Interruptores de derivación sin carga frente a con carga: ¿cuál es la diferencia?

What is a Transformador ¿Interruptor de derivación?

Un interruptor de derivación para transformador es un dispositivo que modifica el número efectivo de vueltas en uno de los devanados del transformador. Al cambiar el número de vueltas se modifica la relación de transformación y, por ende, se ajusta el voltaje secundario.

La relación básica de un transformador se puede expresar como:

V₁ / V₂ ≈ N₁ / N₂

Donde:

V₁ es el voltaje primario;
V₂ es el voltaje secundario;
N₁ es el número de vueltas del devanado primario;
N₂ es el número de vueltas del devanado secundario.

Los cambiadores de derivación suelen instalarse en el devanado de alta tensión porque la corriente es menor en ese lado. Una corriente menor puede reducir la carga de conmutación y el tamaño físico del equipo de cambio de derivación. Sin embargo, la ubicación real del devanado depende del diseño del transformador y de los requisitos del sistema.

Los cambiadores de derivación de transformadores se clasifican generalmente en dos categorías:

1. Cambiadores de derivación sin carga, o DETCs
2. Cambiadores de derivación bajo carga, o OLTCs

La diferencia fundamental radica en si la posición de derivación puede modificarse mientras el transformador está energizado y suministrando carga.

¿Qué es un cambiador de derivación sin carga?

Un cambiador de derivación sin carga solo puede operarse cuando el transformador está completamente desenergizado.

También se le denomina comúnmente:

• DETC, o cambiador de derivaciones sin energía;
• cambiador de derivaciones fuera de circuito;
• cambiador de derivaciones en vacío;
• cambiador de derivaciones sin carga.

Estos términos se usan a veces indistintamente en el mercado, pero «cambiador de derivaciones sin energía» es la descripción más clara porque indica la condición esencial de seguridad: el transformador no debe estar energizado durante su operación.

Antes de cambiar la posición de derivación, los operadores deben aislar el transformador de todas las fuentes eléctricas posibles, aplicar los procedimientos obligatorios de bloqueo y etiquetado (lockout/tagout), verificar la ausencia de tensión y seguir las instrucciones del fabricante del transformador.

¿Por qué no se puede operar un DETC estando energizado?

Un cambiador de derivaciones sin energía convencional no está diseñado para hacer ni interrumpir corriente de carga.

Durante un cambio de derivación, sus contactos pueden desconectarse temporalmente de una derivación antes de establecer la conexión con la siguiente. Si el transformador estuviera energizado, esta acción podría provocar arcos eléctricos entre los contactos.

Las consecuencias posibles incluyen:

• contactos quemados o erosionados;
• carbonización del material aislante o del aceite;
• cortocircuitos internos;
• fallo del cambiador de derivaciones;
• daño al transformador;
• incendio o riesgos para el personal.

Por esta razón, un DETC nunca debe operarse simplemente porque el transformador parezca estar «ligeramente cargado». Solo debe operarse en las condiciones de desconexión eléctrica especificadas por el fabricante.

Ventajas de un cambiador de derivaciones bajo desconexión eléctrica

Un DETC tiene una estructura mecánica y eléctrica relativamente sencilla.

Sus principales ventajas suelen incluir:

• un costo inicial más bajo;
• construcción compacta;
• menos componentes móviles;
• bajos requisitos de mantenimiento;
• alta fiabilidad mecánica;
• funcionamiento manual sencillo;
• adecuado para ajustes de tensión poco frecuentes.

Un DETC suele ser apropiado cuando la tensión de suministro es relativamente estable y la posición del toma del transformador solo necesita seleccionarse durante la instalación, puesta en servicio, mantenimiento estacional o una parada programada.

Limitaciones de un cambiador de tomas sin carga

La limitación principal es que el ajuste de tomas requiere sacar el transformador de servicio.

Por lo tanto, un DETC es menos adecuado cuando:

• el voltaje varía con frecuencia;
• las cargas cambian significativamente durante el día;
• la producción no puede interrumpirse;
• el voltaje debe mantenerse dentro de un margen operativo estrecho;
• se requiere regulación remota o automática;
• la generación renovable provoca fluctuaciones frecuentes del voltaje.

