Comutatoare de prize fără sarcină versus cu sarcină: Care este diferența?

Ce este o Transformator Ce este un comutator de prize?

Un comutator de prize pentru transformator este un dispozitiv care modifică numărul efectiv de spire dintr-o înfășurare a transformatorului. Modificarea numărului de spire schimbă raportul transformatorului și, prin urmare, ajustează tensiunea secundară.

Relația de bază a transformatorului poate fi exprimată astfel:

V₁ / V₂ ≈ N₁ / N₂

Unde:

V₁ este tensiunea primară;
V₂ este tensiunea secundară;
N₁ este numărul de spire ale înfășurării primare;
N₂ este numărul de spire ale înfășurării secundare.

Schimbătoarele de prize sunt instalate, de obicei, pe înfășurarea de înaltă tensiune, deoarece curentul este mai mic pe această parte. Un curent mai mic poate reduce sarcina de comutare și dimensiunea fizică a echipamentului de schimbare a prizelor. Totuși, poziția reală a înfășurării depinde de proiectarea transformatorului și de cerințele sistemului.

Schimbătoarele de prize pentru transformatoare se împart, în general, în două categorii:

1. Schimbătoare de prize fără sarcină (DETC)
2. Schimbătoare de prize sub sarcină (OLTC)

Diferența esențială constă în posibilitatea sau nu de a modifica poziția prizei în timp ce transformatorul este alimentat și furnizează sarcină.

Ce este un schimbător de prize fără sarcină?

Un schimbător de prize fără sarcină poate fi acționat doar atunci când transformatorul este complet deconectat de la rețea.

Este denumit, de asemenea, frecvent:

• DETC, sau comutator de prize fără tensiune;
• comutator de prize în gol;
• comutator de prize fără sarcină;
• comutator de prize fără sarcină.

Aceste termeni sunt uneori utilizați în mod interschimbabil pe piață, dar „comutator de prize fără tensiune” este descrierea cea mai clară, deoarece specifică condiția esențială de siguranță: transformatorul nu trebuie să fie sub tensiune în timpul operației.

Înainte de modificarea poziției prizei, operatorii trebuie să izoleze transformatorul față de toate sursele electrice posibile, să aplice procedurile obligatorii de blocare și etichetare, să verifice absența tensiunii și să urmeze instrucțiunile producătorului transformatorului.

De ce nu poate fi manevrat un DETC sub tensiune?

Un comutator de prize fără tensiune convențional nu este conceput pentru a stabili sau a întrerupe curentul de sarcină.

În timpul schimbării prizei, contactele sale pot deconecta temporar o priză înainte de a stabili conexiunea cu următoarea. Dacă transformatorul ar fi sub tensiune, această acțiune ar putea genera arc electric între contacte.

Consecințele posibile includ:

• contacte arse sau erodate;
• carbonizarea materialului izolant sau a uleiului;
• scurtcircuite interne;
• defecțiunea reglatorului de tensiune;
• deteriorarea transformatorului;
• incendiu sau pericole pentru personal.

Din acest motiv, un reglator de tensiune fără sarcină (DETC) nu trebuie niciodată pus în funcționare doar pe baza aparenței că transformatorul este „încărcat ușor”. El trebuie pus în funcționare numai în condiții de deconectare, conform specificațiilor producătorului.

Avantajele unui reglator de tensiune fără sarcină

Un reglator de tensiune fără sarcină (DETC) are o structură mecanică și electrică relativ simplă.

Principalele avantaje includ, de obicei:

• cost inițial mai scăzut;
• construcție compactă;
• mai puține componente mobile;
• necesită întreținere redusă;
• fiabilitate mecanică ridicată;
• funcționare manuală simplă;
• potrivit pentru ajustări de tensiune rare.

Un DETC este adesea potrivit atunci când tensiunea de alimentare este relativ stabilă și poziția de priză a transformatorului trebuie selectată doar în timpul instalării, punerii în funcțiune, întreținerii sezoniere sau a unei opriri planificate.

Limitări ale unui De-Energized Tap Changer

Limitarea principală este că ajustarea prizei necesită scoaterea transformatorului din serviciu.

