Uitgeschakelde versus belaste tapchangers: wat is het verschil?

Wat is een Transformator Tapchanger?

Een transformator-tapchanger is een apparaat dat het effectieve aantal windingen in één van de transformatorwikkelingen verandert. Door het aantal windingen te wijzigen, verandert de transformatorverhouding en dus ook de secundaire spanning.

De basisrelatie van een transformator kan worden uitgedrukt als:

V₁ / V₂ ≈ N₁ / N₂

Waarbij:

V₁ is de primaire spanning;
V₂ is de secundaire spanning;
N₁ is het aantal primaire wikkelingen;
N₂ is het aantal wikkelingen van de secundaire wikkeling.

Tapveranderders worden meestal geïnstalleerd op de hoogspanningswikkeling, omdat de stroom aan die zijde lager is. Een lagere stroom kan de schakelbelasting en de fysieke afmetingen van de tapveranderende apparatuur verminderen. De werkelijke positie van de wikkeling hangt echter af van het transformatorontwerp en de systeemeisen.

Transformator-tapveranderders vallen over het algemeen in twee categorieën:

1. Uitgeschakelde tapveranderders, of DETC’s
2. Lastschakelbare tapveranderders, of OLTC’s

Het cruciale verschil is of de tappositie kan worden gewijzigd terwijl de transformator onder spanning staat en belasting levert.

Wat is een uitgeschakelde tapveranderder?

Een uitgeschakelde tapveranderder kan alleen worden bediend wanneer de transformator volledig is uitgeschakeld.

Hij wordt ook vaak genoemd:

• DETC, of uitgeschakelde tapveranderder;
• afgeschakelde tapversteller;
• tapversteller bij uitgeschakelde belasting;
• tapversteller bij uitgeschakelde belasting.

Deze termen worden soms in de markt wisselbaar gebruikt, maar 'de-energized tap changer' is de duidelijkste omschrijving omdat daarmee de essentiële veiligheidsvoorwaarde wordt genoemd: de transformator mag tijdens de bediening niet onder spanning staan.

Voordat de tappositie wordt gewijzigd, moeten operators de transformator isoleren van alle mogelijke elektrische bronnen, de vereiste lockout- en tagoutprocedures toepassen, het ontbreken van spanning verifiëren en de instructies van de transformatorfabrikant opvolgen.

Waarom kan een DETC niet onder spanning worden bediend?

Een conventionele de-energized tap changer is niet ontworpen om belastingsstroom te maken of te onderbreken.

Tijdens een tapwijziging kunnen de contacten tijdelijk loskomen van één tap voordat de volgende verbinding wordt gelegd. Als de transformator onder spanning zou staan, kan deze handeling elektrische boogvorming tussen de contacten veroorzaken.

Mogelijke gevolgen zijn:

• gebrande of geërodeerde contacten;
• verkooling van isolatiemateriaal of olie;
• interne kortsluitingen;
• stapveranderafval;
• transformatorschade;
• brand- of persoonlijke gevaren.

Om deze reden mag een DETC nooit worden bediend alleen omdat de transformator lijkt te zijn ‘licht belast’. Hij mag uitsluitend worden bediend onder de uitgeschakelde omstandigheden die door de fabrikant zijn gespecificeerd.

Voordelen van een uitgeschakelde stapveranderder

Een DETC heeft een relatief eenvoudige mechanische en elektrische opbouw.

De belangrijkste voordelen omvatten doorgaans:

• lagere initiële kosten;
• compacte constructie;
• minder bewegende onderdelen;
• lage onderhoudseisen;
• hoge mechanische betrouwbaarheid;
• eenvoudige handbediening;
• geschikt voor zeldzame spanningaanpassingen.

Een DETC is vaak geschikt wanneer de voedingsspanning relatief stabiel is en de transformatortappositie alleen tijdens installatie, inbedrijfstelling, seizoensonderhoud of een geplande stilstand hoeft te worden ingesteld.

Beperkingen van een De-Energized Tap Changer

De belangrijkste beperking is dat tapaanpassing vereist dat de transformator buiten bedrijf wordt gesteld.