Un cambiador de derivaciones sin carga tampoco corrige automáticamente los cambios de voltaje, a menos que un operador desconecte el transformador y seleccione manualmente una posición distinta.

¿Qué es un cambiador de derivaciones bajo carga?

Un cambiador de derivaciones bajo carga modifica la relación del transformador mientras este permanece energizado y conduce corriente de carga.

Se abrevia comúnmente como OLTC . En algunos mercados, también se utiliza el término cambiador de derivaciones bajo carga , o LTC.

Un OLTC transfiere la corriente de carga de una derivación del devanado a una derivación adyacente sin interrumpir el suministro. Esta capacidad lo hace adecuado para sistemas eléctricos que requieren regulación automática, remota o frecuente de la tensión.

La norma IEC 60214 establece los requisitos de rendimiento y los métodos de ensayo para cambiadores de derivaciones bajo carga y sin carga. Según los principios de aplicación de la IEC, un OLTC está diseñado para modificar la relación de transformación del transformador mientras este se encuentra energizado y cargado, sin interrumpir el suministro.

Aplicaciones típicas de los OLTC

Los transformadores con cambiador de derivaciones bajo carga se utilizan comúnmente en:

• subestaciones de transmisión;
• subestaciones de distribución;
• centrales eléctricas;
• instalaciones siderúrgicas y metalúrgicas;
• minas;
• centros de datos;
• grandes plantas industriales;
• proyectos de energías renovables;
• infraestructura crítica;
• instalaciones con cargas sensibles a las interrupciones.

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¿Cómo funciona un cambiador de derivaciones bajo carga?

Un OLTC debe realizar dos tareas simultáneamente:

1. Mantenga la trayectoria de corriente de carga durante el cambio de derivación.
2. Evite una corriente circulante excesiva entre derivaciones adyacentes.

Las derivaciones adyacentes del transformador tienen diferentes potenciales eléctricos. Conectarlas directamente generaría una corriente circulante lo suficientemente grande como para dañar el devanado o el equipo de conmutación.

Por lo tanto, un regulador automático de tensión bajo carga (OLTC) utiliza un proceso de transición controlado.

Conmutación de conexión antes de desconexión

Un OLTC típico establece una conexión con la siguiente derivación antes de desconectar por completo la derivación original. Este principio de funcionamiento se describe comúnmente como conexión antes de desconexión .

Durante el breve período de transición, el OLTC puede estar conectado a dos derivaciones adyacentes.

Se introduce una impedancia para limitar la corriente circulante entre ellas. Dependiendo del diseño del OLTC, esta impedancia de transición puede ser:

• una resistencia de transición;
• un reactor de transición, también denominado autotransformador preventivo.

Megger describe el proceso de CMT como el puente entre una derivación adyacente antes de interrumpir la derivación que transporta la carga. Una impedancia resistiva o reactiva limita la corriente circulante mientras las dos derivaciones permanecen conectadas temporalmente.

Secuencia típica de CMT de tipo resistivo

Aunque la secuencia exacta depende del diseño del CMT, una operación simplificada de tipo resistivo es:

1. El transformador transporta la carga mediante la derivación actual.
2. Un contacto de transición conecta la siguiente derivación a través de una resistencia de transición.
3. Ambas derivaciones quedan conectadas temporalmente, mientras la resistencia limita la corriente circulante.
4. La trayectoria principal de corriente se transfiere a la nueva derivación.
5. Se desconecta la derivación original.
6. Se retira la resistencia de transición del circuito.
7. El OLTC completa la operación en la nueva posición de servicio.

La resistencia de transición se utiliza únicamente durante un breve período de conmutación. No está diseñada para permanecer conectada de forma continua en una posición de servicio normal.

Los OLTC modernos pueden utilizar contactos de arco convencionales, interruptores al vacío, transiciones por resistencias, transiciones por reactancias u otras disposiciones específicas del fabricante.

