Transformateurs de courant

Transformateurs de courant

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Figure 1 : Transformateur 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 afin de s'assurer que les valeurs optimales sont transférées aux différents points du système de distribution d'électricité. Ce courant est souvent très élevé, ce qui 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

Un transformateur de courant est un transformateur d'instrumentation 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. Par conséquent, ils constituent un moyen pratique de surveiller en toute sécurité le courant alternatif à haute valeur réelle qui circule dans une ligne de transmission.

Les transformateurs de courant ont deux fonctions de base :

  1. Adaptation de la valeur du courant de moyenne tension à l'enroulement primaire à une valeur de courant faible à l'enroulement secondaire convenant aux dispositifs de comptage commerciaux et autres applications résidentielles.
  2. Isoler les circuits électroniques de puissance des circuits de comptage ou de protection. Un transformateur de courant agit comme un dispositif intermédiaire entre les différents circuits électroniques et l'équipement de mesure. Les transformateurs de courant assurent l'isolation des tensions et courants élevés du circuit électrique. Ces transformateurs fournissent un courant secondaire dans la gamme 0-5A qui est connecté aux dispositifs de comptage.
Transformateur de courant (étiqueté A) dans une sous-station électrique

Figure 2 : Transformateur de courant (étiqueté A) dans une sous-station électrique

Construction et fonctionnement d'un transformateur de courant

La construction d'un transformateur de courant est similaire à celle d'un transformateur classique. 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 primaires et secondaires 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
Symbole du transformateur de courant

Figure 3 : Symbole du transformateur de courant

Pour abaisser le courant à une valeur très faible, le nombre de tours dans le secondaire doit être plus grand que le nombre de tours dans le 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 conducteur 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 d'acier au silicium (figure 4 étiquetée B). Selon la loi d'induction de Faraday, le courant qui circule dans l'enroulement primaire induit un champ magnétique dans 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 à haute tension.

Transformateur de courant à noyau rectangulaire enroulé

Figure 4 : Transformateur de courant à noyau rectangulaire enroulé

La ligne transportant le courant fort (figure 5 marquée C) fournit du courant à la charge (figure 5 marquée B). Le côté primaire du transformateur de courant (Figure 5 étiqueté CT) est connecté en série avec la ligne à courant fort. Le côté secondaire du transformateur est connecté à un ampèremètre à faible portée (plage de 0 à 5 A) qui lit le courant circulant dans les enroulements secondaires.

Connexion d'un transformateur de courant pour mesurer le courant

Figure 5 : Connexion d'un transformateur de courant pour mesurer le courant

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 barres.

Transformateurs de courant à enroulement

Dans un transformateur de courant de type bobiné, les bobines primaire et secondaire sont enroulées sur un noyau. Le noyau peut avoir la forme d'un rectangle ou d'un anneau constitué d'acier ou d'alliage de nickel. Un noyau en forme de rectangle est illustré à la figure 4. Dans les transformateurs à noyau annulaire, la bobine de la section secondaire (figure 6, repérée C) est enroulée sur un noyau ferromagnétique (figure 6, repérée 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 à noyau en anneau

Figure 6 : Transformateur à noyau en anneau

Transformateur de courant à barres

Un transformateur de courant de type barre 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 d'enroulements enroulés sur un noyau circulaire entourant le conducteur primaire en forme de barre (figure 7 étiquetée B). Un isolateur en papier est maintenu sur la barre entre les sections primaire et secondaire. Les segments primaires et secondaires sont très serrés et la distance entre eux est maintenue faible pour réduire les fuites de flux, ce qui permet des mesures très précises. Un transformateur de courant à barres peut résister aux contraintes d'une forte surintensité. Ce type de transformateur se trouve généralement dans les installations où la tension est de 25kV ou moins. Les transformateurs à barres sont coûteux par rapport à leurs homologues bobinés, mais donnent des résultats extrêmement précis en raison de la réduction des fuites de flux.

Transformateurs de courant à barres

Figure 7 : Transformateurs de courant à barres

Fonctionnement des transformateurs de courant

Le fonctionnement d'un transformateur de courant est similaire à celui d'un transformateur classique à deux enroulements. Un transformateur de courant est utilisé pour mesurer les courants élevés. Lorsque le courant élevé circule dans l'enroulement primaire du transformateur de courant, il induit un petit courant dans le secondaire en fonction du nombre de tours des deux enroulements. Un ampèremètre à faible portée connecté aux bornes du secondaire peut mesurer le courant qui circule 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 à travers l'enroulement primaire
  • V2 : Tension à travers 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 valeur élevée circulant dans l'enroulement primaire.

Exemple

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

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

Notez également que, puisque la tension dans le primaire ou le secondaire est directement proportionnelle au nombre de tours, la tension induite dans l'enroulement secondaire est 300 fois supérieure à celle du côté primaire. Par conséquent, un transformateur de courant agit comme un transformateur élévateur par rapport à la tension.

Pourquoi un transformateur de courant ne doit pas être maintenu ouvert

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

La MMF produite dans le primaire entraîne la production d'un flux magnétique qui traverse le noyau, produisant ainsi une MMF et un flux magnétique dans le secondaire. La MMF du côté secondaire est généralement équilibrée par la MMF 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 circulant dans 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 à travers les enroulements secondaires devient nul ; par conséquent, la MMF produite dans le secondaire, qui équilibre généralement la MMF produite dans l'enroulement primaire, devient nulle. Comme il n'y a pas de contre-FMM, la FMM primaire sans opposition produit un flux très élevé dans le noyau, ce qui conduit à.. :

  • Pertes excessives de noyau. 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 matériau du noyau.
  • Chauffage de la bobine au-delà de sa limite
  • Dégradation de l'isolation de l'enroulement

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

Différence entre un transformateur de courant et un transformateur de tension

Les transformateurs de courant et les transformateurs de tension sont des outils sûrs pour 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 Petit nombre de tours du primaire par rapport à celui du secondaire Grand nombre de tours primaires par rapport à celui de l'enroulement secondaire
Construction de base Stratification en acier au silicium Acier de qualité supérieure fonctionnant à de faibles densités de flux
Courant/tension de ligne complète L'enroulement primaire contient le courant de pleine ligne L'enroulement primaire contient la tension de pleine ligne
Types Type de bobine et type de barre Types de potentiel électromagnétique et capacitif
Circuit ouvert au niveau du 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 un transformateur de courant et un transformateur de tension

Avantages et inconvénients des transformateurs 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 commerciales de comptage des revenus.
  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 comme les pinces ampèremétriques pour les mesures de courant.

FAQs

A quoi sert un transformateur de courant ?

Un transformateur de courant est utilisé pour mesurer le courant élevé qui passe dans une ligne, et également comme dispositif d'isolation entre les circuits électriques et les dispositifs 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 il 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 dans le côté primaire en un courant faible dans l'enroulement secondaire. Le transformateur augmente la tension du côté secondaire en réduisant le courant dans les enroulements secondaires.