Avslått vs. lastavhengig tappebryter: Hva er forskjellen?

Hva er en Transformer Tappebryter?

En transformertappebryter er en enhet som endrer det effektive antallet vindinger i én av transformatorvindingene. Å endre antallet vindinger endrer transformatorforholdet og justerer dermed sekundærspenningen.

Den grunnleggende transformatorrelasjonen kan uttrykkes som:

V₁ / V₂ ≈ N₁ / N₂

Hvor:

V₁ er primærspenningen;
V₂ er sekundærspenningen;
N₁ er antall vindinger i primærviklingen;
N₂ er antall vindinger i sekundærviklingen.

Tap-endrere installeres vanligvis på høy-spenningsviklingen fordi strømmen er lavere på den siden. Lavere strøm kan redusere brytebelastningen og den fysiske størrelsen på utstyret for tap-endring. Den faktiske viklingsplasseringen avhenger imidlertid av transformatorutformingen og systemkravene.

Transformator-tap-endrere faller vanligvis inn under to kategorier:

1. De-energized tap changers, eller DETCs
2. On-load tap changers, eller OLTCs

Den avgjørende forskjellen er om tap-stillingen kan endres mens transformator er strømført og leverer last.

Hva er en de-energized tap changer?

En de-energized tap changer kan bare betjenes når transformator er fullstendig de-energized.

Den kalles også ofte:

• DETC, eller de-energert tappebryter;
• avkoblet tappebryter;
• tomgangstappebryter;
• avlastet tappebryter.

Disse begrepene brukes noen ganger om hverandre på markedet, men «de-energert tappebryter» er den klarest beskrivelsen fordi det angir den vesentlige sikkerhetsbetingelsen: transformator må ikke være strømførende under drift.

Før tappestillingen endres, må operatører isolere transformator fra alle mulige elektriske kilder, gjennomføre nødvendige lås- og merkeprosedyrer, bekrefte fravær av spenning og følge transformatorprodusentens instruksjoner.

Hvorfor kan en DETC ikke betjenes mens den er strømførende?

En konvensjonell de-energert tappebryter er ikke utformet for å etablere eller bryte laststrøm.

Under en tappeendring kan kontakten midlertidig kutte tilkoblingen til én tappe før neste tilkobling opprettes. Hvis transformator var strømførende, kunne denne handlingen føre til elektrisk lysbue mellom kontaktene.

Mulige konsekvenser inkluderer:

• brente eller utslettede kontakter;
• karbonisering av isolerende materiale eller olje;
• indre kortslutninger;
• tap-changer-feil;
• transformatorskade;
• brann- eller personfarer.

Av denne grunnen må en DETC aldri bare brukes fordi transformator ser ut til å være «lett belastet». Den må kun brukes under de strømløse betingelsene som produsenten har spesifisert.

Fordeler med en strømløs tap-changer

En DETC har en relativt enkel mekanisk og elektrisk konstruksjon.

De viktigste fordelene inkluderer vanligvis:

• lavere innledende kostnader;
• kompakt konstruksjon;
• færre bevegelige komponenter;
• lave vedlikeholdskrav;
• høy mekanisk pålitelighet;
• enkel manuell drift;
• egnet for sjeldne spenningsjusteringer.

En DETC er ofte passende når forsyningsspenningsnivået er relativt stabilt og transformatorens tappposisjon bare må velges under installasjon, igangsetting, sesongmessig vedlikehold eller en planlagt nedstengning.

Begrensninger ved en De-Energized Tap Changer

Den viktigste begrensningen er at justering av tap kræver at transformatorn tas ut av drift.

En DETC er derfor mindre egnet når:

• spenningen varierer hyppig;
• lasten endrer seg betydelig gjennom dagen;
• produksjonen ikke kan avbrytes;
• spenningen må holdes innen en smal driftsrekke;
• fjern- eller automatisk regulering kreves;
• fornybar kraftproduksjon forårsaker hyppige spenningsendringer.

