Регулювальні пристрої без напруги та під навантаженням: у чому різниця?

Що таке Трансформатор Що таке регулювальний пристрій?

Регулювальний пристрій трансформатора — це пристрій, який змінює ефективну кількість витків у одній із обмоток трансформатора. Зміна кількості витків змінює коефіцієнт трансформації трансформатора й, отже, коригує вторинну напругу.

Основне співвідношення для трансформатора можна виразити так:

V₁ / V₂ ≈ N₁ / N₂

Де:

V₁ — первинна напруга;
V₂ — вторинна напруга;
N₁ — кількість витків первинної обмотки;
N₂ — кількість витків вторинної обмотки.

Регулювальні перемикачі зазвичай встановлюють на обмотці високої напруги, оскільки струм на цьому боці нижчий. Нижчий струм зменшує навантаження на комутаційне обладнання та його фізичні розміри. Проте фактичне розташування обмотки залежить від конструкції трансформатора та вимог системи.

Регулювальні перемикачі трансформаторів загалом поділяються на дві категорії:

1. Перемикачі відключених від мережі трансформаторів (DETC)
2. Перемикачі під навантаженням (OLTC)

Ключова відмінність полягає в тому, чи можливо змінювати положення перемикача, коли трансформатор підключений до мережі й забезпечує навантаження.

Що таке перемикач відключених від мережі трансформаторів?

Перемикач відключених від мережі трансформаторів можна експлуатувати лише тоді, коли трансформатор повністю відключено від мережі.

Його також часто називають:

• DETC або перемикач відключених від мережі трансформаторів;
• відключений регулювальний пристрій відгалуження;
• регулювальний пристрій відгалуження без навантаження;
• регулювальний пристрій відгалуження під час відключення.

Ці терміни іноді використовують взаємозамінно на ринку, але «регулювальний пристрій відгалуження при відключенні живлення» є найточнішим описом, оскільки він чітко вказує основну умову безпеки: трансформатор має бути повністю відключеним від живлення під час експлуатації.

Перед зміною положення відгалуження оператори мають ізольовати трансформатор від усіх можливих джерел електроенергії, застосувати необхідні процедури блокування та маркування, переконатися у відсутності напруги та дотримуватися інструкцій виробника трансформатора.

Чому DETC не можна експлуатувати під напругою?

Звичайний регулювальний пристрій відгалуження при відключенні живлення не призначений для вмикання або вимикання струму навантаження.

Під час зміни відгалуження його контакти можуть тимчасово відключитися від одного відгалуження, перш ніж встановити з’єднання з наступним. Якщо трансформатор буде під напругою, ця дія може спричинити електричну дугу між контактами.

Можливі наслідки:

• опалені або ерозійно пошкоджені контакти;
• карбонізація ізоляційного матеріалу або олії;
• внутрішні короткі замикання;
• пошкодження регулювального пристрою відводів;
• пошкодження трансформатора;
• пожежна небезпека або загроза для персоналу.

З цієї причини DETC ніколи не повинен працювати просто тому, що трансформатор здається «слабко навантаженим». Його можна включати лише за умови відключення від мережі, як зазначено виробником.

Переваги детектора відводів під час відключення від мережі

DETC має порівняно просту механічну та електричну структуру.

Його основні переваги зазвичай включають:

• нижчу початкову вартість;
• компактна конструкція;
• менше рухомих компонентів;
• низькі вимоги до технічного обслуговування;
• висока механічна надійність;
• просте ручне керування;
• підхожість для рідких регулювань напруги.

ДЕТП зазвичай підходить, коли напруга живлення є відносно стабільною, а положення відводу трансформатора потрібно вибирати лише під час монтажу, введення в експлуатацію, сезонного технічного обслуговування або планового відключення.

Обмеження ДЕТП

Основне обмеження полягає в тому, що регулювання відводів вимагає виведення трансформатора з експлуатації.

