Un ingeniero del proyecto a cargo de una empresa de servicios públicos está formulando especificaciones para un transformador de potencia principal de capacidad de 40 MVA con un voltaje de 132/33 kV que puede regular el bus de distribución de 33 kV de toda la región. El proceso de diseño para el transformador casi se ha completado, pero en un punto se plantearon cuestiones en las reuniones celebradas: se refiere al cambiador de tomas bajo carga, sobre el cual surgieron muchas preguntas. Se prepararon las evaluaciones de varios fabricantes desde el punto de vista técnico, pero su costo puede diferir en 30%, los intervalos de mantenimiento difieren 3 veces, y las métricas de servicio a través de diferentes diseños no están disponibles en las hojas de datos. El ingeniero entiende que la utilización del cambiador de tomas bajo carga es crítica para el costo de operación del transformador durante un período de 30 años.
El objetivo de este artículo es proporcionar la información sobre la selección de los cambiadores de tomas bajo carga del transformador de potencia principal, que incluirá el rango de tomas, el tamaño del paso, las calificaciones de corriente y voltaje por paso, las diferencias entre los tipos de resistencia y vacío, su costo y las especificaciones que deben enviarse a los proveedores.
Respuesta: Un dispositivo de cambiador de tomas bajo carga se utiliza para ajustar la toma en el devanado de un transformador cuando está bajo carga con el fin de regular el voltaje sin interrupción del suministro. Para una unidad de 10 MVA – 60 MVA, los rangos de configuración posibles, respectivamente, son aproximadamente ± 8 × 1.25% o ± 6 × 2.5%. El dispositivo OLTC está clasificado para la misma corriente continua que la calificación máxima continua del transformador y tiene el voltaje por paso igual al voltaje del devanado.
¿Qué es un cambiador de tomas bajo carga?
El cambiador de tomas bajo carga (OLTC) es un dispositivo controlado por motor que se encuentra en transformadores de potencia que altera las conexiones de toma de la bobina de ajuste mientras la energía sigue en uso. Esto se hace aumentando o disminuyendo las tomas, cambiando así la relación de transformación y la diferencia de potencial de salida, lo que indica que el OLTC juega un papel vital en el proceso de regulación continua del voltaje bajo condiciones cambiantes de carga y fuente.
Siendo el tipo de dispositivo que realiza continuamente cualquier operación mientras fluye la corriente, el OLTC es un instrumento de precisión, lo que significa que el conmutador debe hacerse bajo condiciones particulares, mientras que el proceso de conmutación debe tener lugar miles de veces antes de que el OLTC pueda desgastarse.
Por qué un transformador principal necesita uno.
Los transformadores se instalan entre el sistema de transmisión y el sistema de distribución. Ambos lados del transformador pueden experimentar fluctuaciones de carga a lo largo del día, ya que la demanda puede cambiar, así como la tensión de transmisión, que varía debido a la configuración de la red. Por ejemplo, cuando el transformador en cuestión tiene una capacidad de 40 MVA, la caída de impedancia puede ser de entre 6-12%. Por lo tanto, cuando se trata de carga completa o sin carga, las regulaciones pueden afectar la caída de tensión en varios porcentajes del propio transformador. Además, existe el riesgo de que el bus de 33 kV pueda caer 5-8% por debajo de la tensión normal, lo cual, según las regulaciones locales, no es aceptable.
Para mantener las variaciones de tensión requeridas dentro de un rango aceptable, un OLTC se combina generalmente con el regulador automático de tensión (AVR).
Cómo un OLTC cambia sin interrupción
El OLTC está diseñado en dos fases. El selector encuentra el nuevo punto de conexión mecánicamente con los devanados ya conectados a través del tap activo. Por lo tanto, aquí es donde se considera que la operación del selector ocurre con un valor de corriente cero. Después de eso, llega el momento del interruptor de derivación que, en consecuencia, mueve la corriente del tap principal al nuevo tap. La impedancia de transición se coloca entre el selector y el interruptor de derivación, de modo que la corriente que fluye nunca se interrumpe.
El diseño del resistor de derivación opera de tal manera que la corriente viaja a través de uno o dos resistores de transición que se colocan entre ellos. El valor de resistencia se selecciona de tal manera que el flujo de corriente se limita al valor mínimo durante el proceso.
