Comutadores de Taps sem Energia vs. Comutadores de Taps sob Carga: Qual é a Diferença?

O que é um Transformador O que é um comutador de taps?

Um comutador de taps de transformador é um dispositivo que altera o número efetivo de espiras em um dos enrolamentos do transformador. Alterar o número de espiras modifica a relação de transformação e, portanto, ajusta a tensão secundária.

A relação básica de transformador pode ser expressa como:

V₁ / V₂ ≈ N₁ / N₂

Onde:

V₁ é a tensão primária;
V₂ é a tensão secundária;
N₁ é o número de espiras do enrolamento primário;
N₂ é o número de espiras do enrolamento secundário.

Os comutadores de derivação são normalmente instalados no enrolamento de alta tensão porque a corrente é menor nesse lado. Uma corrente menor pode reduzir a solicitação de comutação e o tamanho físico do equipamento de comutação de derivação. Contudo, a localização real do enrolamento depende do projeto do transformador e dos requisitos do sistema.

Os comutadores de derivação de transformadores geralmente se dividem em duas categorias:

1. Comutadores de derivação sem carga, ou DETCs
2. Comutadores de derivação sob carga, ou OLTCs

A diferença fundamental é se a posição da derivação pode ser alterada enquanto o transformador está energizado e alimentando carga.

O que é um comutador de derivação sem carga?

Um comutador de derivação sem carga só pode ser operado quando o transformador está totalmente desenergizado.

Também é comumente chamado de:

• DETC, ou comutador de derivação desenergizado;
• comutador de derivação fora do circuito;
• comutador de derivação em vazio;
• comutador de derivação sem carga.

Esses termos são por vezes utilizados de forma intercambiável no mercado, mas “comutador de derivação desenergizado” é a descrição mais clara, pois indica a condição essencial de segurança: o transformador não deve estar energizado durante a operação.

Antes de alterar a posição da derivação, os operadores devem isolar o transformador de todas as fontes elétricas possíveis, aplicar os procedimentos obrigatórios de bloqueio e sinalização (lockout/tagout), verificar a ausência de tensão e seguir as instruções do fabricante do transformador.

Por Que um DETC Não Pode Ser Operado Sob Tensão?

Um comutador de derivação desenergizado convencional não foi concebido para estabelecer ou interromper corrente de carga.

Durante a mudança de derivação, os seus contactos podem, temporariamente, desligar-se de uma derivação antes de estabelecerem a ligação à seguinte. Se o transformador estivesse sob tensão, esta acção poderia provocar arcos eléctricos entre os contactos.

As consequências possíveis incluem:

• contatos queimados ou erodidos;
• carbonização do material isolante ou do óleo;
• curtos-circuitos internos;
• falha do comutador de derivação;
• danos ao transformador;
• incêndio ou riscos para o pessoal.

Por essa razão, um comutador de derivação desenergizado (DETC) nunca deve ser operado simplesmente porque o transformador parece estar "leve". Ele deve ser operado apenas nas condições de desenergização especificadas pelo fabricante.

Vantagens de um Comutador de Derivação Desenergizado

Um DETC possui uma estrutura mecânica e elétrica relativamente simples.

Suas principais vantagens incluem tipicamente:

• custo inicial mais baixo;
• construção compacta;
• menos componentes móveis;
• baixos requisitos de manutenção;
• alta confiabilidade mecânica;
• operação manual simples;
• adequação para ajustes de tensão infrequentes.

Um DETC é frequentemente apropriado quando a tensão de alimentação é relativamente estável e a posição do tap do transformador só precisa ser selecionada durante a instalação, a comissionamento, a manutenção sazonal ou uma parada planejada.

Limitações de um De-Energized Tap Changer

A principal limitação é que o ajuste do tap exige que o transformador seja retirado de serviço.

Um comutador de derivação sob carga (DETC) é, portanto, menos adequado quando:

• a tensão varia frequentemente;
• as cargas mudam significativamente ao longo do dia;
• a produção não pode ser interrompida;
• a tensão deve permanecer dentro de uma faixa operacional estreita;
• é necessária regulação remota ou automática;
• a geração renovável provoca flutuações frequentes de tensão.

Um comutador de derivação desenergizado também não corrige automaticamente as alterações de tensão, a menos que um operador desligue o transformador e selecione manualmente uma posição diferente.

O que é um comutador de derivação sob carga?

Um comutador de derivação sob carga altera a relação de transformação enquanto o transformador permanece energizado e conduz corrente de carga.

É comumente abreviado como OLTC . Em alguns mercados, o termo load tap changer , ou LTC, também é utilizado.