Тому ДЕТП є менш придатним у таких випадках:

• напруга часто змінюється;
• навантаження протягом доби значно коливаються;
• виробництво не може бути перерване;
• напруга має залишатися в межах вузького робочого діапазону;
• потрібне дистанційне або автоматичне регулювання;
• генерація з відновлюваних джерел призводить до частих коливань напруги.

Вимкнений регулювальний пристрій також не коригує зміни напруги автоматично, якщо оператор не вимкне трансформатор і не вибере іншу позицію вручну.

Що таке регулювальний пристрій під навантаженням?

Регулювальний пристрій під навантаженням змінює коефіцієнт трансформації, поки трансформатор залишається під напругою й пропускає струм навантаження.

Зазвичай скорочується як OLTC . У деяких ринках також використовують термін регулятор напруги під навантаженням , або РНП,

OLTC переносить струм навантаження з одного відводу обмотки на сусідній відвід без перерви у живленні. Ця можливість робить його придатним для електричних систем, які потребують частого, автоматичного або дистанційного регулювання напруги.

Міжнародний стандарт IEC 60214 встановлює вимоги до експлуатаційних характеристик та методи випробувань регуляторів напруги під навантаженням і без навантаження. Згідно з принципами застосування стандартів IEC, OLTC призначений для зміни коефіцієнта трансформації трансформатора під час його роботи під навантаженням без перерви у живленні.

Типові сфери застосування OLTC

Трансформатори з регулюванням напруги під навантаженням зазвичай використовують у:

• підстанціях передачі;
• розподільних підстанціях;
• електростанції;
• сталеливарні та металургійні підприємства;
• шахти;
• центри обробки даних;
• великі промислові підприємства;
• проекти у сфері відновлюваних джерел енергії;
• критична інфраструктура;
• об’єкти з навантаженнями, чутливими до перерв у живленні.

---

Як працює регулятор напруги під навантаженням?

Регулятор напруги під навантаженням повинен одночасно виконувати дві задачі:

1. Підтримувати шлях струму навантаження під час зміни відводу.
2. Запобігти надмірному циркулюючому струму між сусідніми відводами.

Сусідні відводи трансформатора мають різні електричні потенціали. Їх безпосереднє з’єднання призведе до виникнення циркулюючого струму, який може бути достатньо великим, щоб пошкодити обмотку або комутаційне обладнання.

Тому ПРВ використовує контрольований процес переходу.

Комутація «замикання перед розмиканням»

Типовий ПРВ встановлює з’єднання з наступним відводом до повного відключення початкового відводу. Цей принцип роботи зазвичай описують як замикання перед розмиканням .

Під час короткого перехідного періоду ПРВ може бути підключеним до двох сусідніх відводів.

Для обмеження циркулюючого струму між ними вводять імпеданс. Залежно від конструкції ПРВ цей перехідний імпеданс може бути:

• перехідним резистором;
• перехідний реактор, іноді званий профілактичним автотрансформатором.

Компанія Megger описує процес РПН як мостування сусіднього відводу перед розмиканням навантаженого відводу. Резистивний або реактивний імпеданс обмежує циркулюючий струм під час тимчасового з’єднання двох відводів.

Типова послідовність роботи РПН з резисторним типом перемикання

Хоча точна послідовність залежить від конструкції РПН, спрощена робота резисторного типу виглядає так:

1. Трансформатор пропускає навантаження через поточний відвід.
2. Перехідний контакт підключає наступний відвід через перехідний резистор.
3. Обидва відводи тимчасово з’єднуються, а резистор обмежує циркулюючий струм.
4. Основний шлях струму переходить на новий відвід.
5. Попередній відвід відключається.
6. Перехідний резистор виводиться з кола.
7. РПН завершує операцію в новому робочому положенні.

Перехідний резистор використовується лише протягом короткого періоду перемикання. Він не призначений для постійного підключення в нормальному робочому положенні.

