Регуляторы напряжения без возбуждения и регуляторы напряжения под нагрузкой: в чём разница?

Что такое Трансформатор Что такое регулятор напряжения?

Регулятор напряжения трансформатора — это устройство, изменяющее эффективное количество витков в одной из обмоток трансформатора. Изменение числа витков изменяет коэффициент трансформации и, следовательно, корректирует вторичное напряжение.

Основное соотношение для трансформатора можно выразить как:

V₁ / V₂ ≈ N₁ / N₂

Где:

V₁ — первичное напряжение;
V₂ — вторичное напряжение;
N₁ — число витков первичной обмотки;
N₂ — это количество витков вторичной обмотки.

Регулировочные переключатели обычно устанавливаются на обмотке высокого напряжения, поскольку ток на этой стороне ниже. Более низкий ток позволяет снизить коммутационную нагрузку и физические габариты оборудования регулировки напряжения. Однако фактическое расположение обмотки зависит от конструкции трансформатора и требований системы.

Регулировочные переключатели трансформаторов, как правило, делятся на две категории:

1. Переключатели без нагрузки (DETC)
2. Переключатели под нагрузкой (OLTC)

Ключевое различие заключается в том, можно ли изменять положение ответвления при включённом питании трансформатора и при наличии нагрузки.

Что такое переключатель без нагрузки?

Переключатель без нагрузки может эксплуатироваться только при полном отключении питания трансформатора.

Его также часто называют:

• DETC или переключатель без нагрузки;
• регулятор напряжения вне цепи;
• регулятор напряжения без нагрузки;
• регулятор напряжения при отключённой нагрузке.

Эти термины иногда используются как синонимы на рынке, однако термин «регулятор напряжения при отключённом питании» является наиболее точным, поскольку он чётко указывает основное условие безопасности: трансформатор должен быть полностью обесточен во время выполнения операции.

Перед изменением положения ответвления операторы обязаны изолировать трансформатор от всех возможных источников электропитания, применить требуемые процедуры блокировки и маркировки, проверить отсутствие напряжения и строго соблюдать инструкции производителя трансформатора.

Почему регулятор напряжения при отключённом питании нельзя эксплуатировать под напряжением?

Обычный регулятор напряжения при отключённом питании не предназначен для включения или отключения тока нагрузки.

Во время переключения ответвлений его контакты могут временно разомкнуться от одного ответвления до установления соединения с другим. Если трансформатор будет находиться под напряжением, такая операция может вызвать электрическую дугу между контактами.

Возможные последствия включают:

• обгорание или эрозия контактов;
• карбонизация изоляционного материала или масла;
• внутренние короткие замыкания;
• неисправность переключателя ответвлений;
• повреждение трансформатора;
• пожар или угроза для персонала.

По этой причине ДПН (DETC) ни в коем случае нельзя эксплуатировать только на том основании, что трансформатор, как кажется, «нагружен слабо». Его можно эксплуатировать исключительно в обесточенных условиях, указанных производителем.

Преимущества ДПН (De-Energized Tap Changer)

ДПН имеет относительно простую механическую и электрическую конструкцию.

К его основным преимуществам обычно относятся:

• более низкую первоначальную стоимость;
• компактная конструкция;
• меньше подвижных компонентов;
• низкие требования к техническому обслуживанию;
• высокая механическая надёжность;
• простое ручное управление;
• подходит для редких регулировок напряжения.

ДЕПН часто применяется, когда входное напряжение относительно стабильно и положение ответвления трансформатора требуется выбирать только при монтаже, вводе в эксплуатацию, сезонном техническом обслуживании или запланированном отключении.

Ограничения устройства переключения ответвлений без нагрузки

Основное ограничение заключается в том, что регулировка ответвлений требует вывода трансформатора из работы.