En avslått tappeomskifter justerer heller ikke automatisk spenningsendringer med mindre en operatør slår av transformatorn og manuelt velger en annen posisjon.

Hva er en pålastet tappeomskifter?

En pålastet tappeomskifter endrer transformatorforholdet mens transformatorn forblir strømførende og fører laststrøm.

Det forkortes vanligvis til OLTC . I noen markeder brukes også betegnelsen load tap changer , eller LTC.

En OLTC overfører laststrømmen fra en viklingsanslutning til en nabianslutning uten å avbryte strømforsyningen. Denne egenskapen gjør den egnet for kraftsystemer som krever hyppig, automatisk eller fjernstyrt spenningsregulering.

IEC 60214 dekker ytelseskrav og testmetoder for pålastede og frakoblede tappeomskifter. I henhold til IEC-anvendelsesprinsippene er en OLTC utformet for å endre transformatorforholdet mens transformatorn er strømførende og belastet, uten å avbryte strømforsyningen.

Typiske OLTC-anvendelser

Transformatorer med pålastet tappeomskifting brukes vanligvis i:

• transmisjonsunderstasjoner;
• distribusjonsunderstasjoner;
• kraftverk;
• stål- og metallurgiske anlegg;
• gruver;
• datasentre;
• store industrielle anlegg;
• fornybare-energiprosjekter;
• kritisk infrastruktur;
• anlegg med laster som er følsomme for avbrudd.

---

Hvordan fungerer en belastningsbryter?

En OLTC må utføre to oppgaver samtidig:

1. Vedlikeholde strømbanen til lasten under tap-endring.
2. Forhindre en for stor sirkulerende strøm mellom nabotapper.

Nabotapper på en transformator har ulike elektriske potensialer. Å koble dem direkte sammen ville skape en sirkulerende strøm som kunne bli så stor at den skader viklingen eller bytteutstyret.

En OLTC bruker derfor en kontrollert overgangsprosess.

Koble-før-du-bryter-bytting

En typisk OLTC oppretter en tilkobling til neste tap før det opprinnelige tapet er fullstendig koblet fra. Dette driftsprinsippet beskrives vanligvis som koble før du bryter .

Under den korte overgangsperioden kan OLTC-en være tilkoblet to nabotapper.

En impedans innføres for å begrense den sirkulerende strømmen mellom dem. Avhengig av OLTC-utformingen kan denne overgangsimpedansen være:

• en overgangsmotstand;
• en overgangsreaktor, noen ganger kalt en forebyggende autotransformator.

Megger beskriver OLTC-prosessen som å broe en tilstøtende tap før belastningsbærende tap brytes. En resistiv eller reaktiv impedans begrenser sirkulerende strøm mens de to tapene er midlertidig forbundet.

Typisk sekvens for motstandsbasert OLTC

Selv om den nøyaktige sekvensen avhenger av OLTC-konstruksjonen, er en forenklet motstandsbasert drift:

1. Transformatorn fører belastning gjennom det nåværende tapet.
2. En overgangskontakt kobler det neste tapet gjennom en overgangsmotstand.
3. Begge tapene er midlertidig forbundet, mens motstanden begrenser sirkulerende strøm.
4. Den primære strømbanen overføres til det nye tapet.
5. Det opprinnelige tapet kobles fra.
6. Overgangsmotstanden fjernes fra kretsen.
7. OLTC-en fullfører operasjonen i den nye driftsposisjonen.

Overgangsmotstanden brukes bare i en kort bytteperiode. Den er ikke ment å forbli kontinuerlig koblet i en normal driftsposisjon.

Moderne OLTC-er kan bruke konvensjonelle buekontakter, vakuumavbrytere, motstandsbytter, reaktorbytter eller andre produsentspesifikke oppsett.