Сучасні РПН можуть використовувати традиційні дугогасні контакти, вакуумні пристрої вимикання, резисторні переходи, реакторні переходи або інші конструкції, специфічні для виробника.

---

Основні компоненти РПН

Традиційний РПН резисторного типу може включати:

Вибірник відводів

Вибірник відводів визначає наступний відвід обмотки. Зазвичай він виконує функцію вибору без перемикання повного струму навантаження.

Перемикач потоку

Перемикач потоку передає струм навантаження з початкового відводу на вибраний відвід.

Перехідні резистори

Резистори переходу обмежують циркуляційний струм під час тимчасового з’єднання двох сусідніх відводів.

Перемикач напрямку

Перемикач напрямку або грубого/точного перемикання може розширити діапазон регулювання без необхідності надмірної кількості з’єднань обмотки регулювання.

Механізм приводу від двигуна

Механізм приводу від двигуна забезпечує енергію та контрольовану послідовність для виконання перемикання відводу.

Залежно від конструкції, РПН також може включати:

• індикатори положення;
• механічні та електричні кінцеві вимикачі;
• лічильники операцій;
• локальні та дистанційні керування;
• реле автоматичного регулювання напруги;
• індикатори рівня масла;
• захист, що працює від тиску або газу;
• контроль температури;
• пристрої онлайн-моніторингу стану.

Не кожен пристрій РПН містить однакові компоненти. Наприклад, пристрої РПН у вакуумному виконанні та пристрої РПН сухого типу можуть мати різні схеми перемикання й ізоляції.

---

Як зміна відводу впливає на вторинну напругу?

Для трансформатора з регулювальними відводами на обмотці високої напруги та при порівняно постійній первинній напрузі живлення:

• Збільшення ефективної кількості витків обмотки високої напруги збільшує коефіцієнт трансформації й, як правило, знижує вторинну напругу.
• Зменшення ефективної кількості витків обмотки високої напруги зменшує коефіцієнт трансформації й, як правило, підвищує вторинну напругу.

Простими словами:

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

Якщо \(V_1\) та \(N_2\) залишаються сталими:

• збільшення \(N_1\) зменшує \(V_2\);
• зменшення \(N_1\) збільшує \(V_2\).

Однак вирази, такі як «підняти відгалуження», «опустити відгалуження», «відгалуження вгору» та «відгалуження вниз», не є універсально узгодженими. Їхнє значення може залежати від виробника, правил експлуатації компанії, розташування обмоток, системи керування або методу нумерації позицій.

Тому оператори повинні спиратися на:

• табличку трансформатора;
• діаграму позицій відгалужень;
• схему керування;
• інструкцію з експлуатації РПН;
• затверджена процедура експлуатації.

Вони не повинні визначати напрямок напруги лише за номером положення відводу.

---

DETC проти OLTC: основні відмінності

Точна вартість, розміри, інтервал технічного обслуговування та експлуатаційні можливості залежать від потужності трансформатора, класу напруги, діапазону регулювання відводів, технології перемикання та виробника. Фіксоване співвідношення цін між трансформаторами DETC та OLTC не слід вважати універсальним правилом.

---

Чому варто обрати трансформатор із регулюванням відводів під навантаженням?

1. Регулювання напруги без планових вимикань

Основна перевага трансформатора OLTC полягає в тому, що він може коригувати коефіцієнт трансформації без виведення трансформатора з експлуатації під час кожної операції перемикання відводів.

Це особливо важливо там, де планова перерва в електропостачанні може вплинути на:

• безперервне виробництво;
• критична інфраструктура;
• комп’ютерні та телекомунікаційні системи;
• лікарні;
• залізничні системи;
• гірничодобувні операції;
• споживачі комунальних послуг.

Регулювальний трансформатор з під навантаженням (OLTC) забезпечує безперервність постачання, але не гарантує, що електрична система ніколи не зазнає перебоїв у роботі. Несправності трансформаторів, спрацювання захисних пристроїв, відмови вищестоячих елементів, технічне обслуговування та інші події в системі все одно можуть призвести до перерви в електропостачанні.

