennemførelse af en trinændring.

Afhængigt af konstruktionen kan OLTC også inkludere:

• positionsindikatorer;
• mekaniske og elektriske grænsekontakter;
• driftstællere;
• lokale og fjernbetjeninger;
• automatiske spændingsreguleringsrelæer;
• olieniveaumålere;
• tryk- eller gasaktiveret beskyttelse;
• temperaturovervågning;
• online tilstandsövervågningsenheder.

Ikke alle OLTC’er indeholder de samme komponenter. Vakuum-OLTC’er og tør-type-OLTC’er har f.eks. muligvis forskellige afbryder- og isoleringsarrangementer.

---

Hvordan påvirker tap-ændring sekundærspændingen?

For en transformator med reguleringstap på højspændingsviklingen og en relativt konstant primærspænding:

• At øge det effektive antal vindinger i højspændingsviklingen øger forholdet og sænker som regel sekundærspændingen.
• At reducere det effektive antal vindinger i højspændingsviklingen reducerer forholdet og hæver som regel sekundærspændingen.

I forenklede termer:

\[ V_2 \approx V_1 \times \frac{N_2}{N_1} \]

Hvis \(V_1\) og \(N_2\) forbliver konstante:

• øgning af \(N_1\) reducerer \(V_2\);
• formindskelse af \(N_1\) øger \(V_2\).

Udtryk som »hæv tap«, »sænk tap«, »tap op« og »tap ned« er dog ikke universelt ensartede. Deres betydning kan afhænge af fabrikanten, forsyningsvirksomhedens konvention, viklingsanordningen, styresystemet eller metoden til nummerering af tap-positioner.

Operatører bør derfor basere sig på:

• transformatorens typeplade;
• tap-positionskortet;
• styringsdiagrammet;
• oLTC-instruktionsmanualen;
• den godkendte driftsprocedure.

De må ikke antage spændingsretningen udelukkende ud fra tap-positionens nummer.

---

DETC versus OLTC: Hovedforskelle

Den præcise omkostning, størrelse, vedligeholdelsesinterval og driftsevne afhænger af transformatorens mærkeeffekt, spændingsklasse, tap-område, skifteteknologi og fabrikant. En fast prisforhold mellem DETC- og OLTC-transformatorer bør ikke betragtes som en universel regel.

---

Hvorfor vælge en on-load tap-changing-transformator?

1. Spændingsregulering uden rutinemæssig nedlukning

Den primære fordel ved en OLTC er, at den kan justere transformatorforholdet uden at tage transformatoreren ud af drift ved hver tap-operation.

Dette er værdifuldt, hvor en planlagt afbrydelse ville påvirke:

• kontinuerlig fremstilling;
• kritisk infrastruktur;
• computersystemer og kommunikationssystemer;
• hospitaler;
• jernbanesystemer;
• udvindingsdrift;
• utility-kunder.

En OLTC understøtter forsyningens kontinuitet, men garanterer ikke, at et elektrisk system aldrig vil opleve en afbrydelse. Transformatorfejl, beskyttelsesfunktioner, fejl i netværket ovenfor, vedligeholdelse og andre systemhændelser kan stadig afbryde strømforsyningen.

2. Forbedret spændingsoverholdelse

Spændingen varierer på grund af skiftende belastning, føderimpedans, strømretning, generatorudgang og forhold i netværket ovenfor.

En OLTC kan hjælpe med at holde den styrede bus-spænding inden for dens specificerede interval. Vedligeholdelse af acceptabel spænding understøtter:

• korrekt udstyrsdrift;
• strømkvalitet;
• motorperformance;
• isoleringslevetid;
• kundens spændingskompatibilitet;
• systemets driftsstabilitet.

3. Bedre samordning med reaktiv-effektkompensation

Den reaktive effekt fra en parallelkondensator er tilnærmelsesvis proportional med kvadratet af driftsspændingen:

\[ Q \propto V^2 \]

Hvis spændingen falder, producerer kondensatorbatteriet mindre reaktiv effekt. Hvis spændingen stiger overdrevent, øges den reaktive effektudgang og kan bidrage til overspænding eller overkompensation.

Samordning af OLTC-styring med kondensatorbatterier, reaktorer, statiske VAR-kompensatorer (STATCOM), STATCOM-enheder og inverterbaserede ressourcer kan forbedre den samlede spændings- og reaktiv-effektstyring.

Styringsstrategien skal udformes omhyggeligt. Dårlig samordning kan medføre overdreven tapbetjening, kondensatorskift, kontroljagt eller ugunstig reaktiv-effektflyd.

4. Reduceret nettab i visse driftstilstande

At holde systemspændingen inden for et passende driftsområde kan reducere overdreven strøm og undgå nogle nettab.

Det er dog for bredt at påstå, at hver enkelt OLTC-drift automatisk minimerer tab. Det faktiske resultat afhænger af:

• lastkarakteristika;
• effektfaktor;
• forsyningsledningens impedans;
• spændningsafhængig efterspørgsel;
• transformatorernes tab;
• reaktiveffektstrømme;
• decentraliseret elproduktion;
• styringsmål.

