Инженер проекта, отвечающий за коммунальное предприятие, формулирует спецификации для главного силового трансформатора мощностью 40 МВА с напряжением 132/33 кВ, который может регулировать распределительный шина 33 кВ для всего региона. Процесс проектирования трансформатора почти завершен, но на одном из пунктов на проведенных встречах были подняты вопросы: это касается устройства с переключением под нагрузкой, по которому возникло много вопросов. Оценки различных производителей были подготовлены с технической точки зрения, но их стоимость может отличаться на 30%, интервалы обслуживания различаются в 3 раза, а сервисные метрики по различным конструкциям недоступны в технических паспортах. Инженер понимает, что использование устройства с переключением под нагрузкой критично для стоимости эксплуатации трансформатора в течение 30 лет.
Цель этой статьи — предоставить информацию о выборе устройств с переключением под нагрузкой для главного силового трансформатора, которые будут включать диапазон переключения, размер шага, номиналы тока и напряжения на шаг, различия между резистивными и вакуумными типами, их стоимость и спецификации, которые необходимо отправить поставщикам.
Ответ: Устройство с переключением под нагрузкой используется для регулировки переключения на обмотке трансформатора, когда он находится под нагрузкой, чтобы регулировать напряжение без прерывания подачи. Для блока мощностью 10 МВА – 60 МВА возможные диапазоны настройки, соответственно, составляют около ± 8 × 1.25% или ± 6 × 2.5%. Устройство OLTC рассчитано на тот же проходящий ток, что и максимальный непрерывный рейтинг трансформатора, и имеет шаговое напряжение, равное напряжению обмотки.
Что такое устройство с переключением под нагрузкой?
Устройство с переключением под нагрузкой (OLTC) — это моторизованное устройство, которое находится в силовых трансформаторах и изменяет соединения переключения регулировочной катушки, пока энергия используется. Это делается путем увеличения или уменьшения переключений, тем самым изменяя коэффициент трансформации и выходное напряжение, что указывает на то, что OLTC играет жизненно важную роль в процессе непрерывного регулирования напряжения при изменяющихся условиях нагрузки и источника.
Будучи устройством, которое постоянно выполняет любые операции, пока протекает ток, OLTC является прецизионным инструментом, что означает, что переключение должно выполняться при определенных условиях, в то время как процесс переключения должен происходить тысячи раз, прежде чем OLTC может износиться.
Почему главному трансформатору это необходимо
Трансформаторы устанавливаются между системой передачи и распределительной системой. Оба конца трансформатора могут испытывать колебания нагрузки в течение дня, так как спрос может изменяться, а также напряжение передачи, которое изменяется в зависимости от конфигурации сети. Например, когда рассматриваемый трансформатор имеет мощность 40 МВА, падение импеданса может составлять от 6 до 12%. Поэтому, когда речь идет о полной нагрузке или без нагрузки, регулирование может повлиять на падение напряжения на несколько процентов самого трансформатора. Более того, существует риск, что шина 33 кВ может упасть на 5-8% ниже нормального напряжения, что согласно местным нормам неприемлемо.
Для поддержания необходимых колебаний напряжения в допустимых пределах, OLTC обычно комбинируется с автоматическим регулятором напряжения (AVR).
Как OLTC переключается без прерывания
OLTC разработан в два этапа. Селектор механически находит новую точку подключения с уже подключенными обмотками через активный отвод. Таким образом, операция селектора считается происходящей при нулевом значении тока. После этого наступает время переключателя отклонения, который соответственно перемещает ток с основного отвода на новый отвод. Переходный импеданс размещается между селектором и переключателем отклонения, так что текущий ток никогда не прерывается.
Конструкция резисторного отклонителя работает таким образом, что ток проходит через один или два переходных резистора, которые размещены между ними. Значение сопротивления выбирается таким образом, чтобы ток был ограничен до минимального значения в процессе.
Резисторный OLTC против вакуумного OLTC против реакторного OLTC
| Характеристика | Резисторный тип OLTC | Вакуумный тип OLTC | Реакторный тип OLTC (устаревший) |
|---|---|---|---|
| Гашение дуги | В масле, с переходными резисторами | В вакуумном выключателе | С переходным реактором |
| Уровень загрязнения масла | Высокий; масло карбонизируется при переключении | Очень низкий; масло остается чистым | Низкий-средний |
| Интервал обслуживания | ~100,000 операций | ~300,000 операций | Варируется; в значительной степени устаревший |
| Начальная стоимость | $3,000-$18,000 | $5,000-$30,000 | Редкий; несколько поставщиков |
| Лучше всего подходит для | Распределительных и средне мощных, бюджетных проектов | Энергетические трансформаторы, частая работа, необслуживаемые площадки | Исторические конструкции |
Когда речь идет о новых главных трансформаторах, обычно можно выбрать между резисторными или вакуумными вариантами. Резисторный вариант используется уже долгое время и имеет наименьшую начальную стоимость. Вакуумный тип, однако, стоит дороже в начале из-за более длительных интервалов обслуживания и меньших требований к замене масла, что может быть важным фактором в случае необслуживаемых подстанций, где замена масла требует выезда на место и простоя.
Выбор диапазона отводов и размера шага
Диапазон отводов — это расчет управления напряжением. Процесс состоит из нескольких этапов:
- Возьмите фактическое колебание напряжения. Измерьте напряжение первичной стороны и напряжение шины в состоянии полной нагрузки; оно может варьироваться на ±3-8% в реальной сети между легкими и полными нагрузочными условиями.
- Добавьте падение импеданса трансформатора. При полной мощности регулирование трансформаторов мощностью 10-40 МВА достигает 4-8%, и отводы должны учитывать как изменение источника, так и внутреннее падение.