Um OLTC transfere a corrente de carga de uma derivação do enrolamento para uma derivação adjacente sem interromper o fornecimento. Essa capacidade torna-o adequado para sistemas elétricos que exigem regulação frequente, automática ou remota de tensão.

A norma IEC 60214 abrange requisitos de desempenho e métodos de ensaio para comutadores de derivações sob carga e sem carga. De acordo com os princípios de aplicação da IEC, um OLTC é projetado para alterar a relação de transformação do transformador enquanto este está energizado e em carga, sem interromper o fornecimento.

Aplicações típicas de OLTC

Transformadores com comutação de derivações sob carga são comumente utilizados em:

• subestações de transmissão;
• subestações de distribuição;
• usinas elétricas;
• instalações siderúrgicas e metalúrgicas;
• minas;
• centros de dados;
• grandes instalações industriais;
• projetos de energia renovável;
• infraestrutura crítica;
• instalações com cargas sensíveis a interrupções.

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Como um Comutador de Taps Sob Carga Funciona?

Um TCAL deve executar duas tarefas simultaneamente:

1. Manter o caminho da corrente de carga durante a mudança de tap.
2. Evitar uma corrente circulante excessiva entre taps adjacentes.

Taps adjacentes do transformador possuem potenciais elétricos diferentes. Conectá-los diretamente criaria uma corrente circulante suficientemente grande para danificar o enrolamento ou os equipamentos de comutação.

Um TCAL utiliza, portanto, um processo controlado de transição.

Comutação de conexão antes da interrupção

Um TCAL típico estabelece uma conexão com o próximo tap antes de desconectar totalmente o tap original. Esse princípio operacional é comumente descrito como conexão antes da interrupção .

Durante o breve período de transição, o TCAL pode estar conectado a dois taps adjacentes.

Uma impedância é introduzida para limitar a corrente circulante entre eles. Dependendo do projeto do TCAL, essa impedância de transição pode ser:

• um resistor de transição;
• um reator de transição, por vezes denominado autotransformador preventivo.

A Megger descreve o processo OLTC como a ponte entre uma derivação adjacente antes de interromper a derivação que conduz a carga. Uma impedância resistiva ou reativa limita a corrente circulante enquanto as duas derivações estão temporariamente ligadas.

Sequência típica de OLTC do tipo resistor

Embora a sequência exata dependa do projeto do OLTC, uma operação simplificada do tipo resistor é:

1. O transformador conduz a carga através da derivação atual.
2. Um contato de transição liga a derivação seguinte através de um resistor de transição.
3. Ambas as derivações ficam temporariamente ligadas, enquanto o resistor limita a corrente circulante.
4. O caminho principal da corrente transfere-se para a nova derivação.
5. A derivação original é desconectada.
6. O resistor de transição é removido do circuito.
7. O OLTC conclui a operação na nova posição de serviço.

O resistor de transição é utilizado apenas durante um curto período de comutação. Não é projetado para permanecer continuamente conectado em uma posição normal de serviço.

OLTCs modernos podem utilizar contatos de arco convencionais, interruptores a vácuo, transições com resistores, transições com reatores ou outras configurações específicas do fabricante.

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Componentes principais de um OLTC

Um OLTC tradicional do tipo resistor pode incluir:

Seletor de derivações

O seletor de derivações identifica a próxima derivação do enrolamento. Normalmente executa a função de seleção sem comutar a corrente total de carga.

Interruptor de desvio

O interruptor de desvio transfere a corrente de carga da derivação original para a derivação selecionada.

Resistores de transição

Os resistores de transição limitam a corrente circulante enquanto duas derivações adjacentes estão temporariamente ponteadas.

Seletor de comutação

Um seletor de comutação reversível ou em etapas grosseiras/finas pode ampliar a faixa de regulação sem exigir um número excessivo de conexões no enrolamento regulador.

Mecanismo acionado por motor

O mecanismo acionado por motor fornece a energia e a sequência controlada necessárias para concluir uma mudança de derivação.

Dependendo do projeto, o comutador sob carga (OLTC) também pode incluir:

• indicadores de posição;
• fins de curso mecânicos e elétricos;
• contadores de operações;
• controles locais e remotos;
• relés reguladores automáticos de tensão;
• indicadores de nível de óleo;
• proteção acionada por pressão ou gás;
• supervisão de temperatura;
• dispositivos de monitoramento contínuo de condição.

Nem todo OLTC contém os mesmos componentes. Por exemplo, OLTCs a vácuo e OLTCs a seco podem ter arranjos diferentes de comutação e isolamento.