Un schimbător de prize sub sarcină este, prin urmare, mai puțin potrivit atunci când:

• tensiunea variază frecvent;
• sarcinile se modifică semnificativ în timpul zilei;
• producția nu poate fi întreruptă;
• tensiunea trebuie să rămână într-un domeniu îngust de funcționare;
• este necesară reglarea la distanță sau automată;
• generarea din surse regenerabile provoacă fluctuații frecvente ale tensiunii.

Un schimbător de prize fără tensiune nu corectează automat modificările de tensiune, decât dacă un operator oprește transformatorul și selectează manual o altă poziție.

Ce este un schimbător de prize sub sarcină?

Un schimbător de prize sub sarcină modifică raportul transformatorului în timp ce transformatorul rămâne sub tensiune și suportă curentul de sarcină.

Este frecvent abreviat ca OLTC . În unele piețe, se folosește și termenul load tap changer , sau LTC.

Un OLTC transferă curentul de sarcină de la o priză a înfășurării la o priză adiacentă fără întreruperea alimentării. Această capacitate îl face potrivit pentru sistemele de alimentare care necesită reglarea frecventă, automată sau la distanță a tensiunii.

IEC 60214 acoperă cerințele de performanță și metodele de încercare pentru întrerupătoarele de prize sub sarcină și fără sarcină. Conform principiilor de aplicare IEC, un OLTC este conceput pentru a modifica raportul transformatorului în timp ce transformatorul este sub tensiune și încărcat, fără întreruperea alimentării.

Aplicații tipice ale OLTC

Transformatorii cu reglaj sub sarcină sunt frecvent utilizați în:

• substațiile de transport;
• substații de distribuție;
• centrale electrice;
• instalații siderurgice și metalurgice;
• mine;
• centre de date;
• instalații industriale mari;
• proiecte de energie regenerabilă;
• infrastructură critică;
• instalații cu sarcini sensibile la întreruperi.

---

Cum funcționează un comutator de trepte sub sarcină?

Un reglator cu comutare sub sarcină (OLTC) trebuie să îndeplinească două sarcini simultan:

1. Menținerea traseului curentului de sarcină în timpul modificării treptei.
2. Prevenirea unui curent de circulație excesiv între trepte adiacente.

Treptele adiacente ale transformatorului au potențiale electrice diferite. Conectarea lor directă ar genera un curent de circulație suficient de mare pentru a deteriora înfășurarea sau echipamentul de comutare.

Un reglator cu comutare sub sarcină (OLTC) folosește, prin urmare, un proces controlat de tranziție.

Comutare de tip „conectează înainte de a deconecta”

Un OLTC tipic stabilește o conexiune către treapta următoare înainte de a deconecta complet treapta inițială. Acest principiu de funcționare este des descris ca fiind conectează înainte de a deconecta .

În timpul scurtului interval de tranziție, OLTC-ul poate fi conectat simultan la două trepte adiacente.

Se introduce o impedanță pentru a limita curentul de circulație dintre acestea. În funcție de concepția OLTC-ului, această impedanță de tranziție poate fi:

• o rezistență de tranziție;
• o bobină de tranziție, uneori numită autotransformator preventiv.

Megger descrie procesul OLTC ca fiind punerea în paralel a unui treaptă adiacentă înainte de întreruperea treptei care suportă sarcina. O impedanță rezistivă sau reactivă limitează curentul de circulație în timp ce cele două trepte sunt conectate temporar.

Secvență tipică OLTC cu rezistor

Deși secvența exactă depinde de proiectarea OLTC, o operațiune simplificată de tip rezistor este:

1. Transformatorul suportă sarcina prin treapta curentă.
2. Un contact de tranziție conectează treapta următoare printr-un rezistor de tranziție.
3. Ambele trepte sunt conectate temporar, în timp ce rezistorul limitează curentul de circulație.
4. Calea principală a curentului se transferă către noua treaptă.
5. Treapta inițială este deconectată.
6. Rezistorul de tranziție este eliminat din circuit.
7. Reglajul sub sarcină (OLTC) finalizează operația în noua poziție de funcționare.

Rezistorul de tranziție este utilizat doar pentru o scurtă perioadă de comutare. Nu este conceput să rămână conectat continuu într-o poziție normală de funcționare.