Een DETC is daarom minder geschikt wanneer:

• de spanning varieert frequent;
• de belasting verandert aanzienlijk gedurende de dag;
• de productie mag niet worden onderbroken;
• de spanning moet binnen een smalle bedrijfsbereik blijven;
• afstands- of automatische regeling is vereist;
• duurzame opwekking veroorzaakt frequente spanningsfluctuaties.

Een uitgeschakelde tapchanger corrigeert eveneens niet automatisch spanningsveranderingen, tenzij een operator de transformator uitschakelt en handmatig een andere stand selecteert.

Wat is een on-load tap changer?

Een on-load tap changer wijzigt de transformatieverhouding terwijl de transformator onder spanning blijft en belastingsstroom voert.

Het wordt veelal afgekort als OLTC . In sommige markten wordt ook de term load tap changer , of LTC, gebruikt.

Een OLTC verplaatst de belastingsstroom van één wikkelingstap naar een aangrenzende tap zonder de voeding te onderbreken. Deze mogelijkheid maakt het geschikt voor energiesystemen die frequente, automatische of externe spanningsregeling vereisen.

IEC 60214 behandelt prestatievereisten en testmethoden voor onderspannings- en stroomloze tapchangers. Volgens de IEC-toepassingsprincipes is een OLTC ontworpen om de transformatieverhouding te wijzigen terwijl de transformator onder spanning en belast is, zonder de voeding te onderbreken.

Typische OLTC-toepassingen

Transformators met onderspannings-tapverandering worden veelal gebruikt bij:

• transmissieklemstations;
• distributieklemstations;
• elektriciteitscentrales;
• staal- en metallurgische installaties;
• mijnen;
• datacenters;
• grote industriële installaties;
• projecten op het gebied van hernieuwbare energie;
• kritieke infrastructuur;
• installaties met onderbrekingsgevoelige belastingen.

---

Hoe werkt een omschakelaar onder belasting?

Een OLTC moet tegelijkertijd twee taken uitvoeren:

1. Handhaaf het belastingsstroompad tijdens de tapverandering.
2. Voorkom een te grote circulerende stroom tussen aangrenzende taps.

Aangrenzende transformatortaps hebben verschillende elektrische potentialen. Een directe verbinding tussen hen zou een circulerende stroom veroorzaken die groot genoeg zou kunnen zijn om de wikkeling of de schakelapparatuur te beschadigen.

Een OLTC gebruikt daarom een gecontroleerd overgangsproces.

Maak-voordat-breek-schakelen

Een typische OLTC legt eerst een verbinding met de volgende tap aan, voordat de oorspronkelijke tap volledig wordt losgekoppeld. Dit bedrijfsprincipe wordt veelal omschreven als maak voordat breek .

Tijdens de korte overgangsperiode kan de OLTC verbonden zijn met twee aangrenzende taps.

Er wordt een impedantie ingevoerd om de circulerende stroom tussen hen te beperken. Afhankelijk van het OLTC-ontwerp kan deze overgangsimpedantie zijn:

• een overgangsweerstand;
• een overgangstransformator, soms ook een preventieve autotransformator genoemd.

Megger beschrijft het OLTC-proces als het bruggen van een aangrenzende tap voordat de belaste tap wordt onderbroken. Een resistieve of reactieve impedantie beperkt de circulerende stroom terwijl de twee taps tijdelijk zijn verbonden.

Typische OLTC-reeks met weerstand

Hoewel de exacte reeks afhangt van het OLTC-ontwerp, is een vereenvoudigde weerstandstype-OLTC-werking als volgt:

1. De transformator draagt de belasting via de huidige tap.
2. Een overgangscontact verbindt de volgende tap via een overgangsweerstand.
3. Beide taps zijn tijdelijk verbonden, terwijl de weerstand de circulerende stroom beperkt.
4. Het hoofdstroompad wordt overgezet naar de nieuwe tap.
5. De oorspronkelijke tap wordt losgekoppeld.
6. De overgangsweerstand wordt uit de schakeling verwijderd.
7. De OLTC voltooit de bewerking in de nieuwe bedrijfspositie.

De overgangsweerstand wordt alleen gebruikt tijdens een korte schakelperiode. Het is niet de bedoeling dat deze continu verbonden blijft in een normale bedrijfspositie.

Moderne OLTC’s kunnen conventionele boogcontacten, vacuümonderbrekers, weerstandsovergangen, reactantieovergangen of andere, door de fabrikant gespecificeerde opstellingen gebruiken.

