Avslagen vs. lastbärande tap-changer: Vad är skillnaden?

Vad är en Transformator Tap-changer?

En transformator-tap-changer är en anordning som ändrar det effektiva antalet varv i en av transformatorns lindningar. Att ändra antalet varv ändrar transformatorförhållandet och justerar därför den sekundära spänningen.

Den grundläggande transformatorrelationen kan uttryckas som:

V₁ / V₂ ≈ N₁ / N₂

Där:

V₁ är primärspänningen;
V₂ är sekundärspänningen;
N₁ är antalet varv i primärlindningen;
N₂ är antalet varv i sekundärlindningen.

Tapomkopplare installeras vanligtvis på högspänningslindningen eftersom strömmen är lägre på den sidan. En lägre ström kan minska switchningsbelastningen och den fysiska storleken på utrustningen för tapomkoppling. Den faktiska lindningsplatsen beror dock på transformatorns konstruktion och systemkraven.

Transformatorns tapomkopplare delas allmänt in i två kategorier:

1. Avstängda tapomkopplare, eller DETC
2. Lastomkopplare, eller OLTC

Den avgörande skillnaden är om tappositionen kan ändras medan transformatorn är inkopplad och belastad.

Vad är en avstängd tapomkopplare?

En avstängd tapomkopplare kan endast användas när transformatorn är helt avstängd.

Den kallas också ofta:

• DETC, eller avstängd tapomkopplare;
• avkopplad spänningsreglerare;
• spänningsreglerare vid avkoppling;
• spänningsreglerare vid avkoppling.

Dessa termer används ibland utbytbart på marknaden, men "de-energized tap changer" är den tydligaste beskrivningen eftersom den anger den avgörande säkerhetsförutsättningen: transformatorn får inte vara under spänning under drift.

Innan man ändrar tap-positionen måste operatörer isolera transformatorn från alla möjliga elektriska källor, tillämpa de krävda spärr- och etiketteringsförfarandena, verifiera att ingen spänning finns, och följa transformatorns tillverkares instruktioner.

Varför kan en DETC inte drivas under spänning?

En konventionell de-energized tap changer är inte konstruerad för att slå in eller bryta lastström.

Under en tap-ändring kan kontakternas anslutning till en tap tillfälligt brytas innan nästa anslutning upprättas. Om transformatorn vore under spänning skulle denna åtgärd kunna ge upphov till elektrisk gnistbildning mellan kontakterna.

Möjliga konsekvenser inkluderar:

• brända eller eroderade kontakter;
• förkolning av isoleringsmaterial eller olja;
• inre kortslutningar;
• fel på stegomkopplare;
• transformatorskada;
• eld eller personfaror.

Av detta skäl får en stegomkopplare för avslagen spänning aldrig användas endast därför att transformatorn verkar vara "lätt belastad." Den får endast användas under de avstängda villkor som tillverkaren anger.

Fördelar med en stegomkopplare för avslagen spänning

En stegomkopplare för avslagen spänning har en relativt enkel mekanisk och elektrisk konstruktion.

De främsta fördelarna inkluderar vanligtvis:

• lägre ursprungskostnad;
• kompakt konstruktion;
• färre rörliga komponenter;
• låga underhållskrav;
• hög mekanisk tillförlitlighet;
• enkel manuell drift;
• lämplighet för sällsynta spänningsjusteringar.

En DETC är ofta lämplig när matningsspänningen är relativt stabil och transformatorns tap-position endast behöver väljas vid installation, igångsättning, säsongsmässig underhåll eller en planerad avstängning.

Begränsningar med en De-Energized Tap Changer

Den främsta begränsningen är att justering av tap kräver att transformatorn tas ur drift.

En DETC är därför mindre lämplig när:

• spänningen varierar ofta;
• lasten ändras kraftigt under dagen;
• produktionen får inte avbrytas;
• spänningen måste hållas inom ett smalt driftområde;
• avlägsnstyrning eller automatisk reglering krävs;
• förnybar elproduktion orsakar frekventa spänningsfluktuationer.

En avkopplad tap-changer korrigerar också inte automatiskt spänningsändringar om inte en operatör stänger av transformatorn och manuellt väljer en annan position.

Vad är en on-load tap-changer?

En on-load tap-changer ändrar transformatorns förhållande medan transformatorn fortfarande är under spänning och belastad med ström.

Det förkortas vanligtvis som OLTC . I vissa marknader används även termen load tap changer , eller LTC.

En OLTC överför lastströmmen från en lindningsuttag till ett närliggande uttag utan att avbryta strömförsörjningen. Denna funktion gör den lämplig för elkraftsystem som kräver frekvent, automatisk eller fjärrstyrd spänningsreglering.