OLTC-urile moderne pot utiliza contacte de arc convenționale, întrerupătoare în vid, tranziții cu rezistor, tranziții cu reactor sau alte configurații specifice producătorului.

---

Componentele principale ale unui OLTC

Un OLTC tradițional de tip rezistor poate include:

Selectorul de prize

Selectorul de prize identifică următoarea priză a înfășurării. În mod normal, execută funcția de selecție fără a comuta curentul nominal de sarcină.

Întrerupătorul de derivare

Întrerupătorul de derivare transferă curentul de sarcină de la priza inițială la priza selectată.

Rezistențe de tranziție

Rezistențele de tranziție limitează curentul de circulație în timp ce două trepte adiacente sunt legate temporar în paralel.

Selector de comutare

Un selector de comutare inversabil sau cu reglaj grosier/fin poate extinde domeniul de reglare fără a necesita un număr excesiv de conexiuni ale înfășurării de reglare.

Mecanism de acționare motorizat

Mecanismul de acționare motorizat furnizează energia și secvența controlată necesare pentru finalizarea unei comutări de treaptă.

În funcție de construcție, OLTC poate include, de asemenea:

• indicatori de poziție;
• comutatoare limită mecanice și electrice;
• contori de operațiuni;
• comenzi locale și la distanță;
• relee reglatoare automate de tensiune;
• indicatori ai nivelului de ulei;
• protecție acționată de presiune sau gaz;
• supraveghere a temperaturii;
• dispozitive de monitorizare în timp real a stării.

Nu fiecare OLTC conține aceleași componente. De exemplu, OLTC-urile cu vid și OLTC-urile de tip uscat pot avea aranjamente diferite pentru comutare și izolare.

---

Cum influențează modificarea prizei tensiunea secundară?

Pentru un transformator cu prizele de reglare pe înfășurarea de înaltă tensiune și cu o alimentare primară relativ constantă:

• Creșterea numărului efectiv de spire ale înfășurării de înaltă tensiune mărește raportul și scade, în general, tensiunea secundară.
• Reducerea numărului eficient de spire ale înfășurării de înaltă tensiune scade raportul și ridică, în general, tensiunea secundară.

În termeni simplificați:

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

Dacă \(V_1\) și \(N_2\) rămân constante:

• creșterea lui \(N_1\) reduce \(V_2\);
• scăderea lui \(N_1\) mărește \(V_2\).

Totuși, expresii precum „ridicare tap”, „coborâre tap”, „tap sus” și „tap jos” nu sunt universal consistente. Semnificația lor poate depinde de producător, de convenția operatorului de rețea, de dispunerea înfășurărilor, de sistemul de comandă sau de metoda de numerotare a pozițiilor.

Operatorii ar trebui, prin urmare, să se bazeze pe:

• plăcuța indicatoare a transformatorului;
• diagrama pozițiilor tap;
• schema de comandă;
• manualul de instrucțiuni pentru OLTC;
• procedura operațională aprobată.

Nu trebuie să presupună sensul tensiunii doar pe baza numărului poziției de reglaj.

---

DETC versus OLTC: Principalele diferențe

Costul exact, dimensiunea, intervalul de întreținere și capacitatea de funcționare depind de puterea nominală a transformatorului, clasa de tensiune, domeniul de reglaj al prizelor, tehnologia de comutare și producător. Un raport de preț fix între transformatoarele DETC și cele OLTC nu trebuie considerat o regulă universală.

---

De ce să alegeți un transformator cu comutare sub sarcină?

1. Reglarea tensiunii fără oprire rutinieră

Avantajul principal al unui transformator OLTC este acela că poate ajusta raportul de transformare fără a scoate transformatorul din funcționare pentru fiecare operațiune de comutare a prizei.

Aceasta este importantă în cazul în care o oprire planificată ar afecta:

• producția continuă;
• infrastructură critică;
• sistemele informatice și de comunicații;
• spitalele;
• sisteme feroviare;
• operațiuni miniere;
• clienți ai serviciilor publice.

Un OLTC sprijină continuitatea aprovizionării, dar nu garantează că un sistem electric nu va suferi niciodată o întrerupere. Defecțiunile transformatoarelor, operațiunile de protecție, defecțiunile din aval, întreținerea și alte evenimente ale sistemului pot încă întrerupe alimentarea cu energie.