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Como a mudança de taps afeta a tensão secundária?

Para um transformador com taps de regulação no enrolamento de alta tensão e uma alimentação primária relativamente constante:

• Aumentar o número efetivo de espiras do enrolamento de alta tensão aumenta a relação e, em geral, reduz a tensão secundária.
• Diminuir o número efetivo de espiras do enrolamento de alta tensão reduz a relação e, geralmente, eleva a tensão secundária.

Em termos simplificados:

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

Se \(V_1\) e \(N_2\) permanecerem constantes:

• aumentar \(N_1\) reduz \(V_2\);
• diminuir \(N_1\) aumenta \(V_2\).

No entanto, expressões como “elevar a derivação”, “abaixar a derivação”, “derivação para cima” e “derivação para baixo” não são universalmente consistentes. Seu significado pode depender do fabricante, da convenção da concessionária, do arranjo dos enrolamentos, do sistema de controle ou do método de numeração das posições.

Os operadores devem, portanto, basear-se em:

• a placa de identificação do transformador;
• o diagrama de posições das derivações;
• o esquema de controle;
• o manual de instruções do OLTC;
• o procedimento operacional aprovado.

Eles não devem presumir o sentido da tensão com base apenas no número da posição do tap.

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DETC versus OLTC: Principais Diferenças

O custo exato, o tamanho, o intervalo de manutenção e a capacidade operacional dependem da potência nominal do transformador, da classe de tensão, da faixa de taps, da tecnologia de comutação e do fabricante. Uma relação de preço fixa entre transformadores DETC e OLTC não deve ser considerada uma regra universal.

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Por que escolher um transformador com comutação sob carga?

1. Regulação de tensão sem desligamento rotineiro

A principal vantagem de um OLTC é que ele pode ajustar a relação de transformação sem retirar o transformador de serviço para cada operação de mudança de tap.

Isso é valioso em situações em que uma interrupção programada afetaria:

• fabricação contínua;
• infraestrutura crítica;
• sistemas de computação e comunicação;
• hospitais;
• sistemas ferroviários;
• operações mineradoras;
• clientes de serviços públicos.

Um OLTC apoia a continuidade do fornecimento, mas não garante que um sistema elétrico nunca sofrerá uma interrupção. Falhas em transformadores, operações de proteção, falhas a montante, manutenção e outros eventos no sistema ainda podem interromper o fornecimento de energia.

2. Melhoria da conformidade de tensão

A tensão varia devido à carga variável, à impedância do alimentador, à direção do fluxo de potência, à saída de geração e às condições da rede a montante.

Um OLTC pode ajudar a manter a tensão no barramento controlado dentro da faixa especificada. Manter uma tensão aceitável apoia:

• o funcionamento adequado dos equipamentos;
• a qualidade da energia;
• o desempenho dos motores;
• vida útil do isolamento;
• conformidade da tensão do cliente;
• estabilidade operacional do sistema.

3. Melhor Coordenação com a Compensação de Potência Reativa

A saída de potência reativa de um capacitor em derivação é aproximadamente proporcional ao quadrado da tensão de operação:

\[ Q \propto V^2 \]

Se a tensão cair, o banco de capacitores produz menos potência reativa. Se a tensão subir excessivamente, a saída de potência reativa aumenta e pode contribuir para sobretensão ou sobrecompensação.

Coordenar o controle de OLTC com bancos de capacitores, reatores, compensadores estáticos de potência reativa (SVC), STATCOMs e recursos baseados em inversores pode melhorar a gestão geral de tensão e potência reativa.

A estratégia de controle deve ser projetada cuidadosamente. Uma má coordenação pode causar operações excessivas dos taps, comutação frequente de capacitores, oscilações no controle ou fluxo desfavorável de potência reativa.

4. Redução das Perdas na Rede em Algumas Condições Operacionais

Manter a tensão do sistema dentro de uma faixa operacional adequada pode reduzir a corrente excessiva e evitar algumas perdas na rede.

No entanto, é demasiado genérico afirmar que toda operação de OLTC automaticamente minimiza as perdas. O resultado real depende de:

• características da carga;
• fator de potência;
• impedância do alimentador;
• demanda dependente da tensão;
• perdas no transformador;
• fluxo de potência reativa;
• geração distribuída;
• objetivos de controle.

As estratégias modernas de controle de tensão, portanto, consideram mais do que apenas a tensão.

5. Operação remota e automática

Um OLTC pode ser controlado por:

• botões locais de pressão;
• um sistema de controle remoto;
• SCADA;
• um relé automático regulador de tensão;
• automação coordenada da subestação.

