La creación de una nueva era en la tecnología de transformadores corresponde a la creación de una plataforma de tres capas para la modernización tecnológica de la producción. En primer lugar, la innovación de componentes, como el desarrollo de núcleos amorfos, aceites de éster y materiales de bobinado de alta pureza, permite reducir las pérdidas y ampliar las opciones de instalación. En segundo lugar, la innovación del sistema, es decir, monitoreo, gemelos digitales y análisis predictivo, transforma los activos en fuentes de datos y disminuye las interrupciones forzadas en un 30 a 50 %. En tercer lugar, la innovación del modelo de negocio, como la adquisición de rendimiento y transformador como servicio, permite cambiar la propiedad del riesgo y el capital. La revolución tripartita en curso convierte la adquisición de transformadores de una simple compra a un proceso de toma de decisiones estratégicas basado en datos.
La actualización de la eficiencia a la clase 1 de IEC 60076-20 permite una reducción de pérdidas de 30 a 50%, resultando en un retorno de la inversión en 4 a 9 años.
La inversión en monitoreo asegura el retorno de inversión más rápido para activos críticos, a menudo proporcionando un retorno ya después del primer incidente prevenido.
Los modelos de servicio permiten liberar capital y transferir riesgos, lo cual es especialmente importante para fines de flujo de efectivo.
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¿Qué es un cambiador de tomas de transformador?
A cambiador de tomas es un dispositivo de conmutación adjunto a un devanado de transformador en varios puntos de toma. Con la ayuda del dispositivo, es posible cambiar la conexión entre diferentes tomas que resultan en cambios en la cantidad de vueltas del devanado y, por lo tanto, variaciones en el voltaje en el lado secundario. Así, el cambiador de tomas es, de hecho, el mecanismo de ajuste de voltaje construido ya sea dentro del tanque del transformador o montado sobre el devanado.
El voltaje experimentado por varias redes sufre constantes reducciones y aumentos debido a cargas que varían durante el día, caídas de la línea de energía, cambios en el voltaje proporcionado por la red. La salida de voltaje fija de un transformador en una relación obtenida durante la producción puede llevar a problemas con el suministro de voltaje y el cambiador de tomas proporciona el medio confiable de corrección.
Hay tres aspectos críticos utilizados para caracterizar cualquier tipo de cambiadores de tomas: su paso de voltaje (expresado como porcentaje del voltaje nominal), su número de posiciones y el rango del voltaje regulado. Por ejemplo, podría haber un transformador de distribución que tiene la capacidad de funcionar en un rango de ±2×2.5% ya que tiene 4 posiciones de toma, mientras que los transformadores más grandes están provistos de cambiadores de tomas más avanzados.
Cambiadores de tomas fuera de circuito vs. bajo carga
| Característica | Cambiador de tomas fuera de circuito (OCTC) | Cambiador de tomas bajo carga (OLTC) |
|---|---|---|
| Condición de operación | Transformador desenergizado | Transformador con carga |
| Rango típico | ±2×2.5% (5 posiciones), ±4×2.5% (9) | ±8×1.25% (17 posiciones) y más amplio |
| Mecanismo | Manual, interruptor mecánico simple | Motor, desviador con resorte, transición de vacío o resistencia |
| Impacto en el costo del transformador | +2 a +5% | +10 a +30% |
| Mantenimiento | Mínimo | Regular; filtración de aceite e inspección de contactos |
| Mejor para | Distribución, carga estable, ajuste estacional | Transformadores de potencia, carga fluctuante, control automático de voltaje |
La elección entre las dos opciones se basa en un aspecto clave: ¿es necesario realizar algún ajuste al voltaje producido por el transformador cuando está en funcionamiento? Los transformadores de distribución que sirven cargas estables pueden ajustarse estacionalmente utilizando un OCTC y, por lo tanto, incurren en casi ningún costo. Sin embargo, los transformadores de potencia que suministran cargas fluctuantes deben estar equipados con un OLTC para garantizar la calidad del voltaje suministrado y, por lo tanto, soportar un costo adicional de 10-30% para cumplir con los requisitos relacionados con la calidad del voltaje.
