Les transformateurs de courant (TC) jouent un rôle essentiel dans le monde des réseaux électriques. Ils sont utilisés pour mesurer le courant électrique, ce qui est crucial pour la surveillance et la protection du réseau. Dans cet article enrichi, nous explorerons en profondeur le fonctionnement des transformateurs de courant, leurs spécifications, leurs types, leurs précautions d’usage et leurs applications.
Introduction aux Transformateurs de Courant
Les transformateurs de courant sont des instruments de mesures indispensables dans les réseaux électriques. Ils permettent de réduire le courant de haute tension à un niveau plus faible, ce qui permet une mesure précise et sûre.
Qu’est-ce qu’un Transformateur de Courant?
Un transformateur de courant est un instrument de mesure qui produit un courant dans son enroulement secondaire qui est proportionnel au courant circulant dans son enroulement primaire. Il est utilisé pour transformer le courant de haute tension en courant de basse tension.
Composition des transformateurs de courant
Les transformateurs de courant ont une composition similaire aux transformateurs conventionnels. Un circuit magnétique, généralement constitué d’un alliage de fer, est entouré de n_1 tours sur le primaire et de n_2 tours sur le secondaire.
Le courant primaire peut être réduit à un simple conducteur passant à travers le tore (n_1=1).
Fonctionnement des Transformateurs de Courant
Le fonctionnement des transformateurs de courant repose sur le principe de l’induction électromagnétique. Le courant primaire crée un champ magnétique autour du conducteur, qui induit un courant dans l’enroulement secondaire.
Principe de Base
Prenons, I_p le courant circulant à travers les tours primaires n_1, et I_s le courant circulant à travers les tours secondaires n_2.
Selon le théorème d’Ampère, la somme des ampères-tours est égale à la circulation du vecteur de champ magnétique H :
n_1I_p + n_2I_s = \oint \vec{H} \cdot d\vec{l}
où H est le champ magnétique, d\vec{l} est un élément vectoriel tangent au cercle généré par le tore (Voir figure 1).
Le circuit magnétique canalise le champ magnétique, qui est donc tangentiel au cercle créé par le tore, donc H est parallèle à dl (Voir figure 1). Par conséquent, nous avons :
n_1I_p + n_2I_s = H \cdot L
Avec :
H = \frac{B}{{\mu_0 \mu_r}}
où :
- H est le champ magnétique
- L est la longueur du tore (2π x rayon du tore)
- B est l’induction magnétique.
- \mu_0 la perméabilité du vide
- \mu_r la perméabilité relative du circuit magnétique (pour le fer \mu_r ≈ 1,000)
Donc :
n_1I_p + n_2I_s = \frac{B}{{\mu_0 \mu_r}} \cdot L
Induction magnétique B créée par les enroulements, permet le transfert l’énergie du primaire au secondaire. On constate que lorsque \mu_r est très élevé :
\frac{B}{{\mu_0 \mu_r}} \cdot L \rightarrow 0, et I_s ≈ \frac{n_1}{n_2} \cdot I_p
et nous obtenons l’équation du transformateur idéal.
Dans un transformateur réel, nous prenons : \frac{B}{{\mu_0 \mu_r}}=n_2I_m.
Avec, I_m est le courant de magnétisation.
L’introduction de I_m permet d’établir un modèle mathématique du transformateur courant.
Si on pose n=\frac{n_1}{n_2} est le rapport de transformation, on obtient :
\frac{I_p}{n}+I_s=I_m
Et pour cela le transformateur de courant peut donc être représenté par le schéma électrique suivante :
Avec :
- {R}_{ct} représente la résistance des enroulements primaire et secondaire.
- l représente les inductances de fuite du circuit magnétique.
Saturation du Circuit Magnétique
La qualité d’un TC est liée à la perméabilité relative \mu_r du circuit magnétique. Cependant, lorsque B dépasse l’induction de saturation magnétique Bsat, le courant d’excitation Im devient très élevé.
La loi de l’induction nous fournit la relation suivante :
V_s=- \frac{d\phi}{dt}
Où : d\phi= -n_2S \frac{dB}{dt}
Avec :
- B : L’induction magnétique
- S : Surface créée par les spires (n_2 = nombre de spires secondaires)
- n_2 = nombre de spires secondaires
Phénomène de Saturation
Lorsque I_p est très grand de telle sorte que KRI_p>{B}_{sat}, l’induction de crête {B} dépasse l’induction limite de saturation {B}_{sat}, le courant d’excitation I_m devient très élevé, le transformateur de courant sature et l’équation \frac{I_p}{n}+I_s=I_m nous montre que le courant I_s diminue lorsque I_m augmente.
Note : B(t)= R \frac{n_1}{{n_2}^2Sw}I_p\cos(\omega t+ \phi) avec K= \frac{n_1}{{n_2}^2Sw}
Où : B= KRI_p est la valeur maximale du champ d’induction.
Courant de Saturation
Malgré la saturation, la valeur efficace du courant secondaire augmente lorsque le courant primaire augmente. Ainsi, la protection contre les surintensités, mesurant la valeur efficace, sera activée même si le transformateur de courant est saturé.
Utilisation des Transformateurs de Courant dans les Réseaux Électriques
Règle d’Application Générale
Les transformateurs de courant alimentent les dispositifs de mesure, de contrôle et de surveillance. L’isolation galvanique sépare électriquement le circuit primaire du circuit secondaire. Elle assure la mise à la terre du dispositif de mesure électrique et garantit ainsi la sécurité du personnel d’exploitation.
Composition d’un Transformateur de Courant
Un TC est composé d’un ou plusieurs enroulements primaires autour d’un ou plusieurs enroulements secondaires, chacun ayant un circuit magnétique, le tout étant scellé dans une résine isolante.
Types de Transformateurs de Courant
Outre les types mentionnés, on trouve :
- Magnéto-optiques : Basés sur l’effet Faraday, pour mesures précises en haute tension.
- À noyau de fer : Traditionnels, avec circuit magnétique ferromagnétique.
- À tore de Rogowski : Sans noyau ferromagnétique, linéaires, sans saturation, idéaux pour les transitoires. Ils fournissent une tension proportionnelle à la dérivée du courant primaire (E = r \frac{dI_p}{dt}).
Combinés mesure/protection : Multi-secondaires pour différentes fonctions.
Précautions d’Usage
Il est important de prendre certaines précautions lors de l’utilisation d’un transformateur de courant. Par exemple, il ne faut jamais laisser le circuit secondaire d’un transformateur de courant en circuit ouvert, car cela peut générer des surtensions dangereuses.
Normes Applicables
Les TC sont régis par :
- IEC 61869-2 (remplaçant IEC 60044-1) : Pour les TC inductifs.
- BS 3938 : Spécifie la classe X pour protections, avec tension au genou (knee-point voltage V_k).
- IEEE C57.13 : Norme américaine pour instruments de mesure.
Ces normes définissent les classes d’exactitude, facteurs de limite, et exigences thermiques/dynamiques.
Conclusion
Les transformateurs de courant sont essentiels pour la gestion et la protection des réseaux électriques. En comprenant leur fonctionnement, leurs spécifications et leurs applications – enrichis par des détails sur les types avancés comme les Rogowski et les contextes de protection comme dans les réseaux HTA – nous pouvons mieux les sélectionner, installer et maintenir pour un fonctionnement sûr et efficace.