Transformateur de courant

Un transformateur de courant ( TC ) est un type de transformateur utilisé pour réduire ou multiplier un courant alternatif (CA). Il produit un courant dans son secondaire qui est proportionnel au courant dans son primaire.

Les transformateurs de courant, ainsi que les transformateurs de tension ou de potentiel, sont des transformateurs de mesure . Les transformateurs de mesure mettent à l'échelle les grandes valeurs de tension ou de courant en petites valeurs normalisées qui sont faciles à gérer pour les instruments de mesure et les relais de protection . Les transformateurs de mesure isolent les circuits de mesure ou de protection de la haute tension du système primaire. Un transformateur de courant fournit un courant secondaire qui est précisément proportionnel au courant circulant dans son primaire. Le transformateur de courant présente une charge négligeable pour le circuit primaire.

Les transformateurs de courant sont les unités de détection de courant du système électrique et sont utilisés dans les centrales électriques, les sous-stations électriques et dans la distribution d'énergie électrique industrielle et commerciale.

Un transformateur de courant est composé d'un enroulement primaire, d'un noyau et d'un enroulement secondaire, bien que certains transformateurs utilisent un noyau à air. Bien que les principes physiques soient les mêmes, les détails d'un transformateur de « courant » par rapport à un transformateur de « tension » diffèrent en raison des différentes exigences de l'application. Un transformateur de courant est conçu pour maintenir un rapport précis entre les courants dans ses circuits primaire et secondaire sur une plage définie.

Le courant alternatif dans le primaire produit un champ magnétique alternatif dans le noyau, qui induit ensuite un courant alternatif dans le secondaire. Le circuit primaire n'est pratiquement pas affecté par l'insertion du TC. Les transformateurs de courant précis nécessitent un couplage étroit entre le primaire et le secondaire pour garantir que le courant secondaire est proportionnel au courant primaire sur une large plage de courant. Le courant dans le secondaire est le courant dans le primaire (en supposant un primaire à un seul tour) divisé par le nombre de tours du secondaire. Dans l'illustration de droite, « I » est le courant dans le primaire, « B » est le champ magnétique, « N » est le nombre de tours sur le secondaire et « A » est un ampèremètre CA.

Les transformateurs de courant sont généralement constitués d'un noyau annulaire en acier au silicium enroulé avec de nombreux tours de fil de cuivre, comme le montre l'illustration de droite. Le conducteur transportant le courant primaire passe à travers l'anneau. Le primaire du TC est donc constitué d'un seul « tour ». L'« enroulement » primaire peut être une partie permanente du transformateur de courant, c'est-à-dire une barre de cuivre lourde pour transporter le courant à travers le noyau. Les transformateurs de courant de type fenêtre sont également courants, et peuvent avoir des câbles de circuit passant au milieu d'une ouverture dans le noyau pour fournir un enroulement primaire à un seul tour. Pour plus de précision, le conducteur primaire doit être centré dans l'ouverture.

Les TC sont spécifiés par leur rapport de courant du primaire au secondaire. Le courant secondaire nominal est normalement normalisé à 1 ou 5 ampères. Par exemple, un enroulement secondaire de TC 4000:5 fournira un courant de sortie de 5 ampères lorsque le courant de l'enroulement primaire est de 4000 ampères. Ce rapport peut également être utilisé pour trouver l'impédance ou la tension d'un côté du transformateur, étant donné la valeur appropriée de l'autre côté. Pour le TC 4000:5, l'impédance secondaire peut être trouvée comme Z _S = NZ _P = 800Z _P , et la tension secondaire peut être trouvée comme V _S = NV _P = 800V _P . Dans certains cas, l'impédance secondaire est référée au côté primaire et se trouve comme Z _S ′ = N ² Z _P . La référence à l'impédance se fait simplement en multipliant la valeur initiale de l'impédance secondaire par le rapport de courant. L'enroulement secondaire d'un TC peut avoir des prises pour fournir une plage de rapports, cinq prises étant courantes.

Les formes et les tailles des transformateurs de courant varient en fonction de l'utilisateur final ou du fabricant de l'appareillage de commutation. Les transformateurs de courant de mesure à rapport unique basse tension sont de type annulaire ou à boîtier moulé en plastique.

Les transformateurs de courant à noyau ouvrant sont constitués soit d'un noyau en deux parties, soit d'un noyau avec une partie amovible. Cela permet de placer le transformateur autour d'un conducteur sans le déconnecter au préalable. Les transformateurs de courant à noyau ouvrant sont généralement utilisés dans les instruments de mesure à faible courant, souvent portables, alimentés par batterie et tenus à la main (voir l'illustration en bas à droite).

Les transformateurs de courant sont largement utilisés pour mesurer le courant et surveiller le fonctionnement du réseau électrique . En plus des câbles de tension, les transformateurs de courant de qualité commerciale pilotent le compteur d'énergie électrique de nombreuses installations commerciales et industrielles de grande taille.

