La calidad de servicio del suministro de energía eléctrica está asociado con la disponibilidad de una tensión regulada en el punto de consumo y esto es posible gracias a la utilización de transformadores provistos de reguladores de tensión en carga. La conmutación bajo carga se realiza sin la interrupción del servicio.
El cambiador de tomas bajo carga o OLTC (siglas del inglés On-Load Tap Changer), tiene la doble misión de, por una parte, seleccionar las distintas tomas de regulación del transformador y por otra, interrumpir la corriente de carga al pasar de un punto de la toma a otro. Al existir interrupciones de corriente y por consiguiente cortes de arco, el conmutador deberá ir bañado en aceite y en compartimento separado y estanco para evitar la difusión de los productos del arco por el aceite del transformador, el aceite del conmutador, deberá renovarse con cierta frecuencia.
El accionamiento del regulador en carga se realiza mediante un mando motorizado situado en el exterior del transformador y adosado a la cuba. Este mando se puede actuar desde la sala de control o desde la propia cabina de mando local. Es frecuente dotarlo de un sistema automático que cuando la tensión varía entre unos Imites ajustados, de órdenes al regulador para corregir dichas variaciones.
Existen varios tipos según el principio de funcionamiento: inserción de resistencias o impedancias, botella de vacío, etc.
El de aplicación generalizada es el de inserción de resistencias (tipo “Jansen”) aunque también se están utilizando en determinados casos el tipo de “botella de vacío”.
El ajuste de tensión se lleva a cabo modificando la relación de transformación y se ejecuta por etapas. Para ello, el transformador está equipado con un arrollamiento de tomas fino, cuyas tomas están unidas al selector del cambiador que ajusta la tensión sin interrupciones en el servicio.
Un cambiador de tomas típico de transformadores de distribución, proporciona una regulación del 5% al 15%, en pasos de 1,25% de la tensión nominal, mientras que para transformadores de potencia, proporciona cambios del orden del ±10%, en pasos de 0,625% o 1,25% de la tensión nominal.
1: Cambiador de tomas bajo carga
2: Accionamiento a motor
3: Relé de protección
4: Conservador de aceite para el aceite del cambiador de tomas bajo carga
H: Altura de la columna de aceite en el conservador de aceite encima de la tapa de la cabeza del regulador en carga
Figura 1: Representación esquemática de un transformador con cambiador de tomas bajo carga
Principio de funcionamiento de un cambiador de tomas bajo carga (tipo Jansen)
El principio de funcionamiento es simple, consiste en insertar resistencias de determinado valor en el momento de la apertura del circuito, con objeto de minimizar el arco que se origina por dicha apertura, reduciendo su energía a límites aceptables.
Los principales elementos de que consta son:
- Selector de tomas o preselector.
- Ruptor.
- Cabezal del cambiador.
- Mecanismo de accionamiento por motor.
Figura 2: Componentes del cambiador de tomas bajo carga (OLTC)
Principio de conexión del cambiador de tomas bajo carga (figura 3)
A: Principio del selector-ruptor
1: Selector
2: Ruptor
B: Principio del selector de carga
Figura 3: Principio de conexión del cambiador de tomas bajo carga
Selector de tomas o preselector
Este dispositivo, como su nombre indica, realiza la selección de dos tomas a conmutar a través de dos contactos móviles. El primero conecta la toma en la que se encuentra trabajando el transformador (toma en servicio), mientras que el otro es el encargado de seleccionar la toma en la que se desea que el transformador funcione (próxima toma a conectar). No corta ni establece carga (figura 4).
Figura 4: Selector, conduce la corriente de la toma en servicio
y selecciona la próxima toma
El selector se encuentra alojado en la cuba del transformador unido de forma rígida al arrollamiento, es recorrido por la corriente, pero no la interrumpe y es utilizado conjuntamente con el ruptor. Normalmente este dispositivo va sumergido en el aceite del transformador.
Puede incorporar un preselector que conecta el devanado principal con el devanado de regulación de forma aditiva o de forma sustractiva, permitiendo duplicar el número de tomas virtuales respecto a las reales que pueden trabajar. De esta manera, se reducen costos en la fabricación del transformador.
