Transformateur de courant

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Selon la définition de la Commission électrotechnique internationale, un transformateur de courant est « un transformateur de mesure dans lequel le courant secondaire est, dans les conditions normales d'emploi, pratiquement proportionnel au courant primaire et déphasé par rapport à celui-ci d'un angle voisin de zéro pour un sens approprié des connexions[1] ».

La notion de « transformateur de courant » est un abus de langage, mais elle a été popularisée dans l'industrie. L'expression « transformateur d'intensité » est probablement plus exacte. On utilise fréquemment les abréviations TC ou TI.

Il se destine à la mesure de courant alternatif à fréquence industrielle. Pour le courant continu ou la haute fréquence, il faut utiliser un shunt[2].

Ils sont soit montés de manière séparée sur un isolateur propre (voir photo), soit placés dans les dômes des traversées des transformateurs de puissance.

Transformateur de courant de tension nominale 138 kV

Fonction[modifier | modifier le code]

Dans les réseaux haute tension où des courants de plusieurs kiloampères transitent, la mesure de ces courants élevés est difficile. Pour la faciliter, les transformateurs de courant ont pour rôle de diviser la valeur du courant à mesurer par un facteur constant. Cette démarche permet également de standardiser les équipements de mesure du courant et de les isoler diélectriquement du réseau haute tension[3].

L'équipement de mesure connecté à son secondaire est en général un ampèremètre, mais on peut également brancher un wattmètre ou des relais de protection. Tous sont conçus pour mesurer des courants de quelques ampères[4].

La caractéristique la plus importante d'un transformateur de courant est donc son rapport de transformation, exprimé par exemple sous la forme 400 A/1 A.

Précautions d'emploi[modifier | modifier le code]

Un transformateur de courant doit être connecté à une charge de faible impédance, sa précision étant maximale quand son secondaire est en court-circuit. Sa précision est garantie si la charge connectée est de puissance (au courant nominal) inférieure à une puissance limite dite puissance de précision. Au secondaire, hors charge, une tension élevée peut apparaître aux bornes du transformateur de courant ; on ne doit donc jamais laisser un transformateur de courant à secondaire ouvert[5].

Technologies[modifier | modifier le code]

Modèles classiques à noyau de fer[modifier | modifier le code]

Schéma de principe d'un transformateur de courant avec une seule spire au primaire
Schéma de principe d'un transformateur de courant avec plusieurs spires au primaire

Pour les courants alternatifs de basse fréquence, on utilise en général un transformateur avec peu de spires au primaire, et beaucoup au secondaire. Dans certains cas, il y aura même une seule spire au primaire. Dans ce cas le transformateur de courant prendra la forme d'un tore, traversé par le circuit électrique. Il n'y aura donc pas de bobinage primaire à proprement parler : la spire est constituée par le passage du circuit électrique à l'intérieur du circuit magnétique torique. Si le primaire n'est pas inclus dans le transformateur de courant on parle de type toroïdal, ou fenêtre[anglais 1], si au contraire une barre de cuivre devant être connectée au primaire est déjà présente on parle de type barre[anglais 2]. Enfin dans les cas où le primaire a plusieurs spires, on parle de type bobine[anglais 3], cette construction est plus adaptée aux basse et moyenne tensions[6],[7].

Le secondaire est connecté à une résistance de faible valeur, appelée fardeau, exprimée en VA. Cette valeur de puissance apparente est obtenue pour une tension de 120 V et 5 A à 60 Hz[8],[9].

Modèles à tore de Rogowski[modifier | modifier le code]

Bobine de Rogowski avec circuit de mesure.

Les tores de Rogowski, aussi appelés « circuit amagnétique », ne disposent pas d'un noyau de fer. Le signal de sortie, délivré par les capteurs amagnétiques est une tension proportionnelle à la dérivée du courant primaire (voir loi de Faraday). Ils ne saturent pas et leur réponse est linéaire. De ce fait, ils peuvent être utilisés sur de larges plages de courant. La seule limitation étant la dynamique et la linéarité du circuit d'entrée de la protection associée[10]. Ils sont largement utilisés dans le domaine de la HTA.

