Transformateurs de courant

L'énergie électrique produite dans une centrale est transférée par des lignes électriques et des systèmes de distribution pour être consommée par des applications résidentielles. Les niveaux de courant doivent être mesurés pendant la production et la distribution pour s'assurer que les valeurs optimales sont transférées en divers points du système de distribution d'électricité. Ce courant est souvent très élevé et ne peut être mesuré avec un ampèremètre classique. Des transformateurs spécialisés, appelés transformateurs de mesure, mesurent des tensions et des courants très élevés le long du réseau électrique. Le transformateur d'instrument utilisé pour mesurer des valeurs de courant élevées est appelé transformateur de courant, et celui utilisé pour mesurer une tension élevée est appelé transformateur de tension. Cet article traite de la construction et du principe de fonctionnement, des types et des applications des transformateurs de courant.

Table des matières

• Qu'est-ce qu'un transformateur de courant ?
• Construction et fonctionnement du transformateur de courant
• Types de transformateurs de courant
• Fonctionnement des transformateurs de courant
• Pourquoi un transformateur de courant ne doit pas rester ouvert
• Différence entre transformateur de courant et transformateur de tension
• Avantages et inconvénients du transformateur de courant
• Applications des transformateurs de courant
• FAQ

Qu'est-ce qu'un transformateur de courant ?

Un transformateur de courant est un transformateur d'instrument qui réduit les courants alternatifs élevés dans l'enroulement primaire à une faible valeur dans l'enroulement secondaire. Cette méthode est principalement utilisée lorsqu'un courant est trop élevé pour être mesuré directement. Ils constituent donc un moyen pratique de contrôler en toute sécurité le courant alternatif de haute valeur qui circule dans une ligne de transmission.

Les transformateurs de courant ont deux fonctions de base :

1. Adaptation de la valeur du courant moyenne tension au niveau de l'enroulement primaire à une valeur de courant faible au niveau de l'enroulement secondaire, adaptée aux dispositifs de comptage commerciaux et à d'autres applications résidentielles.
2. Isoler les circuits électroniques de puissance des circuits de mesure ou de protection. Un transformateur de courant sert d'intermédiaire entre les différents circuits électroniques et l'équipement de mesure. Les transformateurs de courant permettent d'isoler les tensions et les courants élevés du circuit électrique. Ces transformateurs fournissent un courant secondaire de 0 à 5 A qui est connecté aux dispositifs de mesure.

Construction et fonctionnement du transformateur de courant

La construction d'un transformateur de courant est similaire à celle d'un transformateur conventionnel. Le transformateur est fondamentalement un transformateur abaisseur (par rapport au courant), composé d'enroulements primaires et secondaires sans aucune connexion électrique entre eux. Le nombre de tours et les courants dans les enroulements primaire et secondaire d'un transformateur sont liés comme suit :

N1 / N2 = I2 / I1

• N1 : Nombre de tours dans l'enroulement primaire
• N2 : Nombre de tours dans l'enroulement secondaire
• I2 : Courant circulant dans l'enroulement secondaire
• I1 : Courant circulant dans l'enroulement primaire

Pour abaisser le courant à une valeur très faible, le nombre de spires du secondaire doit être supérieur à celui du primaire (N2>N1). Par conséquent, la section primaire d'un transformateur de courant est enroulée avec quelques tours d'un conducteur à section épaisse dans l'enroulement. La section secondaire est enroulée avec un plus grand nombre de tours de conducteurs de petite section.

L'enroulement primaire (figure 4 étiquetée A) et l'enroulement secondaire (figure 4 étiquetée C) sont enroulés sur un noyau magnétique constitué de tôles en acier au silicium (figure 4 étiquetée B). Selon la loi d'induction de Faraday, le courant circulant dans l'enroulement primaire induit un champ magnétique à travers l'enroulement. Une partie de ce champ magnétique se lie à l'enroulement secondaire, initiant ainsi un flux de courant dans la bobine secondaire. Le noyau magnétique fournit un chemin à faible réluctance pour le flux du champ magnétique créé.

Un transformateur de courant utilisé dans un petit système de tension de ligne utilise généralement du ruban ou du vernis comme matériau isolant. En revanche, les transformateurs de courant à bain d'huile sont utilisés dans un système de haute tension.

La ligne à courant élevé (Figure 5 étiquetée C) alimente la charge (Figure 5 étiquetée B). Le côté primaire du transformateur de courant (Figure 5 étiqueté CT) est connecté en série avec la ligne de courant fort. Le côté secondaire du transformateur est connecté à un ampèremètre à faible gamme (gamme 0-5A) qui lit le courant circulant dans les enroulements secondaires.

