Переключатель ответвлений под нагрузкой (РПН/OLTC) — как регулировочный трансформатор подстраивает выходное напряжение без перерыва питания

Руководство о реле Бухгольца рассматривает способ контроля масляного трансформатора на внутренние повреждения. Эта статья рассматривает совершенно другую функцию, которую также имеют многие силовые трансформаторы: активную подстройку выходного напряжения в определённом диапазоне с помощью переключателя ответвлений под нагрузкой (англ. on-load tap changer, OLTC, в русскоязычной практике — РПН).

Почему трансформатору нужна регулируемая отпайка

Напряжение на первичной стороне трансформатора (например, сети среднего напряжения) меняется в течение дня вместе с нагрузкой сети, а нагрузка на вторичной стороне также меняется. Трансформатор с фиксированным коэффициентом трансформации выдавал бы поэтому вторичное напряжение, следующее за этими колебаниями, в то время как подключённая установка как раз заинтересована в напряжении, остающемся в узком диапазоне. Добавив дополнительные отпайки на обмотке высокого напряжения — каждая с немного иным коэффициентом трансформации — и переключатель, способный переключаться между этими отпайками, можно ступенчато подстраивать эффективный коэффициент трансформации трансформатора, чтобы удерживать вторичное напряжение в желаемом диапазоне.

Разница между переключателем без возбуждения и переключателем под нагрузкой

Простой переключатель ответвлений без возбуждения (ПБВ, англ. DETC или NLTC) можно переключать только при отключённом от сети трансформаторе — подходит для редкой, медленной подстройки (например, после постоянного изменения конфигурации сети), но не подходит для регулярной подстройки во время работы. РПН, напротив, специально спроектирован для смены отпайки во время полной работы, под полным током нагрузки — без перерыва питания даже на мгновение и без полного размыкания обмотки в любой момент.

Как РПН переключает отпайку без прерывания тока

Основная проблема переключения под нагрузкой заключается в том, что ток нагрузки ни в какой момент не может быть полностью прерван (это означало бы перерыв в питании), но при этом две отпайки во время перехода также никогда не могут быть напрямую, без какого-либо ограничения, замкнуты накоротко (это вызвало бы большой ток короткого замыкания между этими двумя отпайками). РПН решает эту проблему с помощью двух совместно работающих элементов:

• Избиратель (tap selector) заранее выбирает, без передачи тока нагрузки, какие две соседние отпайки будут задействованы на следующем шаге.
• Переключатель (diverter switch) выполняет собственно переход, передающий ток, между этими двумя заранее выбранными отпайками чрезвычайно быстро (обычно в течение нескольких десятков миллисекунд) через промежуточную схему с перекрытием, при которой обе отпайки кратко одновременно передают ток, с переходным сопротивлением (резистором или реактором) последовательно, ограничивающим ток короткого замыкания между двумя отпайками во время этого короткого перекрытия до безопасного значения.

Таким образом ток нагрузки в любой момент непрерывно протекает как минимум через одну отпайку, в то время как ток короткого замыкания между двумя задействованными отпайками остаётся ограниченным во время короткого перекрытия.

Почему параллельная работа двух трансформаторов делает РПН особенно критичным

Руководство о группах соединения трансформаторов и параллельной работе рассматривает, почему два параллельно включённых трансформатора нуждаются в одинаковой группе соединения и сопоставимом напряжении короткого замыкания, чтобы избежать нежелательного уравнительного тока. Тот же принцип применим к положениям РПН обоих трансформаторов: если оба трансформатора не находятся на одной и той же эффективной отпайке, возникает небольшая, постоянная разница напряжений между их вторичными выводами, которая через общие шины вызывает уравнительный ток, даже если внешняя нагрузка обоих трансформаторов в остальном сбалансирована. Поэтому при параллельно работающих трансформаторах с РПН обычно применяется автоматическая система параллельного регулирования, которая удерживает положения отпаек обоих (или всех) параллельных агрегатов согласованными, вместо того чтобы позволять каждому трансформатору регулироваться независимо на основе собственного, локально измеренного напряжения.

Примечание: количество ступеней, шаг напряжения на ступень и общий диапазон регулирования (обычно порядка нескольких десятков ступеней с шагом немного больше 1% каждая, при общем диапазоне регулирования обычно от ±10% до ±15%) значительно различаются в зависимости от типа трансформатора и применения; эта статья рассматривает принцип, а не готовую таблицу для каждого типа трансформатора.

Практическое значение

При осмотре или обслуживании трансформатора с РПН важно соблюдать предписания производителя относительно количества переключений между техобслуживаниями — переключатель является наиболее механически нагруженным элементом трансформатора и изнашивается при каждой смене отпайки, главным образом из-за дугообразования и деградации масла переключения в отдельном масляном отсеке переключателя (который по этой причине обычно содержится отдельно от основного масла трансформатора).

Частые ошибки

1. Попытка переключить переключатель без возбуждения (ПБВ) при трансформаторе, всё ещё находящемся под напряжением или нагрузкой — этот тип переключателя не предназначен для этого и может серьёзно повредиться при попытке переключения под нагрузкой.
2. Неудержание двух параллельно включённых трансформаторов с РПН на одной и той же эффективной ступени — это вызывает уравнительный ток между трансформаторами, даже без внешнего дисбаланса нагрузки.
3. Установка интервала обслуживания отсека переключателя на основе календарного времени вместо фактического количества переключений — механический и электрический износ РПН зависит прежде всего от количества смен отпаек, а не от прошедшего времени.
4. Путаница масла из отсека переключателя с основным маслом трансформатора при отборе пробы или анализе — оба масла выполняют разные функции и деградируют по-разному, поэтому должны отбираться и оцениваться отдельно.

Похожие материалы

• Реле Бухгольца — контроль масляного трансформатора
• Группы соединения трансформаторов и параллельная работа
• Индикатор температуры масла и обмотки (OTI/WTI)
• Провалы и перерывы напряжения (EN 50160)