Explicación de los cambiadores de derivaciones del transformador: regulación bajo carga (OLTC) frente a regulación sin carga y cómo especificar el rango de derivaciones adecuado

Explicación de los cambiadores de derivaciones del transformador: regulación bajo carga (OLTC) frente a regulación sin carga y cómo especificar el rango de derivaciones adecuado

El pasado mes de marzo, un gerente de mantenimiento de una planta procesadora de aves en el sur de Vietnam nos envió una foto de una placa de identificación con tabla de tomas. La unidad indicaba ±2 × 2,5 % . Su alimentador de entrada operaba al 96 % del valor nominal por la mañana y al 104 % hacia el mediodía, y ese año ya se habían reemplazado dos arrancadores de compresores en dos ocasiones. Su pregunta era razonable: ¿podría simplemente ajustarse la toma del transformador para solucionarlo? La respuesta sincera tardó unos cuatro minutos. Esa unidad contaba con un cambiador de tomas sin carga, con cinco posiciones que cubrían el 10 % del devanado; ajustarla implicaba una interrupción programada, un equipo especializado para manipular aceite y un nuevo estudio de carga, todo ello para lograr un margen de solo el 2,5 %, que el alimentador volvería a consumir en menos de una semana.

Esa conversación es la razón por la que seguimos escribiendo sobre este componente en particular. El cambiador de tomas del transformador es la parte menos llamativa de la unidad y, al mismo tiempo, la que con mayor frecuencia determina si un proyecto terminará con un problema de tensión, un problema de mantenimiento o ambos.

 

Qué hace realmente un cambiador de derivaciones de transformador

Acambiador de tomas del transformador no genera tensión. Cambia el número de espiras activas en un devanado, y la relación de espiras hace el resto. En la mayoría de los transformadores de distribución y de potencia, las derivaciones están ubicadas en el devanado de alta tensión, porque allí la corriente es menor y las conexiones de derivación son más fáciles de enrutar alrededor del núcleo.

Esta es la parte que la mayoría de los compradores pasan por alto: las derivaciones se cuentan en espiras, no en voltios. Al añadir espiras de alta tensión, la tensión por espira en el núcleo disminuye, por lo que la densidad de flujo y las pérdidas en vacío también bajan; pero el voltaje secundario disminuye junto con ellas. Al quitar espiras de alta tensión, se obtiene mayor voltaje secundario, mayor densidad de flujo, mayores pérdidas en vacío y un núcleo más caliente. Rango de tap es un compromiso, no una característica gratuita.

El tamaño del paso hace visible dicho compromiso. Una unidad de distribución suele suministrarse con ±2 × 2,5 % en un tipo fuera de circuito: cinco posiciones, 10 % en total. Las unidades de clase transmisión que operan con un selector de tapas en carga suelen estar en ±8 × 1,25 % o +/-10 % en 16 pasos , lo que brinda al controlador suficiente resolución para seguir la curva diaria de carga sin sobrepasarla.

 

OLTC frente a cambiador de derivaciones fuera de circuito: La elección que determina su factura de mantenimiento

Un cambiador de derivaciones sin carga —también denominado cambiador de derivaciones sin carga, o DETC— solo puede operarse con el transformador aislado. Nada interrumpe la corriente en su interior, por lo que no hay contactos arqueantes, ni accionamiento motorizado ni problemas de contaminación del aceite. En un transformador de distribución se opera dos o tres veces durante su vida útil: en la puesta en servicio, cuando la compañía eléctrica reconfigura la línea de alimentación y cuando se retira la unidad.

Un selector de tapas en carga (OLTC) hace lo contrario. Cambia las derivaciones mientras el equipo está bajo carga, lo que significa que un interruptor de derivación debe interrumpir la corriente y extinguir un arco cada vez que se mueve. Ese arco se produce en aceite y deja depósitos de carbono; además, el desgaste de los contactos, la degradación del aceite y el mantenimiento del accionamiento motorizado son consecuencias directas de esa única decisión de diseño.