2. Îmbunătățirea conformității tensiunii

Tensiunea variază datorită sarcinii variabile, impedanței derivării, direcției fluxului de putere, producției de energie și condițiilor rețelei din amonte.

Un OLTC poate ajuta la menținerea tensiunii pe bara de comandă în intervalul specificat. Menținerea unei tensiuni acceptabile sprijină:

• funcționarea corectă a echipamentelor;
• calitatea energiei electrice;
• performanța motoarelor;
• durata izolației;
• conformitatea tensiunii clientului;
• stabilitatea funcționării sistemului.

3. Coordonare îmbunătățită cu compensarea puterii reactive

Puterea reactivă furnizată de un condensator în derivare este aproximativ proporțională cu pătratul tensiunii de funcționare:

\[ Q \propto V^2 \]

Dacă tensiunea scade, bateria de condensatoare produce mai puțină putere reactivă. Dacă tensiunea crește excesiv, producția de putere reactivă se intensifică și poate contribui la supratensiune sau supracompensare.

Coordonarea controlului OLTC cu bateriile de condensatoare, reactoarele, compensatoarele statice de putere reactivă (SVC), STATCOM-urile și resursele bazate pe invertor poate îmbunătăți gestionarea generală a tensiunii și a puterii reactive.

Strategia de comandă trebuie proiectată cu atenție. O coordonare deficitară poate determina operații excesive ale treptelor transformatorului, comutări frecvente ale condensatoarelor, oscilații ale reglării sau fluxuri nefavorabile de putere reactivă.

4. Reducerea pierderilor din rețea în anumite condiții de funcționare

Menținerea tensiunii sistemului într-o plajă de funcționare adecvată poate reduce curentul excesiv și evita unele pierderi din rețea.

Totuși, este prea general să se afirme că fiecare operațiune OLTC minimizează automat pierderile. Rezultatul real depinde de:

• caracteristicile sarcinii;
• factorul de putere;
• impedanța alimentatorului;
• cererea dependentă de tensiune;
• pierderile transformatorului;
• fluxul de putere reactivă;
• generarea distribuită;
• obiectivele de comandă.

Strategiile moderne de control al tensiunii iau, prin urmare, în considerare mai mult decât doar tensiunea.

5. Funcționare la distanță și automată

Un OLTC poate fi comandat de:

• butonuri locale de apăsare;
• un sistem de comandă la distanță;
• SCADA;
• un releu automat de reglare a tensiunii;
• automatizare coordonată a stației.

Reglarea automată permite sistemului de comandă să compare tensiunea măsurată cu o valoare țintă și să emită comenzi de creștere sau scădere după ce sunt îndeplinite condițiile de întârziere configurată și de bandă moartă.

Banda moartă și întârzierea previn operațiunile inutile cauzate de variații mici sau temporare ale tensiunii.

---

Când nu trebuie operat un OLTC?

Nu există o singură listă universală aplicabilă fiecărui OLTC. Funcționarea permisă depinde de curentul nominal prin care trece, de proiectare, de sistemul de protecție, de manualul de exploatare, de starea transformatorului și de procedurile de pe amplasament.

Operatorii trebuie să urmeze instrucțiunile furnizate de producătorii transformatorului și ai OLTC.

Modificarea treptelor poate necesita blocarea sau suspendarea în condiții precum cele de mai jos.

Curentul depășește sarcina permisă pentru comutare

Un OLTC are un curent nominal prin care trece și o capacitate de funcționare specificată. Dacă curentul transformatorului depășește valoarea permisă pentru modificarea treptelor, comutarea poate suprasolicita contactele de tranziție, întrerupătoarele în vid, rezistențele de tranziție sau alte componente care conduc curentul.

Unele OLTC au o capacitate specificată de suprasarcină, în timp ce altele trebuie blocate peste o limită de curent configurată. Exploatarea în regim de suprasarcină trebuie, așadar, evaluată în raport cu ratingul real al OLTC și cu manualul producătorului — nu cu o regulă generică.