Cómo funciona un cambiador de tomas bajo carga
No es fácil cambiar las tomas bajo carga. No se puede simplemente abrir el circuito en el punto de toma porque eso interrumpiría la corriente de carga y resultaría en un arco que dañaría los contactos. El OLTC ofrece una solución de dos pasos que implica un selector que permite elegir la nueva posición de toma sin que la corriente esté conectada y un interruptor desviador que mueve la carga actual en la toma actual a la nueva posición. La transición es proporcionada por la impedancia de transición. Esto puede ser un elemento resistivo o un interruptor de vacío. Así, la corriente fluye continuamente y se extingue de inmediato.
En el OLTC de tipo resistivo, el desviador hace
que la carga actual pase a través de un elemento resistivo o dos al cambiar las tomas. En el caso de un diseño de tipo vacío, es el interruptor de vacío el que se encarga de la extinción del arco, manteniendo así el aceite más limpio y extendiendo el tiempo entre mantenimiento. Ambos tipos se basan en los requisitos de rendimiento de la IEC 60214-1 y las especificaciones de aplicación de la IEC 60214-2, y la elección entre ellos se determina principalmente por los cálculos de costo del ciclo de vida, ya que los OLTC de vacío son más caros de instalar pero requieren menos mantenimiento.
Tipos de cambiadores de tomas
| Tipo | Principio de funcionamiento | Rango de clasificación típico | Rango de precios |
|---|---|---|---|
| Cambiador de tomas fuera de circuito (manual) | Interruptor mecánico, sin carga | Hasta 10 MVA típico | $200-$1,500 |
| OLTC de tipo resistivo (tipo tanque o cabeza) | Desviador con resistores de transición | Hasta ~60 MVA | $3,000-$18,000 |
| OLTC de tipo vacío | Interruptor de vacío en el desviador | Hasta 200+ MVA | $5,000-$30,000 |
| OLTC de tipo reactor | Transición de reactor, diseños más antiguos | Transformadores de potencia grandes | Raro; reemplazado por resistivo/vacío |
| Unidad de accionamiento por motor (accesorio) | Operación remota/autónoma de cualquier OLTC | — | $2,000-$10,000 |
Para la mayoría de las aplicaciones con las que tratamos hoy en día, el problema se reduce a si se elige un resistor o un OLTC de vacío, aunque recientemente, este último se ha vuelto más popular y se emplea generalmente en nuevos transformadores de potencia debido a los períodos de mantenimiento más largos. Los cambiadores fuera de circuito, por otro lado, son un tipo de producto completamente diferente, más simple y bastante económico ($200-$1500), ubicados dentro de tanques de distribución y regulados pocas veces al año cuando se apaga un transformador.
Clasificaciones y Especificaciones Clave
| Parámetro | Significado | Valores Típicos |
|---|---|---|
| Corriente nominal a través | Corriente de carga continua máxima que el OLTC puede soportar | 250-1,250 A |
| Voltaje nominal por paso | Voltaje a través del rango de tomas | Hasta 3,300 V por paso en unidades grandes |
| Frecuencia nominal | Debe coincidir con el sistema (50 o 60 Hz) | 50 Hz / 60 Hz |
| Número de posiciones | Total de tomas seleccionables | 5, 9, 17, 33 |
| Voltaje por paso (%) | Cambio de voltaje por paso como % de nominal | 1.25%, 2.5%, 5% |
| Estándar | Base de diseño y prueba | IEC 60214-1/-2, IEEE C57.131 |
Hay dos números que suelen estar fuera de orden en las órdenes de compra. Estos son la corriente nominal de paso, que debe ser mayor que la clasificación de corriente continua máxima del transformador (incluidas las clasificaciones de sobrecarga), y el voltaje por paso: el alto voltaje por paso para una corriente dada impone demandas bastante diferentes al desviador que llevar la misma corriente a un bajo voltaje por paso y, por lo tanto, la clasificación del OLTC combina estos dos números.