IEC 60214 omfattar prestandakrav och provmetoder för pålastade och avslagna tap changers. Enligt IEC:s tillämpningsprinciper är en OLTC konstruerad för att ändra transformatorns förhållande medan transformatorn är inkopplad och belastad, utan att avbryta strömförsörjningen.

Typiska OLTC-tillämpningar

Transformatorer med pålastad tap-changing används vanligen i:

• transmissionsunderstationer;
• distributionsunderstationer;
• kraftverk;
• stål- och metallurgiska anläggningar;
• gruvor;
• datacenter;
• stora industriella anläggningar;
• förnybar-energiprojekt;
• kritisk infrastruktur;
• anläggningar med laster som är känsliga för avbrott.

---

Hur fungerar en oljebelastad tap-changer?

En OLTC måste utföra två uppgifter samtidigt:

1. Behåll lastströmvägen under tapändringen.
2. Förhindra en för stor cirkulerande ström mellan intilliggande tapar.

Intilliggande transformator-tap har olika elektriska potentialer. Om de ansluts direkt skapas en cirkulerande ström som kan bli tillräckligt stor för att skada lindningen eller växlingsutrustningen.

En OLTC använder därför en kontrollerad övergångsprocess.

Make-Before-Break-växling

En typisk OLTC upprättar en anslutning till nästa tap innan den ursprungliga tapen är fullständigt frånkopplad. Detta driftprincip beskrivs vanligen som make before break .

Under den korta övergångsperioden kan OLTC:n vara ansluten till två intilliggande tapar.

En impedans introduceras för att begränsa den cirkulerande strömmen mellan dem. Beroende på OLTC:s design kan denna övergångsimpedans vara:

• en övergångsmotstånd;
• en övergångsreaktor, ibland kallad en förebyggande autotransformator.

Megger beskriver OLTC-processen som att broa en intilliggande tap innan den lastbärande tapen bryts. En resistiv eller reaktiv impedans begränsar den cirkulerande strömmen medan de två taparna är tillfälligt anslutna.

Typisk sekvens för resistorbaserad OLTC

Även om exakt sekvens beror på OLTC-konstruktionen är en förenklad resistorbaserad drift följande:

1. Transformatorn för last genom den aktuella tapen.
2. En övergångskontakt ansluter nästa tap genom en övergångsresistor.
3. Båda taparna är tillfälligt anslutna, medan resistorn begränsar den cirkulerande strömmen.
4. Den huvudsakliga strömvägen överförs till den nya tapen.
5. Den ursprungliga tapen kopplas bort.
6. Övergångsresistorn tas bort från kretsen.
7. OLTC:n driftsläge byts till den nya tjänsteläget.

Övergångsmotståndet används endast under en kort växlingsperiod. Det är inte avsett att förbli kontinuerligt anslutet i ett normalt driftsläge.

Modern OLTC kan använda konventionella gningskontakter, vakuumavbrytare, motståndsövergångar, reaktansövergångar eller andra tillverkarspecifika arrangemang.

---

Huvudkomponenter i en OLTC

En traditionell motståndsbaserad OLTC kan inkludera:

Tap Selector

Tap selector identifierar nästa lindningsanslutning. Den utför normalt urvalet utan att koppla bort hela lastströmmen.

Diverter Switch

Diverter switch överför lastströmmen från den ursprungliga anslutningen till den valda anslutningen.

Övergångsmotstånd

Övergångsmotstånden begränsar cirkulerande ström medan två intilliggande tapningar tillfälligt är sammanbundna.

Växlingsväljare

En växlingsväljare för omkoppling eller grov/fin justering kan utöka reglerområdet utan att kräva ett överdrivet antal anslutningar till reglerlindningen.

Motorstyrningsmekanism

Motorstyrningsmekanismen tillhandahåller den energi och den kontrollerade sekvens som krävs för att slutföra en tapningsändring.

Beroende på konstruktionen kan OLTC även inkludera:

• lägesindikatorer;
• mekaniska och elektriska gränsbrytare;
• driftsräknare;
• lokala och fjärrkontroller;
• automatiska spänningsreglerande reläer;
• oljenivåindikatorer;
• tryck- eller gasaktiverad skyddsfunktion;
• temperaturövervakning;
• online-driftsövervakningsenheter.

Inte alla OLTC innehåller samma komponenter. Exempelvis kan vakuum-OLTC och torra OLTC ha olika kopplings- och isoleringsanordningar.

---

Hur påverkar tap-ändring sekundärspänningen?