	Cambiador de derivaciones sin carga (DETC)	Cambiador de derivaciones bajo carga (OLTC)
Operación	Solo sin carga	Bajo carga, mediante un interruptor de derivación
Rango Típico	±2 × 2,5 % (5 posiciones)	±8 × 1,25 % o ±10 % en 16 pasos
Interrupción del arco	Ninguno	Transición mediante resistencia o reactor, en aceite o vacío
Mantenimiento de rutina	Prácticamente ninguno	Inspección de contacto y aceite según el número de operaciones
Coste y huella espacial	Baja	Significativamente más alta
Aplicación adecuada	Tolerancia de tensión estacional o única	Variación diaria de tensión dependiente de la carga

Ambos tipos están cubiertos por el mismo par de normas: IEEE C57.131-2024 , Norma IEEE sobre requisitos de rendimiento y métodos de ensayo para cambiadores de tomas, y IEC 60214-1:2014 , que se aplica a los cambiadores de tomas bajo carga de tipo resistivo y reactivo, a los cambiadores de tomas sin carga y a sus mecanismos de accionamiento motorizado. Las orientaciones prácticas figuran en la norma IEC/IEEE 60214-2, y es recomendable leerla antes de redactar la tabla de tomas en una especificación.

La regla práctica que damos a los compradores: si la variación de tensión es estacional, está determinada por un plan anual de ajuste de tomas de la compañía eléctrica o se absorbe una sola vez en la fase de diseño, especifique un cambiador de derivaciones sin carga y destine el dinero a otros fines. Si la variación sigue su carga —por ejemplo, trituradoras, arranques de motores grandes, hornos de arco o parques de vehículos eléctricos (EV)—, necesita un selector de tapas en carga , y debe presupuestar su mantenimiento.

 

Cómo especificar el rango de tomas sin generar pérdidas ocultas

La tabla de tomas no es solo una declaración de tensión. Define la configuración del devanado, la curva de impedancia y el caso de elevación de temperatura; este último es precisamente donde las garantías fallan silenciosamente.

El aumento de temperatura debe demostrarse en la posición del toma que produzca las mayores pérdidas. En un transformador reductor, normalmente se trata de la posición extrema del toma con el menor número de espiras en el devanado de alta tensión —es decir, la posición en la que la densidad de flujo, las pérdidas en vacío y la temperatura del núcleo alcanzan su valor máximo. Si una especificación exige el aumento de temperatura en el toma nominal y la fábrica solo realiza ensayos en la posición nominal, el comprador recibe una garantía que no cubre el punto de operación que realmente utilizará la instalación.

La impedancia se comporta de la misma manera. Rango de tap modifica la geometría física del devanado de alta tensión, por lo que el porcentaje de impedancia varía entre las distintas posiciones del toma. Esta variación resulta relevante cuando los transformadores se conectan en paralelo: dos unidades con impedancias nominales idénticas pueden, no obstante, circular corriente entre sí en las posiciones extremas del toma.

Un detalle adicional de especificación merece conocerse; se trata de una definición de alcance, no de una laguna legal. El Departamento de Energía de los Estados Unidos (U.S. Department of Energy) para transformadores de distribución se aplican a unidades con una tensión de entrada de 34,5 kV o menos, una salida de 600 V o menos y una frecuencia nominal de 60 Hz; y la definición excluye expresamente un transformador con un rango de tap de un 20 % o más. Si una especificación cae dentro de ese rango por una razón legítima de aplicación, confirme con el fabricante qué régimen de cumplimiento es aplicable, en lugar de asumirlo.

 

 

Resistor, Reactor y Vacío: De dónde proviene realmente el desgaste

El cambiador de tomas del transformador el hardware comercializado actualmente está disponible en tres variantes prácticas, y se desgastan de forma distinta.

Una unidad del tipo reactor emplea un reactor de transición para limitar la corriente durante el cambio de toma. Es mecánicamente sencilla y más económica, pero el reactor conduce corriente de forma continua, lo que incrementa las pérdidas y el calor, y el interruptor de derivación realiza toda su arqueo en el aceite principal.

Una unidad del tipo resistor inserta un resistor de transición durante los pocos cientos de milisegundos de la fase de puenteo. La energía de arco es menor, el cambio de toma es más rápido y este diseño predomina en la práctica moderna de transformadores de potencia.

Un tipo al vacío desplaza el arco hacia botellas selladas al vacío. El aceite del compartimento de derivación acumula mucho menos carbón, por lo que la calidad del aceite y los intervalos para el análisis de gases disueltos se alargan; sin embargo, el enlace mecánico, el accionamiento motorizado y los contactos siguen desgastándose, y el contador de operaciones sigue determinando el plan de mantenimiento.