Moderne spændingsstyringsstrategier tager derfor højde for mere end kun spænding.

5. Fjern- og automatisk drift

En OLTC kan styres via:

• lokale trykknappe;
• et fjernstyringssystem;
• SCADA;
• en automatisk spændingsreguleringsrelæ;
• koordineret understationsautomatisering.

Automatisk regulering giver kontrolsystemet mulighed for at sammenligne den målte spænding med en målværdi og udsende kommandoer til at øge eller mindske spændingen, når de konfigurerede tidsforsinkelser og dødbandsbetingelser er opfyldt.

Dødbandet og forsinkelsen forhindrer unødvendige operationer forårsaget af små eller midlertidige spændingsændringer.

---

Hvornår bør en OLTC ikke betjenes?

Der findes ikke én enkelt universel liste, der gælder for alle OLTC'er. Tilladt drift afhænger af dens nominelle gennemstrømning, konstruktion, beskyttelsessystem, brugsanvisning, transformatorens tilstand og lokale procedurer.

Operatører skal følge instruktionerne fra transformator- og OLTC-producenterne.

Tap-changing kan kræve blokering eller udsættelse under følgende forhold.

Strømmen overstiger den tilladte skiftedrift

En OLTC har en nominel gennemstrømning og en specificeret driftsevne. Hvis transformatorstrømmen overstiger den tilladte værdi for tap-changing, kan skiftningen overbelaste overgangskontakterne, vakuumafbrydere, overgangsmodstande eller andre strømførende komponenter.

Nogle OLTC'er har en specificeret overlastevne, mens andre skal blokeres ved en konfigureret strømtræskel. Overlastdrift skal derfor vurderes ud fra den faktiske OLTC-rating og producentens brugsanvisning – ikke efter en generisk regel.

Unormal OLTC-beskyttelsesalarm

Oldeimmerede OLTC’er kan have dedikerede trykrelæer, oliestrømsrelæer, gasaktiverede enheder eller anden beskyttelsesudstyr.

En alarm kan indikere bue dannelse, gasdannelse, et oliesystemproblem eller en anden unormal intern betingelse. Yderligere tapdrift bør ikke forsøges, før alarmerne er undersøgt i henhold til driftsanvisningerne.

Beskyttelsesarrangementer adskiller sig for konventionelle olie-OLTC’er, vakuum-OLTC’er, gasisolerede enheder og tørretypetapchangers.

Utilstrækkeligt isoleringsmedium

For en olieisolerede OLTC kan driften være forbudt, hvis:

• oliestanden er under den tilladte interval;
• dielektrisk styrke er utilstrækkelig;
• olien er kraftigt forurenet;
• der registreres utætheder;
• oliekompartimentet eller tryksystemet er unormalt.

Disse betingelser gælder ikke på samme måde for alle tap-changer-teknologier.

Drev- eller positionsangivelse er unormal

Driften skal stoppes, hvis OLTC viser:

• ufuldstændig tap-ændring;
• positionsuoverensstemmelse;
• motor-drevsfejl;
• mekanisk klemning;
• uventet støj;
• gentagne beskyttelsesudløsninger;
• beskadigede grænsekontakter;
• en driftstæller eller en tidsanomali.

Gentagen udsendelse af kommandoer til en blokeret eller ufuldstændig OLTC kan forværre skaden.

Vedligeholdelsesgrænsen er nået

En OLTC har specificeret inspektions- eller vedligeholdelseskriterier baseret på faktorer såsom:

• antal drifter;
• skiftet strøm;
• kontaktslid;
• olieforhold;
• tid i drift;
• producentens anbefalinger;
• resultater fra tilstandsmonitorering.

Hvis en vedligeholdelsesgrænseværdi er nået, kan fortsat drift muligvis ikke tillades, før den påkrævede inspektion eller service er gennemført.

---

Hvorfor kan høj strøm være farlig under en tapændring?

Under en OLTC-overgang af modstandstypen skal det skiftende system bære transformatorlaststrømmen samtidig med at det styrer den cirkulerende strøm mellem nabotaps.

Overgangskomponenterne udsættes for kombineret elektrisk og termisk belastning. Hvis driftsstrømmen overstiger OLTC’s tilladte skiftkapacitet, kan belastningen på kontakter og overgangsmodstande stige ud over deres konstruktionsgrænser.

Mulige konsekvenser inkluderer:

• udtalt kontaktslidage;
• overopvarmning;
• kraftig lysbue;
• skade på overgangsmodstande;
• olieafgradning;
• trykstigning;
• beskyttelsesdrift;
• OLTC- eller transformatorfejl.

Derfor indeholder mange transformatorstyringssystemer en overstrømsblokeringsfunktion til automatiske trinjusteringskommandoer.