För en transformator med reglersteg på högspänningslindningen och en relativt konstant primärspänningsförsörjning:

• Ökning av det effektiva antalet varv i högspänningslindningen ökar förhållandet och sänker i allmänhet sekundärspänningen.
• Minskning av det effektiva antalet varv i högspänningslindningen minskar förhållandet och höjer i allmänhet sekundärspänningen.

I förenklade termer:

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

Om \(V_1\) och \(N_2\) förblir konstanta:

• ökning av \(N_1\) minskar \(V_2\);
• minskning av \(N_1\) ökar \(V_2\).

Uttryck som "höja tap", "sänka tap", "tap upp" och "tap ner" är dock inte universellt konsekventa. Deras innebörd kan variera beroende på tillverkare, elnätsföretagskonvention, lindningsanordning, styrsystem eller positionsnummermetod.

Operatörer bör därför förlita sig på:

• transformatorns typskylt;
• tap-positionstabellen;
• styrsschemat;
• oLTC-instruktionsmanualen;
• den godkända driftproceduren.

De får inte anta spännriktningen enbart utifrån tap-positionens nummer.

---

DETC vs. OLTC: Huvudsakliga skillnader

Den exakta kostnaden, storleken, underhållsintervallet och driftsförmågan beror på transformatorns effektklass, spänningsklass, tap-område, växlingsteknik och tillverkare. En fast prisförhållande mellan DETC- och OLTC-transformatorer bör inte betraktas som en universell regel.

---

Varför välja en transformator med pålastad tapväxling?

1. Spänningsreglering utan rutinmässig frånkoppling

Det främsta fördelen med en OLTC är att den kan justera transformatorns förhållande utan att ta transformatorn ur drift vid varje tap-justering.

Detta är värdefullt där en planerad avbrott skulle påverka:

• kontinuerlig tillverkning;
• kritisk infrastruktur;
• datorsystem och kommunikationssystem;
• sjukhus;
• järnvägssystem;
• gruvdrift;
• elkundens kunder.

En OLTC stödjer leveranskontinuitet, men garanterar inte att ett elsystem aldrig upplever en avbrott. Transformatorfel, skyddsfunktioner, fel i nätet ovanför, underhåll och andra systemhändelser kan fortfarande avbryta strömförsörjningen.

2. Förbättrad spänningskonformitet

Spänningen varierar på grund av förändrad belastning, ledningsimpedans, effektriktning, generatorutmatning och förhållanden i nätet ovanför.

En OLTC kan hjälpa till att hålla den reglerade busspänningen inom dess angivna intervall. Att bibehålla acceptabel spänning stödjer:

• korrekt utrustningsfunktion;
• strömkvalitet;
• motoreffektivitet;
• isoleringslivslängd;
• kundens spänningsöverensstämmelse;
• systemets driftsstabilitet.

3. Bättre samordning med reaktiv-effektkompensering

Den reaktiva effekten från en parallellkondensator är ungefär proportionell mot kvadraten av driftspänningen:

\[ Q \propto V^2 \]

Om spänningen sjunker producerar kondensatorbatteriet mindre reaktiv effekt. Om spänningen stiger för mycket ökar den reaktiva effekten och kan bidra till överspänning eller överkompensering.

Genom att samordna OLTC-styrning med kondensatorbatterier, reaktorer, statiska VAR-kompensatorer (STATCOM), STATCOM-enheter och inverterbaserade resurser kan den totala spännings- och reaktiv-effekthanteringen förbättras.

Styrstrategin måste utformas noggrant. Dålig samordning kan orsaka överdrivna tap-ändringar, kondensatorskiftning, styrjakt eller ogynnsam reaktiv-effektföring.

4. Minskade nätförluster i vissa driftförhållanden

Att hålla systemspänningen inom en lämplig driftspann kan minska överdrivna strömmar och undvika vissa nätförluster.

Det är dock för generellt att påstå att varje OLTC-funktion automatiskt minimerar förluster. Det faktiska resultatet beror på:

• lastegenskaper;
• effektfaktor;
• matningssystemets impedans;
• spänningsberoende efterfrågan;
• transformatorförluster;
• reaktiv effektföring;
• distribuerad elproduktion;
• styrningsmål.

Modern spänningsstyrning tar därför hänsyn till mer än endast spänning.

5. Fjärr- och automatisk drift

En OLTC kan styras av:

• lokala tryckknappar;
• ett fjärrstyrningssystem;
• SCADA;
• en automatisk spänningsreglerande relä;
• samordnad transformatorstationens automation.