Para la supervisión del estado, este componente presenta su propia firma característica. La acetileno (C2H2) es el gas que genera el arco, y aparece en el aceite del interruptor de derivación mucho antes de que el aceite del tanque principal muestre anomalías. Esa es una razón por la que nuestro trabajo de supervisión del estado toma muestras del compartimento del cambiador de tomas por separado del tanque principal en cada unidad que enviamos.

 

Conexión en paralelo, control y errores comunes durante la puesta en servicio

El funcionamiento en paralelo es donde los cambiadores de derivación causan problemas silenciosamente. Dos unidades en paralelo deben estar en la misma posición de derivación; de lo contrario, la diferencia de tensión entre ellas genera una corriente circulante a través de ambos devanados. Los métodos habituales de control son el maestro-esclavo, en el que una unidad lidera y las demás la siguen, y el método de reactancia negativa, en el que cada regulador responde de forma independiente a la corriente circulante. Ambos funcionan, y ambos requieren puesta en servicio, no simplemente documentación.

La lista de verificación que entregamos a los equipos en sitio incluye cinco ítems: una comprobación secuencial de todas las posiciones de derivación, la verificación de que el indicador de posición coincida con la derivación real, el funcionamiento de los finales de carrera en ambos extremos, el sentido de giro del accionamiento del motor y los ajustes del relé automático de tensión.

El ajuste que con mayor frecuencia se realiza de forma incorrecta es la banda muerta. Si se establece demasiado estrecha, el cambiador de derivaciones entra en un ciclo de oscilación — arriba, abajo, arriba, abajo — y cada uno de esos movimientos reduce la vida útil de los contactos. Una banda muerta de aproximadamente ±1 a 1,5 %, junto con un retardo temporal de varias decenas de segundos, constituye un punto de partida habitual para aplicaciones en redes de distribución.

 

 

Lo que fabricamos y ensayamos en Ryan Electric

Ryan Electric fabrica transformadores desde 2007 en una planta de 120 000 m² equipada con más de 180 conjuntos de equipos de producción y ensayo, y cuenta con 37 patentes. Desde 2023, somos socio conjunto de Eaton. Las líneas de transformadores sumergidos en aceite y las montadas sobre pedestal se entregan con configuraciones DETC u OLTC, según su aplicación; por su parte, las unidades secas de resina moldeada normalmente se suministran sin cambiador de derivaciones: el devanado es fijo y la regulación de tensión se lleva a cabo aguas arriba.

Cada unidad con cambiador de derivaciones somete a ensayos rutinarios que rara vez aparecen en una cotización: medición de la relación de transformación en cada posición de derivación, verificación de la secuencia de derivaciones, funcionamiento del accionamiento motorizado con comprobación del indicador frente a la derivación real y demostración del aumento de temperatura en la derivación reglamentaria, no en la nominal. Para proyectos canadienses y estadounidenses, las mismas unidades cuentan con certificación UL y CSA, verificada por un tercero, no por nuestro propio departamento de calidad.

 

Ajustar correctamente la tabla de derivaciones antes del pedido

Si hay un solo documento que solicitar con la solicitud de cotización (RFQ) de un transformador, es la tabla de derivaciones: todas las posiciones, el voltaje en cada posición y la derivación en la que se garantizan el aumento de temperatura y la impedancia. Solicítela junto con la guía de lectura de la placa de características que utilizará el equipo de obra durante la inspección de recepción y para obtener un plazo de entrega realista para una unidad equipada con un cambiador de derivaciones bajo carga (OLTC) , ya que los accionamientos motorizados y los interruptores de conmutación son los componentes más afectados por la situación actual de la cadena de suministro.

Envíenos el perfil de tensión del alimentador, el tipo de carga y el plan de tomas de la compañía eléctrica, y nuestros ingenieros le responderán con una cambiador de tomas del transformador recomendación — DETC, OLTC o un devanado fijo — junto con la tabla de tomas, las pérdidas en cada extremo y las expectativas de mantenimiento adjuntas. Es una conversación breve y cuesta menos que un arrancador de compresor.

Acerca del autor: Este artículo fue redactado por el equipo de ingeniería de Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), fabricante de transformadores fundada en 2007 y socio conjunto de Eaton desde 2023. Nuestros ingenieros brindan soporte a proyectos conformes con las normas UL, CSA e IEEE en América del Norte, Asia Sudoriental, Medio Oriente y África, y nuestro laboratorio de ensayos opera bajo la acreditación CNAS. Para la selección de cambiadores de tomas, la revisión de tablas de tomas o una cotización, póngase en contacto con nuestro departamento de ingeniería.