Cambiador de tomas bajo carga (OLTC) y regulador 90

Respuesta corta

El cambiador de tomas bajo carga (OLTC) cambia la relación de un transformador energizado y con carga, sin interrumpir la corriente. Un selector preselecciona la toma sin corriente y un ruptor transfiere la carga en decenas de milisegundos a través de resistencias de transición. Lo comanda el regulador automático de tensión (ANSI 90) y se mantiene según su número de operaciones.

Qué es y dónde se ubica

El cambiador de tomas bajo carga (OLTC, por on-load tap-changer) es el equipo que conecta el devanado de regulación de un transformador de potencia a una u otra derivación mientras el transformador está energizado y con carga. Así se ajusta la tensión de salida sin cortar el suministro. Lo rige IEC 60214-1, que cubre cambiadores tipo resistencia y tipo reactancia, cambiadores desenergizados y sus mandos a motor.

Va dentro del tanque del transformador (diseño en tanque, el más común en los de tipo resistencia) o en un compartimiento soldado al tanque. En transformadores con devanados en estrella se conecta normalmente en el extremo de neutro del devanado de alta tensión, lo que simplifica su aislamiento. Afuera quedan el mando a motor y, en el tablero de control, el regulador automático de tensión.

Partes principales

Según las definiciones de IEC 60214-1:

Selector de tomas: conduce la corriente pero no la establece ni la interrumpe; preselecciona la siguiente derivación.
Ruptor (diverter switch): establece, conduce e interrumpe la corriente en circuitos ya preseleccionados. Puede extinguir el arco en aceite o dentro de interruptores de vacío.
Selector-ruptor (selector switch): combina las dos funciones en un solo dispositivo; se usa en potencias menores.
Impedancias de transición: resistencias o reactancias que unen dos tomas durante la transferencia.
Preselector o selector de cambio: de inversión o de gruesas, para duplicar el rango con el mismo número de derivaciones.
Acumulador de energía de resortes y mando a motor con contador de operaciones, indicación de posición, finales de carrera y señal de cambio en curso.
Relé de protección del cambiador (relé de flujo) entre su compartimiento y su conservador.

Cómo funciona

No se puede pasar de una toma a otra con un solo contacto, porque se cortaría la carga; tampoco cerrar dos tomas a la vez sin limitar la corriente, porque se cortocircuitaría el escalón. Por eso todos los OLTC aplican el principio de cerrar antes de abrir a través de una impedancia de transición, que limita la corriente circulante mientras dos tomas quedan puenteadas.

En el diseño de selector y ruptor la operación tiene dos tiempos. El mando a motor mueve el selector, que preselecciona la toma siguiente sin corriente, y al mismo tiempo tensa el resorte del ruptor. Al liberarse, el resorte acciona el ruptor de forma independiente del motor. Según la documentación del fabricante Reinhausen, la conmutación del ruptor dura entre 40 y 60 ms, las resistencias de transición conducen solo entre 20 y 30 ms, y la operación completa del cambiador toma entre 3 y 10 s según el diseño. La tensión de escalón suele estar entre 0,8 % y 2,5 % de la tensión nominal.

En un cambiador de vacío con resistencias, una secuencia típica de subida es:

01Toma actualEl contacto principal de vacío y el de transición están cerrados.
02Apertura del lado de transiciónSe abre el contacto de transición del selector y luego su interruptor de vacío.
03Puente por la resistenciaEl contacto de transición llega a la toma siguiente y su interruptor de vacío cierra: circula una corriente circulante, impulsada por la tensión de escalón y limitada por la resistencia.
04Transferencia de la cargaAbre el interruptor de vacío principal: la carga pasa a la toma nueva a través de la resistencia.
05Toma nuevaEl contacto principal del selector se desplaza sin carga y su interruptor de vacío cierra, puenteando la resistencia.

En el tipo reactancia, la reactancia de transición puede quedar conectada en posición de puente como posición de servicio, por eso se diseña para carga continua.

Variantes y diferencias con otros niveles

Aceite frente a vacío: en el de aceite el arco carboniza el aceite y desgasta los contactos, lo que exige mantenimientos más frecuentes y, a veces, filtrado continuo. En el de vacío el arco ocurre dentro de la ampolla y el aceite no se carboniza.
Resistencia frente a reactancia: los de resistencia, de conmutación rápida, se instalan en su mayoría dentro del tanque; los de reactancia van en un compartimiento separado, y la reactancia la diseña el fabricante del transformador.
En el autotransformador el esquema de regulación lo elige el fabricante según el rango y las condiciones del sistema; vea el autotransformador de potencia.
En distribución el transformador suele tener solo un cambiador para operar desenergizado; vea el transformador de distribución.

Valores nominales y placa

La placa del cambiador indica el tipo, la corriente pasante nominal, la tensión de escalón, el número de posiciones de servicio, el nivel de aislamiento y el número de serie. En el mando a motor se leen la posición, el contador de operaciones y el sentido de giro. Estos datos se cruzan con la placa del transformador para comprobar la relación en cada posición.