---

Hovedkomponenter i en OLTC

En tradisjonell motstandsbasert OLTC kan inkludere:

Tapvelger

Tapvelgeren identifiserer neste viklingsanslutning. Den utfører vanligvis valgfunksjonen uten å bytte den fulle laststrømmen.

Diverterbryter

Diverterbryteren overfører laststrømmen fra den opprinnelige tap-tilkoplingen til den valgte tap-tilkoplingen.

Overgangsmotstander

Overgangsmotstandene begrenser sirkulerende strøm mens to naboposisjoner midlertidig er koblet sammen.

Bytteselektor

En reverserings- eller grov/fin-bytteselektor kan utvide reguleringsspannet uten å kreve et overflødig stort antall tilkoblinger til reguleringsspolen.

Motordrevet mekanisme

Den motordrevne mekanismen leverer energien og den kontrollerte sekvensen som kreves for å gjennomføre en tap-endring.

Avhengig av konstruksjonen kan OLTC også inkludere:

• posisjonsindikatorer;
• mekaniske og elektriske grensebrytere;
• driftsteller;
• lokale og fjernkontroller;
• automatiske spenningsreguleringsreléer;
• oljenivåindikatorer;
• trykk- eller gassaktuert beskyttelse;
• temperaturövervakning;
• online tilstandsövervakningsenheter.

Ikke alle OLTC inneholder de samme komponentene. Vakuum-OLTC-er og tørre OLTC-er har for eksempel ulike bryter- og isolasjonsarrangementer.

---

Hvordan påvirker tappeendring sekundærspenningen?

For en transformator med regulerings-tapper på høyspentviklingen og en relativt konstant primærspenningsforsyning:

• Å øke det effektive antallet vindinger på høyspentviklingen øker forholdet og senker vanligvis sekundærspenningen.
• Å redusere det effektive antallet viklinger i høyspentviklingen senker forholdet og øker vanligvis spenningen på sekundærsiden.

I forenklede termer:

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

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

• øker økning av \(N_1\) reduksjon av \(V_2\);
• øker reduksjon av \(N_1\) \(V_2\).

Uttrykk som «heve tap», «senke tap», «tap opp» og «tap ned» er imidlertid ikke universelt konsekvente. Betydningen kan avhenge av produsent, kraftselskapskonvensjon, viklingsoppsett, kontrollsystem eller metode for nummerering av posisjoner.

Operatører bør derfor stole på:

• transformatorplaten;
• tap-posisjonskartet;
• kontrollskjemaet;
• brukerhåndboken for OLTC;
• den godkjente driftsprosedyren.

De bør ikke anta spenningsretningen utelukkende ut fra tap-posisjonsnummeret.

---

DETC kontra OLTC: Hovedforskjeller

Den nøyaktige kostnaden, størrelsen, vedlikeholdsintervallet og driftsevnen avhenger av transformatorens effektkapasitet, spenningsklasse, tappeområde, bryteteknologi og produsent. En fast prisforhold mellom DETC- og OLTC-transformatorer bør ikke behandles som en universell regel.

---

Hvorfor velge en transformator med pålastet tappeinnstilling?

1. Spenningsregulering uten rutinemessig nedstilling

Den viktigste fordelen med en OLTC er at den kan justere transformatorforholdet uten å ta transformator ut av drift for hver tappeinnstilling.

Dette er verdifullt der en planlagt avbrytelse ville påvirke:

• kontinuerlig produksjon;
• kritisk infrastruktur;
• datamaskin- og kommunikasjonssystemer;
• sykehus;
• jernbanesystemer;
• gruvedrift;
• kraftforsyningskunder.

En OLTC støtter kontinuiteten i kraftforsyningen, men garanterer ikke at et elektrisk system aldri vil oppleve en strømavbrudd. Transformatorfeil, beskyttelsesoperasjoner, feil i overordnede deler av nettet, vedlikehold og andre systemhendelser kan fortsatt føre til strømavbrudd.