2. Покращена відповідність напруги

Напруга змінюється через зміни навантаження, імпедансу фідерів, напрямку потоку потужності, виробленої потужності генераторами та умов у вищестоячій мережі.

Регулювальний трансформатор з під навантаженням (OLTC) може допомогти підтримувати напругу на регульованій шині в межах заданого діапазону. Підтримка прийнятної напруги сприяє:

• правильній роботі обладнання;
• якості електроенергії;
• ефективності роботи двигунів;
• термін служби ізоляції;
• відповідність напруги клієнта вимогам;
• стабільність роботи системи.

3. Краща узгодженість із компенсацією реактивної потужності

Вихідна реактивна потужність шунтового конденсатора приблизно пропорційна квадрату робочої напруги:

[ Q ∝ V² ]

Якщо напруга знижується, банк конденсаторів виробляє меншу реактивну потужність. Якщо напруга надмірно зростає, вихідна реактивна потужність збільшується й може спричинити перевищення напруги або надлишкову компенсацію.

Узгодження керування ПРНТ із банками конденсаторів, реакторами, статичними компенсаторами реактивної потужності (СКРП), STATCOM-пристроями та ресурсами на основі інверторів може покращити загальне керування напругою й реактивною потужністю.

Стратегію керування необхідно ретельно розробити. Погана узгодженість може призвести до надмірної кількості операцій перемикання відводів, перемикання конденсаторів, «полювання» системи керування або несприятливого потоку реактивної потужності.

4. Зменшення втрат у мережі за певних умов експлуатації

Підтримка напруги в системі в межах відповідного робочого діапазону може зменшити надмірний струм і уникнути деяких втрат у мережі.

Однак занадто загальне твердження, що кожна операція РПН автоматично мінімізує втрати. Фактичний результат залежить від:

• характеристик навантаження;
• коефіцієнта потужності;
• імпедансу фідера;
• залежності споживання від напруги;
• втрат у трансформаторі;
• потоку реактивної потужності;
• розподіленої генерації;
• цілей керування.

Сучасні стратегії керування напругою, отже, враховують більше, ніж лише напругу.

5. Дистанційне та автоматичне керування

Регулятор напруги під навантаженням (OLTC) може керуватися за допомогою:

• локальних кнопок;
• системи дистанційного керування;
• SCADA;
• автоматичного реле регулювання напруги;
• узгодженої автоматизації підстанції.

Автоматичне регулювання дозволяє системі керування порівнювати виміряну напругу з цільовим значенням і надсилати команди «підвищити» або «знизити» після того, як виконані налаштовані умови затримки та «мертвої зони».

«Мертва зона» та затримка запобігають непотрібним операціям, спричиненим незначними або тимчасовими змінами напруги.

---

Коли не слід експлуатувати ПРП?

Універсального загального переліку умов, за яких заборонено експлуатувати ПРП, не існує. Допустимість експлуатації залежить від номінального крізь-струму ПРП, його конструкції, системи захисту, експлуатаційної інструкції, стану трансформатора та процедур, прийнятих на конкретному об’єкті.

Експлуатанти мають дотримуватися інструкцій, наданих виробниками трансформаторів та ПРП.

Зміну відводів може бути необхідно заблокувати або призупинити за таких умов.

Струм перевищує допустиме комутаційне навантаження

ПРП має номінальний крізь-струм і визначену робочу здатність. Якщо струм трансформатора перевищує допустиме значення для зміни відводів, комутація може призвести до надмірного навантаження переходових контактів, вакуумних вимикачів, переходових резисторів або інших струмопровідних компонентів.

Деякі ПРП мають визначену здатність до роботи в режимі перевантаження, тоді як інші мають бути заблоковані при перевищенні заданого порогового значення струму. Тому експлуатацію в режимі перевантаження слід оцінювати з урахуванням фактичного номінального значення конкретного ПРП та інструкції виробника — а не загальних правил.

