Trapschakelaar onder belasting (OLTC) — hoe een regeltransformator de uitgangsspanning aanpast zonder de voeding te onderbreken

De gids over het Buchholzrelais behandelt hoe een oliegevulde transformator wordt bewaakt tegen interne fouten. Dit artikel behandelt een heel andere functie die veel vermogenstransformatoren ook hebben: het actief bijregelen van de uitgangsspanning binnen een bepaalde bandbreedte, met de trapschakelaar onder belasting (Engels: on-load tap changer, OLTC).

Waarom een transformator een verstelbare aftakking nodig heeft

De spanning aan de primaire zijde van een transformator (bijvoorbeeld het middenspanningsnet) varieert gedurende de dag met de belasting van het net, en de belasting aan de secundaire zijde varieert eveneens. Een transformator met een vaste wikkelverhouding levert daardoor een secundaire spanning die meebeweegt met deze schommelingen, terwijl de aangesloten installatie juist gebaat is bij een spanning die binnen een smalle bandbreedte blijft. Door extra aftakkingen op de hoogspanningswikkeling aan te brengen — elk met een iets andere wikkelverhouding — en een schakelaar die tussen deze aftakkingen kan omschakelen, kan de effectieve overzetverhouding van de transformator stapsgewijs worden aangepast om de secundaire spanning binnen de gewenste bandbreedte te houden.

Het verschil tussen een spanningsloze en een belaste trapschakelaar

Een eenvoudige, spanningsloze trapschakelaar (de-energized tap changer, DETC of NLTC) kan alleen worden versteld terwijl de transformator van het net is losgekoppeld — geschikt voor een zeldzame, langzame aanpassing (bijvoorbeeld na een blijvende wijziging in de netconfiguratie), maar ongeschikt voor regelmatige bijregeling tijdens bedrijf. Een OLTC daarentegen is specifiek ontworpen om tijdens vol bedrijf, onder volle belaste stroom, van aftakking te wisselen — zonder de voeding ook maar kortstondig te onderbreken en zonder de wikkeling ooit volledig open te laten vallen.

Hoe een OLTC een aftakkingwissel maakt zonder de stroom te onderbreken

Het kernprobleem van een belaste trapwissel is dat de belaste stroom op geen enkel moment volledig onderbroken mag worden (dat zou een onderbreking van de voeding betekenen), maar dat de twee aftakkingen tijdens de overgang ook nooit rechtstreeks, zonder enige beperking, kortgesloten mogen worden (dat zou een zware kortsluitstroom tussen de twee aftakkingen veroorzaken). Een OLTC lost dit op met twee samenwerkende onderdelen:

• De keuzeschakelaar (tap selector) selecteert, spanningsloos ten opzichte van de belaste stroom, van tevoren welke twee aangrenzende aftakkingen bij de volgende stap betrokken zullen zijn.
• De omschakelaar (diverter switch) voert de eigenlijke, stroomvoerende overgang tussen deze twee vooraf geselecteerde aftakkingen razendsnel uit (doorgaans binnen enkele tientallen milliseconden), via een tussentijdse overlappende schakeling waarbij beide aftakkingen kortstondig tegelijk stroom voeren, met een overgangsimpedantie (een weerstand of reactor) in serie die de kortsluitstroom tussen de twee aftakkingen tijdens deze korte overlapperiode beperkt tot een veilige waarde.

Zo blijft de belaste stroom op elk moment via minstens één aftakking ononderbroken doorstromen, terwijl de kortsluitstroom tussen de twee betrokken aftakkingen tijdens de korte overlap begrensd blijft.

Waarom parallelbedrijf van twee transformatoren een OLTC extra kritisch maakt

De gids over transformator-vectorgroepen en parallelbedrijf behandelt waarom twee parallel geschakelde transformatoren een gelijke vectorgroep en een vergelijkbare kortsluitimpedantie nodig hebben om ongewenste circulerende stroom te voorkomen. Hetzelfde principe geldt voor de OLTC-standen van beide transformatoren: staan de twee transformatoren niet op dezelfde effectieve aftakking, dan ontstaat er een klein, permanent spanningsverschil tussen hun secundaire klemmen, dat via het gemeenschappelijke railstel een circulerende stroom drijft, ook als de externe belasting van beide transformatoren verder in balans is. Daarom wordt bij parallel bedreven transformatoren met OLTC doorgaans een automatisch parallelregelsysteem toegepast, dat de trapstanden van beide (of alle) parallelle eenheden op elkaar afgestemd houdt in plaats van elke transformator individueel op zijn eigen, lokaal gemeten spanning te laten regelen.

Let op: het aantal trappen, de spanningsstap per trap en het totale regelbereik (doorgaans in de orde van enkele tientallen trappen met een stap van iets meer dan 1 % per trap, voor een totaal regelbereik van typisch ±10 % tot ±15 %) verschillen sterk per transformatortype en toepassing; dit artikel behandelt het principe, niet een pasklare tabel voor elk transformatortype.

Praktische relevantie

Bij inspectie of onderhoud van een transformator met OLTC is het van belang de fabrikantvoorschriften voor het aantal schakelingen tussen onderhoudsbeurten te volgen — de omschakelaar is het meest belaste mechanische onderdeel van de transformator en slijt bij elke trapwissel, met name door de vonkvorming en het degraderen van de schakelolie in de aparte olievulling van het omschakelaarcompartiment (die om deze reden doorgaans gescheiden wordt gehouden van de hoofdolievulling van de transformator).

Veelgemaakte fouten

1. Een spanningsloze trapschakelaar (DETC/NLTC) proberen te verstellen terwijl de transformator nog onder spanning of belast is — dit type schakelaar is daar niet voor ontworpen en kan bij een poging tot belaste bediening zwaar beschadigd raken.
2. Twee parallel geschakelde transformatoren met OLTC niet op dezelfde effectieve trapstand houden — dit veroorzaakt een circulerende stroom tussen de transformatoren, ook zonder een externe belastingsonbalans.
3. Het onderhoudsinterval van het omschakelaarcompartiment baseren op kalendertijd in plaats van op het daadwerkelijke aantal schakelingen — de mechanische en elektrische slijtage van een OLTC hangt primair af van het aantal trapwissels, niet van de verstreken tijd.
4. De olie van het omschakelaarcompartiment verwarren met de hoofdolie van de transformator bij een oliemonster of -analyse — beide oliën hebben een andere functie en degraderen op een andere manier, en horen daarom apart te worden bemonsterd en beoordeeld.

Gerelateerd

• Buchholzrelais — bewaking van een oliegevulde transformator
• Transformator-vectorgroepen en parallelbedrijf
• Olie- en wikkeltemperatuurindicator (OTI/WTI)
• Spanningsdips en onderbrekingen (EN 50160)