2. Forbedret spenningskonformitet

Spenningsvariasjoner skyldes endringer i belastning, ledningsimpedans, kraftriktning, genereringsutgang og forhold i overordnede deler av nettet.

En OLTC kan bidra til å holde spenningen på den regulerte bussen innenfor dens angitte toleranseområde. Å opprettholde akseptabel spenning støtter:

• korrekt utstyrsdrift;
• strømkvalitet;
• motorytelse;
• isolasjonslevetid;
• kundens spenningskonformitet;
• systemets driftsstabilitet.

3. Bedre samordning med reaktiv-effektkompensasjon

Den reaktive effekten fra en parallellkondensator er omtrent proporsjonal med kvadratet av driftsspenningen:

\[ Q \propto V^2 \]

Hvis spenningen faller, produserer kondensatorbatteriet mindre reaktiv effekt. Hvis spenningen stiger for mye, øker den reaktive effekten og kan bidra til over- eller overkompensasjon.

Samordning av OLTC-styring med kondensatorbatterier, reaktorer, statiske VAR-kompensatorer (STATCOM), STATCOM-enheter og inverterbaserte ressurser kan forbedre helhetlig spennings- og reaktiv-effekthåndtering.

Styringsstrategien må utformes nøye. Dårlig samordning kan føre til unødige tapendringer, kondensatorskifting, styrehunting eller ugunstig reaktiv-effektflyt.

4. Reduserte nett-tap under visse driftsforhold

Å holde systemspenningen innenfor et passende driftsområde kan redusere unødvendig strøm og unngå noen nett-tap.

Det er imidlertid for vidt å hevde at hver enkelt OLTC-drift automatisk minimerer tap. Det faktiske resultatet avhenger av:

• lastegenskaper;
• effektfaktor;
• forsyningslinjens impedans;
• spenningsavhengig forbruk;
• transformator-tap;
• reaktiv effektstrøm;
• distribuert kraftproduksjon;
• kontrollmål.

Moderne spenningsstyringsstrategier tar derfor hensyn til mer enn bare spenning alene.

5. Fjern- og automatisk drift

En OLTC kan styres av:

• lokale trykknapper;
• et fjernstyringssystem;
• SCADA;
• en automatisk spenningsreguleringsrelé;
• koordinert understasjonsautomatisering.

Automatisk regulering tillater kontrollsystemet å sammenligne målt spenning med en målverdi og gi kommandoer om å heve eller senke spenningen etter at den konfigurerte tidsforsinkelsen og dødbandsbetingelsene er oppfylt.

Dødbånd og forsinkelse hindrer unødvendige operasjoner forårsaket av små eller midlertidige spenningsendringer.

---

Når bør en OLTC ikke betjenes?

Det finnes ingen enkelt universell liste som gjelder for alle OLTC-er. Tillatt drift avhenger av dens nominelle gjennomstrømning, konstruksjon, beskyttelsessystem, driftshåndbok, transformatorens tilstand og stedsprosedyrer.

Operatører må følge instruksjonene fra transformator- og OLTC-produsentene.

Tap-endring kan måtte blokkeres eller utsettes under forhold som følger.

Strømmen overstiger tillatt vekslingsevne

En OLTC har en nominell gjennomstrømning og angitt driftsevne. Hvis transformatorstrømmen overstiger den tillatte verdien for tap-endring, kan vekslingen overbelaste overgangskontaktene, vakuumavbryterne, overgangsmotstandene eller andre strømførende komponenter.

Noen OLTC-er har spesifisert overbelastningskapasitet, mens andre må blokkeres over en konfigurert strømtrådsverdi. Drift under overbelastning skal derfor vurderes ut fra den faktiske OLTC-kapasiteten og produsentens håndbok – ikke ut fra en generell regel.

Alarm for unormal OLTC-beskyttelse

OLTC-er med oljeisolering kan ha dedikerte trykkreléer, oljestrømreléer, gassaktiverede enheter eller annet beskyttelsesutstyr.