---

Belangrijkste onderdelen van een OLTC

Een traditionele weerstandstype OLTC kan onder meer omvatten:

Tapselector

De tapselector identificeert de volgende wikkelingstap. Normaal gesproken voert deze de selectiefunctie uit zonder de volledige belastingsstroom te schakelen.

Stroomafleider

De stroomafleider leidt de belastingsstroom van de oorspronkelijke tap naar de geselecteerde tap.

Overgangsweerstanden

De overgangsweerstanden beperken de circulerende stroom terwijl twee aangrenzende tappen tijdelijk worden overbrugd.

Wisselsteller

Een omkeer- of grof/fijn-wisselsteller kan het regelbereik uitbreiden zonder dat een buitensporig groot aantal aansluitingen van de regelwikkeling nodig is.

Motoraandrijfmechanisme

Het motoraandrijfmechanisme levert de energie en de gecontroleerde volgorde die nodig zijn om een tapwisseling uit te voeren.

Afhankelijk van het ontwerp kan de OLTC ook bevatten:

• positie-indicatoren;
• mechanische en elektrische eindstopschakelaars;
• bedieningsaantallen;
• lokale en externe bediening;
• automatische spanningsregelrelais;
• oliepeilindicatoren;
• druk- of gasgestuurde beveiliging;
• temperatuurtoezicht;
• online toestandsbewakingsapparaten.

Niet elke OLTC bevat dezelfde onderdelen. Vacuüm-OLTC’s en droge OLTC’s hebben bijvoorbeeld mogelijk andere schakel- en isolatieopstellingen.

---

Hoe beïnvloedt het tapveranderen de secundaire spanning?

Voor een transformator met regeltaps op de hoogspanningswikkeling en een relatief constante primaire voeding:

• Een toename van het effectieve aantal wikkelingen op de hoogspanningszijde verhoogt de overzetverhouding en verlaagt over het algemeen de secundaire spanning.
• Een afname van het effectieve aantal wikkelingen op de hoogspanningszijde verlaagt de overzetverhouding en verhoogt over het algemeen de secundaire spanning.

In vereenvoudigde termen:

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

Als \(V_1\) en \(N_2\) constant blijven:

• verhoging van \(N_1\) verlaagt \(V_2\);
• verlaging van \(N_1\) verhoogt \(V_2\).

Uitdrukkingen zoals “raise tap”, “lower tap”, “tap up” en “tap down” zijn echter niet universeel consistent. Hun betekenis kan afhangen van de fabrikant, de nutsmaatschappijconventie, de wikkelingsopstelling, het regelsysteem of de methode voor nummering van de standen.

Operatoren moeten daarom vertrouwen op:

• het typeplaatje van de transformator;
• de tapstandenschema;
• het regelschema;
• de OLTC-gebruiksaanwijzing;
• de goedgekeurde bedrijfsprocedure.

Ze mogen de spanningsrichting niet uitsluitend op basis van het tappositienummer veronderstellen.

---

DETC versus OLTC: Belangrijkste verschillen

De exacte kosten, afmetingen, onderhoudsintervallen en bedrijfsprestaties hangen af van de transformatorvermogensklasse, spanningsklasse, tapbereik, schakeltechnologie en fabrikant. Een vaste prijsverhouding tussen DETC- en OLTC-transformators mag niet als universele regel worden beschouwd.

---

Waarom kiezen voor een transformator met onbelaste tapverandering?

1. Spanningsregeling zonder reguliere stilstand

Het belangrijkste voordeel van een OLTC is dat het de transformatorverhouding kan aanpassen zonder de transformator bij elke tapverandering uit bedrijf te nemen.

Dit is waardevol wanneer een geplande onderbreking de volgende zaken zou beïnvloeden:

• continu productieproces;
• kritieke infrastructuur;
• computersystemen en communicatiesystemen;
• ziekenhuizen;
• spoorwegsystemen;
• mijnactiviteiten;
• nutsbedrijfsklanten.

Een OLTC ondersteunt de continuïteit van de voorziening, maar garandeert niet dat een elektrisch systeem nooit een storing ondervindt. Transformatorstoringen, beveiligingsacties, storingen in het hoger gelegen net, onderhoud en andere systeemgebeurtenissen kunnen de stroomvoorziening nog steeds onderbreken.