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Componentes principales de un OLTC

Un OLTC tradicional de tipo resistivo puede incluir:

Selector de derivaciones

El selector de derivaciones identifica la siguiente derivación del devanado. Normalmente realiza la función de selección sin conmutar la corriente nominal completa.

Interruptor de derivación

El interruptor de derivación transfiere la corriente de carga desde la derivación original a la derivación seleccionada.

Resistencias de transición

Las resistencias de transición limitan la corriente circulante mientras dos tomas adyacentes están conectadas temporalmente.

Selector de conmutación

Un selector de conmutación inversora o de cambio brusco/fino puede ampliar el rango de regulación sin requerir un número excesivo de conexiones del devanado regulador.

Mecanismo de accionamiento motorizado

El mecanismo de accionamiento motorizado suministra la energía y la secuencia controlada necesarias para completar un cambio de toma.

Según el diseño, el regulador bajo carga (OLTC) también puede incluir:

• indicadores de posición;
• interruptores de fin de carrera mecánicos y eléctricos;
• contadores de operaciones;
• controles locales y remotos;
• relés reguladores automáticos de voltaje;
• indicadores del nivel de aceite;
• protección accionada por presión o gas;
• supervisión de temperatura;
• dispositivos de monitorización en línea del estado.

No todos los cambiadores de tomas bajo carga contienen los mismos componentes. Por ejemplo, los cambiadores de tomas bajo carga al vacío y los cambiadores de tomas bajo carga de tipo seco pueden tener distintos arreglos de conmutación y aislamiento.

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¿Cómo afecta el cambio de tomas al voltaje secundario?

Para un transformador con tomas reguladoras en el devanado de alta tensión y una alimentación primaria relativamente constante:

• Aumentar el número efectivo de vueltas del devanado de alta tensión incrementa la relación y, por lo general, reduce el voltaje secundario.
• Reducir el número efectivo de vueltas del devanado de alta tensión disminuye la relación y, por lo general, eleva el voltaje secundario.

En términos simplificados:

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

Si \(V_1\) y \(N_2\) permanecen constantes:

• aumentar \(N_1\) reduce \(V_2\);
• disminuir \(N_1\) aumenta \(V_2\).

Sin embargo, expresiones como «subir toma», «bajar toma», «toma arriba» y «toma abajo» no son universalmente coherentes. Su significado puede depender del fabricante, la convención de la compañía eléctrica, la disposición de los devanados, el sistema de control o el método de numeración de las posiciones.

Los operadores deben, por tanto, basarse en:

• la placa de características del transformador;
• el diagrama de posiciones de toma;
• el esquema de control;
• el manual de instrucciones del regulador bajo carga (OLTC);
• el procedimiento operativo aprobado.

No deben asumir la dirección del voltaje únicamente en función del número de posición del toma.

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DETC frente a OLTC: principales diferencias

El costo exacto, el tamaño, el intervalo de mantenimiento y la capacidad operativa dependen de la potencia nominal del transformador, la clase de tensión, el rango de tomas, la tecnología de conmutación y el fabricante. No debe considerarse como una regla universal una relación de precio fija entre transformadores DETC y transformadores OLTC.

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¿Por qué elegir un transformador con cambio de tomas bajo carga?

1. Regulación de tensión sin interrupciones programadas

La ventaja principal de un OLTC es que puede ajustar la relación de transformación sin necesidad de retirar el transformador del servicio para cada operación de cambio de toma.

Esto resulta valioso cuando una interrupción planificada afectaría:

• la fabricación continua;
• infraestructura crítica;
• los sistemas informáticos y de comunicaciones;
• los hospitales;
• los sistemas ferroviarios;
• operaciones mineras;
• clientes de servicios públicos.

Un OLTC apoya la continuidad del suministro, pero no garantiza que un sistema eléctrico nunca experimente una interrupción. Fallas en transformadores, operaciones de protección, fallos aguas arriba, mantenimiento y otros eventos del sistema aún pueden interrumpir el suministro de energía.

2. Mejora de la conformidad con los niveles de tensión

La tensión varía debido a cambios en la carga, la impedancia de la línea de distribución, la dirección del flujo de potencia, la producción de generación y las condiciones de la red aguas arriba.