En alarm kan indikere bueforming, gassdannelse, et oljesystemproblem eller en annen unormal intern tilstand. Ytterligere tapdrift bør ikke forsøkes før alarmen er undersøkt i henhold til driftsinstruksjonene.

Beskyttelsesarrangementer varierer mellom konvensjonelle oljeisolerte OLTC-er, vakuum-OLTC-er, gassisolerte enheter og tørre tappevekslere.

Utilstrekkelig isolerende medium

For en oljeisolert OLTC kan drift være forbudt hvis:

• oljenivået er under tillatt område;
• dielektrisk styrke er utilstrekkelig;
• oljen er sterkt forurenset;
• lekkasje er oppdaget;
• oljekompartementet eller trykkssystemet er unormalt.

Disse forholdene gjelder ikke på samme måte for alle tap-changer-teknologier.

Drift eller posisjonsindikasjon er unormal

Driften bør stoppes hvis OLTC viser:

• ufullstendig tap-endring;
• posisjonsuoverensstemmelse;
• motor-drevfeil;
• mekanisk klemming;
• uventet støy;
• gjentatte beskyttelsesutløsninger;
• skadde begrensningsswitcher;
• en driftsteller eller en tidsanomali.

Å gjentatt gi kommandoer til en klemt eller ufullstendig OLTC kan forverre skaden.

Vedlikeholdsgrasen er nådd

En OLTC har spesifisert inspeksjons- eller vedlikeholds-kriterier basert på faktorer som:

• antall operasjoner;
• vekslet strøm;
• kontaktslitasje;
• oljekvalitet;
• tid i drift;
• produsentens anbefalinger;
• resultater fra tilstandsovervåking.

Hvis en vedlikeholds terskel er nådd, kan videre drift ikke tillates før den nødvendige inspeksjonen eller vedlikeholdsarbeidet er fullført.

---

Hvorfor kan høy strøm være farlig under en tap-endring?

Under en motstandsbasert OLTC-overgang må det skiftende systemet bære transformatorlaststrømmen samtidig som det styrer sirkulerende strøm mellom nabotapper.

Overgangskomponentene utsettes for kombinert elektrisk og termisk belastning. Hvis driftsstrømmen overstiger OLTCs tillatte bytekapasitet, kan belastningen på kontakter og overgangsmotstander stige over deres konstruksjonsgrenser.

Mulige konsekvenser inkluderer:

• overdrivelse av kontaktslitasje;
• overoppheting;
• kraftig lysbue;
• overgangsmotordamage;
• oljedekomposisjon;
• trykkstigning;
• beskyttelsesdrift;
• OLTC- eller transformatorfeil.

Derfor inkluderer mange transformatorstyringssystemer en overstrømsblokkeringsfunksjon for automatiske tap-endringskommandoer.

Blokkeringsverdien må imidlertid baseres på den faktiske OLTC-verdien, transformatorutformingen, reléinnstillingene og produsentens instruksjoner.

---

Hvordan velge mellom DETC og OLTC

En avkoblet tappebryter kan være et bedre valg når:

• inngående spenning er stabil;
• justeringsbehov er sjelden;
• planlagte nedstillinger er akseptable;
• enkelhet er en prioritet;
• automatisk kontroll er unødvendig;
• lavere innledende kostnad er viktig.

En lastkoblet tappeomskifter kan være foretrukket når:

• spenningsendringer skjer hyppig;
• belastningene varierer betydelig;
• forsyningens kontinuitet er viktig;
• automatisk spenningsregulering kreves;
• fjernkontroll er påkrevd;
• fornybar kraftproduksjon påvirker spenning;
• den regulerte bussen må forbli innenfor en smal spenningsbåndbredde.

Beslutningen bør vurdere livssykluskrav, ikke bare den opprinnelige transformatorprisen.