Para ilustrar el tema, traigamos algunas pautas sobre los parámetros del cambiador de tomas para los tipos tradicionales de transformadores: las cifras que se supone que debes mencionar en tu RFQ:
| Clase de Transformador | Tipo de Cambiador de Tomas | Rango Típico | Corriente de Paso | Impacto Aproximado en el Precio del Transformador |
|---|---|---|---|---|
| 100-1,000 kVA distribución | Fuera de circuito (OCTC) | ±2×2.5% / ±4×2.5% | Hasta 1,500 A | +2 a +4% |
| 1-10 MVA industrial | OLTC, tipo resistor | ±6×2.5% | 300-700 A | +10 a +18% |
| 10-60 MVA subestación | OLTC, resistor o vacío | ±8×1.25% | 400-1,250 A | +12 a +25% |
| Por encima de 60 MVA potencia | OLTC, tipo vacío | ±8×1.25% o más amplio | 1,250-2,500 A | +15 a +30% |
Rango de Tomas, Pasos y Selección de Posiciones
Seleccionar el rango de tomas es una determinación de regulación de voltaje, en lugar de ser una suposición educada. El proceso generalmente es el siguiente:
El primer paso es medir la variación de voltaje, registrando el voltaje del lado primario durante un ciclo de carga completo. El voltaje primario cambia en ±5-10% de cargas ligeras a cargas pesadas.
El segundo paso es calcular el rango de regulación requerido. Es esencial sumar la caída de impedancia en el transformador, que típicamente es de 4-8% cuando está a plena carga, y la variación de voltaje en el lado primario para conocer el rango de regulaciones.
El siguiente paso es averiguar el tamaño del paso utilizado en los establecimientos. El tamaño de paso de distribución estándar varía según cada transformador utilizado, que varía de 2.5% a 1.25% para transformadores de potencia que necesitan más precisión.
El cuarto paso es elegir el punto medio del rango, que debe centrarse alrededor de una relación nominal de ±8×1.25%, produciendo un rango de regulación de voltaje de tomas de 10% para aplicaciones de 33/11kV.
El paso final es sincronizar con el AVR. Al trabajar en modo automático, el relé monitorea la tensión en el bus y envía la orden al motor para cambiar cada paso en modo de retardo, que es aproximadamente de 30 a 120 segundos.
Donde Pertenece Cada Tipo
- Transformadores de distribución (50-2,500 kVA): Cambiadores de tomas fuera de circuito, ±2×2.5% o ±4×2.5%, ajustados en la puesta en marcha y estacionalmente;
Transformadores de potencia de subestación (5-60 MVA): OLTC de tipo resistor con ajustes de ±8×1.25% o ±6×2.5% con la posibilidad de regular automáticamente la tensión;
Transformadores de potencia grandes y transformadores generadores (>60 MVA): OLTC de tipo vacío que operan en amplios rangos, a veces en ambos devanados de HV y LV (dos OLTCs);
Cargas de horno industrial y de arco: OLTC diseñados para operaciones rápidas y altas tasas de conmutación;
Transformadores de enlace de energía renovable: OLTC para ayudar con la generación variable y mantener el voltaje en la red.