Les transformateurs de courant haute tension sont montés sur des isolateurs en porcelaine ou en polymère pour les isoler de la terre. Certaines configurations de TC se glissent autour de la douille d'un transformateur haute tension ou d'un disjoncteur , ce qui centre automatiquement le conducteur à l'intérieur de la fenêtre du TC.

Les transformateurs de courant peuvent être montés sur les fils basse ou haute tension d'un transformateur de puissance. Il est parfois possible de retirer une section d'une barre omnibus pour remplacer un transformateur de courant.

Souvent, plusieurs TC sont installés en « pile » pour diverses utilisations. Par exemple, les dispositifs de protection et les compteurs de facturation peuvent utiliser des TC distincts pour assurer l'isolation entre les circuits de mesure et de protection et permettre l'utilisation de transformateurs de courant ayant des caractéristiques différentes (précision, performances de surcharge) pour les dispositifs.

Aux États-Unis, le National Electrical Code (NEC) exige que les dispositifs à courant résiduel dans les systèmes électriques commerciaux et résidentiels protègent les prises installées dans des endroits « humides » tels que les cuisines et les salles de bains, ainsi que les prises résistantes aux intempéries installées à l'extérieur. Ces dispositifs, le plus souvent des disjoncteurs différentiels (GFCI), font généralement passer le conducteur sous tension de 120 volts et le conducteur de retour neutre par un transformateur de courant, la bobine secondaire étant connectée à un dispositif de déclenchement.

Dans des conditions normales, le courant dans les deux fils du circuit sera égal et circulera dans des directions opposées, ce qui entraînera un courant net nul à travers le TC et aucun courant dans la bobine secondaire. Si le courant d'alimentation est redirigé en aval dans le troisième conducteur du circuit (terre) (par exemple, si le boîtier métallique mis à la terre d'un outil électrique entre en contact avec un conducteur de 120 volts), ou dans la terre (par exemple, si une personne entre en contact avec un conducteur de 120 volts), le courant de retour neutre sera inférieur au courant d'alimentation, ce qui entraînera un flux de courant net positif à travers le TC. Ce flux de courant net induira du courant dans la bobine secondaire, ce qui entraînera le fonctionnement du dispositif de déclenchement et la mise hors tension du circuit - généralement en 0,2 seconde.

L'impédance de charge ne doit pas dépasser la valeur maximale spécifiée pour éviter que la tension secondaire ne dépasse les limites du transformateur de courant. Le courant nominal primaire d'un transformateur de courant ne doit pas être dépassé, sinon le noyau peut entrer dans sa région non linéaire et finir par saturer . Cela se produirait vers la fin de la première moitié de chaque moitié (positive et négative) de l'onde sinusoïdale CA dans le primaire et compromettrait la précision.

Les transformateurs de courant sont souvent utilisés pour surveiller des courants élevés ou des courants à haute tension. Des normes techniques et des pratiques de conception sont utilisées pour garantir la sécurité des installations utilisant des transformateurs de courant.

Le secondaire d'un transformateur de courant ne doit pas être déconnecté de sa charge pendant que le courant est dans le primaire, car le secondaire tentera de continuer à conduire le courant dans une impédance infinie effective générant potentiellement des tensions élevées et compromettant ainsi la sécurité de l'opérateur. Pour certains transformateurs de courant, cette tension peut atteindre plusieurs kilovolts et peut provoquer un arc électrique . Le dépassement de la tension secondaire peut également dégrader la précision du transformateur ou le détruire. La tension de sortie en fonctionnement ouvert est limitée par la saturation du noyau puisque le flux primaire n'est plus annulé par le flux secondaire, les transformateurs de courant plus petits peuvent ne pas réellement subir de tensions dangereuses lorsqu'ils fonctionnent nominalement. Des transitoires de courant plus rapides dus à la mise sous tension des charges, etc. peuvent cependant toujours induire des niveaux de tension dangereux en raison de la pente de courant élevée.

La précision d'un scanner est affectée par un certain nombre de facteurs, notamment :

• Fardeau
• Classe de charge/classe de saturation
• Facteur de notation
• Charger
• Champs électromagnétiques externes
• Température
• Configuration physique
• Le robinet sélectionné, pour les TC multi-rapports
• Changement de phase
• Couplage capacitif entre primaire et secondaire
• Résistance du primaire et du secondaire
• Courant de magnétisation du noyau

Les classes de précision pour différents types de mesure et à des charges standard dans le circuit secondaire (charges) sont définies dans la norme CEI 61869-1 comme classes 0,1, 0,2 s, 0,2, 0,5, 0,5 s, 1 et 3. La désignation de classe est une mesure approximative de la précision du TC. L'erreur de rapport (courant primaire/courant secondaire) d'un TC de classe 1 est de 1 % au courant nominal ; l'erreur de rapport d'un TC de classe 0,5 est de 0,5 % ou moins. Les erreurs de phase sont également importantes, en particulier dans les circuits de mesure de puissance. Chaque classe a une erreur de phase maximale autorisée pour une impédance de charge spécifiée.