Alarmă anormală de protecție OLTC

OLTC-urile imersate în ulei pot avea relee de presiune dedicate, relee de debit de ulei, dispozitive acționate de gaz sau alte echipamente de protecție.

O alarmă poate indica arcul electric, formarea de gaz, o problemă a sistemului de ulei sau o altă condiție internă anormală. Nu trebuie încercată nicio altă operațiune de comutare până când alarma nu a fost investigată conform instrucțiunilor de funcționare.

Dispozitivele de protecție diferă pentru OLTC-urile convenționale cu ulei, OLTC-urile în vid, unitățile izolate în gaz și comutatoarele uscate de tap.

Mediu izolant insuficient

Pentru un OLTC izolat cu ulei, funcționarea poate fi interzisă dacă:

• nivelul de ulei este sub domeniul permis;
• rezistența dielectrică este inacceptabilă;
• uleiul este grav contaminat;
• este detectată o scurgere;
• compartimentul de ulei sau sistemul de presiune este anormal.

Aceste condiții nu se aplică în același mod tuturor tehnologiilor de comutatoare cu reglaj sub sarcină.

Indicația de antrenare sau poziție este anormală

Funcționarea trebuie oprită dacă OLTC indică:

• schimbare incompletă de treaptă;
• neconcordanță a poziției;
• defecțiune a antrenării electrice;
• blocare mecanică;
• zgomot neașteptat;
• declanșări repetate ale protecției;
• comutatoare de limită deteriorate;
• o anomalie a contorului de operații sau a temporizării.

Emiterea repetată a comenzilor către un OLTC blocat sau incomplet poate agrava deteriorarea.

Limita de întreținere a fost atinsă

Un OLTC are specificate criterii de inspecție sau întreținere bazate pe factori precum:

• numărul de operații;
• curentul comutat;
• uzura contactelor;
• starea uleiului;
• durata de funcționare;
• recomandările producătorului;
• rezultatele monitorizării stării.

Dacă s-a atins o limită de întreținere, funcționarea continuă poate fi interzisă până la finalizarea inspecției sau a serviciului necesar.

---

De ce poate fi periculos curentul mare în timpul unei schimbări de priză?

În timpul tranziției unui comutator sub sarcină de tip rezistor, sistemul de comutare trebuie să suporte curentul de sarcină al transformatorului, dar și să controleze curentul de circulație dintre prizele adiacente.

Componentele de tranziție suportă eforturi electrice și termice combinate. Dacă curentul de funcționare depășește capacitatea admisă de comutare a comutatorului sub sarcină, efortul asupra contactelor și al rezistențelor de tranziție poate depăși limitele proiectate.

Consecințele posibile includ:

• uzură excesivă a contactelor;
• supraîncălzire;
• arcuire severă;
• deteriorarea rezistențelor de tranziție;
• descompunerea uleiului;
• creșterea presiunii;
• funcționare de protecție;
• Defecțiune OLTC sau transformator.

Din acest motiv, multe sisteme de comandă pentru transformatoare includ o funcție de blocare la supracurent pentru comenzile automate de schimbare a treptelor.

Totuși, valoarea de blocare trebuie să se bazeze pe ratingul real al OLTC, pe proiectarea transformatorului, pe setările releului și pe instrucțiunile producătorului.

---

Cum se alege între DETC și OLTC

Un comutator de trepte fără tensiune poate fi alegerea mai bună atunci când:

• tensiunea de intrare este stabilă;
• ajustarea treptelor este necesară foarte rar;
• oprirea programată este acceptabilă;
• simplitatea este o prioritate;
• controlul automat nu este necesar;
• costul inițial redus este important.

Un reglator de tensiune sub sarcină poate fi preferabil atunci când:

• tensiunea se modifică frecvent;
• încărcăturile variază semnificativ;
• continuitatea alimentării este importantă;
• se cere reglarea automată a tensiunii;
• se cere comanda la distanță;
• generarea regenerabilă afectează tensiunea;
• bara de comandă trebuie să rămână într-o bandă îngustă de tensiune.

Decizia trebuie să ia în considerare cerințele pe întreaga durată de viață, nu doar prețul inițial al transformatorului.