Combinés de mesure[modifier | modifier le code]

Il existe également en HTB des combinés de mesure, qui réunissent en un seul appareil transformateur de courant et transformateur de tension (voir photo). Cela permet un gain de place ainsi qu'un coût réduit comparé à deux unités séparées[11].

Évolutions technologiques[modifier | modifier le code]

Transmission du signal par fibre optique[modifier | modifier le code]

À la place d'une transmission électrique et analogique, on peut choisir de transmettre la valeur du courant sous forme numérique et optique grâce à l'usage d'une fibre optique. L'avantage réside dans l'isolation de l'électronique de la partie haute tension, le défaut dans l'obligation de prévoir une alimentation électrique secondaire pour l'électronique située dans la partie haute tension[12].

Transducteur de courant magnéto-optique (MOCT)[modifier | modifier le code]

Article connexe : Effet magnéto-optique.

La technologie des transducteurs de courant magnéto-optique[anglais 4], est une technologie utilisant l'influence qu'a l'effet Faraday sur la polarisation de la lumière dans certains cristaux magnético-optiques, en pratique de la fibre de verre de quartz[13], pour mesurer le courant électrique continu. Dans ces matériaux, l'angle de rotation du champ est directement lié à sa valeur, le champ étant lui-même lié à la valeur du courant. Par rapport à la technologie conventionnelle les MOCT ont l'avantage d'être immunisés aux interférences électromagnétiques, sont plus petits, plus légers, ont une large bande de fréquence, ne posent pas de problème d'isolation galvanique ce qui veut dire que l'électronique n'est pas soumise aux surtensions et qu'il n'est pas nécessaire d'utiliser une coûteuse isolation, et n'ont pas les problèmes de saturation du noyau magnétique et ne nécessitent pas d'alimentation électrique secondaire[14],[15],[12]. Ils existent en modèles adaptés à la mesure et à la protection[16],[17]. Pour une bonne précision le système requiert un matériau pour la fibre optique pour lequel l'effet observé ne dépend que très peu de la température[14].


Construction[modifier | modifier le code]

Que ce soit comme composant séparé ou intégré il est courant de placer plusieurs noyaux de fer avec leur secondaire respectif côte à côte dans un même boitier. On a ainsi plusieurs mesures du courant (on peut par exemple associer un transformateur pour mesure avec un pour protection), mais un seul élément mécanique et une seule isolation.

Par ailleurs, l'utilisation de deux noyaux magnétiques pour un seul transformateur de courant permet d'éliminer l'erreur due à la charge résistive de celui-ci. Le principe est le suivant : un enroulement de compensation est bobiné autour d'un des noyaux, l'enroulement secondaire est bobiné autour des deux. Les deux possèdent le même nombre de tours et sont branchés en parallèle. La comparaison des courants des deux enroulements permet d'éliminer la composante due à la charge[18],[19].

En tant que composant séparé[modifier | modifier le code]

Plusieurs types de construction peuvent être utilisés : en épingle à cheveux, aussi appelé à cuve[20], ou de courant inverse[anglais 5],[2]. Dans le premier cas, le conducteur forme un U ou plus exactement une épingle à cheveux et le noyau magnétique se trouve à son pied. Dans le second cas le noyau magnétique se trouve dans la tête du composant. Les avantages de la première technologie sont que le centre de gravité est plus bas, cela entraîne une meilleure résistance aux tremblements de terre et réduit les contraintes que subit l'isolateur. Par contre la forme en U a pour conséquence que le conducteur est plus long, ce qui résulte dans des pertes joules et limite le courant de court-circuit[15].

