Wie wählt man den Lastwechsel-Schalter für einen Haupttransformator aus?

Ein Ingenieur des Projekts, der für ein Versorgungsunternehmen verantwortlich ist, formuliert Spezifikationen für einen Haupttransformator mit einer Leistung von 40 MVA und einer Spannung von 132/33 kV, der den Verteilungsbus von 33 kV der gesamten Region regeln kann. Der Entwurfsprozess für den Transformator ist fast abgeschlossen, aber zu einem Punkt wurden bei den durchgeführten Besprechungen Fragen aufgeworfen: Es bezieht sich auf den Lastwechsel-Schalter, zu dem viele Fragen aufkamen. Die Bewertungen verschiedener Hersteller wurden aus technischer Sicht vorbereitet, aber ihre Kosten können um 30% variieren, die Wartungsintervalle unterscheiden sich um das Dreifache, und Servicemetriken über verschiedene Designs sind in den Datenblättern nicht verfügbar. Der Ingenieur versteht, dass die Nutzung des Lastwechsel-Schalters entscheidend für die Betriebskosten des Transformators über einen Zeitraum von 30 Jahren ist.

Das Ziel dieses Artikels ist es, Informationen zur Auswahl der Lastwechsel-Schalter des Haupttransformators bereitzustellen, die den Bereich der Abgriffe, die Schrittgröße, die Strom- und Schrittspannungsbewertungen, die Unterschiede zwischen Widerstands- und Vakuumtypen, deren Kosten und die Spezifikationen umfassen, die an die Lieferanten gesendet werden müssen.

Antwort: Ein Lastwechsel-Schaltgerät wird verwendet, um den Abgriff auf der Wicklung eines Transformators während des Betriebs anzupassen, um die Spannung ohne Unterbrechung der Versorgung zu regeln. Für eine Einheit von 10 MVA – 60 MVA liegen die möglichen Einstellbereiche jeweils bei etwa ± 8 × 1.25% oder ± 6 × 2.5%. Das OLTC-Gerät ist für den gleichen Durchflussstrom wie die maximale Dauerbewertung des Transformators ausgelegt und hat die Schrittspannung, die der Spannung der Wicklung entspricht.

Was ist ein Lastwechsel-Schalter?

Der Lastwechsel-Schalter (OLTC) ist ein motorisch gesteuertes Gerät, das in Leistungstransformatoren zu finden ist und die Abgriffverbindungen der Regelspule ändert, während die Energie in Gebrauch ist. Dies geschieht durch Erhöhen oder Verringern der Abgriffe, wodurch das Übersetzungsverhältnis und die Ausgangsspannung verändert werden, was darauf hinweist, dass der OLTC eine entscheidende Rolle im kontinuierlichen Spannungsregelungsprozess unter sich ändernden Last- und Quellenbedingungen spielt.

Als eine Art von Gerät, das kontinuierlich Operationen durchführt, während der Strom fließt, ist der OLTC ein Präzisionsinstrument, was bedeutet, dass der Schaltvorgang unter bestimmten Bedingungen erfolgen muss, während der Schaltprozess tausende Male stattfinden muss, bevor der OLTC abnutzen kann.

Warum ein Haupttransformator einen benötigt.

Transformatoren werden zwischen dem Übertragungssystem und dem Verteilungssystem installiert. Beide Seiten des Transformators können im Laufe des Tages Lastschwankungen erfahren, da die Nachfrage schwanken kann, ebenso wie die Übertragungsspannung, die sich aufgrund der Netzkonfiguration ändert. Wenn der betreffende Transformator beispielsweise eine Leistung von 40 MVA hat, kann der Impedanzabfall allein zwischen 6-12% liegen. Daher können die Vorschriften bei voller Last oder ohne Last den Spannungsabfall des Transformators selbst um mehrere Prozent beeinflussen. Darüber hinaus besteht das Risiko, dass der 33 kV-Bus um 5-8% unter die normale Spannung fallen kann, was gemäß den lokalen Vorschriften nicht akzeptabel ist.

Um die erforderlichen Spannungsvariationen innerhalb eines akzeptablen Bereichs aufrechtzuerhalten, wird ein OLTC normalerweise mit dem automatischen Spannungsregler (AVR) kombiniert.

Wie ein OLTC ohne Unterbrechung schaltet

Der OLTC ist in zwei Phasen ausgelegt. Der Selektor findet den neuen Abgriffspunkt mechanisch mit den bereits über den aktiven Abgriff verbundenen Wicklungen. Daher wird der Betrieb des Selektors als bei null Stromwert betrachtet. Danach kommt die Zeit des Umleiterschalters, der den Strom folglich vom Hauptabgriff zum neuen Abgriff verschiebt. Die Übergangsimpedanz wird zwischen dem Selektor und dem Umleiterschalter platziert, sodass der durchfließende Strom niemals unterbrochen wird.

