Digitalización de cambiadores de tomas: Modernización eficiente de transformadores de energía

Las energías renovables y las fuentes de energía distribuida son reflejo de la era de transición energética. Las redes inteligentes con distribución óptima de la carga están ahora más cerca que nunca de ser una realidad, aunque debemos preguntarnos, ¿qué pasará con las subestaciones existentes en las redes de distribución? ¿Serán capaces de gestionar los requisitos ahora que las preocupaciones por la calidad de la energía son cada vez mayores? ¿Qué pasará con los sistemas anteriores que todavía funcionan de forma manual o semi manual? ¿Qué debe hacerse con las redes de distribución que tienen transformadores eléctricos que están basados en diferentes tecnologías?

Foto: Flujo de corriente

Cambiadores de tomas para transformadores eléctricos
En este artículo se tienen en cuenta dos tipos diferentes de cambiadores de tomas. Se distingue entre el tipo que conmuta sin carga (cambiador de toma sin carga, NLTC) y el tipo que conmuta sin interrumpir la carga, de forma que cambia entre diferentes índices de transformación estando bajo carga (cambiador de toma en carga, OLTC). En general, las tomas del transformador se dirigen al cambiador de toma según las corrientes de funcionamiento que se gestionen. La conexión mecánica de las tomas al cambiador de tomas se realiza en este ejemplo mediante un accionamiento rotativo que se activa bien manual o semi manualmente, o mediante señales eléctricas. Se utilizan cambiadores de tomas monofásicos o trifásicos, seleccionados e instalados generalmente según la capacidad de carga o la configuración de conmutación (estrella o delta).

Foto 1: Diagrama simplificado de un cambiador de tomas

Concepto técnico:
En una tarea de medición se utiliza un dispositivo preciso de medición con una clase de precisión 0.2 para medir la carga secundaria trifásica del transformador de una estación de voltaje medio. Los valores de medición se pasan mediante un convertidor al dispositivo de medición y se procesan algorítmicamente. A continuación se muestran y se pasan, si se desea, a un sistema de control (SCADA).

Paralelamente a la tarea de medición se captura directamente la posición del cambiador de tomas con el PLC integrado mediante el protocolo IEC61131. Los comandos emitidos por el sistema de control de nivel superior activan las salidas del PLC integrado y controlan el aumento o la reducción del voltaje secundario del transformador. El motor del cambiador de tomas empieza a girar haciendo que el nivel de voltaje cambie y, este, a su vez, sea controlado mediante la detección de la posición y la detección directa de la carga.
El concepto 2 en 1 que combina un dispositivo de medición de alta precisión con un PLC integrado permite reducir los gastos generales y los costes y facilita la implementación óptima de la tarea de automatización de energía.

Requisitos
En las subestaciones ya existentes la instalación puede ser una interconexión de muchas tecnologías diferentes, proveedores y modelos de equipos de hace años. Ahora las redes se han ampliado con los años y no han sido modernizadas en todos los casos al ampliarlas. Con frecuencia, esto ha sido así debido a los costes y a la falta de recursos. En consecuencia, el requisito inicial puede ser automatizar adecuadamente el cambiador de tomas según el control de voltaje automatizado de nivel superior de la red de alto voltaje. Los requisitos pueden ser los mismos que en el siguiente ejemplo:

Transferencia de datos precisos casi en tiempo real informando de la posición del cambiador de tomas al sistema SCADA
Control automático del cambiador de tomas existente mediante control remoto
Control manual del cambiador de tomas existente mediante control remoto
Además del acceso remoto automático debe haber la posibilidad de un acceso manual y local en caso de trabajos de mantenimiento y reparación presenciales

Descripción del problema
Un cambiador de tomas está sujeto a desgaste debido a los frecuentes cambios de carga y al relativamente alto estrés mecánico y eléctrico al que están sometidos sus componentes. Esto hace que sea susceptible de averías y de tener un mantenimiento intensivo. Además, en sistemas heredados el cambiador de tomas no está generalmente automatizado por completo mediante la integración en el sistema o, dicho de otra manera, no está directamente en red mediante un SCADA. Los picos de carga pueden hacer que el cambiador de tomas cambie niveles rápidamente incluso cuando no es necesario, lo que, a su vez, produce un desgaste mayor y tiene un efecto negativo en la probabilidad de sufrir averías tanto desde el punto de vista técnico como de costes. Por este motivo el control eficiente del cambiador de tomas es fundamental para garantizar una larga vida útil del dispositivo.