ДЕПН поэтому менее подходит в следующих случаях:

• напряжение изменяется часто;
• нагрузка значительно меняется в течение дня;
• производство не может быть прервано;
• напряжение должно оставаться в узком рабочем диапазоне;
• требуется дистанционное или автоматическое регулирование;
• генерация из возобновляемых источников вызывает частые колебания напряжения.

Отключённый переключатель ответвлений также не корректирует изменения напряжения автоматически, если оператор не отключит трансформатор и не выберет другое положение вручную.

Что такое переключатель ответвлений под нагрузкой?

Переключатель ответвлений под нагрузкой изменяет коэффициент трансформации, пока трансформатор остаётся под напряжением и пропускает ток нагрузки.

Его обычно сокращают как OLTC . В некоторых рынках также используется термин регулятор напряжения под нагрузкой , или РНН.

РНН переключает ток нагрузки с одного ответвления обмотки на соседнее без прерывания питания. Эта возможность делает его пригодным для систем электроснабжения, требующих частой, автоматической или дистанционной регулировки напряжения.

Стандарт IEC 60214 устанавливает требования к эксплуатационным характеристикам и методы испытаний регуляторов напряжения под нагрузкой и без нагрузки. Согласно принципам применения стандарта IEC, РНН предназначен для изменения коэффициента трансформации трансформатора при включённом питании и наличии нагрузки без прерывания подачи электроэнергии.

Типичные области применения РНН

Трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой обычно применяются в:

• подстанциях передачи;
• распределительных подстанциях;
• электростанциях;
• стальные и металлургические предприятия;
• рудники;
• центры обработки данных;
• крупные промышленные предприятия;
• проекты в области возобновляемой энергетики;
• критически важная инфраструктура;
• объекты с нагрузками, чувствительными к перерывам в подаче электроэнергии.

---

Как работает устройство РПН?

Устройство РПН должно одновременно выполнять две задачи:

1. Поддерживать путь тока нагрузки во время переключения ответвлений.
2. Предотвращение чрезмерного циркулирующего тока между соседними ответвлениями.

Соседние ответвления трансформатора имеют различные электрические потенциалы. Их прямое соединение вызовет циркулирующий ток, величина которого может быть достаточной для повреждения обмотки или коммутационного оборудования.

Поэтому устройство РПН использует контролируемый переходный процесс.

Коммутация «замыкание до размыкания»

Типичное устройство РПН устанавливает соединение со следующим ответвлением до полного отключения исходного ответвления. Этот принцип работы обычно называют замыканием до размыкания .

В течение короткого переходного периода устройство РПН может быть подключено одновременно к двум соседним ответвлениям.

Для ограничения циркулирующего тока между ними вводится импеданс. В зависимости от конструкции устройства РПН этот переходный импеданс может представлять собой:

• переходный резистор;
• переходный реактор, иногда называемый предохранительным автотрансформатором.

Megger описывает процесс ПБВ как соединение соседнего ответвления перед разрывом ответвления, по которому проходит нагрузочный ток. Сопротивление (активное или реактивное) ограничивает циркулирующий ток во время временного соединения двух ответвлений.

Типичная последовательность работы ПБВ с резисторным переключением

Хотя точная последовательность зависит от конструкции ПБВ, упрощённая последовательность работы резисторного типа выглядит следующим образом:

1. Трансформатор пропускает нагрузку через текущее ответвление.
2. Переходный контакт соединяет следующее ответвление через переходный резистор.
3. Оба ответвления временно соединены, при этом резистор ограничивает циркулирующий ток.
4. Основной токовый путь переключается на новое ответвление.
5. Исходное ответвление отключается.
6. Переходный резистор исключается из цепи.
7. ПБВ завершает операцию в новом рабочем положении.

Переходное сопротивление используется только в течение короткого периода переключения. Оно не предназначено для постоянного подключения в нормальном рабочем положении.

