Un cambiador de tomas de transformador es un mecanismo que ajusta el número de vueltas activas del bobinado en un transformador para que su tensión de salida pueda corregirse sin reemplazar la unidad. Debido a que la tensión de suministro y la corriente de carga varían con el tiempo, un transformador construido para una relación exacta se saldría constantemente de especificación. Las tomas le dan la flexibilidad para mantenerse en objetivo.
La relación de tensión de un transformador está fijada por su relación de vueltas, pero las condiciones a su alrededor no lo están. La tensión de la red en el primario puede estar algunos porcentajes por encima o por debajo del valor nominal según la hora del día, la carga del alimentador y la distancia a la subestación. En el lado secundario, la tensión se hunde bajo carga pesada debido a la impedancia del bobinado y vuelve a subir cuando la carga disminuye. Si un transformador tuviera solo una relación, la tensión secundaria vagaría fuera del rango que esperan los equipos conectados, los variadores y los sistemas de control.
Las tomas solucionan esto permitiendo a un técnico o a un sistema de control añadir o quitar vueltas de un bobinado, normalmente el bobinado de alta tensión porque para una determinada potencia lleva menos corriente, lo que hace que el selector de tomas y los contactos de conmutación sean más pequeños, más económicos y sufran menos desgaste por arco. Quitar vueltas del primario eleva la tensión secundaria para una entrada dada; añadir vueltas la disminuye. La mayoría de los transformadores de distribución se entregan con cinco posiciones de toma en pasos del 2,5 por ciento, dos por encima del nominal y dos por debajo (comúnmente llamadas tomas de plena capacidad), de modo que la unidad pueda ajustarse a la tensión real de la red en el sitio en lugar de a un valor idealizado de placa.
Un cambiador de tomas fuera de circuito, también llamado cambiador de tomas sin carga o cambiador desenergizado (DETC en la terminología IEEE), solo puede reposicionarse mientras el transformador está totalmente desenergizado y aislado. Es un selector mecánico simple, a menudo un interruptor giratorio operado por una manija externa o un enlace extraíble dentro del tanque, sin capacidad de interrumpir la corriente de carga de forma segura.
Esta es la configuración estándar en la mayoría de los transformadores de distribución y en gran parte de los transformadores de potencia industriales pequeños y medianos, porque la relación solo necesita ajustarse una vez o con poca frecuencia, habitualmente en la puesta en servicio o después de un desplazamiento documentado y sostenido de la tensión de suministro. Intentar mover un cambiador de tomas fuera de circuito bajo carga producirá un arco a través de los contactos del selector y puede destruir el mecanismo, por lo que el bloqueo y la verificación de desenergización son obligatorios antes de que nadie lo toque.
Un cambiador de tomas en carga, también llamado load tap changer (LTC), cambia la relación del bobinado mientras el transformador permanece energizado y soportando carga. Esto es importante en cualquier lugar donde una interrupción para recolocar las tomas sea inaceptable: transformadores de subestación, unidades elevadoras de generadores y grandes transformadores industriales que alimentan procesos continuos.
Un OLTC no puede simplemente romper el contacto con una toma y hacer contacto con la siguiente. Eso abriría el circuito de la corriente del bobinado o, si el nuevo contacto se hace antes de que se rompa el antiguo, cortocircuitaría momentáneamente las vueltas entre las dos tomas. Se construye a partir de dos partes que cooperan:
El conmutador desviador opera en aceite o, en diseños más modernos, en un interruptor en vacío o en ambiente de SF6 para contener la energía de arco, y en unidades llenas de aceite el compartimento del desviador típicamente está aislado del aceite del tanque principal para que la contaminación del conmutado no se propague. Los pasos de un OLTC también son generalmente más finos que las tomas fuera de circuito, comúnmente en el rango de aproximadamente 0,6 a 1,25 por ciento por paso (un diseño ampliamente usado al estilo ANSI usa pasos de 0,625 por ciento en 33 posiciones para cubrir alrededor de ±10 por ciento), ofreciendo una regulación más suave y un rango más amplio a través de muchas más posiciones que las que ofrece un cambiador fuera de circuito.