A regulação automática permite que o sistema de controle compare a tensão medida com um valor-alvo e emita comandos de aumento ou redução após o atraso de tempo configurado e as condições de faixa morta serem satisfeitas.

A faixa morta e o atraso evitam operações desnecessárias causadas por pequenas ou temporárias variações de tensão.

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Quando um Comutador sob Carga Não Deve Ser Operado?

Não existe uma única lista universal aplicável a todos os Comutadores sob Carga. A operação permitida depende da corrente nominal de passagem, do projeto, do sistema de proteção, do manual de operação, do estado do transformador e dos procedimentos locais.

Os operadores devem seguir as instruções fornecidas pelos fabricantes do transformador e do Comutador sob Carga.

A mudança de taps pode precisar ser bloqueada ou suspensa em condições como as seguintes.

Corrente Excede a Capacidade de Comutação Permitida

Um Comutador sob Carga possui uma corrente nominal de passagem e uma capacidade operacional específica. Se a corrente do transformador exceder o valor permitido para a mudança de taps, a comutação poderá sobrecarregar os contatos de transição, os interruptores a vácuo, os resistores de transição ou outros componentes condutores de corrente.

Alguns Comutadores sob Carga possuem capacidade especificada para sobrecarga, enquanto outros devem ser bloqueados acima de um limiar configurado de corrente. A operação em sobrecarga deve, portanto, ser avaliada com base na classificação real do Comutador sob Carga e no manual do fabricante — não com base em uma regra genérica.

Alarme de Proteção Anormal do Comutador de Tapes sob Carga

Comutadores de tapes sob carga imersos em óleo podem ter relés de pressão dedicados, relés de fluxo de óleo, dispositivos acionados por gás ou outro equipamento de proteção.

Um alarme pode indicar arco elétrico, formação de gás, um problema no sistema de óleo ou outra condição interna anormal. Novas operações de mudança de tape não devem ser tentadas até que o alarme tenha sido investigado conforme as instruções de operação.

Os arranjos de proteção diferem entre comutadores de tapes sob carga convencionais a óleo, comutadores a vácuo, unidades isoladas a gás e comutadores de tapes do tipo seco.

Meio Isolante Inadequado

Para um comutador de tapes sob carga isolado a óleo, a operação pode ser proibida se:

• o nível de óleo estiver abaixo da faixa permitida;
• a rigidez dielétrica for inaceitável;
• o óleo estiver severamente contaminado;
• for detectada uma vazamento;
• o compartimento de óleo ou o sistema de pressão está anormal.

Essas condições não se aplicam da mesma forma a todas as tecnologias de comutadores sob carga.

Indicação de Condução ou Posição Está Anormal

A operação deve ser interrompida se o OLTC apresentar:

• mudança de posição incompleta;
• discordância de posição;
• falha no acionamento do motor;
• bloqueio mecânico;
• ruído inesperado;
• desarmamentos repetidos da proteção;
• interruptores de fim de curso danificados;
• uma anomalia no contador de operações ou no cronômetro.

Emitir repetidamente comandos para um OLTC emperrado ou incompleto pode agravar os danos.

Limite de Manutenção Alcançado

Um OLTC possui critérios específicos de inspeção ou manutenção baseados em fatores como:

• número de operações;
• corrente comutada;
• desgaste dos contatos;
• condição do óleo;
• tempo de serviço;
• recomendações do fabricante;
• resultados do monitoramento de condição.

Se um limite de manutenção tiver sido atingido, a operação contínua pode não ser permitida até que a inspeção ou manutenção exigida seja concluída.

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Por Que uma Corrente Elevada Pode Ser Perigosa Durante uma Troca de Tapes?

Durante uma transição de OLTC do tipo resistor, o sistema de comutação deve conduzir a corrente de carga do transformador, além de controlar a corrente circulante entre tapes adjacentes.

Os componentes de transição sofrem estresse elétrico e térmico combinados. Se a corrente de operação exceder a capacidade de comutação admissível da OLTC, o estresse sobre os contatos e os resistores de transição pode ultrapassar seus limites de projeto.

As consequências possíveis incluem:

• desgaste excessivo dos contatos;
• superaquecimento;
• arco elétrico severo;
• dano ao resistor de transição;
• decomposição do óleo;
• aumento de pressão;
• operação de proteção;
• Falha no OLTC ou no transformador.

É por isso que muitos sistemas de controle de transformadores incluem uma função de bloqueio por sobrecorrente para comandos automáticos de mudança de taps.

No entanto, o valor de bloqueio deve basear-se na classificação real do OLTC, no projeto do transformador, nos ajustes do relé e nas instruções do fabricante.

