Перемикач відгалужень під навантаженням (РПН/OLTC) — як регулювальний трансформатор підлаштовує вихідну напругу без переривання живлення

Посібник про реле Бухгольца розглядає спосіб контролю масляного трансформатора на внутрішні пошкодження. Ця стаття розглядає зовсім іншу функцію, яку також мають багато силових трансформаторів: активне підлаштування вихідної напруги в певному діапазоні за допомогою перемикача відгалужень під навантаженням (англ. on-load tap changer, OLTC, в україномовній практиці — РПН).

Чому трансформатору потрібне регульоване відгалуження

Напруга на первинному боці трансформатора (наприклад, мережі середньої напруги) змінюється протягом дня разом з навантаженням мережі, а навантаження на вторинному боці також змінюється. Трансформатор із фіксованим коефіцієнтом трансформації видавав би тому вторинну напругу, що слідує за цими коливаннями, тоді як підключена установка якраз зацікавлена в напрузі, яка залишається у вузькому діапазоні. Додавши додаткові відгалуження на обмотці високої напруги — кожне з трохи іншим коефіцієнтом трансформації — та перемикач, здатний перемикатися між цими відгалуженнями, можна ступінчасто підлаштовувати ефективний коефіцієнт трансформації трансформатора, щоб утримувати вторинну напругу в бажаному діапазоні.

Різниця між перемикачем без збудження та перемикачем під навантаженням

Простий перемикач відгалужень без збудження (ПБЗ, англ. DETC або NLTC) можна перемикати лише при відключеному від мережі трансформаторі — підходить для рідкісного, повільного підлаштування (наприклад, після постійної зміни конфігурації мережі), але не підходить для регулярного підлаштування під час роботи. РПН, навпаки, спеціально спроектований для зміни відгалуження під час повної роботи, під повним струмом навантаження — без переривання живлення навіть на мить і без повного розмикання обмотки в будь-який момент.

Як РПН перемикає відгалуження без переривання струму

Основна проблема перемикання під навантаженням полягає в тому, що струм навантаження в жоден момент не може бути повністю перерваний (це означало б переривання живлення), але при цьому два відгалуження під час переходу також ніколи не можуть бути безпосередньо, без будь-якого обмеження, замкнені накоротко (це викликало б великий струм короткого замикання між цими двома відгалуженнями). РПН вирішує цю проблему за допомогою двох елементів, що працюють спільно:

• Вибирач (tap selector) заздалегідь обирає, без передачі струму навантаження, які два сусідні відгалуження будуть задіяні на наступному кроці.
• Перемикач (diverter switch) виконує власне перехід, що передає струм, між цими двома заздалегідь обраними відгалуженнями надзвичайно швидко (зазвичай протягом кількох десятків мілісекунд) через проміжну схему з перекриттям, при якій обидва відгалуження коротко одночасно передають струм, з перехідним опором (резистором або реактором) послідовно, що обмежує струм короткого замикання між двома відгалуженнями під час цього короткого перекриття до безпечного значення.

Таким чином струм навантаження в будь-який момент безперервно протікає принаймні через одне відгалуження, тоді як струм короткого замикання між двома задіяними відгалуженнями залишається обмеженим під час короткого перекриття.

Чому паралельна робота двох трансформаторів робить РПН особливо критичним

Посібник про групи з'єднання трансформаторів та паралельну роботу розглядає, чому два паралельно увімкнені трансформатори потребують однакової групи з'єднання та порівнянного напруги короткого замикання, щоб уникнути небажаного зрівняльного струму. Той самий принцип застосовний до положень РПН обох трансформаторів: якщо обидва трансформатори не перебувають на тому самому ефективному відгалуженні, виникає невелика, постійна різниця напруг між їхніми вторинними виводами, яка через спільні шини викликає зрівняльний струм, навіть якщо зовнішнє навантаження обох трансформаторів в іншому збалансоване. Тому при паралельно працюючих трансформаторах з РПН зазвичай застосовується автоматична система паралельного регулювання, яка утримує положення відгалужень обох (або всіх) паралельних агрегатів узгодженими, замість того щоб дозволяти кожному трансформатору регулюватися незалежно на основі власної, локально виміряної напруги.

Примітка: кількість ступенів, крок напруги на ступінь та загальний діапазон регулювання (зазвичай порядку кількох десятків ступенів з кроком трохи більше 1% кожен, при загальному діапазоні регулювання зазвичай від ±10% до ±15%) значно різняться залежно від типу трансформатора та застосування; ця стаття розглядає принцип, а не готову таблицю для кожного типу трансформатора.

Практичне значення

При огляді або обслуговуванні трансформатора з РПН важливо дотримуватися приписів виробника щодо кількості перемикань між технічними обслуговуваннями — перемикач є найбільш механічно навантаженим елементом трансформатора і зношується при кожній зміні відгалуження, головним чином через дугоутворення та деградацію масла перемикання в окремому масляному відсіку перемикача (який з цієї причини зазвичай утримується окремо від основного масла трансформатора).

Часті помилки

1. Спроба перемкнути перемикач без збудження (ПБЗ) при трансформаторі, що все ще перебуває під напругою або навантаженням — цей тип перемикача не призначений для цього і може серйозно пошкодитися при спробі перемикання під навантаженням.
2. Неутримання двох паралельно увімкнених трансформаторів з РПН на тому самому ефективному ступені — це викликає зрівняльний струм між трансформаторами, навіть без зовнішнього дисбалансу навантаження.
3. Встановлення інтервалу обслуговування відсіку перемикача на основі календарного часу замість фактичної кількості перемикань — механічне та електричне зношення РПН залежить передусім від кількості змін відгалужень, а не від часу, що минув.
4. Плутанина масла з відсіку перемикача з основним маслом трансформатора при відборі проби або аналізі — обидва масла виконують різні функції та деградують по-різному, тому мають відбиратися й оцінюватися окремо.

Пов'язані матеріали

• Реле Бухгольца — контроль масляного трансформатора
• Групи з'єднання трансформаторів та паралельна робота
• Індикатор температури масла та обмотки (OTI/WTI)
• Провали та переривання напруги (EN 50160)