Тревожне сповіщення про захист регулятора напруги під навантаженням

У масляних регуляторах напруги під навантаженням можуть бути встановлені спеціальні реле тиску, реле потоку масла, газові пристрої або інше захисне обладнання.

Сповіщення може свідчити про дуговий розряд, утворення газу, проблему з масляною системою або іншу аномальну внутрішню умову. Подальше перемикання ступенів не повинно здійснюватися, доки сповіщення не буде досліджено відповідно до інструкцій з експлуатації.

Засоби захисту відрізняються для традиційних масляних регуляторів напруги під навантаженням, вакуумних регуляторів, одиниць з газовою ізоляцією та сухих переключувачів відводів.

Недостатній ізоляційний середовище

Для регулятора напруги під навантаженням з масляною ізоляцією робота може бути заборонена, якщо:

• рівень масла нижчий за допустимий діапазон;
• діелектрична міцність є неприйнятною;
• масло сильно забруднене;
• виявлено витік;
• система мастила або тиск є несправною.

Ці умови не застосовуються однаково до кожної технології регулювального перемикача.

Привід або індикація положення є несправними

Операцію слід припинити, якщо OLTC показує:

• неповне перемикання ступенів;
• розбіжність у положенні;
• збій у приводі двигуна;
• механічне заклинювання;
• неочікуваний шум;
• повторні спрацьовування захисту;
• пошкоджені кінцеві вимикачі;
• аномалія лічильника операцій або таймінгу.

Повторне надсилання команд до застряглого або незавершеного OLTC може погіршити пошкодження.

Досягнуто ліміту технічного обслуговування

OLTC встановлює критерії огляду або технічного обслуговування на основі таких факторів, як:

• кількість операцій;
• комутований струм;
• знос контактів;
• стан мастила;
• термін експлуатації;
• рекомендації виробника;
• результати моніторингу стану.

Якщо досягнуто порогового значення технічного обслуговування, подальша експлуатація може бути заборонена до завершення необхідного огляду або обслуговування.

---

Чому високий струм може бути небезпечним під час зміни відводу?

Під час переходу в ОЛТЦ резистивного типу комутаційна система повинна пропускати струм навантаження трансформатора й одночасно керувати циркуляційним струмом між сусідніми відводами.

Компоненти переходу зазнають сумісного електричного й теплового навантаження. Якщо робочий струм перевищує допустиму комутаційну здатність ОЛТЦ, навантаження на контакти й резистори переходу може перевищити їхні проектні межі.

Можливі наслідки:

• надмірне зношування контактів;
• перегрівання;
• сильна дуга;
• пошкодження резисторів переходу;
• розкладання олії;
• підвищення тиску;
• захисна дія;
• Несправність OLTC або трансформатора.

Саме тому багато систем керування трансформаторами мають функцію блокування від надструму для автоматичних команд зміни кроку.

Однак значення блокування має ґрунтуватися на фактичному номінальному значенні OLTC, конструкції трансформатора, налаштуваннях реле та інструкціях виробника.

---

Як обрати між DETC та OLTC

Де-енергізований регулятор відводів може бути кращим варіантом, коли:

• вхідна напруга стабільна;
• зміну відводів потрібно виконувати рідко;
• заплановані відключення є прийнятними;
• простота є пріоритетом;
• автоматичне керування не потрібне;
• нижча початкова вартість є важливою.

Регулювальний трансформатор з регулюванням під навантаженням може бути переважним, коли:

• напруга змінюється часто;
• навантаження значно варіюють;
• безперервність живлення є важливою;
• потрібне автоматичне регулювання напруги;
• потрібне дистанційне керування;
• виробництво відновлюваних джерел енергії впливає на напругу;
• напруга на регульованій шині має залишатися в межах вузького діапазону;

Рішення має враховувати вимоги до життєвого циклу, а не лише початкову ціну трансформатора;

Важливі чинники оцінки включають:

• діапазон регулювання напруги;
• кількість і розмір кроків регулювання;
• максимальний прохідний струм;
• частота операцій;
• профіль навантаження;
• струм короткого замикання;
• рівень ізоляції;
• ресурси технічного обслуговування;
• вимоги до керування та зв’язку;
• необхідна надійність;
• умови навколишнього середовища;
• застосовні стандарти.

