Systemy elektroenergetyczne operują napięciami, które wielokrotnie przekraczają możliwości bezpośredniego pomiaru standardowymi przyrządami. Napięcia rzędu 110 kV, 220 kV czy nawet 400 kV stanowią codzienność w przesyle energii elektrycznej, jednak ich bezpośredni pomiar byłby nie tylko niemożliwy technicznie, ale przede wszystkim śmiertelnie niebezpieczny. W tym kontekście pojawia się pytanie o urządzenia umożliwiające bezpieczną i precyzyjną transformację tych wartości do poziomów akceptowalnych dla aparatury pomiarowej i zabezpieczeniowej. 

Odpowiedzią na to wyzwanie są przekładniki napięciowe. To urządzenia stanowiące fundament współczesnej metrologii elektroenergetycznej. Jeżeli chcesz dowiedzieć się więcej o przekładnikach napięciowych i ich zastosowaniu w energetyce, czytaj dalej! W tym blogu wyjaśnimy wszystkie najważniejsze kwestie. Odpowiemy na pytanie, co to jest przekładnik napięciowy, jak wygląda jego budowa i zasada działania. Zapraszamy do lektury! 

Co to jest przekładnik napięciowy i do czego służy? 

Przekładnik napięciowy to specjalistyczny transformator pomiarowy, którego podstawowym zadaniem jest proporcjonalne przekształcenie wysokiego napięcia sieci na niskie, bezpieczne napięcie możliwe do zmierzenia standardowymi przyrządami. W przeciwieństwie do transformatorów mocy, przekładniki projektowane są z myślą o maksymalnej dokładności odwzorowania mierzonej wielkości, a nie o wydajności przesyłu energii. 

Standardowe napięcie wtórne wynosi w och przypadku zazwyczaj 100 V lub 110 V (oraz

odpowiednio 100/√3 V lub 110/√3 V dla połączeń faza–ziemia). Przekładniki napięcia w energetyce pracują na różnych poziomach sieci: 

• 110 000 V / 100 V (przekładnia 1100:1) – sieci najwyższych napięć, 
• 15 000 V / 100 V (przekładnia 150:1) – sieci średniego napięcia, 
• 400 V / 100 V (przekładnia 4:1) – instalacje niskiego napięcia. 

Fundamentalną korzyścią wynikającą ze stosowania tych urządzeń jest galwaniczna separacja między obwodem wysokiego napięcia a obwodem pomiarowym, co chroni zarówno operatorów, jak i delikatną aparaturę przed skutkami bezpośredniego kontaktu z napięciem sieci. 

Przekładniki napięciowe – zasada działania 

Funkcjonowanie omawianych urządzeń opiera się na zjawisku indukcji elektromagnetycznej. Analizując przekładniki napięciowe i ich zasadę działania, należy skupić się na procesach zachodzących w rdzeniu ferromagnetycznym. Gdy napięcie przemienne zostaje przyłożone do uzwojenia pierwotnego, płynący przez nie prąd magnesujący wytwarza w rdzeniu zmienny strumień magnetyczny. Strumień ten indukuje w uzwojeniu wtórnym siłę elektromotoryczną proporcjonalną do liczby zwojów. 

Najważniejsza zależność matematyczna dla przekładnika idealnego to: U₁ / U₂ = N₁ / N₂ = k 

Gdzie: 

• U₁, U₂ – napięcia pierwotne i wtórne, 
• N₁, N₂ – liczba zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego, 
• k – przekładnia napięciowa. 

Ważnym aspektem pracy jest fakt, że przekładnik napięciowy pracuje w stanie zbliżonym do jałowego. Oznacza to, że jego uzwojenie wtórne zasila jedynie urządzenia o bardzo wysokiej impedancji (np. woltomierze, przekaźniki), co sprawia, że prąd wtórny jest znikomy, a błędy pomiarowe zostają zminimalizowane. 

Przekładniki napięciowe – budowa i konstrukcja 

Przekładniki napięciowe charakteryzują się budową opartą o szereg rozwiązań specyficznych dla zastosowań pomiarowych. Choć przypominają one klasyczne transformatory, ich konstrukcja kładzie nacisk na precyzję i wytrzymałość dielektryczną. 