El preselector se mueve accionado por el selector sólo en momentos muy concretos de su recorrido. Puede ser de dos tipos:
- Inversor: conecta en serie el devanado de regulación de forma aditiva o de forma sustractiva con el devanado principal (Figura 5b).
- Gran escalón: conecta el comienzo del devanado de regulación al extremo del devanado principal o bien a un punto intermedio del mismo (Figura 5c).
a: sin preselector (lineal): < 10% del margen de regulación.
b: con inversor: 10 al 20% del margen de regulación
c: gran escalón: necesidad de dos escalones de regulación
Figura 5: Conexiones básicas
Ruptor o conmutador
El ruptor es el elemento que efectúa la transferencia de intensidad de carga desde la toma en servicio a la próxima toma seleccionada sin interrumpir el servicio (figura 6).
El movimiento del dispositivo (basculante o rotatorio según tipos) se consigue mediante la actuación de un juego de resortes.
Figura 6: Ruptor
El ruptor está unido a la cabeza del OLTC, de manera que forma un único cuerpo extraíble para efectuar las operaciones rutinarias de mantenimiento.
El mismo se encuentra inmerso en un depósito de aceite independiente de la cuba del transformador, para evitar contaminarlo, debido a la degradación que sufre el aceite durante el proceso de conmutación. En este depósito se encuentran los siguientes elementos del ruptor:
- Juego de contactos principales: son los que conducen la corriente de paso, y entre ellos y el bobinado de regulación no hay resistencias de paso y no cortan ninguna corriente.
- Juego de contactos de paso: van conectados en serie a un juego de resistencias de paso, y establecen y cortan la corriente.
- Impedancia de paso: resistencia o reactancia que comprende uno o varios elementos que puentea la toma en servicio con la siguiente que va a ponerse en servicio, a fin de transferir la carga de una toma a otra sin interrumpir la corriente de carga ni modificarla sensiblemente, limitando al mismo tiempo la corriente de circulación durante el tiempo en que las dos tomas están siendo utilizadas. Las resistencias de transición del ruptor se dimensionan según los tamaños disponibles de la tensión por escalón máxima U y de la corriente nominal de paso del transformador para las que se ha diseñado el cambiador de tomas bajo carga.
El cambio de tomas bajo carga se inicia al operar el accionamiento a motor (un solo impulso de control originado p. ej. por un regulador automático de tensión). Este proceso de cambio de tomas, se finaliza forzosamente, independientemente de que durante el tiempo de marcha se apliquen nuevos impulsos de control.
Cabezal del cambiador
Es el elemento situado generalmente sobre la tapa del transformador, y que sirve de soporte al selector de tomas y al ruptor (Figura 7a).
Dispone de una serie de bridas de conexión que sirven para la conexión de la cabeza con el tanque de expansión de aceite, vaciado y filtrado de aceite del OLTC y para la toma de muestras de gases que se producen en cada operación como consecuencia de la descomposición del aceite por el arco. En su interior puede llegar a contener (dependiendo del tipo OLTC) mecanismos acumuladores de energía (resortes) (Figura 7b).
Figura 7: Cabezal del cambiador “a” y detalle interno “b” conteniendo el mecanismo de acumulación de energía y el accionamiento del selector
Proceso de conmutación
La conmutación está compuesta de dos pasos fundamentales, selección e interrupción de toma. Este proceso tiene una duración que varía entre los 5 y 7 segundos, dependiendo del tipo de conmutador.
El selector y el mecanismo acumulador de energía en conjunto, son los primeros elementos en moverse al recibir la orden de cambio de toma. Casi todo el tiempo de duración del proceso de conmutación es invertido en cumplir este primer paso.
Finalizando el paso anterior, se libera la energía acumulada en los resortes del acumulador de energía, dando lugar a la operación del ruptor, donde se produce el cambio de toma propiamente dicho, con una duración aproximada de 40 ms. A este subproceso se lo denomina interrupción.
El OLTC está diseñado para que el subproceso de interrupción se realice en el menor tiempo posible, debido a las altas temperaturas que provocan los arcos eléctricos de corriente. Es por eso que el ruptor del OLTC generalmente se encuentra sumergido en aceite con un coeficiente dieléctrico suficiente para atenuar el arco eléctrico y minimizar el desgaste de contactos eléctricos.