Современные устройства РПН могут использовать традиционные дугогасительные контакты, вакуумные выключатели, резистивные переходы, реактивные переходы или другие конструкции, разработанные конкретным производителем.

---

Основные компоненты устройства РПН

Традиционное устройство РПН резистивного типа может включать:

Переключатель ответвлений

Переключатель ответвлений определяет следующий вывод обмотки. Обычно он выполняет функцию выбора без коммутации полного тока нагрузки.

Распределительный выключатель

Распределительный выключатель переключает ток нагрузки с исходного вывода на выбранный вывод.

Переходные резисторы

Переходные резисторы ограничивают циркулирующий ток при временной коммутации двух соседних выводов.

Переключатель режимов

Реверсивный или грубый/точный переключатель режимов может расширить диапазон регулирования без необходимости чрезмерного количества соединений регулировочных обмоток.

Приводной механизм двигателя

Приводной механизм двигателя обеспечивает энергию и контролируемую последовательность для выполнения переключения ответвлений.

В зависимости от конструкции устройство РПН может также включать:

• индикаторы положения;
• механические и электрические концевые выключатели;
• счётчики операций;
• локальные и дистанционные органы управления;
• реле автоматического регулирования напряжения;
• указатели уровня масла;
• защита, действующая от давления или газа;
• контроль температуры;
• устройства онлайн-мониторинга состояния.

Не каждая устройство РПН содержит одни и те же компоненты. Например, устройства РПН вакуумного типа и сухого типа могут иметь различные конструкции коммутационных и изоляционных узлов.

---

Как изменение ответвлений влияет на вторичное напряжение?

Для трансформатора с регулировочными ответвлениями на обмотке высокого напряжения и относительно постоянном первичном питании:

• Увеличение эффективного числа витков обмотки высокого напряжения повышает коэффициент трансформации и, как правило, снижает вторичное напряжение.
• Уменьшение эффективного числа витков обмотки высокого напряжения понижает коэффициент трансформации и, как правило, повышает вторичное напряжение.

Иными словами:

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

Если \(V_1\) и \(N_2\) остаются постоянными:

• увеличение \(N_1\) снижает \(V_2\);
• уменьшение \(N_1\) повышает \(V_2\).

Однако такие выражения, как «поднять отвод», «опустить отвод», «перевести отвод вверх» и «перевести отвод вниз», не являются универсально согласованными. Их значение может зависеть от производителя, правил эксплуатационной организации, схемы обмоток, системы управления или метода нумерации положений отводов.

Поэтому операторы должны опираться на:

• табличку трансформатора;
• диаграмму положений отводов;
• схему управления;
• руководство по эксплуатации РПН;
• утверждённую инструкцию по эксплуатации.

Они не должны определять направление напряжения только по номеру положения ответвления.

---

DETC и OLTC: основные различия

Точная стоимость, габариты, интервал технического обслуживания и эксплуатационные возможности зависят от номинальной мощности трансформатора, класса напряжения, диапазона регулирования ответвлений, технологии переключения и производителя. Фиксированное соотношение цен между трансформаторами DETC и OLTC не следует рассматривать как универсальное правило.

---

Почему стоит выбрать трансформатор с регулированием ответвлений под нагрузкой?

1. Регулирование напряжения без планового отключения

Основное преимущество OLTC заключается в возможности корректировки коэффициента трансформации без вывода трансформатора из работы при каждом переключении ответвлений.

Это особенно важно в случаях, когда запланированное отключение может повлиять на:

• непрерывное производство;
• критически важная инфраструктура;
• компьютерные и телекоммуникационные системы;
• больницы;
• железнодорожные системы;
• горнодобывающие операции;
• потребители коммунальных услуг.

РПН обеспечивает непрерывность электроснабжения, однако не гарантирует, что электрическая система никогда не будет отключена. Отключение питания может произойти из-за повреждений трансформатора, срабатывания защитных устройств, аварий на вышестоящих участках сети, проведения технического обслуживания и других событий в системе.

