Come selezionare il cambiavalute sotto carico per un trasformatore di potenza principale?

Un ingegnere del progetto incaricato di una società di servizi pubblici sta formulando specifiche per un trasformatore di potenza principale con una capacità di 40 MVA e una tensione di 132/33 kV che può regolare il bus di distribuzione di 33 kV dell'intera regione. Il processo di progettazione per il trasformatore è quasi completato, ma su un punto sono state sollevate questioni durante le riunioni tenute: si riferisce al cambiavalvole sotto carico, su cui sono state poste molte domande. Le valutazioni di vari produttori sono state preparate dal punto di vista tecnico, ma i loro costi possono differire di 30%, gli intervalli di manutenzione differiscono 3 volte e le metriche di servizio tra i diversi progetti non sono disponibili nelle schede tecniche. L'ingegnere comprende che l'utilizzo del cambiavalvole sotto carico è fondamentale per il costo dell'operazione del trasformatore per un periodo di 30 anni.

L'obiettivo di questo articolo è fornire informazioni sulla selezione dei cambiavalvole sotto carico del trasformatore di potenza principale, che includerà l'intervallo di tap, la dimensione del passo, le valutazioni di corrente e tensione del passo, le differenze tra i tipi a resistenza e a vuoto, i loro costi e le specifiche da inviare ai fornitori.

Risposta: Un dispositivo di cambiavalvole sotto carico viene utilizzato per regolare il tap sull'avvolgimento di un trasformatore quando è sotto carico al fine di regolare la tensione senza interruzione dell'alimentazione. Per un'unità da 10 MVA – 60 MVA, i possibili intervalli di impostazione, rispettivamente, sono circa ± 8 × 1.25% o ± 6 × 2.5%. Il dispositivo OLTC è classificato per la stessa corrente continua massima della valutazione continua massima del trasformatore e ha la tensione del passo uguale alla tensione dell'avvolgimento.

Cos'è un cambiavalvole sotto carico?

Il cambiavalvole sotto carico (OLTC) è un dispositivo controllato da motore presente nei trasformatori di potenza che altera le connessioni del tap della bobina di regolazione mentre l'energia è in uso. Questo avviene aumentando o diminuendo i tap, cambiando così il rapporto di trasformazione e la differenza di potenziale in uscita, il che indica che l'OLTC gioca un ruolo vitale nel processo di regolazione continua della tensione sotto condizioni di carico e sorgente variabili.

Essendo il tipo di dispositivo che esegue continuamente operazioni mentre la corrente scorre, l'OLTC è uno strumento di precisione, il che significa che l'interruttore deve essere azionato in condizioni particolari, mentre il processo di commutazione deve avvenire migliaia di volte prima che l'OLTC possa usurarsi.

Perché un trasformatore principale ne ha bisogno.

I trasformatori sono installati tra il sistema di trasmissione e il sistema di distribuzione. Entrambi i lati del trasformatore possono subire fluttuazioni di carico durante il giorno poiché la domanda può cambiare, così come la tensione di trasmissione, che varia a causa della configurazione della rete. Ad esempio, quando il trasformatore in questione ha una capacità di 40 MVA, la caduta di impedenza può variare tra 6-12%. Pertanto, quando si tratta di carico completo o senza carico, le regolazioni possono influenzare la caduta di tensione di diversi percentuali del trasformatore stesso. Inoltre, c'è il rischio che il bus a 33 kV possa scendere di 5-8% al di sotto della tensione normale, il che secondo le normative locali non è accettabile.

Per mantenere le variazioni di tensione richieste all'interno di un intervallo accettabile, un OLTC è solitamente combinato con il regolatore automatico di tensione (AVR).

Come un OLTC commuta senza interruzione

L'OLTC è progettato in due fasi. Il selettore trova il nuovo punto di attacco meccanicamente con gli avvolgimenti già connessi tramite il punto di attacco attivo. Pertanto, questo è il momento in cui l'operazione del selettore è considerata come avvenuta con valore di corrente zero. Dopo di che arriva il momento dell'interruttore deviatore che sposta conseguentemente la corrente dal punto di attacco principale al nuovo punto di attacco. L'impedenza di transizione è posizionata tra il selettore e l'interruttore deviatore in modo che la corrente che scorre non venga mai interrotta.

Il design del deviatore resistivo funziona in modo tale che la corrente scorra attraverso uno o due resistori di transizione che sono posizionati in mezzo. Il valore della resistenza è selezionato in modo tale che il flusso di corrente sia limitato al valore minimo durante il processo.

OLTC a resistenza vs. OLTC a vuoto vs. OLTC a reattore

Quando si tratta di nuovi trasformatori principali, di solito si può scegliere tra varietà resistive o a vuoto. La varietà resistiva è in uso da molto tempo e ha il costo iniziale più basso. Tuttavia, il tipo a vuoto costa di più all'inizio a causa di intervalli di manutenzione più lunghi e minori requisiti per il cambio dell'olio, che può essere una considerazione importante nel caso di sottostazioni non presidiati dove la sostituzione dell'olio richiede una visita in loco e tempi di inattività.

Selezionare l'intervallo di attacco e la dimensione del passo

L'intervallo di attacco è un calcolo del controllo della tensione. Il processo consiste in diversi passaggi:

• Prendere la fluttuazione di tensione attuale. Misurare la tensione del lato primario e la tensione del bus in stato di carico completo; può variare ±3-8% su una rete reale tra condizioni di carico leggero e completo.
• Aggiungere la caduta nell'impedenza del trasformatore. A piena capacità, la regolazione dei trasformatori con potenza di 10-40 MVA raggiunge 4-8%, e i tap devono tenere conto sia del cambiamento della sorgente che della caduta interna.
• Determinare la dimensione del passo. Di solito, si utilizzano passi di 1.25% per grandi trasformatori con regolazione adeguata, mentre i trasformatori più piccoli lavorano con passi di 2.5%.
• Impostare l'intervallo. L'intervallo di tap ±8×1.25% fornisce ±10% in 16 passi, mentre l'intervallo di tap ±6×2.5% genera ±15% utilizzando 12 passi. Per la maggior parte dei trasformatori nell'intervallo tra 10MVA e 60MVA, il primo intervallo è scelto come standard.
• Pensare all'AVR che fornisce una tensione di bus con l'aiuto di un relè in un passo con ritardo temporale che consente di evitare il hunting, e il numero di passi dovrebbe soddisfare i requisiti menzionati.

In conclusione, fare stime errate può portare a conseguenze: se l'intervallo è stretto, il trasformatore non sarà in grado di mantenere la tensione nelle condizioni peggiori, e se è troppo ampio, significherà la necessità di ulteriori spese per l'OLTC o il suo avvolgimento di regolazione.

Comprendere le valutazioni di corrente e di tensione del passo

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.

Domande frequenti

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.

Riferimenti

• 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.

Conclusione

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.