Si durante la etapa de interrupción existe un instante en el cual ninguna toma queda conectada, la línea de salida quedaría sin tensión, lo cual no es deseable. Y si tocara dos tomas simultáneamente, se produciría un cortocircuito en un cierto número de espiras, originando una corriente de circulación importante.
La solución a este inconveniente es colocar una resistencia, denominada resistencia de transición, entre las tomas que están siendo cortocircuitadas. Como se muestra en la figura 8.
Figura 8: Secuencia de conmutación
Árbol de accionamiento
El árbol de accionamiento es la unión mecánica entre el accionamiento y la cabeza del cambiador de tomas bajo carga.
El cambio de dirección de vertical a horizontal se lleva a cabo a través de un reenvío angular.
El árbol de accionamiento consiste en un tubo cuadrado, acoplado en ambos extremos mediante dos casquillos de acoplamiento y un perno de acoplamiento al extremo del árbol impulsante o impulsado del aparato a conectar.
Figura 9: Árbol de accionamiento
Fijación del regulador de tensión.
El cambiador de tomas se fija a la tapa del transformador por medio de su cabezal el cual sirve al mismo tiempo para el acoplamiento de la transmisión y como unión con las tuberías que enlazan con el depósito conservador.
1 - Transmisión mecánica.
2 - Tapa del transformador.
3 - Soporte del conmutador.
4 - Conmutador de tomas.
5 - Selector e inversor.
6 - Accionamiento por motor.
Figura 10: Esquemas de disposición y conexionado del regulador en un transformador autónomo.
Conexión de los arrollamientos a los terminales de salida del cambiador.
Las conexiones se realizan de acuerdo con el esquema de funcionamiento del regulador.
Todas las conexiones al cambiador se efectúan cuidadosamente quedando convenientemente aseguradas.
Las conexiones se realizan de forma tal que no ejerzan ninguna tensión sobre el cambiador.
Si las conexiones tuvieran que rodear el compartimento de aceite, éstas han de respetar una distancia mínima de 50 mm. entre las conexiones y el compartimento de aceite.
Figura 11: Vista del conexionado de un regulador en carga en un transformador
Transformador auxiliar para mando de la regulación.
La regulación automática se realiza por la acción del relé regulador de tensión que envía las órdenes al equipo de mando.
Para esta solución, el transformador principal lleva incorporados el transformador auxiliar trifásico y los transformadores de medida necesarios para realizar la función de regulación automática de la tensión sin dependencia de una fuente auxiliar de alimentación exterior al propio transformador.
Figura 12: Detalle de la alimentación al relé regulador
Mecanismo de accionamiento por motor
Dispositivo destinado a ordenar y controlar el movimiento de cambiador de tomas en carga.
Comprende básicamente de un armario estanco de fundición de aluminio dotado de puerta. Al abrir ésta queda a la vista un panel que dispone de dos selectores: uno para la maniobra de cambio de toma (subir-bajar) y otro de tres posiciones, mando local-desconexión-mando remoto; mirilla para la indicación de la posición de trabajo y de progreso del cambio de posición.
En el interior del armario se encuentran los siguientes elementos:
- Motor eléctrico: con dispositivo reductor (cárter o correa dentada) y dispositivo de inversión del sentido de giro.
- De marcha paso a paso: dispositivos eléctricos y mecánicos que paran el mecanismo de accionamiento por motor después de un cambio de tomas, independientemente de la acción del dispositivo de mando.
- Indicador de posición de toma: dispositivo eléctrico y/o mecánico que indica en que toma se encuentra el cambiador, pueden ser del tipo numérico o de aguja rotatoria.
- Indicador de cambio de toma en curso: dispositivo que indica que el mecanismo de accionamiento por motor está en marcha.
- Interruptor fin de carrera: dispositivo electromecánico que evita la maniobra del cambiador de tomas más allá de las posiciones extremas, pero que permite maniobras en el sentido opuesto.
- Fin de carrera mecánico: elemento mecánico que evita la maniobra del cambiador de tomas más allá de las posiciones extremas, bien por fallo del interruptor fin de carrera o caso de accionamiento manual del mecanismo por motor; en cualquier caso debe permitir maniobrar en sentido opuesto.
- De marcha en paralelo: dispositivo de mando eléctrico destinado a maniobrar varios cambiadores de tomas en carga hacia una posición deseada y común. Este dispositivo es totalmente necesario en el caso de transformadores monofásicos constituyendo un banco trifásico.