2. Улучшение соответствия напряжения

Напряжение изменяется из-за колебаний нагрузки, импеданса фидера, направления потока мощности, выходной мощности генерации и условий в вышестоящей сети.

РПН может помочь поддерживать напряжение на регулируемой шине в заданном диапазоне. Поддержание допустимого уровня напряжения способствует:

• правильной работе оборудования;
• качеству электроэнергии;
• производительности двигателей;
• сроку службы изоляции;
• соответствию напряжения требованиям потребителей;
• стабильность работы системы.

3. Улучшенная координация с компенсацией реактивной мощности

Выходная реактивная мощность шунтирующего конденсатора приблизительно пропорциональна квадрату рабочего напряжения:

\[ Q \propto V^2 \]

При снижении напряжения батарея конденсаторов выдаёт меньшую реактивную мощность. При чрезмерном повышении напряжения выходная реактивная мощность возрастает и может способствовать перенапряжению или избыточной компенсации.

Координация управления РПН с батареями конденсаторов, реакторами, статическими компенсаторами реактивной мощности (SVC), STATCOM и ресурсами на основе инвертеров позволяет улучшить общее управление напряжением и реактивной мощностью.

Стратегия управления должна быть тщательно спроектирована. Недостаточная координация может вызвать чрезмерное число переключений ответвлений, коммутацию конденсаторов, «охоту» регуляторов или нежелательный поток реактивной мощности.

4. Снижение потерь в сети при некоторых режимах работы

Поддержание напряжения системы в допустимом рабочем диапазоне может снизить избыточный ток и предотвратить часть потерь в сети.

Однако слишком общим является утверждение о том, что каждая операция РПН автоматически минимизирует потери. Фактический результат зависит от:

• характеристик нагрузки;
• коэффициента мощности;
• сопротивления фидера;
• зависимости потребления от напряжения;
• потерь трансформатора;
• потока реактивной мощности;
• распределённой генерации;
• целей управления.

Современные стратегии регулирования напряжения поэтому учитывают более чем только напряжение.

5. Дистанционное и автоматическое управление

Управление РПН может осуществляться с помощью:

• локальных кнопок;
• системы дистанционного управления;
• SCADA;
• реле автоматического регулирования напряжения;
• координированной автоматизации подстанции.

Автоматическое регулирование позволяет системе управления сравнивать измеренное напряжение с заданным значением и выдавать команды на повышение или понижение после выполнения условий задержки по времени и «мертвой зоны».

«Мёртвая зона» и задержка предотвращают ненужные операции, вызванные незначительными или кратковременными изменениями напряжения.

---

Когда не следует управлять РПН?

Нет единого универсального списка, применимого ко всем устройствам РПН. Допустимая эксплуатация зависит от номинального сквозного тока, конструкции, системы защиты, эксплуатационной документации, состояния трансформатора и местных процедур.

Операторы должны следовать инструкциям, предоставленным производителями трансформаторов и устройств РПН.

Изменение ответвлений может потребоваться заблокировать или приостановить в таких условиях, как следующие.

Ток превышает допустимую коммутационную нагрузку

Устройство РПН имеет номинальный сквозной ток и заданные эксплуатационные возможности. Если ток трансформатора превышает допустимое значение для изменения ответвлений, коммутация может привести к чрезмерной нагрузке на переходные контакты, вакуумные дугогасители, переходные резисторы или другие токопроводящие компоненты.

Некоторые устройства РПН обладают заданной перегрузочной способностью, тогда как другие необходимо блокировать при превышении настроенного порогового значения тока. Поэтому эксплуатацию в режиме перегрузки следует оценивать исходя из фактического номинала конкретного устройства РПН и руководства производителя — а не по общему правилу.

Аварийная сигнализация защиты устройства РПН

Маслонаполненные ПБВ могут оснащаться специальными реле давления, реле потока масла, газовыми устройствами или другим защитным оборудованием.