Types de transformateurs de courant

Selon leur construction, il existe deux types de transformateurs de courant : les transformateurs de courant à enroulement et les transformateurs de courant à barre.

Transformateurs de courant à enroulement

Dans un transformateur de courant à enroulement, les bobines primaire et secondaire sont enroulées sur un noyau. Le noyau peut avoir la forme d'un rectangle ou d'un anneau en acier ou en alliage de nickel. Un noyau en forme de rectangle est illustré à la figure 4. Dans les transformateurs à noyau en anneau, la bobine de la section secondaire (figure 6 marquée C) est enroulée sur un noyau ferromagnétique (figure 6 marquée A). La bobine de la section primaire (figure 6 étiquetée B) est enroulée sur le noyau extérieur avec une isolation appropriée entre les deux enroulements. Les transformateurs de courant à enroulement sont moins chers que les transformateurs à barres, mais ils ne sont pas aussi précis.

Transformateur de courant à barres

Un transformateur de courant à barres n'a pas d'enroulement primaire. Le côté primaire est constitué d'un conducteur de type barre (figure 7 étiquetée C). La partie secondaire est constituée de bobines enroulées sur un noyau circulaire entourant le conducteur primaire (figure 7 étiquetée B). Un isolateur en papier est maintenu sur la barre entre les sections primaire et secondaire. Les segments primaire et secondaire sont très serrés et la distance entre eux est réduite afin de réduire les fuites de flux, ce qui permet des mesures très précises. Un transformateur de courant à barres peut résister à des surintensités importantes. Ce type de transformateur est généralement utilisé dans les installations où la tension est inférieure ou égale à 25 kV. Les transformateurs à barres sont plus coûteux que leurs homologues à enroulement, mais ils donnent des résultats extrêmement précis en raison de la réduction des fuites de flux.

Fonctionnement des transformateurs de courant

Le fonctionnement d'un transformateur de courant est similaire à celui d'un transformateur conventionnel à deux enroulements. Un transformateur de courant est utilisé pour mesurer des courants élevés. Lorsque le courant élevé traverse l'enroulement primaire du transformateur de courant, il induit un faible courant dans le secondaire, en fonction du nombre de tours dans les deux enroulements. Un ampèremètre à faible gamme connecté au secondaire peut mesurer le courant circulant dans l'enroulement secondaire.

Dans un transformateur :

N1 / N2 = V1 / V2 = I2 / I1

• N1 : Nombre de tours dans l'enroulement primaire
• N2 : Nombre de tours dans l'enroulement secondaire
• V1 : Tension dans l'enroulement primaire
• V2 : Tension dans l'enroulement secondaire
• I2 : Courant circulant dans l'enroulement secondaire
• I1 : Courant circulant dans l'enroulement primaire

Par conséquent, la connaissance du nombre de tours dans les enroulements primaire et secondaire, ainsi que la valeur du courant secondaire mesurée à l'aide d'un ampèremètre, peuvent être utilisées pour déterminer le courant de forte intensité qui circule dans l'enroulement primaire.

Exemple

Considérons un transformateur de courant dont le rapport des tours (N2/N1) est de 300:1. Si l'ampèremètre indique 1A sur le côté secondaire du transformateur :

• N1 = 1
• N2 = 300
• I2 = 1A
• Par conséquent, I1= (1/ 300) ✕ 1 = 300A

Il faut également noter que la tension dans le primaire ou le secondaire étant directement proportionnelle au nombre de spires, la tension induite dans l'enroulement secondaire est 300 fois supérieure à celle du côté primaire. Un transformateur de courant agit donc comme un transformateur élévateur de tension.

Pourquoi un transformateur de courant ne doit pas rester ouvert

Dans un circuit magnétique, la force magnétomotrice (FMM) est la force responsable de la génération et du mouvement du flux magnétique. Lorsque le courant circule dans les enroulements primaires, la FMM créée du côté primaire est N1 ✕ I1 (ampères-tours).

La FMM produite du côté primaire entraîne la production d'un flux magnétique qui circule dans le noyau, produisant une FMM et un flux magnétique dans le secondaire. La FMM du côté secondaire est généralement équilibrée par la FMM du côté primaire. Lorsqu'une charge est connectée à l'enroulement secondaire, le courant commence à circuler dans l'enroulement, générant son propre flux magnétique, qui se lie à l'enroulement primaire. Par exemple, le courant traversant l'enroulement secondaire augmente si la charge connectée au côté secondaire est réduite. Cela augmente le flux du côté secondaire, augmentant ainsi le flux net du côté primaire par induction mutuelle. Par conséquent, le flux magnétique dans les côtés primaire et secondaire reste le même.