Comparación de marcas y precios
| Marca | Origen | Fuerza | Rango de precio aproximado (OLTC, independiente) |
|---|---|---|---|
| MR (Reinhausen) | Alemania | El estándar global de OLTC; tipos de vacío y resistor | $6,000-$35,000 |
| ABB | Suiza/Suecia | Paquetes completos de transformadores + OLTC | $5,000-$30,000 |
| Siemens | Alemania | OLTC para transformadores de gran potencia | $6,000-$32,000 |
| Hitachi Energy | Suiza | Cambio de tomas en transformadores de potencia | $7,000-$35,000 |
| Schneider Electric | Francia | Cambiadores de tomas de clase de distribución | $3,000-$15,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | China | Transformadores equipados con OCTC y OLTC, coordinación IEC 60214 | $2,000-$12,000 |
En el campo de los cambiadores de tomas bajo carga, MR Reinhausen es considerado el estándar, ya que la mayoría de los grandes transformadores a nivel mundial son fabricados por MR o su versión licenciada; ABB, Siemens y Hitachi Energy ofrecen soluciones completas en torno a estas máquinas o la tecnología OLTC de sus socios. El equipo pasa todas las pruebas necesarias de acuerdo con IEC 60214 e IEEE C57.131, teniendo todos los registros requeridos de su vida útil y mantenimiento. Para aquellos que desean el mismo resultado pero a un precio más atractivo, Jiangsu Subian Electric Power crea equipos con el mismo OLTC capaz de hacer dispositivos como uno solo. Jiangsu Subian Electric Power suministra equipos que operan con éxito para IEC 60214 y envían a todo el mundo con todos los registros comunes de pruebas a un precio 40-60% menos que el costo de los transformadores europeos. Si opta por el equipo de MR o encuentra un análogo rentable, asegúrese de mencionar el nombre de OLTC en su compra acordando adquirir la unidad exacta en lugar de solo referirse a ella en general.
Guía de selección paso a paso
Primero, elija entre un OCTC o un OLTC. Si puede sacar el transformador de servicio mientras cambia las tomas y si la carga cambia gradualmente, entonces un OCTC es el camino a seguir. Sin embargo, si desea mantener el voltaje constante mientras la carga está en un estado de cambio constante, entonces debe elegir un OLTC.
A continuación, defina el rango de regulación. Anote la variación de voltaje actual y encuentre el rango requerido, teniendo en cuenta que +8×1.25% es suficiente para cubrir la mayoría de las situaciones al usar electricidad.
A continuación, elija el tamaño del paso; use 2.5% para fines económicos y 1.25% para una regulación más precisa.
Luego, verifique la corriente de paso. El OLTC debe tener una capacidad mayor que la corriente continua máxima del transformador, lo que también incluye cualquier compromiso de sobrecarga.
Además, asegúrese de que los voltajes sean compatibles. Confirme que el OLTC maneje el voltaje de paso de su transformador, porque el producto de la corriente de toma por el voltaje de paso causará estrés en el desviador.
Decida si desea usar un resistor o un vacío. Un resistor sería una mejor opción ya que es más barato y ha estado en uso durante mucho tiempo, mientras que un vacío tendría costos de mantenimiento más bajos.
Finalmente, no olvide incluir controles automáticos. Un motor, relé AVR e indicador de posición no solo son necesarios para su OLTC, sino que también debe especificar el voltaje de control necesario para que funcione.
Instalación y mantenimiento
El aspecto más intensivo en mantenimiento de un transformador moderno es su uso de cambiadores de tomas bajo carga, ya que son los únicos componentes del transformador que realizan trabajo mecánico bajo condiciones de carga. El aceite de conmutación utilizado en dispositivos OLTC de tipo resistor típicos necesita ser filtrado o reemplazado de acuerdo con el cronograma del fabricante, generalmente después de un período de 100,000 operaciones o 5-7 años, lo que ocurra primero, mientras que los OLTC operados por vacío prolongan considerablemente el tiempo de funcionamiento.
Procedimientos de mantenimiento
Mida y elabore un gráfico mensual de las lecturas del contador de operaciones.
Tome muestras de aceite de OLTC por separado del aceite del tanque principal. El aceite del desviador se carboniza durante la conmutación y se deteriora mucho más rápido.
Inspeccione los contactos en busca de erosión durante las revisiones generales y tome lecturas de resistores de transición de acuerdo con los requisitos del manual.
Pruebe las características de par del motor y la configuración del relé AVR una vez al año.
Asegúrese de que el indicador de posición de la toma corresponda a la posición actual del devanado antes de cualquier operación manual.
Preguntas Frecuentes
¿Cuánto añade un cambiador de tomas al costo del transformador?