Un OLTC puede ayudar a mantener la tensión en el bus controlado dentro de su rango especificado. Mantener una tensión aceptable favorece:

• el funcionamiento adecuado de los equipos;
• la calidad de la energía;
• el rendimiento de los motores;
• la vida útil del aislamiento;
• cumplimiento del voltaje por parte del cliente;
• estabilidad operativa del sistema.

3. Mejor coordinación con la compensación de potencia reactiva

La salida de potencia reactiva de un condensador en derivación es aproximadamente proporcional al cuadrado del voltaje de operación:

\[ Q \propto V^2 \]

Si el voltaje disminuye, el banco de condensadores produce menos potencia reactiva. Si el voltaje aumenta excesivamente, la salida de potencia reactiva se incrementa y puede contribuir a sobrevoltajes o sobrecompensación.

Coordinar el control del regulador automático de tensión bajo carga (OLTC) con bancos de condensadores, reactores, compensadores estáticos de potencia reactiva (SVC), STATCOM y recursos basados en inversores puede mejorar la gestión general de voltaje y potencia reactiva.

La estrategia de control debe diseñarse cuidadosamente. Una mala coordinación puede provocar operaciones excesivas de cambio de tomas, conmutación de condensadores, oscilaciones de control o flujos desfavorables de potencia reactiva.

4. Reducción de pérdidas en la red en ciertas condiciones de operación

Mantener el voltaje del sistema dentro de un rango operativo adecuado puede reducir corrientes excesivas y evitar algunas pérdidas en la red.

Sin embargo, es demasiado general afirmar que toda operación de un cambiador de tomas bajo carga (OLTC) minimiza automáticamente las pérdidas. El resultado real depende de:

• las características de la carga;
• el factor de potencia;
• la impedancia del alimentador;
• la demanda dependiente de la tensión;
• las pérdidas del transformador;
• el flujo de potencia reactiva;
• la generación distribuida;
• los objetivos de control.

Por lo tanto, las estrategias modernas de control de tensión consideran más que solo la tensión.

5. Operación remota y automática

Un OLTC puede controlarse mediante:

• botones pulsadores locales;
• un sistema de control remoto;
• SCADA;
• un relé automático regulador de tensión;
• automatización coordinada de subestaciones.

La regulación automática permite que el sistema de control compare la tensión medida con un valor objetivo e emita órdenes de subida o bajada tras cumplirse el retardo temporal y las condiciones de banda muerta configuradas.

La banda muerta y el retardo evitan operaciones innecesarias causadas por cambios pequeños o temporales de tensión.

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¿Cuándo no debe operarse un OLTC?

No existe una única lista universal aplicable a todos los OLTC. La operación permitida depende de su corriente nominal de paso, diseño, sistema de protección, manual de operación, estado del transformador y procedimientos del sitio.

Los operadores deben seguir las instrucciones suministradas por los fabricantes del transformador y del OLTC.

El cambio de tomas puede necesitar bloquearse o suspenderse en condiciones como las siguientes.

La corriente supera el servicio de conmutación permitido

Un OLTC tiene una corriente nominal de paso y una capacidad operativa especificada. Si la corriente del transformador supera el valor permitido para el cambio de tomas, la conmutación podría sobrecargar los contactos de transición, los interruptores de vacío, las resistencias de transición u otros componentes portadores de corriente.

Algunos OLTC tienen una capacidad especificada para sobrecarga, mientras que otros deben bloquearse por encima de un umbral de corriente configurado. Por lo tanto, la operación en sobrecarga debe evaluarse según la clasificación real del OLTC y el manual del fabricante, no según una regla genérica.

Alarma anormal del sistema de protección del OLTC

Los reguladores de tensión sumergidos en aceite pueden tener relés de presión dedicados, relés de caudal de aceite, dispositivos accionados por gas u otro equipo de protección.

Una alarma puede indicar arco eléctrico, formación de gas, un problema en el sistema de aceite u otra condición interna anormal. No se debe intentar ninguna operación adicional del cambiador de derivaciones hasta que se haya investigado la alarma conforme a las instrucciones de funcionamiento.