Das Design des Widerstands-Umleiters funktioniert so, dass der Strom durch einen oder zwei Übergangswiderstände fließt, die dazwischen platziert sind. Der Widerstandswert wird so ausgewählt, dass der Stromfluss während des Prozesses auf den Minimalwert begrenzt wird.

Widerstands- vs. Vakuum- vs. Reaktor-OLTC

Bei neuen Haupttransformatoren kann man in der Regel zwischen Widerstands- oder Vakuumvarianten wählen. Die Widerstandsvariante wird seit langem verwendet und hat die niedrigsten Anschaffungskosten. Der Vakuumtyp hingegen kostet anfangs mehr aufgrund längerer Wartungsintervalle und weniger Anforderungen an Ölwechsel, was in unbemannten Umspannwerken, wo der Ölwechsel einen Standortbesuch und Ausfallzeiten erfordert, ein wichtiger Faktor sein kann.

Auswahl des Abgriffbereichs und der Schrittgröße

Der Abgriffbereich ist eine Berechnung der Spannungsregelung. Der Prozess besteht aus mehreren Schritten:

• Nehmen Sie die tatsächliche Spannungsfluktuation. Messen Sie die Spannung der Primärseite und die Spannung des Busses im Zustand voller Last; sie kann zwischen ±3-8% in einem tatsächlichen Netz zwischen Leicht- und Vollastbedingungen schwanken.
• Fügen Sie den Rückgang der Transformatorimpedanz hinzu. Bei voller Kapazität erreicht die Regelung von Transformatoren mit 10-40 MVA Leistung 4-8%, und die Abgriffe sollten sowohl die Änderung der Quelle als auch den internen Rückgang berücksichtigen.
• Bestimmen Sie die Größe des Schrittes. Üblicherweise werden 1.25% Schritte für große Transformatoren mit ordnungsgemäßer Regelung verwendet, während kleinere Transformatoren mit 2.5% Schritten arbeiten.
• Legen Sie den Bereich fest. Der ±8×1.25% Abgriffbereich ergibt ±10% in 16 Schritten, während der ±6×2.5% Abgriffbereich ±15% mit 12 Schritten erzeugt. Für die meisten Transformatoren im Bereich zwischen 10MVA und 60MVA wird der erste Bereich als Standard gewählt.
• Denken Sie an den AVR, der mit Hilfe eines Relais in einem Schritt mit Zeitverzögerung eine Busspannung bereitstellt, um ein Jagen zu vermeiden, und die Anzahl der Schritte sollte die genannten Anforderungen erfüllen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass falsche Schätzungen zu Konsequenzen führen können: Wenn der Bereich zu eng ist, kann der Transformator die Spannung unter den schlechtesten Bedingungen nicht halten, und wenn er zu weit ist, bedeutet dies die Notwendigkeit weiterer Ausgaben für OLTC oder dessen Regelwicklung.

Verständnis der Strom- und Schritt-Spannungswerte

The through current has to cover the highest continuous current of the transformer plus the overload factor, if applicable, such that for a 20% overload contract the OLTC rating will also have to reflect this. In other words, the step voltage is just as important since high step voltage means much more stress on the diverter than high current with low step voltage; this is verified by the vendor during the switching capacity test.

To help you visualize the relationship, we provide you with the following sizing reference related to the transformer you are specifying.

After establishing the ratings, it is essential for the specification to delineate all the requirements using detailed language. At the very least, the RFQ must specify the following items in the clear manner:

• Tap range and steps: must be specified clearly, e.g., ±8×1.25% (17 steps) at the HV winding.
• The rated through-current: what is the maximum continuous current, including overload operation.
• Step voltage: maximum voltage between the taps.
• Type: either a resistor or a vacuum type, turret mount design (head type) or an in-tank unit.
• Motor drive: voltage (110/220 DC or AC), torque limitations, local or remote operation, and AVR interface.
• Monitoring: position display, working hours counter, oil level, and pressure monitoring of OLTC space.
• Standards and type tests: type tests as per IEC 60214-1, plus IEEE C57.131 if the project is based in the North Americas.
• Spares and services: spares and services available from the manufacturers.

There are two most important specification points that are frequently ignored. First, the overload basis, which states that the OLTC should be rated for the transformer’s overload capacity and not only for the rated continuous capacity. Second, the AVR interface and communication protocol, which shows whether the tap changer can become part of the systems of substation automation or will operate on an isolated manual basis.

OLTC by Transformer Size and Duty

• Transformers of lesser power (less than 5 MVA): Oil immersing or oil circulating transformer(OLTC) thus dies not make use of OLTC; on-circuit tapping is done supplemented by regulation at upstream regulators.
• Transformers at the substation level (5 to 60 MVA): The power range for the installation of OLTC; direct caused system based regulators are used along with standard tentative impacts on the regulated bus.
• Step up generator transformers; The OELTC option is rare; regulation being done on the generator or grid level depending on the generating capacity of the generators.
• Transformers at the industrial level (10 to 50 MVA): The OLTC option is also available at this level; however vacuum type of OLTC is chosen where changes in operation are frequent.
• Furnace transformers and rectifier transformers; there is high frequency of tapping operation thus vacuum type of OLTC desired for the operation.