Les transformateurs de courant utilisés pour les relais de protection doivent également respecter des exigences de précision en cas de courant de surcharge supérieur à la valeur nominale normale afin de garantir des performances précises des relais en cas de défaut du système. Un TC d'une valeur nominale de 2,5L400 spécifie qu'avec une sortie de son enroulement secondaire de vingt fois son courant secondaire nominal (généralement 5 A × 20 = 100 A ) et 400 V (chute IZ), sa précision de sortie sera de 2,5 %.

La charge secondaire d'un transformateur de courant est appelée « charge » pour la distinguer de la charge primaire.

La charge dans un réseau électrique de mesure de TC est en grande partie l'impédance résistive présentée à son enroulement secondaire. Les charges nominales typiques pour les TC IEC sont de 1,5 VA , 3 VA, 5 VA, 10 VA, 15 VA, 20 VA, 30 VA, 45 VA et 60 VA. Les charges nominales ANSI/IEEE sont B-0,1, B-0,2, B-0,5, B-1,0, B-2,0 et B-4,0. Cela signifie qu'un TC avec une charge nominale de B-0,2 conservera sa précision déclarée avec jusqu'à 0,2 Ω sur le circuit secondaire. Ces diagrammes de spécifications montrent des parallélogrammes de précision sur une grille incorporant des échelles d'erreur d'amplitude et d'angle de phase à la charge nominale du TC. Les éléments qui contribuent à la charge d'un circuit de mesure de courant sont les blocs de commutation, les compteurs et les conducteurs intermédiaires . La cause la plus courante d'une impédance de charge excessive est le conducteur entre le compteur et le TC. Lorsque les compteurs de sous-station sont situés loin des armoires de compteurs, la longueur excessive du câble crée une résistance importante. Ce problème peut être réduit en utilisant des câbles plus épais et des TC avec des courants secondaires plus faibles (1 A), qui produiront tous deux moins de chute de tension entre le TC et ses dispositifs de mesure.

La tension de coude d'un transformateur de courant est la grandeur de la tension secondaire au-dessus de laquelle le courant de sortie cesse de suivre linéairement le courant d'entrée dans les limites de précision déclarées. Lors des tests, si une tension est appliquée aux bornes secondaires, le courant magnétisant augmentera proportionnellement à la tension appliquée, jusqu'à ce que le point de coude soit atteint. Le point de coude est défini comme la tension à laquelle une augmentation de 10 % de la tension appliquée augmente le courant magnétisant de 50 %. Pour des tensions supérieures au point de coude, le courant magnétisant augmente considérablement, même pour de faibles augmentations de tension aux bornes secondaires. La tension de coude est moins applicable aux transformateurs de courant de mesure, car leur précision est généralement beaucoup plus élevée mais limitée dans une très petite plage de la valeur nominale du transformateur de courant, généralement de 1,2 à 1,5 fois le courant nominal. Cependant, le concept de tension de coude est très pertinent pour les transformateurs de courant de protection, car ils sont nécessairement exposés à des courants de défaut de 20 à 30 fois le courant nominal.

Idéalement, les courants primaire et secondaire d'un transformateur de courant doivent être en phase. En pratique, cela est impossible, mais, à des fréquences de puissance normales, des déphasages de quelques dixièmes de degré sont réalisables, tandis que des TC plus simples peuvent avoir des déphasages plus importants. Pour la mesure du courant, le déphasage est sans importance car les ampèremètres n'affichent que l'amplitude du courant. Cependant, dans les wattmètres , les compteurs d'énergie et les facteurs de puissance , le déphasage produit des erreurs. Pour la mesure de la puissance et de l'énergie, les erreurs sont considérées comme négligeables à un facteur de puissance unitaire, mais deviennent plus importantes lorsque le facteur de puissance se rapproche de zéro. L'introduction de compteurs électroniques de puissance et d'énergie a permis d'éliminer l'erreur de phase du courant.

Les transformateurs de courant de type barre sont dotés de bornes pour les connexions de la source et de la charge du circuit primaire, et le corps du transformateur de courant assure l'isolation entre le circuit primaire et la terre. Grâce à l'utilisation d'une isolation à l'huile et de bagues en porcelaine, ces transformateurs peuvent être utilisés aux tensions de transmission les plus élevées.