Viktige vurderingsfaktorer inkluderer:

• spenningsreguleringsområde;
• antall og størrelse på tap-trinn;
• maksimal gjennomstrømning;
• frekvens av operasjoner;
• lastprofil;
• kortslutningsbelastning;
• isolasjonsnivå;
• vedlikeholdsressurser;
• krav til styring og kommunikasjon;
• krevd pålitelighet;
• miljøforhold;
• gjeldende standarder.

Ofte stilte spørsmål

Kan en avslått tappeomskifter betjenes når transformator er uten belastning, men fortsatt strømførende?

Normalt ikke.

En avslått tappeomskifter krever vanligvis at transformator er elektrisk avslått, ikke bare ubelastet. En strømførende transformator kan fortsatt utøve spenning over kontaktene i tappeomskifteren, selv om sekundærbelastningsstrømmen er lav eller fraværende.

Følg alltid produsentens isolasjonsprosedyre.

Gjør en OLTC transformatorstransformatoren avbruddsfri?

Nei.

En OLTC unngår en nedstengning kun for vanlig tapjustering. Den beskytter ikke systemet mot alle transformator-, nett-, beskyttelses- eller strømforsyningssvikt oppstrøms.

Kritiske anlegg kan fortsatt kreve redundante transformatorer, doble strømkilder, UPS-systemer, generatorer, overføringsordninger eller andre kontinuitetsforanstaltninger.

Bruker hver OLTC overgangsmotstandere?

Nei.

Mange OLTC-er bruker overgangsmotstandere, men andre bruker overgangsreaktorer. Moderne design kan også bruke vakuumavbrytere og ulike utvalgs- eller omstillingsskaktemekanismer.

Er en OLTC alltid automatisk?

Nei.

En OLTC kan betjenes manuelt, elektrisk fra et lokalt kontrollpanel, fjernstyrt via SCADA eller automatisk via en spenningsreguleringsrelé.

Øker alltid et høyere tapnummer sekundærspenningen?

Ikke nødvendigvis.

Nummerering av tapposisjoner og «heve/senke»-konvensjoner varierer. Operatører må sjekke transformatorens tapdiagram og kontroll-dokumentasjon.

Er en DETC påliteligere enn en OLTC?

En DETC er mekanisk enklere og krever vanligvis mindre vedlikehold. En OLTC er mer kompleks fordi den må bytte laststrøm uten å avbryte strømforsyningen.

Faktisk pålitelighet avhenger imidlertid av konstruksjon, anvendelse, vedlikehold, driftsbelastning, installasjon og produksjonskvalitet.

Hvor ofte bør en OLTC vedlikeholdes?

Det finnes ingen universell intervall.

Vedlikehold kan avhenge av forløpt tid, antall operasjoner, byttet strømbelastning, kontaktslitasje, oljekvalitet, diagnostiske resultater og produsentens instruksjoner. Vakuum-OLTC-er kan ha andre vedlikeholdsbehov enn konvensjonelle oljeskiftende OLTC-er.

Konklusjon

Forskjellen mellom en de-energized tap changer og en on-load tap changer er enkel:

• En DETC endrer transformatorforholdet bare når transformator er de-energized.
• En OLTC endrer forholdet mens transformator er energized og fører last.

Teknikken bak en OLTC er mer kompleks. Den må opprettholde strømbanen til lasten samtidig som den begrenser sirkulerende strøm mellom naboviklingsuttag. Dette oppnås gjennom en kontrollert byttesekvens som bruker overgangsmotstand eller -reaktans, avhengig av konstruksjonen.

DETC-er er økonomiske, kompakte og egnet for sjelden justering. OLTC-er er bedre egnet for applikasjoner som krever hyppig spenningsregulering, fjernstyring, automatisk drift eller forbedret kontinuitet under uttagsbytting.

Den endelige valget bør baseres på kraftsystemet, driftskravene, vedlikeholdsstrategien, gjeldende standarder og totale livssykluskostnader.