Factorii importanți de evaluare includ:

• domeniul de reglare a tensiunii;
• numărul și mărimea treptelor de reglaj;
• curentul maxim de trecere;
• frecvența operațiunilor;
• profilul de sarcină;
• sarcina de scurtcircuit;
• nivelul de izolație;
• resurse de întreținere;
• cerințe privind comanda și comunicarea;
• fiabilitatea necesară;
• condițiile de mediu;
• standardele aplicabile.

Întrebări frecvente

Poate fi acționat un reglator de tensiune fără sarcină atunci când transformatorul nu are sarcină, dar este totuși sub tensiune?

În mod normal, nu.

Un reglator de tensiune fără sarcină necesită, în general, ca transformatorul să fie deconectat electric, nu doar descărcat. Un transformator sub tensiune poate încă genera o tensiune pe contactele reglatorului, chiar dacă curentul de sarcină secundar este redus sau absent.

Urmați întotdeauna procedura de izolare a producătorului.

Face un reglator de tensiune sub sarcină (OLTC) transformatorul neîntreruptibil?

Nr.

Un OLTC evită întreruperea funcționării doar pentru ajustarea normală a treptelor. Nu protejează sistemul împotriva tuturor defectelor transformatorului, ale rețelei, ale sistemelor de protecție sau ale sursei de alimentare superioare.

Instalațiile critice pot necesita totuși transformatoare redundante, surse duble de energie, sisteme UPS, generatoare, scheme de comutare sau alte măsuri de continuitate.

Folosește fiecare OLTC rezistențe de tranziție?

Nr.

Mulți OLTC folosesc rezistențe de tranziție, dar alții folosesc reactoare de tranziție. Proiectările moderne pot utiliza, de asemenea, întrerupătoare în vid și aranjamente diferite ale selectorului sau ale întrerupătorului de derivare.

Este OLTC-ul întotdeauna automat?

Nr.

Un OLTC poate fi acționat manual, electric dintr-un panou de comandă local, la distanță prin SCADA sau automat prin intermediul unui releu de reglare a tensiunii.

Crește întotdeauna tensiunea secundară o treaptă cu număr mai mare?

Nu neapărat.

Numerotarea pozițiilor de treaptă și convențiile „creștere/scădere” variază. Operatorii trebuie să verifice diagrama de trepte a transformatorului și documentația de comandă.

Este un DETC mai fiable decât un OLTC?

Un schimbător de prize sub sarcină (DETC) este mecanic mai simplu și, în general, necesită o întreținere mai redusă. Un schimbător de prize sub sarcină (OLTC) este mai complex, deoarece trebuie să comute curentul de sarcină fără a întrerupe alimentarea.

Totuși, fiabilitatea reală depinde de proiectare, aplicație, întreținere, regimul de funcționare, instalare și calitatea fabricației.

Cât de des trebuie întreținut un OLTC?

Nu există un interval universal.

Întreținerea poate depinde de durata trecută, numărul de operații efectuate, sarcina de comutare a curentului, uzura contactelor, starea uleiului, rezultatele diagnosticelor și instrucțiunile producătorului. OLTC-urile cu vid pot avea cerințe de întreținere diferite față de OLTC-urile convenționale cu comutare în ulei.

Concluzie

Diferența dintre un schimbător de prize fără sarcină și un schimbător de prize sub sarcină este clară:

• A DETC schimbă raportul transformatorului doar când transformatorul este deconectat de la rețea.
• An OLTC schimbă raportul în timp ce transformatorul este conectat la rețea și transportă sarcina.

Ingineria din spatele unui OLTC este mai complexă. Acesta trebuie să mențină calea curentului de sarcină, în același timp limitând curentul de circulație între prizele adiacente ale înfășurării. Aceasta se realizează printr-o secvență controlată de comutare, utilizând o rezistență sau o reactanță de tranziție, în funcție de proiectare.

DETC sunt economice, compacte și potrivite pentru reglări rare. OLTC sunt mai potrivite pentru aplicații care necesită reglarea frecventă a tensiunii, comandă la distanță, funcționare automată sau o continuitate îmbunătățită în timpul schimbărilor de treaptă.

Alegerea finală trebuie să se bazeze pe sistemul de alimentare cu energie electrică, cerințele de funcționare, strategia de întreținere, standardele aplicabile și costul total pe durata de viață.