| Aspecto | Fuera de circuito (DETC/NLTC) | En carga (OLTC/LTC) |
|---|---|---|
| Operar mientras está energizado | No, el transformador debe estar desenergizado | Sí, cambia tomas bajo carga |
| Mecanismo | Selector giratorio o por enlace simple | Selector de tomas más conmutador desviador con impedancia de transición |
| Tamaño típico del paso | Más grueso, comúnmente 2,5 por ciento | Más fino, comúnmente alrededor de 0,6 a 1,25 por ciento |
| Uso típico | Transformadores de distribución, muchas unidades industriales | Transformadores de potencia de subestación, elevadores de generador, alimentadores que necesitan regulación continua |
| Frecuencia de ajuste | Rara, usualmente en la puesta en servicio | Frecuente, puede ser muchas veces al día bajo control automático |
| Normas aplicables | IEEE C57.131, IEC 60214-1 | IEEE C57.131, IEC 60214-1, IEC 60214-2 |
IEEE C57.131 e IEC 60214-1 cubren tanto los cambiadores de tomas desenergizados como los en carga dentro de la misma norma, mientras que IEC 60214-2 proporciona orientación de aplicación para seleccionar uno u otro tipo frente a los requisitos de 60214-1 o C57.131.
En transformadores de subestación y de alimentador, el OLTC suele ser accionado por un relé regulador de tensión automático en lugar de por una persona. El relé compara la tensión secundaria medida con una consigna objetivo y solo ordena un cambio de toma una vez que la tensión se sale de una banda definida por más tiempo del retardo establecido. Esto evita la oscilación continua («hunting»), donde el mecanismo persigue cada pequeña fluctuación y se desgasta prematuramente.
Muchos esquemas reguladores también usan compensación de caída de línea, que estima la caída de tensión a lo largo del alimentador hasta el centro de carga y ajusta la consigna para que los clientes en el extremo alejado vean una tensión aceptable aunque el relé esté midiendo en los bornes del transformador.
Los mecanismos OLTC accionados por motor acumulan un desgaste significativo tras miles de operaciones. Los contactos del conmutador desviador y las resistencias de transición son piezas consumibles, y el aceite del OLTC en diseños de tipo resistivo típicamente necesita muestreo periódico y análisis de gases disueltos (DGA), ya que los subproductos del arco se acumulan en ese compartimento más rápido que en el tanque principal.
Contactos sueltos o degradados del cambiador de tomas generan calentamiento localizado mucho antes de provocar una falla franca, la misma firma de fallo que aparece en conexiones sobrecargadas y alimentadores desbalanceados tratados en problemas de calidad de energía en la planta. Rastrear esa tendencia térmica frente a la carga y la posición de toma también es una extensión natural de los programas de inspección rutinaria por termografía vs análisis de vibraciones, y cualquier degradación resultante del aislamiento es el mismo modo de fallo que pretende detectar tempranamente el ensayo de resistencia de aislamiento.
Fabrico lee la condición de la máquina y el OEE directamente desde la línea, incluyendo el tipo de anomalías térmicas y eléctricas que preceden a un fallo del cambiador de tomas o del transformador, y enruta automáticamente una orden de trabajo en el momento en que la visión por computador detecta lo que solo los sensores tienden a pasar por alto. Está fabricado en la UE con residencia de datos en la UE y posee certificaciones ISO 27001, ISO 20000-1 e ISO 9001. Reserve una demostración de Fabrico.
No. No tiene mecanismo para interrumpir la corriente de carga de forma segura; moverlo bajo carga puede producir arcos y dañar el selector. El transformador debe desenergizarse y aislarse antes.
Conmutar la corriente de carga directamente entre dos tomas adyacentes abriría momentáneamente el circuito o cortocircuitaría las vueltas entre ellas. El conmutador desviador, trabajando con resistencias de transición o un reactor, puentea las dos tomas brevemente para que la transferencia de corriente se realice de forma limpia sin ninguno de esos problemas.
Típicamente el bobinado de alta tensión, porque para una potencia dada lleva menor corriente, lo que hace que el selector de tomas y los contactos sean más pequeños y menos costosos de construir.
Varía según la aplicación y según cuánto fluctúen la tensión de la fuente y la de la carga. Un OLTC de subestación bajo control automático puede accionar múltiples veces al día, por lo que el conteo de operaciones y el desgaste de contactos se registran frente al programa de mantenimiento del fabricante.
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