Główne elementy budowy przekładnika to: 

1. Rdzeń ferromagnetyczny – wykonany z wysokiej jakości blach elektrotechnicznych o minimalnych stratach mocy (histereza i prądy wirowe). 
2. Uzwojenie pierwotne (wysokonapięciowe) – składa się z bardzo dużej liczby zwojów cienkiego drutu, zdolnego wytrzymać pełne napięcie znamionowe sieci. 
3. Uzwojenie wtórne (niskonapięciowe) – posiada znacznie mniej zwojów, często o większym przekroju drutu, aby zminimalizować spadki napięcia wprowadzające błędy. 4. Izolacja – stanowi krytyczny element konstrukcji. W zależności od klasy napięcia stosuje się izolację żywiczną (zalewanie żywicą epoksydową dla napięć do 36 kV), olejową (w osłonach porcelanowych) lub gazową (SF6).

Wielkość urządzenia zależy bezpośrednio od napięcia pracy. Podczas gdy przekładnik na 6 kV może ważyć kilkanaście kilogramów, modele na 400 kV to konstrukcje o wysokości kilku metrów i masie przekraczającej tonę. 

Przekładniki napięciowe – symbole graficzne 

Dokumentacja techniczna posługuje się znormalizowanym systemem oznaczeń. W przypadku przekładników napięciowych prawidłowe odczytanie symboli jest niezbędne do poprawnego montażu i diagnostyki układu. 

Przekładnik napięciowy oznaczany jest symbolem dwóch nachodzących na siebie okręgów lub półokręgów. Symbolizują one sprzężone uzwojenia. Bardzo istotne są oznaczenia zacisków: 

• Strona pierwotna (wysokie napięcie): A, B, C (zaciski fazowe) oraz N lub X (zacisk neutralny/koniec uzwojenia). 
• Strona wtórna (niskie napięcie): a, b, c oraz n lub x. 

Na schematach jednoliniowych urządzenie przedstawiane jest w formie uproszczonej, natomiast schematy wieloliniowe dokładnie obrazują połączenia każdej z faz oraz sposób uziemienia obwodów wtórnych. 

Klasyfikacja i zastosowania w energetyce 

Przekładniki napięcia w energetyce dzielimy ze względu na kilka kryteriów: 

• Przeznaczenie: pomiarowe (wysoka dokładność w stanach normalnych, klasy 0,2; 0,5) oraz zabezpieczeniowe (zachowanie parametrów przy przepięciach, klasy 3P, 6P). 
• Technologia: indukcyjne (klasyczne) oraz pojemnościowe (wykorzystujące dzielnik kondensatorowy, stosowane głównie powyżej 110 kV dla redukcji gabarytów). 
• Konstrukcja: wnętrzowe oraz napowietrzne (odporne na warunki atmosferyczne). 

Główne obszary zastosowań obejmują pomiary rozliczeniowe energii elektrycznej, zasilanie układów automatyki zabezpieczeniowej oraz systemy monitoringu SCADA, które pozwalają na zdalne zarządzanie siecią przesyłową. 

Bezpieczeństwo i eksploatacja – złota zasada 

Praca z przekładnikami wymaga ścisłego przestrzegania zasad bezpieczeństwa. Najważniejsza zasada eksploatacyjna brzmi: uzwojenia wtórnego przekładnika napięciowego nigdy nie wolno zwierać podczas pracy. 

W przeciwieństwie do przekładników prądowych, gdzie zwarcie jest procedurą bezpieczną, w przekładniku napięciowym zwarcie wtórne wywołuje przepływ ogromnego prądu. Skutkuje to natychmiastowym zniszczeniem urządzenia, pożarem, a nawet eksplozją. Ponadto, jeden punkt obwodu wtórnego musi być zawsze uziemiony, aby zapobiec pojawieniu się wysokiego potencjału w przypadku uszkodzenia izolacji między uzwojeniami. 

Przekładnik napięciowy – podstawa bezpiecznego pomiaru 

Przekładniki napięciowe to ważne ogniwo łączące świat wysokich napięć z precyzyjną elektroniką pomiarową. Ich prawidłowy dobór, oparty na znajomości zasady działania, budowy oraz parametrów technicznych, jest niezbędny dla zapewnienia stabilności i bezpieczeństwa systemu elektroenergetycznego. W dobie cyfryzacji energetyki i rozwoju inteligentnych sieci (Smart Grids), rola tych urządzeń jako precyzyjnych dostarczycieli danych o parametrach sieci staje się ważniejsza niż kiedykolwiek wcześniej.