Un ingénieur du projet en charge d'une entreprise de services publics formule des spécifications pour un transformateur de puissance principal d'une capacité de 40 MVA avec une tension de 132/33 kV qui peut réguler le bus de distribution de 33 kV de toute la région. Le processus de conception du transformateur est presque terminé, mais un point a soulevé des questions lors des réunions tenues : il s'agit du changeur de prises sous tension, qui a suscité de nombreuses questions à son sujet. Les évaluations de divers fabricants ont été préparées du point de vue technique, mais leur coût peut différer de 30%, les intervalles de maintenance diffèrent par 3 fois, et les métriques de service à travers différents designs ne sont pas disponibles dans les fiches techniques. L'ingénieur comprend que l'utilisation du changeur de prises sous tension est critique pour le coût de l'exploitation du transformateur pendant une période de 30 ans.
L'objectif de cet article est de fournir des informations sur la sélection des changeurs de prises sous tension du transformateur de puissance principal, qui inclura la plage de prises, la taille des étapes, les courants et les tensions des étapes, les différences entre les types à résistance et à vide, leur coût, et les spécifications à envoyer aux fournisseurs.
Réponse : Un dispositif de changement de prises sous tension est utilisé pour ajuster la prise sur l'enroulement d'un transformateur lorsqu'il est sous charge afin de réguler la tension sans interruption de l'alimentation. Pour une unité de 10 MVA – 60 MVA, les plages de réglage possibles, respectivement, sont d'environ ± 8 × 1.25% ou ± 6 × 2.5%. Le dispositif OLTC est évalué pour le même courant continu que la capacité maximale continue du transformateur et a la tension d'étape égale à la tension de l'enroulement.
Qu'est-ce qu'un changeur de prises sous tension ?
Le changeur de prises sous tension (OLTC) est un dispositif contrôlé par moteur que l'on trouve dans les transformateurs de puissance qui modifie les connexions de prise de la bobine de réglage pendant que l'alimentation est utilisée. Cela se fait en augmentant ou en diminuant les prises, changeant ainsi le rapport de transformation et la différence de potentiel de sortie, ce qui indique que l'OLTC joue un rôle vital dans le processus de régulation continue de la tension sous des conditions de charge et de source changeantes.
Étant le type de dispositif qui effectue continuellement des opérations pendant que le courant circule, l'OLTC est un instrument de précision, ce qui signifie que le commutateur doit être effectué dans des conditions particulières, tandis que le processus de commutation doit avoir lieu des milliers de fois avant que l'OLTC puisse s'user.
Pourquoi un transformateur principal en a-t-il besoin ?
Les transformateurs sont installés entre le système de transmission et le système de distribution. Les deux côtés du transformateur peuvent connaître des fluctuations de charge tout au long de la journée, car la demande peut changer, tout comme la tension de transmission, qui varie en fonction de la configuration du réseau. Par exemple, lorsque le transformateur en question a une capacité de 40 MVA, la chute d'impédance peut varier entre 6-12%. Par conséquent, lorsqu'il s'agit de pleine charge ou de non-charge, les régulations peuvent affecter la chute de tension de plusieurs pourcents du transformateur lui-même. De plus, il existe un risque que le bus de 33 kV puisse descendre de 5-8% en dessous de la tension normale, ce qui, selon les réglementations locales, n'est pas acceptable.
Afin de maintenir les variations de tension requises dans une plage acceptable, un OLTC est généralement combiné avec le régulateur de tension automatique (AVR).
Comment un OLTC commute sans interruption
L'OLTC est conçu en deux phases. Le sélecteur trouve le nouveau point de prise mécaniquement avec les enroulements déjà connectés via la prise active. Ainsi, c'est à ce moment que l'opération du sélecteur est considérée comme se produisant avec une valeur de courant nulle. Après cela vient le moment de l'interrupteur de dérivation qui déplace conséquemment le courant de la prise principale vers la nouvelle prise. L'impédance de transition est placée entre le sélecteur et l'interrupteur de dérivation afin que le courant qui y circule ne soit jamais interrompu.