OLTC de tipo resistor vs. OLTC de tipo vacío vs. OLTC de tipo reactor
| Característica | OLTC de tipo resistor | OLTC de tipo vacío | OLTC de tipo reactor (heredado) |
|---|---|---|---|
| Extinción de arco | En aceite, con resistores de transición | En interruptor de vacío | Con un reactor de transición |
| Tasa de contaminación del aceite | Más alta; el aceite se carboniza con el conmutador | Muy baja; el aceite se mantiene limpio | Baja-moderada |
| Intervalo de mantenimiento | ~100,000 operaciones | ~300,000 operaciones | Varía; en gran medida obsoleto |
| Costo inicial | $3,000-$18,000 | $5,000-$30,000 | Raro; pocos proveedores |
| Mejor adecuado para | Proyectos de distribución y potencia media, con presupuesto limitado | Transformadores de potencia, operación frecuente, sitios no tripulados | Diseños históricos |
Cuando se trata de nuevos transformadores principales, generalmente se puede elegir entre variedades de resistor o de vacío. La variedad de resistor ha estado en uso durante mucho tiempo y tiene el costo inicial más bajo. Sin embargo, el tipo de vacío cuesta más al principio debido a los intervalos de mantenimiento más largos y a los menores requisitos de cambios de aceite, lo que puede ser una consideración importante en el caso de subestaciones no tripuladas donde el reemplazo de aceite requiere una visita al sitio y tiempo de inactividad.
Selección del rango de tap y tamaño del paso
El rango de tap es un cálculo del control de tensión. El proceso consiste en varios pasos:
- Toma la fluctuación de tensión real. Mide la tensión del lado primario y la tensión del bus bajo estado de carga completa; puede variar ±3-8% en una red real entre condiciones de carga ligera y carga completa.
- Agregue la caída en la impedancia del transformador. A plena capacidad, la regulación de transformadores con 10-40 MVA de potencia alcanza 4-8%, y los tomas deben tener en cuenta tanto el cambio de fuente como la caída interna.
- Determine el tamaño del paso. Por lo general, se utilizan pasos de 1.25% para transformadores grandes con regulación adecuada, mientras que los transformadores más pequeños trabajan con pasos de 2.5%.
- Establezca el rango. El rango de tomas de ±8×1.25% da ±10% en 16 pasos, mientras que el rango de tomas de ±6×2.5% genera ±15% utilizando 12 pasos. Para la mayoría de los transformadores dentro del rango entre 10MVA y 60MVA, se elige el primer rango como estándar.
- Piense en el AVR que proporciona un voltaje de bus con la ayuda de un relé en un paso con retardo de tiempo que permite evitar caza, y el número de pasos debe cumplir con los requisitos mencionados.
En conclusión, hacer estimaciones incorrectas puede llevar a consecuencias: si el rango es estrecho, el transformador no podrá mantener el voltaje en las peores condiciones, y si es demasiado amplio, significará la necesidad de gastos adicionales en OLTC o su devanado regulador.
Comprendiendo las Calificaciones de Corriente y Voltaje por Paso
| Clasificación | Significado | Valores Típicos para 10-60 MVA |
|---|---|---|
| Corriente nominal a través | Corriente continua máxima que soporta el OLTC | 300-1,250 A (según la clasificación del transformador) |
| Voltaje nominal por paso | Voltage between adjacent taps | 500-3,000 V per step |
| Rated switching capacity | Product of current × step voltage the diverter can handle | Up to ~1,000 kVA per switching step |
| Operating cycles | Design life in operations | 100,000-300,000+ |
| Normas | Design and type-test basis | IEC 60214-1/-2, IEEE C57.131 |
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.
| Transformer Rating | HV Voltage | Max Continuous Current | Typical OLTC Rating | OLTC Price Range |
|---|---|---|---|---|
| 10 MVA | 66 kV | ~88 A | 100 A, step 500-800 V | $4,000-$12,000 |
| 20 MVA | 110 kV | ~105 A | 125 A, step 800-1,200 V | $6,000-$16,000 |
| 40 MVA | 132 kV | ~175 A | 200 A, step 1,200-1,800 V | $8,000-$22,000 |
| 60 MVA | 220 kV | ~157 A | 200 A, step 1,500-2,500 V | $12,000-$30,000 |
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
| Marca | Origin | OLTC Products | Approx. Price Range |
|---|---|---|---|
| MR Reinhausen | Germany | VACUTAP vacuum and OILTAP resistor series — the global reference | $6,000-$35,000 |
| ABB | Switzerland/Sweden | Complete transformer + OLTC packages | $5,000-$30,000 |
| Siemens | Germany | OLTC for large power transformers | $6,000-$32,000 |
| Hitachi Energy | Switzerland | Power transformer tap changing | $7,000-$35,000 |
| Schneider Electric | France | Distribution-class tap changers | $3,000-$15,000 |
| Jiangsu Subian Electric Power (integrated) | China | Transformers with proven OLTCs coordinated to IEC 60214 | $4,000-$15,000 (as transformer option) |
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.
| Maintenance Item | OLTC de tipo resistor | OLTC de tipo vacío |
|---|---|---|
| Diverter oil change interval | ~100,000 operaciones | ~300,000 operaciones |
| Oil carbonization rate | Moderate to high | Muy bajo |
| Contact inspection interval | At each oil change | Every 2nd-3rd oil change |
| Motor drive maintenance | Same for both (annual check) | Same for both |
| Estimated 20-year maintenance cost | $8,000-$20,000 | $4,000-$10,000 |
Preguntas Frecuentes
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.
Referencias
- 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.
Conclusión
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.