Um engenheiro do projeto encarregado de uma empresa de serviços públicos está formulando especificações para um transformador de potência principal com capacidade de 40 MVA e tensão de 132/33 kV que pode regular o barramento de distribuição de 33 kV de toda a região. O processo de design para o transformador está quase concluído, mas em um ponto foram levantadas questões nas reuniões realizadas: refere-se ao comutador sob carga, que gerou muitas perguntas sobre isso. As avaliações de vários fabricantes foram preparadas do ponto de vista técnico, mas seus custos podem diferir em 30%, os intervalos de manutenção diferem 3 vezes, e as métricas de serviço entre diferentes designs não estão disponíveis nas fichas técnicas. O engenheiro entende que a utilização do comutador sob carga é crítica para o custo da operação do transformador durante o período de 30 anos.
O objetivo deste artigo é fornecer informações sobre a seleção dos comutadores sob carga do transformador de potência principal, que incluirá a faixa de tap, tamanho do passo, classificações de corrente e tensão do passo, as diferenças entre os tipos de resistor e vácuo, seus custos e especificações que precisam ser enviadas aos fornecedores.
Resposta: Um dispositivo de comutação sob carga é usado para ajustar o tap na bobina de um transformador quando está sob carga, a fim de regular a tensão sem interrupção do fornecimento. Para uma unidade de 10 MVA – 60 MVA, as faixas de configuração possíveis, respectivamente, são cerca de ± 8 × 1.25% ou ± 6 × 2.5%. O dispositivo OLTC é classificado para a mesma corrente contínua que a classificação máxima contínua do transformador e tem a tensão do passo igual à tensão da bobina.
O que é um Comutador Sob Carga?
O comutador sob carga (OLTC) é um dispositivo controlado por motor encontrado em transformadores de potência que altera as conexões do tap da bobina de ajuste enquanto a energia permanece em uso. Isso é feito aumentando ou diminuindo os taps, alterando assim a relação de transformação e a diferença de potencial de saída, o que indica que o OLTC desempenha um papel vital no processo contínuo de regulação de tensão sob condições de carga e fonte variáveis.
Sendo o tipo de dispositivo que continuamente realiza operações enquanto a corrente flui, o OLTC é um instrumento de precisão, o que significa que a comutação deve ser feita sob condições particulares, enquanto o processo de comutação deve ocorrer milhares de vezes antes que o OLTC possa se desgastar.
Por que um Transformador Principal Precisa de Um
Transformadores são instalados entre o sistema de transmissão e o sistema de distribuição. Ambos os lados do transformador podem experimentar flutuações de carga ao longo do dia, uma vez que a demanda pode mudar, assim como a tensão de transmissão, que muda devido à configuração da rede. Por exemplo, quando o transformador em questão tem uma capacidade de 40 MVA, a queda de impedância pode variar entre 6-12%. Portanto, quando se trata de carga total ou sem carga, as regulamentações podem afetar a queda de tensão em vários por cento do próprio transformador. Além disso, há o risco de que o barramento de 33 kV possa cair 5-8% abaixo da tensão normal, o que, de acordo com as regulamentações locais, não é aceitável.
Para manter as variações de tensão necessárias dentro de uma faixa aceitável, um OLTC é geralmente combinado com o regulador automático de tensão (AVR).
Como um OLTC comuta sem interrupção
O OLTC é projetado em duas fases. O seletor encontra o novo ponto de tap mecanicamente com as bobinas já conectadas via o tap ativo. Assim, é aqui que a operação do seletor é considerada como ocorrendo com valor de corrente zero. Depois disso, vem o momento do interruptor desviador que, consequentemente, move a corrente do tap principal para o novo tap. A impedância de transição é colocada entre o seletor e o interruptor desviador, de modo que a corrente que flui nunca seja interrompida.
O design do desviador de resistor opera de tal forma que a corrente passa por um ou dois resistores de transição que estão colocados entre eles. O valor da resistência é selecionado de tal maneira que o fluxo de corrente é limitado ao valor mínimo durante o processo.
OLTC do tipo resistor vs. vácuo vs. reator
| Característica | OLTC do tipo resistor | OLTC do tipo vácuo | OLTC do tipo reator (legado) |
|---|---|---|---|
| Extinção de arco | Em óleo, com resistores de transição | Em interruptor a vácuo | Com um reator de transição |
| Taxa de contaminação do óleo | Mais alta; o óleo se carboniza com a comutação | Muito baixa; o óleo permanece limpo | Baixa-moderada |
| Intervalo de manutenção | ~100.000 operações | ~300.000 operações | Varia; amplamente obsoleto |
| Custo inicial | $3,000-$18,000 | $5,000-$30,000 | Raro; poucos fornecedores |
| Melhor adequado para | Projetos de distribuição e média potência, com orçamento consciente | Transformadores de potência, operação frequente, locais não tripulados | Projetos históricos |
Quando se trata de novos transformadores principais, geralmente pode-se escolher entre variedades de resistor ou vácuo. A variedade de resistor tem sido utilizada por um longo tempo e tem o menor custo inicial. O tipo a vácuo, no entanto, custa mais no início devido a intervalos de manutenção mais longos e menos requisitos para trocas de óleo, o que pode ser uma consideração importante em caso de subestações não tripuladas, onde a substituição de óleo requer visita ao local e tempo de inatividade.
Selecionando a Faixa de Tap e o Tamanho do Passo
A faixa de tap é um cálculo de controle de tensão. O processo consiste em várias etapas:
- Pegue a flutuação de tensão real. Meça a tensão do lado primário e a tensão do barramento sob estado de carga total; pode variar ±3-8% em uma rede real entre condições de carga leve e total.
- Adicione a queda na impedância do transformador. Na capacidade total, a regulação de transformadores com 10-40 MVA de potência atinge 4-8%, e os taps devem considerar tanto a mudança de fonte quanto a queda interna.
- Determine o tamanho do passo. Normalmente, passos de 1.25% são usados para grandes transformadores com regulação adequada, enquanto transformadores menores trabalham com passos de 2.5%.
- Defina a faixa. A faixa de tap ±8×1.25% fornece ±10% em 16 passos, enquanto a faixa de tap ±6×2.5% gera ±15% utilizando 12 passos. Para a maioria dos transformadores na faixa entre 10MVA e 60MVA, a primeira faixa é escolhida como padrão.
- Pense no AVR que fornece uma tensão de barramento com a ajuda de relé em um passo com atraso de tempo, permitindo evitar hunting, e o número de passos deve atender aos requisitos mencionados.
Em conclusão, fazer estimativas erradas pode levar a consequências: se a faixa for estreita, o transformador não conseguirá manter a tensão nas piores condições, e se for muito ampla, isso significará a necessidade de despesas adicionais com OLTC ou seu enrolamento regulador.
Compreendendo as Classificações de Corrente e Tensão do Passo
| Classificação | Significado | Valores Típicos para 10-60 MVA |
|---|---|---|
| Corrente nominal | Corrente contínua máxima que o OLTC suporta | 300-1,250 A (by transformer rating) |
| Rated step voltage | 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 | Origem | 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 do tipo resistor | OLTC do tipo vácuo |
|---|---|---|
| Diverter oil change interval | ~100.000 operações | ~300.000 operações |
| Oil carbonization rate | Moderate to high | Very low |
| 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 |
Perguntas Frequentes
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.
Referências
- 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.
Conclusão
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.