2. Verbeterde spanningsnaleving

De spanning varieert door wisselende belasting, kabelimpedantie, stroomrichting, opwekkingsvermogen en omstandigheden in het hoger gelegen net.

Een OLTC kan helpen om de spanning op de gereguleerde bus binnen het gespecificeerde bereik te houden. Het handhaven van een aanvaardbare spanning ondersteunt:

• juiste werking van apparatuur;
• stroomkwaliteit;
• motorprestaties;
• isolatielevensduur;
• klantspanningsconformiteit;
• systeembedrijfsstabiliteit.

3. Betere coördinatie met reactiefvermogenscompensatie

De reactiefvermogensafgifte van een shuntcondensator is bij benadering evenredig met het kwadraat van de bedrijfsspanning:

\[ Q \propto V^2 \]

Als de spanning daalt, levert de condensatorbank minder reactief vermogen. Als de spanning te sterk stijgt, neemt de reactiefvermogensafgifte toe en kan dit bijdragen aan overspanning of overcompensatie.

Coördinatie van OLTC-regeling met condensatorbanken, reactoren, statische VAR-compensatoren, STATCOM’s en invertor-gebaseerde bronnen kan het algemene spannings- en reactiefvermogensbeheer verbeteren.

De regelstrategie moet zorgvuldig worden ontworpen. Slechte coördinatie kan leiden tot excessieve tapbewegingen, schakeling van condensatoren, regeloscillaties of ongunstige reactiefvermogensstromen.

4. Verminderde netverliezen in bepaalde bedrijfsomstandigheden

Het handhaven van de systeemspanning binnen een geschikte bedrijfsband kan excessieve stroom verminderen en sommige netverliezen voorkomen.

Echter is het te algemeen om te stellen dat elke OLTC-operatie automatisch verliezen minimaliseert. Het daadwerkelijke resultaat hangt af van:

• belastingskenmerken;
• arbeidsfactor;
• voedingslijnimpedantie;
• spanningsafhankelijke vraag;
• transformatorenverliezen;
• reactiefvermogensstroom;
• gedistribueerde opwekking;
• regeldoelen.

Moderne spanningsregelstrategieën houden daarom meer dan alleen spanning in gedachten.

5. Afstandsbediening en automatische bediening

Een OLTC kan worden bestuurd door:

• lokale drukknoppen;
• een afstandsbedieningssysteem;
• SCADA;
• een automatische spanningsregelrelais;
• gecoördineerde substationautomatisering.

Automatische regeling stelt het besturingssysteem in staat om de gemeten spanning te vergelijken met een doelwaarde en opdrachten tot verhogen of verlagen te geven zodra de geconfigureerde tijdvertraging en dode-bandvoorwaarden zijn vervuld.

De dode band en de vertraging voorkomen onnodige bedieningen als gevolg van kleine of tijdelijke spanningsschommelingen.

---

Wanneer mag een OLTC niet worden bediend?

Er bestaat geen enkele universele lijst die van toepassing is op elke OLTC. Toegestane bedrijfsomstandigheden hangen af van de nominale doorstroomstroom, het ontwerp, het beveiligingssysteem, de bedieningshandleiding, de toestand van de transformator en de plaatselijke procedures.

Operators moeten de instructies volgen die zijn verstrekt door de fabrikant van de transformator en de OLTC.

Tapverandering kan moeten worden geblokkeerd of opgeschort onder omstandigheden zoals hieronder.

Stroom overschrijdt de toegestane schakelbelasting

Een OLTC heeft een nominale doorstroomstroom en een gespecificeerde bedrijfsprestatie. Indien de stroom door de transformator de toegestane waarde voor tapverandering overschrijdt, kan het schakelen de overgangscontacten, vacuümonderbrekers, overgangsweerstanden of andere stroomvoerende componenten te veel belasten.

Sommige OLTC’s hebben een gespecificeerde overbelastingscapaciteit, terwijl andere boven een geconfigureerde stroomdrempel moeten worden geblokkeerd. Overbelastingsbedrijf dient daarom te worden beoordeeld aan de hand van de werkelijke OLTC-nominale waarden en de handleiding van de fabrikant — niet aan de hand van een algemene regel.