Brands and Price Comparison

as MR technology or licensed designs are being used by almost all leading transformers around the world. The VACUTAP series of vacuum tap changers is the one that set the standard for maintenance-free operation. ABB, Siemens, and Hitachi Energy offer their own or partner OLTC technology. The OLTC is usually a named item in the transformer contract and the choice depends on capabilities of the transformer manufacturer and maintenance philosophy of the project. Jiangsu Subian Electric Power is among the manufacturers that install tested OLTCs in their transformers, including the vacuum type for frequent switching. Instead of getting a product that comes with an additional OLTC attached, the buyer gets turn-key assembly covering turret, drive, and AVR as one complete system. Due to the efficient production and pricing policy of Subian, the price range of OLTC transformers is about 40-60% lower as compared to similar offerings of European manufacturers. However, regardless of the brand you choose, always indicate OLTC type in the contract and check the type test certificate.

Step-by-Step Selection Procedure

• Assess whether an OLTC is necessary. If the source and load are stable, you may only need manual taps, but in the case of a power transformer, automatic regulation is almost always required.
• Determine the tap step size and range according to the internal regulation of the transformer and the voltage fluctuations.
• Determine the current capacity based on the maximum current available during continuous operation with overloads.
• Double-check the step voltage with the tap-to-tap voltage of the regulating winding.
• Decide whether to use resistors or vacuum based on the budget, domain of application and switching frequency.
• Identify if turret or head mounting is needed and decide about the motor drive, ensuring it bears the correct voltage and controls.
• List the monitoring requirements and the requirements for the integration of the automatic voltage regulator including the position, counter, oil level, and communication protocols.
• Ensure that the certificate of the type-test and process test in accordance with IEC 60214-1 is available, and include the designation of the OLTC in the contract.

Operation, Monitoring, and Maintenance

The need for OLTC servicing is mostly influenced by the kind of OLTC and how often it switches on and off. Recommendations include:

• Track how many times the OLTC has been operated each month. An OLTC used in association with a power transformer may make 1,000-10,000 switches a year; therefore, maintenance intervals should be calculated based on the operating count, rather than based on numbers of years.
• In resistor OLTCs, diverter installation oil should be considered separately from the oil in the main tank, as it gets carbonized during the switching operation and degrades much faster; filter or replace it as per interval specified by the manufacturer (~100,000 switches).
• In vacuum OLTCs, no contamination occurs during operation; hence, intervals may be much longer (~300,000 switches); still, the mechanism and the drive should be checked at every major trip.
• The torque of the motor drive, the position of the AVR relay switch, and the position of the position indicator should be verified every year.
• Monitor temperatures and pressures of the diverter oil; a jump in temperature indicates a fault in the contacts or an abnormal switching process.
• Logging the operation counter is most cost-effective since it changes “make maintenance every five to seven years” into “make maintenance every 100,000 operations,” which means a considerable difference for a busy transformer.

Maintenance required by different designs is drastically different. The two main types of OLTC should be compared based on your expenditures.

Häufig gestellte Fragen

How much does an on-load tap changer cost?

What tap range should I specify for my main transformer?

What is the difference between a resistor and a vacuum on-load tap changer?

How often does an OLTC need maintenance?

Can I retrofit an on-load tap changer to an existing transformer?

Rarely and rarely economically. The regulating winding, turret mounting, tank clearances, and cooling must all suit the OLTC, and most fixed-tap transformers were never designed for one. If you need continuous regulation on an existing unit, consider a separate voltage-regulating transformer or a series voltage regulator instead. Otherwise, specify the OLTC at the design stage.

Referenzen

• IEC 60214-1 — Tap-Changers, Performance Requirements and Test Methods — The core OLTC standard covering type tests and ratings.
• IEC 60214-2 — Tap-Changers, Application Guide — Selection guidance for ranges, steps, and ratings.
• IEEE C57.131 — Requirements for Load Tap Changers — North American OLTC standard.
• MR Reinhausen — Tap Changer Portal — The leading OLTC manufacturer’s VACUTAP/OILTAP documentation and life-cycle data.
• IEC 60076-1 — Power Transformers, General Requirements — Transformer-level context for tap changer integration and testing.
• ABB Transformers — Reference for transformer and tap changer integration.

Fazit

Choosing the on-load tap changer for a major transformer is a process that is based on the facts. The variation of voltage and the regulation of transformer determine the range, while transformer’s current and switching capability determine the output. As long as everything is done correctly, the OLTC will perform its functions for many years.

• Calculate the tap range using the actual voltage values and the internal regulation.
• Rate the OLTC according to the overload performance, not just the rating on the plate.
• Opt for vacuum type when frequent switching is involved and there is no man.
• Follow the performance records, log the counter and hold the certificate of the type test attached to the contract.