Un cambiador de tomas fuera de circuito añade aproximadamente 2-5% al precio del transformador. Un cambiador de tomas bajo carga añade 10-30%, porque el OLTC en sí cuesta $3,000-$30,000 (por clasificación) más el motor y el sistema de control. Para un transformador de 10 MVA, presupuestar $10,000-$25,000 para el incremento del OLTC.
¿Cuál es la diferencia entre un cambiador de tomas fuera de circuito y uno bajo carga?
Un cambiador de tomas fuera de circuito (OCTC) solo puede ser operado cuando el transformador está desenergizado; es un interruptor simple y barato utilizado para ajustar el transformador al perfil de voltaje promedio de su alimentador. Un cambiador de tomas bajo carga (OLTC) cambia las tomas mientras el transformador lleva carga, utilizando un desviador y una impedancia de transición para evitar interrumpir la corriente, lo que lo hace adecuado para la regulación automática de voltaje bajo carga variable.
¿Qué rango de tomas necesito para mi transformador?
Para transformadores de distribución, ±2×2.5% (5 posiciones) o ±4×2.5% (9 posiciones) cubren la mayoría de los casos. Para transformadores de potencia que alimentan cargas fluctuantes, ±8×1.25% (17 posiciones) es la opción común, dando un rango total de ±10%. El valor correcto proviene de medir su variación de voltaje y la caída de impedancia del transformador; no elija un rango de un catálogo.
¿Con qué frecuencia debe mantenerse un cambiador de tomas bajo carga?
Los OLTC de tipo resistor típicamente necesitan filtración o reemplazo de aceite cada 100,000 operaciones o 5-7 años, lo que ocurra primero. Los diseños de tipo vacío extienden eso a aproximadamente 300,000 operaciones. Monitoree el contador de operaciones, muestree el aceite de OLTC por separado del aceite principal e inspeccione los contactos en cada revisión mayor.
¿Puedo adaptar un OLTC a un transformador diseñado para operación fuera de circuito?
Raramente, y típicamente no es barato. El devanado debe tener la configuración de tomas adecuada, el tanque debe tener una torreta de montaje, y el enfriamiento y los espacios libres deben funcionar para el desviador. Casi siempre es más barato especificar el OLTC en la etapa de diseño o comprar un nuevo transformador. Si existe la necesidad de regulación de voltaje para una unidad de toma fija ya instalada, se debe considerar un transformador regulador de voltaje separado en su lugar.
Referencias
- IEC 60214-1 — Cambiadores de tomas, Requisitos de rendimiento y Métodos de prueba — El estándar principal para el diseño y prueba de cambiadores de tomas.
- IEC 60214-2 — Cambiadores de tomas, Guía de aplicación — Orientación sobre la selección de rangos, pasos y clasificaciones.
- IEEE C57.131 — Requisitos para Cambiadores de tomas de carga — Estándar de OLTC de América del Norte.
- MR Reinhausen — Portal de Cambiadores de tomas — La documentación de producto y aplicación del fabricante líder de OLTC.
- IEC 60076-1 — Transformadores de potencia, Requisitos generales — Normas a nivel de transformador que el cambiador de tomas debe cumplir como parte de la unidad.
- Transformadores ABB — Referencia para la integración de transformadores y cambiadores de tomas.
Conclusión
El cambiador de tomas La selección puede considerarse una solución de regulación de voltaje que se presenta como una selección de componentes. Es necesario evaluar los resultados de las pruebas en relación con la variación de voltaje y la disminución de la impedancia del transformador de antemano. El siguiente paso es seleccionar el cambiador de tomas de acuerdo con el rango de voltaje adecuado y el tamaño de la toma, luego seleccionar un modelo correspondiente para cumplir con sus requisitos y especificaciones, incluyendo la selección de un cambiador de tomas fuera de carga si es aplicable.
Un OCTC añade al costo del transformador aproximadamente de 2% a 5%, mientras que un OLTC incrementa el costo en un monto de aproximadamente de 10% a 30%. La corriente y el voltaje deben coincidir de acuerdo con las condiciones de operación, en lugar de nombrar la marca del equipo.
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