Blokeringsværdien skal dog baseres på den faktiske OLTC-rating, transformatorudformningen, relæindstillingerne og fabrikantens instruktioner.

---

Hvordan man vælger mellem DETC og OLTC

En afslukket trinjusterer kan være det bedre valg, når:

• indgående spænding er stabil;
• trinjustering sjældent er nødvendig;
• planlagte nedlukninger er acceptabelle;
• enkelhed er en prioritet;
• automatisk kontrol er unødvendig;
• lavere startomkostning er vigtig.

En belastningsafbrydertransformator kan være foretrukket, når:

• spændingen ændrer sig hyppigt;
• belastningerne varierer betydeligt;
• forsyningskontinuitet er vigtig;
• automatisk spændningsregulering kræves;
• fjernstyring kræves;
• vedvarende energiproduktion påvirker spændingen;
• den kontrollerede bus skal forblive inden for en smal spændingsbånd.

Beslutningen bør tage hensyn til levetidskrav frem for udelukkende den oprindelige transformatorpris.

Vigtige vurderingsfaktorer inkluderer:

• spændingsreguleringsområde;
• antal og størrelse af trin på tap;
• maksimal gennemstrømning;
• frekvens af operationer;
• lastprofil;
• kortslutningsbelastning;
• isolationsniveau;
• vedligeholdelsesressourcer;
• krav til styring og kommunikation;
• krævet pålidelighed;
• miljøforhold;
• gældende standarder.

Ofte stillede spørgsmål

Kan en afslukket tap-changer betjenes, når transformatoren er uden belastning, men stadig er under spænding?

Normalt nej.

En afslukket tap-changer kræver generelt, at transformatoren er elektrisk afslukket, ikke blot ubelastet. En transformer under spænding kan stadig udøve spænding over tap-changer-kontakterne, selv hvis sekundærbelastningsstrømmen er lav eller fraværende.

Følg altid fremstillerens isolationsprocedure.

Gør en OLTC transformatoren uafbrudt?

Nej.

En OLTC undgår en nedlukning udelukkende for almindelig tap-justering. Den beskytter ikke systemet mod alle typer transformer-, net-, beskyttelses- eller forsyningsfejl fra højere niveau.

Kritiske faciliteter kræver muligvis stadigvæk redundante transformatorer, dobbelte strømkilder, UPS-systemer, generatorer, overføringssystemer eller andre foranstaltninger til sikring af kontinuitet.

Bruger alle OLTC-overgangsmotstande?

Nej.

Mange OLTC'er bruger overgangsmotstande, men andre bruger overgangsreaktorer. Moderne design kan også bruge vakuumafbrydere og forskellige udvælger- eller afbryderkontaktopstillinger.

Er en OLTC altid automatisk?

Nej.

En OLTC kan betjenes manuelt, elektrisk fra et lokalbetjeningspanel, fjernbetjenes via SCADA eller automatisk via en spændingsreguleringsrelæ.

Øger et højere tap-nummer altid sekundærspændingen?

Ikke nødvendigvis.

Nummerering af tap-positioner og konventioner for „højere/lavere“ varierer. Operatører skal tjekke transformatorens tap-tabel og kontrol-dokumentationen.

Er en DETC mere pålidelig end en OLTC?

En DETC er mekanisk enklere og kræver generelt mindre vedligeholdelse. En OLTC er mere kompliceret, fordi den skal skifte belastningsstrøm uden at afbryde forsyningen.

Dog selv pålideligheden afhænger af design, anvendelse, vedligeholdelse, driftsbelastning, installation og fremstillingens kvalitet.

Hvor ofte skal en OLTC vedligeholdes?

Der findes ingen universel interval.

Vedligeholdelse kan afhænge af forløbet tid, antal driftenheder, skiftet strømbelastning, kontaktslid, oliekvalitet, diagnostiske resultater og fabrikantens instruktioner. Vakuum-OLTC’er kan have andre vedligeholdelseskrav end konventionelle olieskiftende OLTC’er.

Konklusion

Forskellen mellem en de-energiseret tap changer og en on-load tap changer er simpel:

• A DETC ændrer transformatorforholdet kun, når transformator er de-energiseret.
• En OLTC ændrer forholdet, mens transformator er energiseret og bærer belastning.

Teknologien bag en OLTC er mere kompleks. Den skal opretholde strømstien til belastningen samtidig med at begrænse cirkulerende strøm mellem nabovindingstap. Dette opnås gennem en kontrolleret skiftesekvens ved brug af overgangsmodstand eller -reaktans, afhængigt af designet.

DETC'er er økonomiske, kompakte og egnet til sjælden justering. OLTC'er er mere velegnede til anvendelser, der kræver hyppig spændingsregulering, fjernstyring, automatisk drift eller forbedret kontinuitet under tap-ændringer.

Den endelige beslutning bør baseres på kraftsystemet, driftskravene, vedligeholdelsesstrategien, gældende standarder og den samlede levetidsomkostning.