Las disposiciones de protección varían según el tipo de regulador de tensión: unidades convencionales con aceite, unidades con vacío, unidades aisladas con gas y cambiadores de derivaciones de tipo seco.

Medio aislante inadecuado

En un regulador de tensión aislado con aceite, la operación puede estar prohibida si:

• el nivel de aceite está por debajo del rango permitido;
• la rigidez dieléctrica es inaceptable;
• el aceite está severamente contaminado;
• se detecta una fuga;
• el compartimento de aceite o el sistema de presión presenta anomalías.

Estas condiciones no se aplican de la misma manera a todas las tecnologías de cambiadores de tomas.

Indicación de accionamiento o posición anormal

La operación debe detenerse si el OLTC muestra:

• cambio de toma incompleto;
• desacuerdo de posición;
• fallo del accionamiento por motor;
• atascamiento mecánico;
• ruido inesperado;
• disparos repetidos de protección;
• interruptores de fin de carrera dañados;
• un contador de operaciones o una anomalía temporal.

Emitir repetidamente órdenes a un OLTC atascado o incompleto puede agravar los daños.

Se ha alcanzado el límite de mantenimiento

Un OLTC ha especificado criterios de inspección o mantenimiento basados en factores tales como:

• número de operaciones;
• corriente conmutada;
• desgaste de los contactos;
• estado del aceite;
• tiempo en servicio;
• recomendaciones del fabricante;
• resultados del monitoreo de condiciones.

Si se ha alcanzado un umbral de mantenimiento, es posible que no se permita continuar la operación hasta que se complete la inspección o el servicio requerido.

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¿Por qué puede ser peligrosa una corriente elevada durante un cambio de derivación?

Durante la transición de un cambiador de derivaciones en carga (OLTC) de tipo resistivo, el sistema de conmutación debe soportar la corriente de carga del transformador y, al mismo tiempo, controlar la corriente circulante entre derivaciones adyacentes.

Los componentes de transición experimentan una combinación de esfuerzos eléctricos y térmicos. Si la corriente de operación supera la capacidad de conmutación admisible del OLTC, el esfuerzo sobre los contactos y las resistencias de transición puede exceder sus límites de diseño.

Las consecuencias posibles incluyen:

• desgaste excesivo de los contactos;
• sobrecalentamiento;
• arco eléctrico severo;
• daño en la resistencia de transición;
• descomposición del aceite;
• aumento de presión;
• funcionamiento protector;
• Falla del cambiador de tomas bajo carga (OLTC) o del transformador.

Por esta razón, muchos sistemas de control de transformadores incluyen una función de bloqueo por sobrecorriente para órdenes automáticas de cambio de tomas.

No obstante, el valor de bloqueo debe basarse en la clasificación real del OLTC, el diseño del transformador, los ajustes del relé y las instrucciones del fabricante.

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Cómo seleccionar entre DETC y OLTC

Un cambiador de tomas sin carga (DETC) puede ser la opción más adecuada cuando:

• el voltaje de entrada es estable;
• el ajuste de tomas se requiere rara vez;
• las paradas programadas son aceptables;
• la sencillez es una prioridad;
• el control automático no es necesario;
• un costo inicial más bajo es importante.

Un cambiador de tomas bajo carga puede ser preferible cuando:

• el voltaje cambia con frecuencia;
• las cargas varían significativamente;
• la continuidad del suministro es importante;
• se requiere regulación automática de voltaje;
• se requiere control remoto;
• la generación renovable afecta el voltaje;
• el bus controlado debe permanecer dentro de una estrecha banda de voltaje.

La decisión debe considerar los requisitos del ciclo de vida, no solo el precio inicial del transformador.

Factores importantes de evaluación incluyen:

• rango de regulación de voltaje;
• número y tamaño de los pasos de derivación;
• corriente máxima de paso;
• frecuencia de operaciones;
• perfil de carga;
• capacidad de cortocircuito;
• nivel de aislamiento;
• recursos de mantenimiento;
• requisitos de control y comunicación;
• fiabilidad requerida;
• condiciones ambientales;
• normas aplicables.