Si le côté secondaire d'un transformateur de courant est laissé ouvert, le courant traversant les enroulements secondaires devient nul ; par conséquent, la FMM produite dans le secondaire, qui équilibre généralement la FMM produite dans l'enroulement primaire, devient nulle. Comme il n'y a pas de FMM opposée, la FMM primaire sans opposition produit un flux très élevé à l'intérieur du noyau, ce qui conduit à :

• Pertes excessives de noyaux. La perte dans le noyau est la perte d'énergie dans le noyau causée par un flux magnétique alternatif. Un champ magnétique instable finit par détruire le fonctionnement du noyau.
• Chauffage de la bobine au-delà de sa limite
• Détérioration de l'isolation du bobinage

En outre, la tension secondaire élevée peut constituer un risque pour la sécurité des opérateurs. C'est pourquoi il est courant de mettre à la terre le côté secondaire afin d'éviter tout risque d'électrocution pour l'opérateur.

Différence entre transformateur de courant et transformateur de tension

Les transformateurs de courant et les transformateurs de tension sont des outils sûrs qui permettent de mesurer des courants et des tensions de grande valeur avec une extrême précision. La différence entre les transformateurs de courant et les transformateurs de tension est indiquée dans le tableau 1.

Base de comparaison	Transformateur De Courant	Transformateur de tension
Définition	Transforme un courant d'entrée élevé en un courant de sortie faible	Transforme une tension d'entrée élevée en une tension de sortie faible
Connexion	Connecté en série avec l'instrument	Connecté en parallèle avec l'instrument
Tours primaires et secondaires	Faible nombre de spires primaires par rapport à celui de l'enroulement secondaire	Nombre élevé de spires primaires par rapport à celui de l'enroulement secondaire
Construction de base	Revêtement en acier au silicium	Acier de qualité supérieure fonctionnant à des densités de flux faibles
Courant/tension en ligne complète	L'enroulement primaire contient le courant de pleine ligne	L'enroulement primaire contient la tension de pleine ligne
Les types	Type à enroulement et type à barres	Types de potentiels électromagnétiques et capacitifs
Circuit ouvert du côté secondaire	L'enroulement secondaire d'un transformateur de courant ne peut pas être laissé ouvert.	L'enroulement secondaire d'un transformateur de potentiel peut être laissé ouvert.
Applications	Mesure du courant et fonctionnement du relais de protection dans la sous-station	Mesure de la tension et fonctionnement du relais de protection dans la sous-station

Tableau 1 : Différence entre transformateur de courant et transformateur de tension

Avantages et inconvénients du transformateur de courant

Avantages

• Les grands courants peuvent être mesurés en toute sécurité.
• Isole la ligne à courant fort des appareils de mesure (comme le voltmètre et l'ampèremètre).
• Agit comme un dispositif de contrôle pour faire fonctionner les dispositifs de protection tels que les lampes témoins et les relais.
• Un seul transformateur de courant peut alimenter de nombreux instruments.

Disadvantages

• Mesure uniquement le courant alternatif.

Applications des transformateurs de courant

1. Mesure du courant dans les applications de comptage des revenus commerciaux.
2. Dispositif de protection dans les lignes à haute tension et les sous-stations électriques.
3. Applications des convertisseurs de courant dans les sous-stations et filtres AC-DC.
4. Utilisé comme module de protection intégré dans les banques capacitives.
5. Utilisé dans les outils portatifs tels que les pinces de courant alternatif pour les mesures de courant.

FAQ

À quoi sert un transformateur de courant ?

Un transformateur de courant est utilisé pour mesurer le courant élevé qui passe dans une ligne, ainsi que comme dispositif d'isolation entre les circuits électriques et les appareils de mesure.

Quelle est la différence entre un transformateur de tension et un transformateur de courant ?

Un transformateur de tension mesure une haute tension et est connecté en parallèle sur la ligne. Un transformateur de courant mesure un courant élevé et est connecté en série avec la ligne à mesurer.

Pourquoi le transformateur de courant est-il appelé transformateur élévateur ?

Un transformateur de courant convertit un courant élevé du côté primaire en un courant faible dans l'enroulement secondaire. Le transformateur augmente la tension sur le côté secondaire en réduisant le courant à travers les enroulements secondaires.