Les transformateurs de courant de type annulaire sont installés sur une barre omnibus ou un câble isolé et n'ont qu'un faible niveau d'isolation sur la bobine secondaire. Pour obtenir des rapports non standard ou à d'autres fins spéciales, plusieurs tours du câble primaire peuvent être passés à travers l'anneau. Lorsqu'un blindage métallique est présent dans la gaine du câble, il doit être terminé de manière à ce qu'aucun courant de gaine net ne passe à travers l'anneau, afin de garantir la précision. Les transformateurs de courant utilisés pour détecter les courants de défaut à la terre (homogènes), comme dans une installation triphasée, peuvent avoir trois conducteurs primaires passant à travers l'anneau. Seul le courant net déséquilibré produit un courant secondaire - celui-ci peut être utilisé pour détecter un défaut d'un conducteur sous tension à la terre. Les transformateurs de type annulaire utilisent généralement des systèmes d'isolation à sec, avec un boîtier en caoutchouc dur ou en plastique sur les enroulements secondaires.

Pour les connexions temporaires, un transformateur de courant à anneau fendu peut être glissé sur un câble sans le déconnecter. Ce type possède un noyau en fer laminé, avec une section articulée qui permet de l'installer sur le câble ; le noyau relie le flux magnétique produit par l'enroulement primaire à un seul tour à un secondaire enroulé à plusieurs tours. Comme les espaces dans le segment articulé introduisent une imprécision, ces dispositifs ne sont généralement pas utilisés pour le comptage des recettes.

Les transformateurs de courant, en particulier ceux destinés aux sous-stations haute tension, peuvent avoir plusieurs prises sur leurs enroulements secondaires, ce qui permet d'obtenir plusieurs rapports dans le même appareil. Cela peut être fait pour permettre de réduire l'inventaire des unités de rechange ou pour permettre la croissance de la charge dans une installation. Un transformateur de courant haute tension peut avoir plusieurs enroulements secondaires avec le même primaire, pour permettre des circuits de mesure et de protection séparés ou pour la connexion à différents types de dispositifs de protection. Par exemple, un secondaire peut être utilisé pour la protection contre les surintensités de branche, tandis qu'un deuxième enroulement peut être utilisé dans un schéma de protection différentielle de bus et un troisième enroulement utilisé pour la mesure de la puissance et du courant.

Des transformateurs de courant à large bande spécialement conçus sont également utilisés (généralement avec un oscilloscope ) pour mesurer les formes d'onde des courants à haute fréquence ou pulsés dans les systèmes d'alimentation pulsée . Contrairement aux TC utilisés pour les circuits de puissance, les TC à large bande sont évalués en volts de sortie par ampère de courant primaire.

Si la résistance de charge est bien inférieure à l'impédance inductive de l'enroulement secondaire à la fréquence de mesure, le courant dans le secondaire suit le courant primaire et le transformateur fournit une sortie de courant proportionnelle au courant mesuré. En revanche, si cette condition n'est pas vraie, le transformateur est inductif et fournit une sortie différentielle. La bobine de Rogowski utilise cet effet et nécessite un intégrateur externe pour fournir une sortie de tension proportionnelle au courant mesuré.

En fin de compte, en fonction des exigences du client, il existe deux normes principales selon lesquelles les transformateurs de courant sont conçus. IEC 61869-1 (anciennement IEC 60044-1) et IEEE C57.13 (ANSI), bien que les normes canadiennes et australiennes soient également reconnues.

Les transformateurs de courant sont utilisés pour la protection, la mesure et le contrôle dans les sous-stations électriques à haute tension et le réseau électrique . Les transformateurs de courant peuvent être installés à l'intérieur d'un appareillage de commutation ou dans des traversées d'appareils, mais très souvent des transformateurs de courant extérieurs autonomes sont utilisés. Dans un poste de commutation, les transformateurs de courant à cuve sous tension ont une partie substantielle de leur boîtier alimentée à la tension de ligne et doivent être montés sur des isolateurs. Les transformateurs de courant à cuve morte isolent le circuit mesuré du boîtier. Les TC à cuve sous tension sont utiles car le conducteur primaire est court, ce qui donne une meilleure stabilité et un courant de court-circuit nominal plus élevé. Le primaire de l'enroulement peut être réparti uniformément autour du noyau magnétique, ce qui donne de meilleures performances pour les surcharges et les transitoires. Étant donné que l'isolation principale d'un transformateur de courant à cuve sous tension n'est pas exposée à la chaleur des conducteurs primaires, la durée de vie de l'isolation et la stabilité thermique sont améliorées.

Un transformateur de courant haute tension peut contenir plusieurs noyaux, chacun avec un enroulement secondaire, à des fins différentes (comme des circuits de mesure, de contrôle ou de protection). Un transformateur de courant neutre est utilisé comme protection contre les défauts à la terre pour mesurer tout courant de défaut circulant dans la ligne neutre à partir du point neutre en étoile d'un transformateur.