Сигнал тревоги может указывать на электрическую дугу, образование газа, неисправность масляной системы или другое аномальное внутреннее состояние. Дальнейшее переключение ответвлений следует запретить до проведения расследования сигнала тревоги в соответствии с инструкциями по эксплуатации.

Схемы защиты различаются для традиционных маслонаполненных ПБВ, вакуумных ПБВ, герметичных газоизолированных устройств и сухих регуляторов напряжения.

Недостаточное изолирующее вещество

Для маслонаполненного ПБВ работа может быть запрещена при следующих условиях:

• уровень масла ниже допустимого диапазона;
• электрическая прочность недопустима;
• масло сильно загрязнено;
• обнаружена утечка;
• масляная камера или система давления находятся в аномальном состоянии.

Эти условия не применяются одинаково ко всем технологиям переключателей ответвлений.

Аномальное состояние привода или индикации положения

Работу следует остановить, если в устройстве РПН наблюдаются следующие признаки:

• неполное переключение ответвлений;
• несоответствие положений;
• отказ электропривода;
• механическое заклинивание;
• неожиданные шумы;
• многократные срабатывания защитных устройств;
• повреждение концевых выключателей;
• сбой счётчика операций или временная аномалия.

Повторная отправка команд на застрявший или незавершённый OLTC может усугубить повреждение.

Достигнут предел технического обслуживания

OLTC определяет критерии осмотра или технического обслуживания на основе таких факторов, как:

• количество операций;
• коммутируемый ток;
• износ контактов;
• состояние масла;
• время нахождения в эксплуатации;
• рекомендации производителя;
• результаты мониторинга состояния.

Если достигнут порог технического обслуживания, дальнейшая эксплуатация может быть запрещена до завершения требуемой проверки или сервисного обслуживания.

---

Почему высокий ток может быть опасным при переключении ответвлений?

Во время перехода в устройстве РПН с резистивным типом коммутации коммутационная система должна пропускать ток нагрузки трансформатора, а также управлять циркулирующим током между соседними ответвлениями.

Переходные компоненты подвергаются совместному электрическому и тепловому воздействию. Если рабочий ток превышает допустимую коммутационную способность устройства РПН, нагрузка на контакты и переходные резисторы может превысить их проектные пределы.

Возможные последствия включают:

• чрезмерный износ контактов;
• перегрев;
• сильная дуга;
• повреждение переходных резисторов;
• разложение масла;
• повышение давления;
• защитная операция;
• Отказ РПН или трансформатора.

Поэтому во многих системах управления трансформаторами предусмотрена функция блокировки по перегрузке для автоматических команд изменения ответвлений.

Однако значение блокировки должно основываться на реальном номинале РПН, конструкции трансформатора, настройках реле и инструкциях производителя.

---

Выбор между ДРПН и РПН

Деэнергизированный регулятор ответвлений может быть предпочтительным при следующих условиях:

• входное напряжение стабильно;
• корректировка ответвлений требуется редко;
• плановые отключения допустимы;
• простота имеет первостепенное значение;
• автоматическое управление не требуется;
• низкая первоначальная стоимость имеет важное значение.

Регулировочный трансформатор с отводами под нагрузкой может быть предпочтительным, когда:

• напряжение изменяется часто;
• нагрузки значительно колеблются;
• непрерывность электроснабжения имеет важное значение;
• требуется автоматическая регулировка напряжения;
• требуется дистанционное управление;
• возобновляемые источники генерации влияют на напряжение;
• управляемый автобус должен оставаться в узкой полосе напряжения.

Решение должно учитывать требования жизненного цикла, а не только начальную цену трансформатора.