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Como Selecionar entre DETC e OLTC

Um comutador de taps sem carga pode ser a melhor opção quando:

• a tensão de entrada é estável;
• o ajuste de taps é raramente necessário;
• desligamentos programados são aceitáveis;
• a simplicidade é uma prioridade;
• o controle automático não é necessário;
• um custo inicial menor é importante.

Um comutador sob carga pode ser preferível quando:

• as variações de tensão ocorrem com frequência;
• as cargas variam significativamente;
• a continuidade do fornecimento é importante;
• é necessária regulação automática de tensão;
• é necessário controle remoto;
• a geração renovável afeta a tensão;
• o barramento controlado deve permanecer dentro de uma faixa estreita de tensão.

A decisão deve considerar os requisitos do ciclo de vida, e não apenas o preço inicial do transformador.

Fatores importantes de avaliação incluem:

• faixa de regulação de tensão;
• número e tamanho dos degraus de tap;
• corrente máxima de passagem;
• frequência de operações;
• perfil de carga;
• capacidade de curto-circuito;
• nível de isolamento;
• recursos de manutenção;
• requisitos de controle e comunicação;
• confiabilidade exigida;
• condições ambientais;
• normas aplicáveis.

Perguntas Frequentes

É possível operar um comutador de derivações sem energia quando o transformador não tem carga, mas ainda está energizado?

Normalmente, não.

Um comutador de derivações sem energia geralmente exige que o transformador seja desenergizado eletricamente, não apenas descarregado. Um transformador energizado ainda pode impor tensão nos contatos do comutador de derivações, mesmo que a corrente de carga secundária seja baixa ou inexistente.

Siga sempre o procedimento de isolamento do fabricante.

Um OLTC torna o transformador ininterrupto?

N.º

Um OLTC evita uma parada exclusivamente para ajuste normal dos taps. Ele não protege o sistema contra todas as falhas de transformador, rede, proteção ou suprimento a montante.

Instalações críticas ainda podem exigir transformadores redundantes, fontes de alimentação duplas, sistemas UPS, geradores, esquemas de transferência ou outras medidas de continuidade.

Todo OLTC utiliza resistores de transição?

N.º

Muitos OLTCs utilizam resistores de transição, mas outros empregam reatores de transição. Projetos modernos também podem usar interruptores a vácuo e diferentes arranjos de comutadores seletor ou diverter.

Um OLTC é sempre automático?

N.º

Um OLTC pode ser operado manualmente, eletricamente por meio de um painel de controle local, remotamente através de SCADA ou automaticamente por meio de um relé regulador de tensão.

Um número de tap mais elevado sempre aumenta a tensão secundária?

Não necessariamente.

A numeração das posições de tap e as convenções de "aumentar/diminuir" variam. Os operadores devem consultar o diagrama de taps do transformador e a documentação de controle.

Um DETC é mais confiável do que um OLTC?

Um DETC é mecanicamente mais simples e, geralmente, requer menos manutenção. Um OLTC é mais complexo porque deve comutar a corrente de carga sem interromper o fornecimento.

Contudo, a confiabilidade real depende do projeto, da aplicação, da manutenção, do regime de operação, da instalação e da qualidade da fabricação.

Com que frequência um OLTC deve ser mantido?

Não há um intervalo universal.

A manutenção pode depender do tempo decorrido, do número de operações, da carga comutada, do desgaste dos contatos, do estado do óleo, dos resultados de diagnósticos e das instruções do fabricante. OLTCs a vácuo podem ter requisitos de manutenção diferentes dos OLTCs convencionais com comutação em óleo.

Conclusão

A diferença entre um comutador de taps desenergizado e um comutador de taps sob carga é direta:

• A DETC altera a relação do transformador apenas quando o transformador está desenergizado.
• Um OLTC altera a relação enquanto o transformador está energizado e conduzindo carga.

A engenharia por trás de um OLTC é mais complexa. Ele deve manter o caminho da corrente de carga enquanto limita a corrente circulante entre derivações adjacentes do enrolamento. Isso é conseguido por meio de uma sequência controlada de comutação que utiliza resistência ou reatância de transição, conforme o projeto.

Os DETC são econômicos, compactos e adequados para ajustes pouco frequentes. Os OLTC são mais adequados para aplicações que exigem regulação frequente de tensão, controle remoto, operação automática ou maior continuidade durante as mudanças de derivação.

A escolha final deve basear-se no sistema elétrico, nos requisitos operacionais, na estratégia de manutenção, nas normas aplicáveis e no custo total ao longo do ciclo de vida.