Abnormaal OLTC-beveiligingsalarm

Oliegeïmmersive OLTC’s kunnen speciale drukrelais, olie-stroomrelais, gasgeactiveerde apparaten of andere beschermingsapparatuur hebben.

Een alarm kan wijzen op boogvorming, gasvorming, een probleem met het oliesysteem of een andere abnormale interne toestand. Verdere tapbediening mag pas worden uitgevoerd nadat het alarm is onderzocht volgens de bedieningsinstructies.

Beschermingsregelingen verschillen voor conventionele olie-OLTC’s, vacuüm-OLTC’s, gasgeïsoleerde units en droge tapchangers.

Onvoldoende isolatiemiddel

Voor een olie-geïsoleerde OLTC kan bediening worden verboden indien:

• het oliepeil onder de toegestane waarde ligt;
• de diëlektrische sterkte onaanvaardbaar is;
• de olie ernstig vervuild is;
• lekkage wordt gedetecteerd;
• het olievak of het drukstelsel abnormaal is.

Deze voorwaarden zijn niet op dezelfde wijze van toepassing op elke tap-changer-technologie.

Aandrijving of positie-indicatie is abnormaal

De bediening moet worden gestopt als de OLTC het volgende vertoont:

• onvolledige tap-verandering;
• afwijking in positie;
• storing in motoraandrijving;
• mechanische blokkering;
• onverwacht geluid;
• herhaalde beveiligingsuitschakelingen;
• beschadigde eind-schakelaars;
• een bedieningsaantal- of tijdanomalie.

Herhaaldelijk opdrachten geven aan een vastgelopen of onvolledige OLTC kan de schade verergeren.

Onderhoudslimiet bereikt

Een OLTC heeft inspectie- of onderhoudscriteria gespecificeerd op basis van factoren zoals:

• aantal bedieningen;
• geschakelde stroom;
• contactversletenheid;
• olieconditie;
• tijd in gebruik;
• aanbevelingen van de fabrikant;
• resultaten van condition monitoring.

Indien een onderhoudsdrempel is bereikt, mag de werking mogelijk niet worden voortgezet totdat de vereiste inspectie of service is voltooid.

---

Waarom kan een hoge stroom gevaarlijk zijn tijdens een tapwijziging?

Tijdens een OLTC-overgang met weerstandstype moet het schakelsysteem de transformatorbelastingsstroom dragen en tegelijkertijd de circulerende stroom tussen aangrenzende taps regelen.

De overgangscomponenten ondergaan gecombineerde elektrische en thermische belasting. Indien de bedrijfsstroom boven de toegestane schakelcapaciteit van de OLTC ligt, kan de belasting op de contacten en overgangsweerstanden boven hun ontwerpwaarden stijgen.

Mogelijke gevolgen zijn:

• excessieve slijtage van contacten;
• oververhitting;
• ernstige boogvorming;
• beschadiging van overgangsweerstanden;
• ontbinding van olie;
• drukstijging;
• beschermingsfunctie;
• DETC- of transformatorstoring.

Daarom bevatten veel transformatorbesturingssystemen een overstroomblokkering voor automatische tapveranderopdrachten.

De blokkeringwaarde moet echter gebaseerd zijn op de werkelijke DETC-nominale waarde, het transformatorontwerp, de relaisinstellingen en de instructies van de fabrikant.

---

Hoe te kiezen tussen DETC en OLTC

Een uitgeschakelde tapverander kan de betere keuze zijn wanneer:

• de ingaande spanning stabiel is;
• tapaanpassing zelden nodig is;
• geplande stilstanden toegestaan zijn;
• eenvoud is een prioriteit;
• automatische regeling is niet nodig;
• lagere initiële kosten zijn belangrijk.

Een lastschakelaar kan verkozen worden wanneer:

• de spanning vaak verandert;
• de belasting sterk varieert;
• continuïteit van de voeding belangrijk is;
• automatische spanningsregeling vereist is;
• afstandsbediening vereist is;
• duurzame opwekking invloed heeft op de spanning;
• de gecontroleerde bus moet binnen een smalle spanningsband blijven.

Het besluit moet rekening houden met levenscyclusvereisten, niet alleen met de initiële transformatorprijs.