Par ailleurs le choix de l'isolant est important. La plupart des transformateurs de courant sont isolés par de l'huile. Il en existe également enrobés d'epoxy, mais cela concerne surtout des tensions allant jusqu'à 110 kV. Une isolation utilisant le SF6 est également possible[15].

Intégré dans un autre composant[modifier | modifier le code]

Les transformateurs de courant s'intègrent facilement dans d'autre composant comme les disjoncteur à haute tension en particulier sous enveloppe métallique ou dans les traversées isolées des transformateurs de puissance toujours pour permettre la mesure du courant les traversant.

Schéma de principe
Illustration pratique

Pinces ampèremétriques[modifier | modifier le code]

pince ampèremétrique

Les pinces ampèremétriques ne sont pas à proprement des transformateurs de courants, dans la mesure où elles ne délivrent pas un signal de courant en sortie proportionnel au signal d'entrée. On peut cependant les voir comme l'intégration d'un ampèremètre et d'un transformateur de courant.

Caractéristiques techniques[modifier | modifier le code]

Courant limite assigné et facteur de sécurité[modifier | modifier le code]

Définitions[modifier | modifier le code]

Transformateur de courant avec vue du poste électrique environnant

Le « courant limite de précision assigné » est la valeur la plus élevée du courant primaire pour laquelle le transformateur doit satisfaire aux prescriptions concernant l'erreur composée[21].

Pour les transformateur de protection on définit « facteur limite de précision » est le rapport [22]:

 \frac{courant \quad limite \quad  primaire \quad assigne}{courant \quad  primaire \quad  assigne}

Pour les transformateur de mesure l'équivalent est le facteur de sécurité.

Exemple[modifier | modifier le code]

Concrètement cela veut dire que si notre transformateur de courant mesure un courant "normal" de 10 A et que son facteur de sécurité est de 5, il pourra mesurer un courant de 10*5 = 50 A tout en restant dans son intervalle de précision.

Philosophie[modifier | modifier le code]

Un transformateur de courant de protection doit saturer suffisamment haut pour permettre une mesure assez précise du courant de défaut (voir court-circuit) par la protection dont le seuil de fonctionnement peut être très élevé. On demande donc aux capteurs de courant un facteur limite de précision en général assez important[10].

Un transformateur de courant de mesure nécessite une bonne précision dans un domaine voisin du courant nominal (normal) et il n'est pas nécessaire que les appareils de mesure supportent des courants aussi importants que les relais de protection. C'est pourquoi les transformateur de courant de mesures ont, contrairement aux TC de protection, un facteur de sécurité aussi faible que possible afin de protéger ces appareils par une saturation plus précoce[10].

Transformateurs pour mesures[modifier | modifier le code]

Classe Erreur de courant, rapport (%), au courant assigné Déphasage
(Minutes) (Centiradians)
0,1 0,1 5 0,15
0,2 0,2 10 0,3
0,5 0,5 30 0,9
1 1 60 1,8

La définition de l'erreur de courant étant :

 erreur\quad de\quad courant\quad % = {K_n\cdot I_s - I_p \over I_p}\cdot 100

K_n est le rapport de transformation assigné

I_p est la courant primaire

I_s est la courant secondaire[24].

D'autres classes de transformateur de courant pour mesure existent : 0.2S, 0.5S dans la norme CEI qui sont plus précis pour les courants notablement inférieur à leur courant nominal[25]. La norme australienne AS 1675-1986 définit des classes la classe M (0.2M par exemple), encore plus précise pour les faibles courant et la classe ME qui de plus à reste précise pour des courants supérieurs à celui indiqué. Par exemple un 0.2ME2 a une précision de 0,2 % pour son nominal, un courant de 10 % de son nominal mais également pour 2 fois son nominal (2 final dans la désignation)[26].