El regulador automático de tensión (ANSI 90)

El cambiador no decide solo: lo manda el regulador automático de tensión, la función 90 de IEEE C37.2. En subestación no es el AVR de un generador, que actúa sobre la excitación; aquí es el controlador que ordena subir o bajar una toma. Así decide:

Consigna y banda. Compara la tensión medida por el transformador de tensión (PT) con la consigna. Mientras la desviación esté dentro de la banda, no hace nada. La banda debe ser mayor que la tensión de escalón: si es demasiado estrecha, después de cada cambio la tensión queda fuera por el otro lado y el regulador ordena de inmediato el cambio contrario. Si es demasiado ancha, la tensión se aleja mucho de la consigna. Cada fabricante define la banda a su manera (total o ± alrededor de la consigna).
Temporización. Cuando la tensión sale de la banda, espera un tiempo antes de ordenar, para no reaccionar a variaciones breves. Con temporización lineal el retardo es fijo; con temporización inversa (o integral) el retardo se acorta cuanto mayor es la desviación, de modo que reacciona rápido a cambios grandes a costa de más operaciones. El retardo debe ser mayor que el tiempo de una maniobra del cambiador, para no ordenar un paso nuevo antes de que termine el anterior.
Bloqueos. Bloquea las órdenes por subtensión (por ejemplo, cuando se pierde la medida o la red está en falla) y por sobrecorriente, para no maniobrar el ruptor con corrientes altas. Ante sobretensión, muchos reguladores tienen un modo de bajada rápida sin el retardo normal.
Compensación de caída de línea (LDC). Con la corriente de un transformador de corriente (CT) y los parámetros R y X ajustados, el regulador estima la caída de tensión hasta un punto de carga remoto y sube la consigna efectiva cuando aumenta la carga.
Paralelo. Dos transformadores en paralelo con tomas distintas hacen circular corriente reactiva entre ellos. Se coordina por maestro-seguidor (sincronización de tomas: el maestro regula y los seguidores copian su posición, lo que exige transformadores iguales y señal de posición) o por minimización de la corriente circulante, que calcula esa corriente a partir de las corrientes y ángulos de cada transformador y no requiere tomas idénticas.

Cómo decide el regulador 90 una orden de cambio

¿La tensión medida está fuera de la banda alrededor de la consigna?
- NoNo ordena cambios
- Sí¿Hay un bloqueo activo por subtensión o sobrecorriente?
  - SíBloquea la orden: no maniobra el ruptor
  - No¿Sigue fuera de la banda al cumplirse la temporización?
    - SíOrdena subir o bajar una toma
    - NoVariación breve: no ordena

Probar el regulador consiste en confirmar, con inyección secundaria y el mando del motor aislado, que arranque, banda, tiempos, bloqueos, LDC y lógica de paralelo responden como se ajustaron. Las causas de operaciones excesivas o de un cambiador que no responde suelen estar aquí, no en el cambiador.

Integración con protección y control

En IEC 61850 el cambiador es el nodo lógico YLTC, el control automático es ATCC y la supervisión es SLTC. La posición de toma, el estado local/remoto, la señal de cambio en curso y las alarmas del mando llegan al tablero de control del transformador y desde allí al SCADA.

El relé de flujo del cambiador dispara el transformador y es parte de las protecciones mecánicas del transformador.

Pruebas de puesta en servicio y mantenimiento

Dentro de las pruebas a transformadores de potencia:

Relación y resistencia de devanados en todas las posiciones, de subida y de bajada.
Resistencia dinámica, que muestra la secuencia del ruptor y el estado de las resistencias de transición.
Mando a motor: sentido, finales de carrera eléctricos y mecánicos, bloqueos, contador y paso a paso.
Indicación de posición local, en el regulador y en el SCADA.
Aceite del compartimiento del ruptor, con criterios propios distintos de los del tanque principal.
Medición vibroacústica, cuando el fabricante la recomienda, como huella de referencia.

El mantenimiento del ruptor se programa por número de operaciones o por tiempo, lo que ocurra primero, según el fabricante. Para cambiadores de vacío con resistencias, un fabricante indica normalmente 300 000 operaciones, lo que en un transformador de red puede equivaler a toda su vida sin mantenimiento del ruptor; en los de aceite los intervalos son más cortos.

Fallas comunes y qué revisar primero

Cambiador que no responde: protección del motor disparada, mando en local o bloqueo del regulador por subtensión o sobrecorriente.
Posición distinta entre fases o entre transformadores en paralelo: revise el sistema de posición y el esquema maestro-seguidor.
Operaciones excesivas: banda muy estrecha o temporización corta en el regulador.
Resistencia dinámica anormal: contactos gastados o resistencias de transición dañadas.
Disparo del relé de flujo: inspección interna antes de reenergizar.

Configuración y pruebas con Tiza Group

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Guías relacionadas

Referencias

IEC 60214-1, Cambiadores de tomas: requisitos y métodos de ensayo.
IEC 60214-2, Cambiadores de tomas: guía de aplicación.
IEEE C37.2, Números de función de dispositivos (90, dispositivo regulador).
IEC 60076-1, Transformadores de potencia: generalidades.
IEC 61850-7-4, Clases de nodos lógicos compatibles.
IEEE C57.131, Requisitos para cambiadores de tomas.
IEEE C57.152, Guía de pruebas de campo de transformadores.

Preguntas frecuentes

¿Por qué disparó el relé de flujo del cambiador de tomas?

El relé de protección del cambiador detecta un flujo brusco de aceite desde el compartimiento del ruptor hacia su conservador, típico de un arco anormal dentro del compartimiento. No se reenergiza hasta inspeccionar el ruptor según el fabricante.

¿Qué es la prueba de resistencia dinámica del OLTC?

Se inyecta una corriente continua por el devanado y se registra la corriente mientras el cambiador opera. La forma de la curva muestra la secuencia de contactos y el paso por las resistencias de transición, y permite detectar interrupciones, tiempos anormales o resistencias dañadas.

¿Por qué el cambiador de tomas cambia de toma sin parar (hunting)?

Casi siempre por el ajuste del regulador 90: una banda más estrecha que la tensión de escalón hace que, después de cada cambio, la tensión salga por el otro lado de la banda y el regulador ordene el cambio contrario. Una temporización muy corta o transformadores en paralelo mal coordinados agravan el problema.