Поширені запитання

Чи можна виконувати операції з відключеним регулювальним пристроєм, коли трансформатор не навантажений, але залишається під напругою?

Зазвичай — ні.

Відключений регулювальний пристрій, як правило, вимагає повного електричного відключення трансформатора, а не лише його розвантаження. Навіть при відсутності або низькому струмі навантаження на вторинній стороні, у підключеному трансформаторі все ще може бути напруга між контактами регулювального пристрою.

Завжди дотримуйтесь процедури ізоляції, вказаної виробником.

Чи робить OLTC трансформатор безперервно діючим?

№

ПЗР дозволяє уникнути відключення лише для звичайної регулювання кроку. Він не забезпечує захист системи від усіх видів аварій трансформатора, мережі, системи захисту або аварій на стороні живлення.

Критичні об’єкти можуть потребувати резервних трансформаторів, двох джерел живлення, систем безперебійного живлення (UPS), генераторів, схем автоматичного переключення або інших заходів забезпечення безперервності роботи.

Чи використовують усі ПЗР резистори переходу?

№

Багато ПЗР використовують резистори переходу, але інші — реактори переходу. Сучасні конструкції також можуть використовувати вакуумні пристрої вимикання та різні конфігурації перемикачів вибору або відведення.

Чи є ПЗР завжди автоматичним?

№

ПЗР може працювати вручну, електрично з локального пульта керування, дистанційно через SCADA або автоматично через реле регулювання напруги.

Чи завжди більший номер кроку підвищує вторинну напругу?

Не обов’язково.

Нумерація положень кроків та умовності «підняти/опустити» можуть відрізнятися. Оператори повинні перевіряти таблицю кроків трансформатора та документацію з керування.

Чи є ДПЗР надійнішим за ПЗР?

ДЕТП механічно простіший і, як правило, потребує меншого обслуговування. ОЛТП є складнішим, оскільки має перемикати струм навантаження без перерви в електропостачанні.

Однак реальна надійність залежить від конструкції, призначення, обслуговування, режиму роботи, монтажу та якості виробництва.

Як часто потрібно обслуговувати ОЛТП?

Універсального інтервалу не існує.

Обслуговування може залежати від минулого часу, кількості операцій, величини комутованого струму, зносу контактів, стану масла, результатів діагностики та інструкцій виробника. Вакуумні ОЛТП можуть мати інші вимоги до обслуговування порівняно з традиційними масляними ОЛТП.

Висновок

Різниця між відключеним регулювальним пристроєм відводів і регулювальним пристроєм відводів під навантаженням є очевидною:

• А ДЕТП змінює коефіцієнт трансформації лише за умови відключення трансформатора.
• Один OLTC змінює коефіцієнт трансформації, коли трансформатор підключений до мережі й навантажений.

Інженерна реалізація ПРП є складнішою. Вона повинна забезпечувати неперервність шляху струму навантаження, одночасно обмежуючи циркулюючий струм між сусідніми відводами обмотки. Цього досягають за допомогою контрольованої послідовності перемикання з використанням переходового опору або реактивного опору — залежно від конструкції.

ДРП є економічними, компактними та придатними для рідкісної регулювання. ПРП краще підходять для застосувань, що вимагають частого регулювання напруги, дистанційного керування, автоматичної роботи або покращеної безперервності під час зміни відводів.

Остаточний вибір має ґрунтуватися на параметрах електричної системи, експлуатаційних вимогах, стратегії технічного обслуговування, чинних стандартах та загальних витратах протягом усього терміну служби.