Belangrijke beoordelingsfactoren zijn:

• spanningsregelbereik;
• aantal en grootte van de tapstappen;
• maximale doorstroom;
• frequentie van bedieningen;
• belastingsprofiel;
• kortsluitvermogen;
• isolatieniveau;
• onderhoudsbronnen;
• bedienings- en communicatievereisten;
• vereiste betrouwbaarheid;
• omgevingsomstandigheden;
• van toepassing zijnde normen.

Veelgestelde Vragen

Kan een spanningsloze tapchanger worden bediend wanneer de transformator geen last draagt, maar nog wel onder spanning staat?

Normaal gesproken niet.

Een spanningsloze tapchanger vereist over het algemeen dat de transformator volledig elektrisch is uitgeschakeld, niet alleen onbelast. Een transformator onder spanning kan nog steeds spanning aanleggen op de contacten van de tapchanger, zelfs als de stroom in de secundaire wikkeling laag of afwezig is.

Volg altijd de isolatieprocedure van de fabrikant.

Maakt een OLTC de transformator onderbrekingsvrij?

Nee.

Een OLTC voorkomt een stilstand uitsluitend voor normale tapaanpassingen. Het beschermt het systeem niet tegen elke mogelijke storing in de transformator, het netwerk, de beveiliging of de bovenliggende voeding.

Kritieke faciliteiten kunnen nog steeds redundante transformatoren, dubbele stroombronnen, UPS-systemen, generatoren, overschakelschema's of andere continuïteitsmaatregelen vereisen.

Gebruikt elke OLTC overgangsweerstanden?

Nee.

Veel OLTC's gebruiken overgangsweerstanden, maar anderen gebruiken overgangsreactoren. Moderne ontwerpen kunnen ook vacuümonderbrekers en verschillende selectorschakelaar- of afleiderschakelaaropstellingen gebruiken.

Is een OLTC altijd automatisch?

Nee.

Een OLTC kan handmatig worden bediend, elektrisch vanaf een lokaal bedieningspaneel, op afstand via SCADA of automatisch via een spanningsregelrelais.

Verhoogt een hoger tapnummer altijd de secundaire spanning?

Niet noodzakelijkerwijs.

De nummering van de tappositie en de 'omhoog/omlaag'-conventies variëren. Operators moeten het tapdiagram van de transformator en de bedieningsdocumentatie raadplegen.

Is een DETC betrouwbaarder dan een OLTC?

Een DETC is mechanisch eenvoudiger en vereist over het algemeen minder onderhoud. Een OLTC is complexer omdat hij belastingsstroom moet schakelen zonder de voeding te onderbreken.

De werkelijke betrouwbaarheid hangt echter af van het ontwerp, de toepassing, het onderhoud, de bedrijfsduur, de installatie en de fabricagekwaliteit.

Hoe vaak moet een OLTC worden onderhouden?

Er bestaat geen universeel interval.

Het onderhoud kan afhangen van verstreken tijd, aantal bedrijfscycli, geschakelde stroombelasting, slijtage van de contacten, oliekwaliteit, diagnoseresultaten en de instructies van de fabrikant. Vacuüm-OLTC's kunnen andere onderhoudseisen hebben dan conventionele oliegeschakelde OLTC's.

Conclusie

Het verschil tussen een uitgeschakelde tapchanger en een onbelaste tapchanger is eenvoudig:

• Een DETC wijzigt de transformatorverhouding uitsluitend wanneer de transformator is uitgeschakeld.
• Een OLTC wijzigt de verhouding terwijl de transformator is ingeschakeld en belast is.

De techniek achter een OLTC is complexer. De OLTC moet het belastingsstroompad in stand houden terwijl de circulerende stroom tussen aangrenzende wikkelingstaps wordt beperkt. Dit wordt bereikt via een gecontroleerde schakelvolgorde met behulp van overgangsweerstand of -reactantie, afhankelijk van het ontwerp.

DETC’s zijn economisch, compact en geschikt voor zeldzame aanpassingen. OLTC’s zijn beter geschikt voor toepassingen die frequente spanningsregeling, afstandsbediening, automatische bediening of verbeterde continuïteit tijdens tapwijzigingen vereisen.

De uiteindelijke keuze dient te zijn gebaseerd op het energiesysteem, de bedrijfsvereisten, de onderhoudsstrategie, de toepasselijke normen en de totale levenscycluskosten.