- De parada de emergencia: dispositivo eléctrico y/o mecánico para detener el mecanismo de accionamiento por motor en cualquier instante, de tal manera que deba realizarse una acción especial antes de que pueda comenzar el siguiente cambio de toma.
- De bloqueo por sobrecorriente: dispositivo eléctrico que impide e interrumpe la maniobra del mecanismo de accionamiento por motor durante el tiempo que una sobrecorriente superior a un valor fijado circula por los arrollamientos del transformador.
- De restablecimiento: dispositivo mecánico y/o eléctrico que permite al accionamiento por motor finalizar la operación de cambio de toma ya iniciada después de una interrupción de la tensión de alimentación.
- Contador de maniobras: dispositivo que indica el número de cambios de posición realizados.
- Maniobra manual del mecanismo de accionamiento por motor: maniobra del cambiador de tomas a mano por un dispositivo mecánico que impide al mismo tiempo la maniobra por el motor eléctrico.
a] Elementos mecánicos del accionamiento por motor (Figura 13)
Cabina. Consta de dos partes, la caja y la tapa. Está dotada de orificio para salida del eje de accionamiento, mirilla, pulsadores y manivela para ajuste y maniobra de servicio.
Reductor. Está formado por el reductor principal. alojado en un carter sobre la cabina, y reductor de control, montado a un lado del reductor principal. El reductor de control comprende un disco de leva para accionar los interruptores de leva, la corona indicadora de conmutación y el indicador mecánico de posición· Tanto la corona indicadora como el disco de leva giran una vuelta por maniobra
Manivela. Está colocada en la parte exterior de la cabina.
Contador. El contador mecánico indica el número de maniobras efectuadas.
Figura 13: Accionamiento mecánico motorizado del regulador
b) Elementos eléctricos del accionamiento por motor (Figura 14)
H1: Lámpara indicadora disparo guardamotor Q1.
K1/K2: Contactores principales de mando a motor, "bajar" hacia posición n. el motor gira hacia la derecha/ "subir" hacia posición 1· el motor gira hacia la ízquierda.
K20: Contactor auxiliar para maniobras paso a paso.
M1: Motor.
41: Interruptor de protección del motor.
R1: Resistencia de caldeo.
S1/S2: Pulsadores de mando "bajar". "subir".
S5: Pulsador de disparo del interruptor de protección Q1 del motor.
56/57: Finales de carrera para posiciones n y 1.
S8: Interruptor de bloqueo por introducción de manivela.
S12/S14: Inversores bipolares accionados por leva. "subir", "bajar".
S13: Inversa para maniobra paso a paso.
S38: Corona de contactos para cuadro de Iámparas.
X20: Conexión por enchufe.
Figura 14: Elementos eléctricos en la cabina del regulador
Figura 15: Esquema eléctrico, condición preliminar
Figura 16: Esquema eléctrico, funcionamiento hacia la posición n.
Figura 17: Detalle de una cabina de accionamiento
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Saludos cordiales, quisiera saber los contras de las botellas en vacío para los oLTC.
ResponderEliminarSon muchas las ventajas que presentan los OLTC con capsulas de corte al vacío en contraste con los inconvenientes que son poco representativos en este tipo de servicio. Entre las ventajas encontramos:
Eliminar● Permiten un máximo de 200 000 operaciones de cambio de tomas por año y hasta 100 cambio de tomas de operaciones por hora.
● Soportan un cambio frecuente de sobre corriente.
● Puede trabajar en un entorno agresivo o contaminante.
● Menor consumo de energía durante la desconexión en la cámara de vacío. La cámara de interrupción de vacío está sellada herméticamente, de modo que se evita cualquier contaminación del aceite debida a los arcos eléctricos.
● No hay generación de carbono en el proceso de cambio de derivación. No es necesario un sistema de filtrado de aceite. El aceite limpio facilita y acelera las inspecciones.
● Elimina la problemática de aceite de conmutación.
● Diseñados para operar en transformadores de potencia sumergidos en aceite y secos.
● No requieren mantenimiento hasta las 300 000 conmutaciones independientemente del tiempo y una vida útil máxima de 600 000 operaciones.