Важные критерии оценки включают:

• диапазон регулирования напряжения;
• количество и размер ступеней переключения отводов;
• максимальный сквозной ток;
• частота операций;
• профиль нагрузки;
• ток короткого замыкания;
• уровень изоляции;
• ресурсы технического обслуживания;
• требования к управлению и связи;
• требуемая надёжность;
• эксплуатационные условия;
• применимые стандарты.

Часто задаваемые вопросы

Можно ли эксплуатировать отключённый регулятор напряжения под нагрузкой, когда трансформатор не нагружен, но остаётся под напряжением?

Обычно — нет.

Отключённый регулятор напряжения под нагрузкой, как правило, требует полного электрического отключения трансформатора, а не только снятия нагрузки. Даже при отсутствии или низком токе нагрузки на вторичной стороне трансформатора, оставшегося под напряжением, на контактах регулятора может присутствовать напряжение.

Всегда соблюдайте процедуру изоляции, указанную производителем.

Обеспечивает ли регулятор напряжения под нагрузкой (OLTC) бесперебойную работу трансформатора?

№

Регулятор напряжения под нагрузкой (OLTC) исключает необходимость отключения трансформатора только для обычной корректировки коэффициента трансформации. Он не обеспечивает защиту системы от всех возможных отказов трансформатора, сети, систем защиты или источника питания на стороне высшего напряжения.

Критически важные объекты по-прежнему могут требовать резервных трансформаторов, двойных источников питания, систем ИБП, генераторов, схем переключения или других мер обеспечения непрерывности.

Используют ли все РПН резисторы перехода?

№

Многие РПН используют резисторы перехода, но другие — реакторы перехода. Современные конструкции также могут применять вакуумные выключатели и различные конфигурации переключателей-селекторов или переключателей-дивертеров.

Всегда ли РПН работает в автоматическом режиме?

№

РПН может управляться вручную, электрически с местного пульта управления, дистанционно через SCADA или автоматически с помощью реле регулирования напряжения.

Всегда ли более высокий номер ответвления повышает вторичное напряжение?

Не обязательно.

Нумерация положений ответвлений и условные обозначения «повысить/понизить» различаются. Операторы должны свериться с таблицей ответвлений трансформатора и документацией по управлению.

Является ли ПРН более надёжным, чем РПН?

ПРН механически проще и, как правило, требует меньшего объёма технического обслуживания. РПН сложнее по конструкции, поскольку он должен переключать ток нагрузки без прерывания подачи.

Однако фактическая надёжность зависит от конструкции, области применения, технического обслуживания, режима эксплуатации, монтажа и качества изготовления.

Как часто следует проводить техническое обслуживание ПБВ?

Универсального интервала не существует.

Техническое обслуживание может зависеть от прошедшего времени, количества операций переключения, коммутируемой токовой нагрузки, износа контактов, состояния масла, результатов диагностики и инструкций производителя. ПБВ с вакуумным выключателем могут иметь иные требования к техническому обслуживанию по сравнению с традиционными ПБВ с масляным выключателем.

Заключение

Разница между устройством РПН и устройством ПБВ очевидна:

• А РПН изменяет коэффициент трансформации только при отключённом питании трансформатора.
• Один OLTC изменяет коэффициент трансформации при поданном напряжении на трансформатор и наличии нагрузки.

Конструкция ПБВ более сложна. Она должна обеспечивать непрерывность цепи нагрузочного тока при одновременном ограничении циркулирующего тока между соседними ответвлениями обмотки. Это достигается за счёт контролируемой последовательности переключений с использованием переходного сопротивления или реактивного сопротивления — в зависимости от конструкции.

ДЕТЦ являются экономичными, компактными и подходят для редкой регулировки. ОЛТЦ лучше подходят для применений, требующих частой регулировки напряжения, дистанционного управления, автоматической работы или повышенной непрерывности во время переключения ответвлений.

Окончательный выбор должен основываться на характеристике энергосистемы, эксплуатационных требованиях, стратегии технического обслуживания, применимых стандартах и общей стоимостью жизненного цикла.