Automatisk reglering gör att styrsystemet kan jämföra den uppmätta spänningen med ett målvärde och utfärda höj- eller sänk-kommandon efter att den konfigurerade tidsfördröjningen och dödzonvillkoren är uppfyllda.

Dödzonen och fördröjningen förhindrar onödiga ingrepp som orsakas av små eller tillfälliga spänningsändringar.

---

När bör en OLTC inte drivas?

Det finns ingen enda universell lista som gäller för varje OLTC. Tillåten drift beror på dess angivna genomströmning, konstruktion, skyddssystem, driftmanual, transformatorns skick och platsförfaranden.

Operatörer måste följa anvisningarna från transformator- och OLTC-tillverkarna.

Stegomställning kan behöva spärras eller avbrytas i villkor som följande.

Strömmen överskrider den tillåtna växlingsbelastningen

En OLTC har en angiven genomströmning och specificerad driftkapacitet. Om transformatorströmmen överskrider det tillåtna värdet för stegomställning kan växlingen överbelasta övergångskontakterna, vakuumavbrytarna, övergångsmotstånden eller andra strömbärande komponenter.

Vissa OLTC:er har specificerad överlastkapacitet, medan andra måste spärras vid en konfigurerad strömgräns. Drift under överlast bör därför utvärderas mot den aktuella OLTC:s angivna kapacitet och tillverkarens manual – inte mot en generell regel.

Ovanlig OLTC-skyddsvarning

Oljedränkta OLTC kan ha dedikerade tryckreläer, oljeströmsreläer, gasdrivna enheter eller annan skyddsutrustning.

Ett larm kan indikera bågslagning, gasbildning, ett oljesystemproblem eller en annan ovanlig intern förhållande. Ytterligare stegoperation bör inte försökas förrän larmet undersökts enligt driftinstruktionerna.

Skyddsanordningar skiljer sig åt för konventionella oljebaserade OLTC, vakuum-OLTC, gasisolerade enheter och torra transformatorstegväxlare.

Otillräckligt isoleringsmedium

För en oljeisolerad OLTC kan drift förbjudas om:

• oljenivån ligger under det tillåtna intervallet;
• dielektrisk hållfasthet är otillfredsställande;
• oljan är kraftigt förorenad;
• läckage upptäcks;
• oljekompartementet eller trycksystemet är i ett ovanligt tillfälle.

Dessa villkor tillämpas inte på samma sätt för alla typer av oljeväxlarteknik.

Drift- eller positionsindikering är ovanlig

Driften bör stoppas om OLTC visar:

• ofullständig växling;
• positionsoverensstämmelse;
• motorstyrningsfel;
• mekanisk blockering;
• oväntad ljudnivå;
• upprepade skyddsutlösningshändelser;
• skadade gränsbrytare;
• en driftsräknare eller en tidsanomali.

Att upprepade gånger utfärda kommandon till en klistrad eller ofullständig OLTC kan försämra skadorna.

Underhållsgränsen har nåtts

En OLTC har specificerat inspektions- eller underhållskriterier baserat på faktorer såsom:

• antal driftcykler;
• växlad ström;
• kontaktslitage;
• oljekvalitet;
• driftstid;
• tillverkarens rekommendationer;
• resultat från villkonsövervakning.

Om en underhållströskel har uppnåtts kan fortsatt drift inte tillåtas förrän den krävda inspektionen eller serviceutförandet är slutfört.

---

Varför kan hög ström vara farlig vid en tap-ändring?

Under en OLTC-övergång av motortyp måste det växlande systemet bära transformatorns lastström samtidigt som det styr den cirkulerande strömmen mellan angränsande tapar.

Övergångskomponenterna utsätts för kombinerad elektrisk och termisk belastning. Om driftströmmen överskrider OLTC:s tillåtna växlingskapacitet kan belastningen på kontakter och övergångsmotstånd öka bortom deras konstruktionsgränser.

Möjliga konsekvenser inkluderar:

• överdriven kontaktslitage;
• överhettning;
• allvarlig bågning;
• skada på övergångsmotstånd;
• oljedegradation;
• tryckökning;
• skyddsfunktion;
• OLTC- eller transformatorfel.

Därför inkluderar många transformatorstyrningssystem en överströmsblockeringsfunktion för automatiska stegomställningskommandon.

Blockeringsvärdet måste dock baseras på den faktiska OLTC-ratingspecifikationen, transformatorns konstruktion, reläinställningarna och tillverkarens instruktioner.