Transformateurs pour protection[modifier | modifier le code]

Classe Erreur de courant, rapport (%) Déphasage Erreur composée pour le courant limite de précision
(Minutes) (Centiradians)
5P 1,0 60 1,8 5
10P 3,0 - - 10

La définition de l'erreur composée étant :

\epsilon_c=\frac{100}{I_p}\cdot\sqrt{\frac{1}{T}\cdot\int_0^T (K_n\cdot i_s - i_p)^2 dt}

 I_p est le courant primaire en valeur efficace

 i_p est le courant primaire en valeur instantanée

 i_s est le courant secondaire en valeur instantanée

 T est la période du courant[28].

Courbe d'hystérésis des différents noyaux magnétiques utilisés dans les transformateurs de courant

La classe P est la plus répandu, toutefois pour répondre aux applications plus exigeantes d'autre classes existent pour la protection. Elle se différencient par la courbe d'hystérésis de leurs noyaux magnétiques.

Les normes CEI rangent les différents noyaux magnétiques destinés au transformateurs de protection en différentes classes en fonction de leur flux rémanent[29]. On distingue trois grandes familles:

  • Les noyaux magnétiques à haute rémanence qui n'ont pas d'entrefer. Leur flux rémanent atteint 80 % du flux de saturation. Ce sont les classes P, PX, TPS et TPX[15].
  • Les noyaux magnétiques à basse rémanence, qui ont un petit entrefer. Leur flux rémanent n'excède pas 10 % du flux de saturation. Ce sont les classes PR et TPY[15].
  • Les noyaux magnétiques à la rémanence négligeable avec un grand entrefer. Leur flux rémanent est proche de zéro. Leur grand entrefer réduit leur précision. Cela concerne la classe TPZ[15].

Afin d'éviter tout délai supplémentaire pour la protection dans le cas d'un défaut totalement asymétrique, il peut être intéressant de prévoir une marge supplémentaire pour les noyaux à haute rémanence (les surdimensionner). Pour ceux à basse rémanence ce n'est pas nécessaire[15].

Pour la plupart des applications un circuit magnétique sans entrefer, de type P, est suffisant. Les TPY sont utilisés en particuliers pour les gros transformateurs en sortie de générateurs électriques[30].

Désignation[modifier | modifier le code]

Les transformateurs de courant sont désignés de la sorte : « 15 VA classe 0.5 FS 10 » (mesure), ou « 30 VA classe 5P 10 » (protection).

Le premier nombre (15 dans le premier exemple) est la puissance de précision suivie du sigle VA (volt-ampère). Suit le mot « classe » et la valeur de la classe (0.5 dans le premier exemple). Ensuite vient la classe du transformateur de courant : "", S, M, ME pour transformateurs pour mesures, P, PR, PX, TPY… pour ceux de protection (voir chapitre correspondant ci-dessus)[31]. Si le transformateur de mesure dispose d'un facteur de sécurité il est introduit par les lettres FS suivies de sa valeur[32]. Pour les transformateurs de protection le dernier nombre correspond au facteur limite de précision[33].

Dimensionnement d'un transformateur de courant pour transformateur[modifier | modifier le code]

Défauts externes[modifier | modifier le code]

Pour dimensionner un transformateur de courant pour équiper un transformateur de puissance, il convient tout d'abord de connaître le courant maximal à mesurer. Il s'agit en l’occurrence du courant de court-circuit (short circuit en anglais, SC) I_{SC} pour un défaut extérieur au composant :

I_{SC}= \frac{S_N \cdot 100}{\sqrt{3} \cdot U_N \cdot Z_{SC}} = \frac{I_N \cdot 100}{Z_{SC}}[30]

S_N est la puissance apparente nominale du transformateur, U_N sa tension nominale, et Z_{SC} est son impédance de court-circuit exprimée en pourcentage et I_N le courant nominal. Par ailleurs, l'apparition d'un court-circuit est brutale, le phénomène est transitoire. Ce comportement transitoire augmente encore la valeur du courant perçu par les appareils électroniques de mesure. Pour modéliser ce phénomène, un facteur de sécurité K_{td} « facteur de dimensionnement pour le régime transitoire assigné » dépendant de l'appareil électronique utilisé est multiplié à la valeur du courant de court-circuit. Ce courant transitoire est exprimé en rapport avec le courant nominal du primaire du transformateur de courant, noté I_{P, CT}, dans le facteur limite de précision[anglais 6], ALF en anglais, dit véritable noté d'un « ' »:


ALF'= \frac{K_{td} \cdot I_{SC}}{I_{P,CT}}[30]

Le calcul de dimensionnement ne s'arrête cependant pas là. Le facteur limite de précision véritable qui vient d'être calculé est nécessaire seulement dans le cas où le transformateur de courant serait utilisé au maximum de ses capacités thermiques. En fait, ce n'est quasiment jamais le cas. Cette capacité maximale est décrite par la puissance de précision du transformateur de courant, le Burden en anglais, c'est la puissance apparente maximale qu'est capable de fournir le transformateur de courant à son secondaire[34]. Or dans les faits, le secondaire est connecté à un certain nombre d'appareils électroniques de mesure, reliés par des conducteur, qui représentent une certaine charge inférieure à la puissance apparente maximale. Pour prendre ce paramètre en compte, le facteur limite de précision véritable doit être multiplié par le rapport de la charge effectivement connectée au secondaire divisé par la charge maximale qu'il peut fournir. Dans les faits ces charges sont purement résistives.

 ALF = ALF' \cdot \frac{R_{effectif}}{R_{max}}

Les charges effectives sont en fait : la résistance de l'enroulement secondaire, notée R_{CT} et la résistance effective de la charge, notée R_B, constituée de la résistance du conducteur menant à l'appareil de mesure, et la résistance d'entrée de l'appareil de mesure. La charge maximale est constituée de la résistance de l'enroulement secondaire et de la charge nominale notée R_{B,N}, est en fait la puissance apparente, donnée en VA, divisée par le courant secondaire au carré :  R_{B,N} = \frac{S_{N,B}}{I_{N,S}^2}. Dans la majorité des cas ce courant vaut 1 A, la valeur de la puissance apparente est donc égale à celle en ohms de la charge nominale.

On a donc la formule :

 ALF = ALF' \cdot \frac{R_{CT} + R_B}{R_{CT} + R_{B,N}}[30]

Défauts internes[modifier | modifier le code]

Dans le cas d'un défaut interne, le principe est similaire, le coefficient K_{td} est remplacé par le coefficient K_{TF}, le « facteur de régime transitoire »[35], déterminé par le temps que met la protection à détecter le défaut interne. La formule est :

ALF'_{Int} = K{TF} \cdot \frac{1,1 \cdot S_{SC}}{\sqrt{3} \cdot U_N \cdot I_{P,CT}}

Avec S_{SC} la puissance apparente de la source.

Le rapport entre ALF et ALF' reste inchangé. Le maximum de l'ALF, externe et de l'ALF, interne permet de connaître le rapport minimal à utiliser pour le transformateur de courant.

Normes applicables[modifier | modifier le code]

  • Norme CEI 60044-1 : Transformateurs de mesure –Partie 1:Transformateurs de courant
  • Norme CEI 60044-6 : Transformateurs de mesure –Partie 6 :Prescriptions concernant les transformateurs de courant pour protection pour la réponse en régime transitoire
  • Norme CEI 60044-8 : Transformateurs de mesure –Partie 8 :Transformateurs de courant électroniques

Principaux fabricants[modifier | modifier le code]

  • MBS : Leader allemand du transformateur de courant classique et ouvrant
  • REDUR : Société allemande à l'origine de transformateurs de courant de nouvelle génération moins encombrants, plombables et montables sur rail DIN. Ce fabricant est distribué en France par le spécialiste de la maîtrise de l'énergie POLIER
  • Trench

Modèles dits "non conventionnels"[modifier | modifier le code]