La conception du dérivateur à résistance fonctionne de telle manière que le courant passe par un ou deux résistances de transition qui sont placées entre les deux. La valeur de résistance est choisie de manière à ce que le flux de courant soit limité à la valeur minimale pendant le processus.
OLTC à résistance vs. OLTC à vide vs. OLTC à réacteur
| Caractéristique | OLTC de type résistance | OLTC de type vide | OLTC de type réacteur (héritage) |
|---|---|---|---|
| Extinction de l'arc | Dans l'huile, avec des résistances de transition | Dans un interrupteur à vide | Avec un réacteur de transition |
| Taux de contamination de l'huile | Plus élevé ; l'huile se carbonise avec la commutation | Très faible ; l'huile reste propre | Faible à modéré |
| Intervalle de maintenance | ~100,000 opérations | ~300,000 opérations | Varie ; largement obsolète |
| Coût initial | $3,000-$18,000 | $5,000-$30,000 | Rare ; peu de fournisseurs |
| Mieux adapté à | Projets de distribution et de puissance moyenne, soucieux du budget | Transformateurs de puissance, opérations fréquentes, sites non habités | Conceptions historiques |
En ce qui concerne les nouveaux transformateurs principaux, on peut généralement choisir entre des variétés à résistance ou à vide. La variété à résistance est utilisée depuis longtemps et a le coût initial le plus bas. Le type à vide, cependant, coûte plus cher au départ en raison d'intervalles de maintenance plus longs et de moins de besoins en changements d'huile, ce qui peut être une considération importante en cas de sous-stations non habitées où le remplacement de l'huile nécessite une visite sur site et un temps d'arrêt.
Sélectionner la plage de prises et la taille des étapes
La plage de prises est un calcul du contrôle de tension. Le processus consiste en plusieurs étapes :
- Prenez la fluctuation de tension réelle. Mesurez la tension du côté primaire et la tension du bus en état de pleine charge ; elle peut varier de ±3-8% sur un réseau réel entre des conditions de charge légère et de pleine charge.
- Ajouter la chute d'impédance du transformateur. À pleine capacité, la régulation des transformateurs de 10-40 MVA atteint 4-8%, et les prises doivent tenir compte à la fois du changement de source et de la chute interne.
- Déterminer la taille du pas. En général, des pas de 1.25% sont utilisés pour les grands transformateurs avec une régulation appropriée, tandis que les petits transformateurs fonctionnent avec des pas de 2.5%.
- Définir la plage. La plage de prises ±8×1.25% donne ±10% en 16 étapes, tandis que la plage de prises ±6×2.5% génère ±15% en utilisant 12 étapes. Pour la plupart des transformateurs dans la plage de 10MVA à 60MVA, la première plage est choisie comme standard.
- Pensez à l'AVR qui fournit une tension de bus avec l'aide d'un relais en une étape avec un temps de retard permettant d'éviter le hunting, et le nombre d'étapes doit répondre aux exigences mentionnées.
En conclusion, faire de mauvaises estimations peut entraîner des conséquences : si la plage est étroite, le transformateur ne pourra pas maintenir la tension dans les pires conditions, et si elle est trop large, cela signifiera la nécessité de dépenses supplémentaires pour l'OLTC ou son enroulement de régulation.
Comprendre les courants et les tensions de pas
| Puissance | Signification | Valeurs typiques pour 10-60 MVA |
|---|---|---|
| Courant nominal | Courant continu maximum que l'OLTC supporte | 300-1,250 A (selon la puissance du transformateur) |
| Tension de pas nominale | 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+ |
| Normes | 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
| Brand | 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) | Chine | 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 type résistance | OLTC de type vide |
|---|---|---|
| Diverter oil change interval | ~100,000 opérations | ~300,000 opérations |
| Oil carbonization rate | Moderate to high | Très faible |
| 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 |
Questions Fréquemment Posées
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.
Références
- 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.
Conclusion
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.