---

Hur man väljer mellan DETC och OLTC

En avslagen spänningsreglerare kan vara ett bättre val när:

• ingående spänning är stabil;
• spänningsreglering sällan krävs;
• planerade avstängningar är acceptabla;
• enkelhet är en prioritet;
• automatisk styrning är onödig;
• lägre ursprungskostnad är viktigt.

En lastställbar transformator kan vara att föredra när:

• spänningsändringar sker ofta;
• lasten varierar kraftigt;
• försörjningskontinuitet är viktigt;
• automatisk spänningsreglering krävs;
• fjärrstyrning krävs;
• förnybar elproduktion påverkar spänningen;
• den reglerade bussen måste förbli inom en smal spänningsbandbredd.

Beslutet bör ta hänsyn till livscykelkrav snarare än endast den ursprungliga transformatorns pris.

Viktiga utvärderingsfaktorer inkluderar:

• spänningsregleringsområde;
• antal och storlek på tapsteg;
• maximal genomströmningsström;
• driftfrekvens;
• lastprofil;
• kortslutningsbelastning;
• isolationsnivå;
• underhållsresurser;
• krav på styrning och kommunikation;
• krävd tillförlitlighet;
• miljöförhållanden;
• tillämpliga standarder.

Vanliga frågor

Kan en avslagen oljeväxlingsregulator (de-energized tap changer) användas när transformatorn inte har någon last men fortfarande är under spänning?

Normalt sett inte.

En avslagen oljeväxlingsregulator kräver i allmänhet att transformatorn är elektriskt avslagen, inte bara lastfri. En transformator under spänning kan fortfarande ha spänning över kontakternas växlingsregulator även om sekundärlastströmmen är låg eller frånvarande.

Följ alltid tillverkarens isoleringsprocedur.

Gör en OLTC transformatorn otillgänglig?

Nej.

En OLTC undviker ett avbrott endast för normal justering av växlingsregulatorn. Den skyddar inte systemet mot alla typer av transformator-, nät-, skydd- eller matningssystemfel.

Kritiska anläggningar kan fortfarande kräva redundanta transformatorer, dubbla elkällor, UPS-system, generatorer, överföringssystem eller andra åtgärder för kontinuitet.

Använder alla OLTC övergångsmotstånd?

Nej.

Många OLTC använder övergångsmotstånd, men andra använder övergångsreaktorer. Moderna konstruktioner kan också använda vakuumavbrytare och olika arrangemang av selektor- eller diverterbrytare.

Är en OLTC alltid automatisk?

Nej.

En OLTC kan drivas manuellt, elektriskt från en lokal stypanel, på distans via SCADA eller automatiskt via en spänningsreglerande relä.

Ökar alltid ett högre tap-nummer sekundärspänningen?

Inte nödvändigtvis.

Numrering av tap-positioner och konventioner för ”höj/sänk” varierar. Driftpersonal måste kontrollera transformatorns tap-tabell och styrdokumentation.

Är en DETC mer pålitlig än en OLTC?

En DETC är mekaniskt enklare och kräver i allmänhet mindre underhåll. En OLTC är mer komplex eftersom den måste växla lastströmmen utan att avbryta strömförsörjningen.

Dock så beror den faktiska tillförlitligheten på konstruktion, användningsområde, underhåll, driftbelastning, installation och tillverkningskvalitet.

Hur ofta bör en OLTC underhållas?

Det finns inget universellt intervall.

Underhållet kan bero på förfluten tid, antal driftcykler, växlad strömbelastning, kontaktslitage, oljekvalitet, diagnostiska resultat och tillverkarens instruktioner. Vakuum-OLTC:er kan ha andra underhållskrav än konventionella oljebaserade OLTC:er.

Slutsats

Skillnaden mellan en avslagen spänningsregulator och en belastad spänningsregulator är enkel:

• A DETC ändrar transformatorns förhållande endast när transformatorn är avslagen.
• En OLTC ändrar förhållandet medan transformatorn är inkopplad och belastad.

Tekniken bakom en OLTC är mer komplex. Den måste bibehålla lastströmvägen samtidigt som den begränsar cirkulerande ström mellan angränsande lindningsuttag. Detta uppnås genom en kontrollerad växlingssekvens med hjälp av övergångsmotstånd eller övergångsreaktans, beroende på konstruktionen.

DETC är ekonomiska, kompakta och lämpliga för sällan justering. OLTC är bättre lämpade för applikationer som kräver frekvent spänningsreglering, fjärrstyrning, automatisk drift eller förbättrad kontinuitet under stegomkoppling.

Det slutgiltiga valet bör baseras på elnätet, driftkraven, underhållsstrategin, tillämpliga standarder och den totala livscykelkostnaden.