On désigne sous ce nom des modèles fonctionnant sur le principe de l'effet Hall ou de l'effet Faraday. Leur utilisation est peu courante, et en général réservée à des applications spécifiques comme la mesure de courants continus

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. CEI 60044-1, clause 2.1.2, version 2003
  2. a et b Aguet, Ianoz 2004, p. 254
  3. Kack 1998, p. 74
  4. Harlow 2004, p. 128
  5. Kack 1998, p. 77
  6. Kack 1998, p. 85
  7. Harlow 2004, p. 151
  8. Harlow 2004, p. 134
  9. Kack 1998, p. 83
  10. a, b et c « Guide de Schneider sur les transformateur de courant » (consulté le 15 mars 2002)
  11. Harlow 2004, p. 158
  12. a et b Kuechler 2005, p. 367
  13. (en) « Fibre-optic dc current sensor for the electro-winning industry, ABB » (consulté le 10 avril 2012)
  14. a et b (en) « Présentation sur les MOCT » (consulté le 10 avril 2012)
  15. a, b, c, d, e, f et g (en) « Guide d'application ABB » (consulté le 10 avril 2012)
  16. (en) « Brochure MOCT de mesure, ABB » (consulté le 10 avril 2012)
  17. (en) « Brochure MOCT de protection, ABB » (consulté le 10 avril 2012)
  18. (en) « Sur les transformateurs de courant à deux noyaux » (consulté le 12 avril 2012)
  19. Dyer 2001, p. 275
  20. « Catalogue ABB » (consulté le 10 avril 2012)
  21. CEI 60044-1, clause 2.3.2, version 2003
  22. CEI 60044-1, clause 2.3.3, version 2003
  23. CEI 60044-1, tableau 11, version 2003
  24. CEI 60044-1, clause 2.1.10, version 2003
  25. CEI 60044-1
  26. AS 1675-1986, tableau 2.1 et 2.2
  27. CEI 60044-1, tableau 14, version 2003
  28. CEI 60044-1, clause 2.1.34, version 2003
  29. CEI 60044-6, clause 3.5, version 1992
  30. a, b, c, d, e, f et g (en) Modern Techniques for Protecting, controlling and monitoring power transformers, Cigré, groupe B5.05,‎ juin 2011, chap. 463, p. 152
  31. CEI 60044-1, clause 13.2.1, version 2003
  32. CEI 60044-1, clause 11.7 et 12.7, version 2003
  33. CEI 60044-1, clause 10.2, version 2003
  34. CEI 60044-1, clause 2.1.15, version 2003
  35. CEI 60044-6, clause 3.16, version 1992

Traduction anglais[modifier | modifier le code]

  1. window
  2. bar
  3. wound
  4. magneto-optic current transducer (MOCT)
  5. Top core
  6. accuracy limit factor

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Bibliographie[modifier | modifier le code]

  • Michel Aguet et Michel Ianoz, Haute tension, vol. XXII, Lausanne, Presses polytechniques et universitaires romandes, coll. « Traité d'électricité »,‎ 2004 (ISBN 2-88074-482-2, lire en ligne), p. 254
  • Théodore wildi, Electrotechnique, DeBoeck,‎ 2003 (lire en ligne), p. 475
  • (de) Andreas Kuechler, Hochspannungstechnik, Grundlagen, Technologie, Anwendungen, Berlin, Springer,‎ 2005 (ISBN 3-540-21411-9, lire en ligne), p. 366
  • (en) Stephen A. Dyer, Survey of instrumentation and measurement, New York, John Wiley and Sons, coll. « Wiley-interscience »,‎ 2001 (ISBN 0-471-39484-X, lire en ligne), p. 269
  • (en) James H. Harlow, Electric power transformer engineering, CRC Press,‎ 2004, p. 128-160
  • Danny Kack, Réseau de protection et coordination des réseaux de distribution électrique, Laval, Université du Québec,‎ 1998 (ISBN 0-612-55996-3, lire en ligne)

Liens externes[modifier | modifier le code]