Otro aspecto posible del problema de falta de una automatización en red puede presentarse cuando el equipamiento de las diferentes subestaciones procede de diferentes fabricantes. Debido a los distintos diseños del equipamiento tienen que utilizarse diferentes tecnologías de sensores para devolver la posición exacta del cambiador de tomas al SCADA. Esto puede significar que la solución de automatización en cada subestación de la misma red no se base en los mismos componentes. Además, en muchos casos los conocimientos técnicos sobre automatización de energía disponibles in situ no son siempre suficientes para poder implementar este tipo de proyecto sin apoyo.

Un último aspecto de la descripción del problema se sustenta en el hecho de que las subestaciones no están conectadas generalmente a la red digital de comunicaciones, motivo por el cual se recomienda dividir la conexión en red y, en consecuencia, la digitalización de los datos en pasos de implementación. Los tres pasos siguientes pueden servir como propuesta:

(1) Automatización local: Almacenamiento de los datos en la subestación mediante un data logger. La recogida de los datos se puede hacer localmente o bajo demanda.
(2) Seguimiento remoto: Transferencia de los datos seleccionados, limitada a un juego concreto de datos, mediante la red eléctrica, EDGE, GPRS, etc.
(3) Control remoto: Seguimiento remoto y control del seguimiento basado en comunicación de banda ancha vía LTE, fibra óptica, etc.

La tecnología disponible para la modernización
Para realizar la automatización y la digitalización de un cambiador de tomas teniendo en cuenta todos los aspectos de los requisitos mencionados anteriormente y de la descripción del problema, se conecta un dispositivo de medición de exactitud máxima con clase de precisión 0.2 con un softPLC. Esta conexión o integración, en este caso, se realiza mediante un dispositivo 2 en 1 CENTRAX CU3000 o CENTRAX CU5000 de Camille Bauer que sirve de plataforma básica para la solución de automatización de energía. El dispositivo de medida realiza la medición de los parámetros eléctricos, voltaje y consumo de corriente. El dispositivo también realiza mediciones adicionales y genera datos que luego se utilizan para evaluar la calidad de parámetros eléctricos como, por ejemplo, harmónicos, desequilibrios, factores de potencia, etc. También se visualizan directamente los valores de energía. Los valores de medición se guardan localmente (automatización local) o se transmiten directamente a la base de datos o sistema SCADA mediante la línea eléctrica (seguimiento remoto) o Modbus (control remoto). En el caso de aplicaciones de seguimiento remoto y de control remoto el sistema siempre está actualizado con los valores de voltaje y corriente prácticamente en tiempo real.

Para implementar el acceso al mantenimiento antes descrito en los requisitos, el cambiador de tomas se controla con el softPLC del CENTRAX CU3000 o CENTRAX CU5000. La activación necesaria se genera bien de forma manual o mediante el sistema SCADA basándose en los valores eléctricos retornados por el dispositivo de medición del CENTRAX CU3000/5000. Esto activa el cambiador de tomas provocando una subida o bajada del voltaje. La posición del cambiador de tomas debe evaluarse en el contexto del valor de medición para prevenir cualquier interrupción o error de conmutación. El control de plausibilidad (bucle de control) se realiza mediante la comprobación de la posición mecánica del cambiador de tomas. Debido a las diferencias en el diseño de los diferentes cambiadores de tomas en carga, los valores se toman de señales axiales, de valores de resistencia, de señales codificadas BCD o de la relación entre el voltaje primario Up y el voltaje secundario Us que luego se compara con los valores de la tabla del cambiador de tomas.

Costes y beneficios
Con la opción 2 en 1 las ventajas desde un punto de vista coste/beneficio son evidentes. La integración de un instrumento de medición altamente preciso y un softPLC en una sola carcasa significa que ya el coste del componente se reduce un 50%. Los procesos de compra y de logística se optimizan y los componentes que no son directamente compatibles se eliminan al mismo tiempo. Además, la integración funcional tiene un impacto positivo inmediato en los costes de planificación e implementación, tanto en términos financieros como de tiempo. La extensión de la vida útil y la reproducibilidad de todos los componentes utilizados tienen un efecto positivo en el resultado global. El control local del cambiador de tomas tiene en cuenta el estado correspondiente de la red de comunicación registrando cada cambio de toma con una marca de tiempo. De esta forma se generan datos fiables que también se registran para facilitar el mantenimiento preventivo y de coste optimizado.

Digitalización y automatización con el seguimiento de la posición del cambiador de tomas mediante el procesamiento de la señal resistiva

Más información disponible en www.camillebauer.com/starkstrommonitoring

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