Los inconvenientes, son los propios de la interrupción del arco en el vacío y puede encontrarlos en el siguiente post de este blog: ¿Qué elegir: interruptor automático SF6 o Vacío? en el siguiente link:
http://imseingenieria.blogspot.com.es/2015/08/que-elegir-interruptor-automatico-en.html
Buen aporte, gracias!
EliminarMuchas gracias ingeniero que gran aporte!
ResponderEliminarMis felicitaciones por el artículo y su blog. Me gustaría preguntarle en que momento se inicia el montaje del OLTC durante el proceso de fabricación y montaje del transformador.
ResponderEliminarMuchas gracias de antemano por su respuesta
Hola Carlos, gracias por sus comentarios.
EliminarEl montaje del regulador en carga, suele realizarse una vez que los arrollamientos están listos y montados en sus circuitos magnéticos. Seguidamente se dispone la tapa del transformador donde se fijara el cabezal del OLTC y posteriormente el resto de sus componentes que serán conectados a la "guitarra" o diferentes cables que forman las tomas de regulación de los tres devanados.
Al mismo tiempo se suelen ir conexionando los aisladores en la tapa.
Una vez realizado todo el cableado de las partes activas, y realizado el secado de las mismas (papel, cartón, etc. se procede al encubado y posteriormente al montaje de todas las protecciones y accesorios, puesta en aceite, etc. Incluyendo en estas operaciones el montaje de las transmisiones del OLTC y su armario de mando.
Saludos cordiales
Ingeniero Andres granero muchisimas felicitaciones por este espectacular articulo, muchas gracias por compartir su conocimiento. Una pregunta, como el aceite del OLTC es independiente al del transfo,cual es tiempo de vida util de aceite del cambiador de tomas? se le debe hacer analisis de aceite?
ResponderEliminarSaludos desde Colombia.
Gracias John por tus comentarios sobre el blog.
EliminarEfectivamente, el aceite del regulador en carga precisa realizar análisis periódicos tanto más regulares cuanto más operaciones de conmutación se realicen, también depende del estado de deterioro de los contactos y estado en general del conmutador.
En la actualidad existen filtros para la limpieza del aceite de forma on línea y por tanto estando en servicio el transformador, te dejo link para más información,
http://www.trafoconsult.com.ar/info/protectorCBC.php
Tambien existen similares filtros de la casa MR el mayor fabricante de conmutadores
Saludos cordiales
Ingeniero muchas gracias por su aporte, le quería preguntar como funciona los cambiadores en paralelo en los transformadores trifásicos del 1998 de 20 MVA y si es posible que estos trabajen con un solo cambiador, cordial saludo
ResponderEliminarLos cambiadores de tomas deben funcionar al unisono es decir, ambos cambiadores de los transformadores conectados en paralelo deben en todo momento, estar conectados a la misma toma de regulación, en caso contrario podrían producirse graves averías, ambas relaciones de transformación deben coincidir en todo momento, es un requisito fundamental para poner en paralelo dos o mas transformadores.
EliminarPara conseguir este importante requisito es necesario disponer de un regulador que controle los pasos de ambos reguladores de tomas, le sugiero el regulados de tensión VC 100 -BU de la empresa MR (Maschinenfabrik Reinhausen), junto con la unidad del mismo fabricante SBK30. También existe una única unidad de control del mismo fabricante denominada TAPCON 260 PUESTA EN PARALELO DE BANCOS DE TRANSFORMADORES, puede conseguir una copia del libro de instrucciones en el siguiente link:
https://www.reinhausen.com/XparoDownload.ashx?raid=21431
También puede encontrar instrucciones del regulador VC 100 BU en el siguiente link:
https://www.reinhausen.com/PortalData/1/Resources/tc/products/electronics/phasedoutproducts/gesamt/13401020sp_Regulador_de_tensi_n_VC_100-BU.pdf
Saludos
Ingeniero mil felicitaciones por su aporte y conocimiento, le quería preguntar como funciona los cambiadores en paralelo, ya que tenemos instalados en dos transformadores de 20 MVA ( 2 MI 301 en cada trafo), y se presento una falla en un cambiador de un trafo quedando solo con uno, mil gracias por sus comentarios.
ResponderEliminarVer mi comentario anterior.
EliminarSaludos