- Определите размер шага. Обычно для крупных трансформаторов с правильным регулированием используются шаги 1.25%, в то время как меньшие трансформаторы работают с шагами 2.5%.
- Установите диапазон. Диапазон отводов ±8×1.25% дает ±10% в 16 шагах, в то время как диапазон отводов ±6×2.5% генерирует ±15%, используя 12 шагов. Для большинства трансформаторов в диапазоне от 10 МВА до 60 МВА первый диапазон выбирается в качестве стандарта.
- Подумайте о AVR, который обеспечивает напряжение шины с помощью реле за один шаг с временной задержкой, позволяя избежать охоты, и количество шагов должно соответствовать указанным требованиям.
В заключение, неправильные оценки могут привести к последствиям: если диапазон узкий, трансформатор не сможет удерживать напряжение в худших условиях, а если он слишком широкий, это будет означать необходимость дополнительных расходов на OLTC или его регулирующую обмотку.
Понимание текущих и шаговых напряжений
| Рейтинг | Значение | Типичные значения для 10-60 МВА |
|---|---|---|
| Номинальный ток | Максимальный непрерывный ток, который переносит OLTC | 300-1,250 A (по номиналу трансформатора) |
| Номинальное шаговое напряжение | Напряжение между соседними отводами | 500-3,000 В на шаг |
| Номинальная переключающая способность | Произведение тока × напряжение шага, которое может выдержать переключатель | До ~1,000 кВА на переключающий шаг |
| Рабочие циклы | Проектный срок службы в операциях | 100,000-300,000+ |
| Стандарты | Основание для проектирования и типового испытания | IEC 60214-1/-2, IEEE C57.131 |
Протекающий ток должен покрывать максимальный непрерывный ток трансформатора плюс коэффициент перегрузки, если это применимо, так что для контракта перегрузки 20% рейтинг OLTC также должен это отражать. Другими словами, напряжение шага так же важно, поскольку высокое напряжение шага означает гораздо большее напряжение на переключателе, чем высокий ток с низким напряжением шага; это подтверждается поставщиком во время испытания переключающей способности.
Чтобы помочь вам визуализировать взаимосвязь, мы предоставляем вам следующую справочную информацию по размеру, связанной с трансформатором, который вы указываете.
| Рейтинг трансформатора | Высокое напряжение | Максимальный непрерывный ток | Типичный рейтинг OLTC | Ценовой диапазон OLTC |
|---|---|---|---|---|
| 10 МВА | 66 кВ | ~88 А | 100 А, шаг 500-800 В | $4,000-$12,000 |
| 20 МВА | 110 кВ | ~105 А | 125 А, шаг 800-1,200 В | $6,000-$16,000 |
| 40 МВА | 132 кВ | ~175 А | 200 А, шаг 1,200-1,800 В | $8,000-$22,000 |
| 60 МВА | 220 кВ | ~157 А | 200 А, шаг 1,500-2,500 В | $12,000-$30,000 |
После установления рейтингов важно, чтобы спецификация четко определяла все требования с использованием детализированного языка. По крайней мере, запрос на предложение должен четко указывать следующие пункты:
- Диапазон отводов и шаги: должны быть четко указаны, например, ±8×1.25% (17 шагов) на высоковольтной обмотке.
- Номинальный протекающий ток: каков максимальный непрерывный ток, включая работу в перегрузке.
- Напряжение шага: максимальное напряжение между отводами.
- Тип: либо резистор, либо вакуумный тип, конструкция с установкой на башне (головной тип) или единица в баке.
- Привод: напряжение (110/220 DC или AC), ограничения по крутящему моменту, местная или удаленная работа и интерфейс AVR.
- Мониторинг: дисплей положения, счетчик рабочих часов, уровень масла и мониторинг давления в пространстве OLTC.
- Стандарты и типовые испытания: типовые испытания в соответствии с IEC 60214-1, плюс IEEE C57.131, если проект основан в Северной Америке.
- Запасные части и услуги: запасные части и услуги, доступные от производителей.
Существует два самых важных пункта спецификации, которые часто игнорируются. Во-первых, основа перегрузки, которая гласит, что OLTC должен быть рассчитан на перегрузочную способность трансформатора, а не только на номинальную непрерывную способность. Во-вторых, интерфейс AVR и протокол связи, который показывает, может ли переключатель отводов стать частью систем автоматизации подстанции или будет работать на изолированной ручной основе.
OLTC по размеру трансформатора и назначению
- Трансформаторы меньшей мощности (менее 5 МВА): масляные погружаемые или масляные циркулирующие трансформаторы (OLTC) таким образом не используют OLTC; отводы на цепи выполняются с дополнением регулирования на вышестоящих регуляторах.
- Трансформаторы на уровне подстанции (5 до 60 МВА): диапазон мощности для установки OLTC; используются регуляторы, основанные на прямом воздействии системы, вместе с стандартными временными воздействиями на регулируемую шину.
- Трансформаторы повышающего генератора; Опция OELTC редка; регулирование осуществляется на уровне генератора или сети в зависимости от мощности генераторов.
- Трансформаторы на промышленном уровне (10 до 50 МВА): Опция OLTC также доступна на этом уровне; однако выбирается вакуумный тип OLTC, когда изменения в работе происходят часто.
- Трансформаторы для печей и выпрямительные трансформаторы; высокая частота операций переключения, поэтому для работы требуется вакуумный тип OLTC.
Сравнение брендов и цен
| Бренд | Происхождение | 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) | Китай | 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 | Резисторный тип OLTC | Вакуумный тип OLTC |
|---|---|---|
| Diverter oil change interval | ~100,000 операций | ~300,000 операций |
| Oil carbonization rate | Moderate to high | Очень низкое |
| 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 |
Часто задаваемые вопросы
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.
References
- 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.