Preguntas frecuentes

¿Se puede operar un cambiador de derivaciones sin energía cuando el transformador no tiene carga, pero sigue energizado?

Normalmente, no.

Un cambiador de derivaciones sin energía requiere generalmente que el transformador esté desenergizado eléctricamente, no simplemente descargado. Un transformador energizado puede seguir imponiendo tensión a través de los contactos del cambiador de derivaciones, incluso si la corriente de carga secundaria es baja o nula.

Siga siempre el procedimiento de aislamiento del fabricante.

¿Hace un OLTC que el transformador sea ininterrumpible?

N.º

Un OLTC evita una parada únicamente para ajustes normales de derivación. No protege el sistema contra todo tipo de fallo del transformador, de la red, de la protección o del suministro aguas arriba.

Las instalaciones críticas pueden seguir requiriendo transformadores redundantes, fuentes de alimentación duales, sistemas ininterrumpidos de alimentación (UPS), generadores, esquemas de transferencia u otras medidas de continuidad.

¿Utiliza cada regulador automático de tensión bajo carga (OLTC) resistencias de transición?

N.º

Muchos reguladores automáticos de tensión bajo carga (OLTC) utilizan resistencias de transición, pero otros emplean reactores de transición. Los diseños modernos también pueden incorporar interruptores de vacío y distintas configuraciones de interruptores selectores o divergentes.

¿Es un regulador automático de tensión bajo carga (OLTC) siempre automático?

N.º

Un regulador automático de tensión bajo carga (OLTC) puede operarse manualmente, eléctricamente desde un panel de control local, de forma remota mediante SCADA o automáticamente mediante un relé regulador de tensión.

¿Eleva siempre un número de derivación más alto la tensión secundaria?

No necesariamente.

La numeración de las posiciones de derivación y las convenciones de «subir/bajar» varían. Los operadores deben consultar la tabla de derivaciones del transformador y la documentación de control.

¿Es un regulador de tensión bajo carga con desconexión (DETC) más fiable que un regulador automático de tensión bajo carga (OLTC)?

Un regulador de tensión bajo carga con desconexión (DETC) es mecánicamente más sencillo y generalmente requiere menos mantenimiento. Un regulador automático de tensión bajo carga (OLTC) es más complejo porque debe conmutar la corriente de carga sin interrumpir el suministro.

Sin embargo, la fiabilidad real depende del diseño, la aplicación, el mantenimiento, el régimen de funcionamiento, la instalación y la calidad de fabricación.

¿Con qué frecuencia debe mantenerse un cambiador de derivaciones bajo carga (OLTC)?

No existe un intervalo universal.

El mantenimiento puede depender del tiempo transcurrido, del número de operaciones, de la carga de corriente conmutada, del desgaste de los contactos, del estado del aceite, de los resultados de los diagnósticos y de las instrucciones del fabricante. Los OLTC de vacío pueden tener requisitos de mantenimiento distintos de los OLTC convencionales de conmutación en aceite.

Conclusión

La diferencia entre un cambiador de derivaciones sin carga y un cambiador de derivaciones bajo carga es sencilla:

• A DETC cambia la relación del transformador únicamente cuando el transformador está desconectado.
• Un OLTC cambia la relación mientras el transformador está conectado y soportando carga.

La ingeniería detrás de un OLTC es más compleja. Debe mantener la trayectoria de corriente de carga al tiempo que limita la corriente de circulación entre derivaciones adyacentes del devanado. Esto se logra mediante una secuencia de conmutación controlada que utiliza resistencia o reactancia de transición, según el diseño.

Los DETC son económicos, compactos y adecuados para ajustes poco frecuentes. Los OLTC son más adecuados para aplicaciones que requieren regulación frecuente de tensión, control remoto, funcionamiento automático o mayor continuidad durante los cambios de derivación.

La elección final debe basarse en el sistema eléctrico, los requisitos operativos, la estrategia de mantenimiento, las normas aplicables y el costo total del ciclo de vida.