Transformateurs de tension

Transformateurs de tension

Transformateurs de tension

Figure 1 : Transformateurs de tension

Un système d'alimentation électrique est un réseau de composants électriques utilisés pour fournir, transférer et consommer de l'énergie électrique. L'énergie est fournie par un mécanisme de production comme une centrale électrique, transférée par des lignes de transmission et des systèmes de distribution, et consommée par des applications résidentielles. Le niveau de tension doit être mesuré pour s'assurer qu'une valeur optimale est transférée en divers points du système de distribution d'électricité. Cette tension est souvent très élevée, ce qui ne peut être mesuré avec un voltmètre classique. Des transformateurs spécialisés, appelés transformateurs de mesure, sont utilisés pour mesurer des tensions et des courants très élevés dans le réseau électrique. Le transformateur utilisé pour mesurer une haute tension est appelé transformateur de tension, également appelé communément transformateur de potentiel, et celui utilisé pour mesurer un courant élevé est appelé transformateur de courant. Cet article traite de la construction, du principe de fonctionnement, de la mesure, des types et des applications des transformateurs de tension.

Table des matières

Qu'est-ce qu'un transformateur de tension

Une sous-station électrique est une station secondaire du système de production, de transmission et de distribution d'électricité où la tension est transformée d'une valeur élevée à une valeur faible ou inversée à l'aide de transformateurs. L'énergie électrique passe par plusieurs sous-stations entre les centrales et le consommateur, et la tension peut être modifiée en plusieurs étapes.

La tension générée dans une centrale ou une sous-station électrique est transmise et alimente plusieurs unités industrielles et zones résidentielles. Il faut s'assurer que la tension générée est d'une valeur optimale, et aussi que la tension reçue après transmission sur plusieurs lignes n'a pas subi de pertes importantes. Il est donc essentiel de mesurer ces tensions en différents points.

La mesure des tensions de haut niveau dans les centrales électriques et les centres de charge ne peut être effectuée par des voltmètres classiques. Un transformateur de potentiel est un instrument utilisé pour mesurer les hautes tensions dans un système de transmission ou de distribution. C'est un transformateur abaisseur qui convertit une tension d'entrée en une tension de sortie plus faible qui peut ensuite être mesurée par un voltmètre.

Note :Les termes transformateur de tension et transformateur de potentiel ont essentiellement la même signification, et les deux termes sont utilisés de manière interchangeable dans cet article.

Construction de transformateurs de tension

La construction d'un transformateur de tension est similaire à celle d'un transformateur de puissance classique avec des enroulements primaires et secondaires. La tension produite du côté de la charge est proportionnelle au nombre de tours du secondaire par rapport au primaire. La transformation de la tension est donnée par :

V1 / V2 = N1 / N2

  • V1 : Tension appliquée à l'enroulement primaire du transformateur
  • V2 : Tension produite au secondaire (charge) du transformateur
  • N1 : Nombre de tours dans le primaire
  • N2 : Nombre de tours dans le secondaire

Par exemple, un transformateur avec N1=1, N2=10, ayant une tension d'enroulement primaire (V1) égale à 10, aura une tension d'enroulement secondaire égale à 1V.

Construction d'un transformateur potentiel

Figure 2 : Construction d'un transformateur potentiel

Un transformateur de tension possède un noyau magnétique (figure 2 étiquetée F) similaire à celui d'un transformateur de puissance classique, mais avec un noyau de grande taille composé de lamelles de silicium. Le noyau magnétique peut être de type coquille ou de type noyau.

Le côté secondaire est enroulé à côté du noyau car il est facile d'isoler un enroulement basse tension (figure 2 étiquetée B). Le primaire, qui transporte la haute tension (figure 2, repère A), est enroulé sur l'enroulement secondaire avec un ruban de papier ou une isolation en coton (figure 2, repère C) entre les deux.

Les enroulements sont immergés dans une cuve remplie d'huile (Figure 2 étiquetée D), ce qui permet une meilleure isolation dans les transformateurs à haute tension nominale (supérieure à 7kV). Les bornes haute tension sont sorties du réservoir par des bagues remplies d'huile (figure 2 étiquetée E).

Principe de fonctionnement du transformateur de tension

Un transformateur de potentiel est généralement utilisé pour mesurer des tensions élevées. Le côté primaire du transformateur de potentiel (Figure 3 étiqueté PT) est connecté à la ligne de transmission dont la tension (132 kV dans la Figure 3) doit être mesurée. La ligne de transmission est connectée à une charge "A" qui reçoit l'énergie électrique de la ligne. Le transformateur de potentiel est toujours connecté en parallèle sur la ligne. Le côté secondaire du transformateur de potentiel est connecté à un voltmètre standard de faible portée (Figure 3 étiqueté V). Un transformateur de courant est toujours connecté en série avec la ligne dont le courant doit être mesuré. Lisez notre article pour voir une comparaison approfondie entre les transformateurs de tension et les transformateurs de courant.

Lorsqu'une tension est appliquée à l'enroulement primaire, elle induit une tension sur les enroulements secondaires. Cette tension est inférieure à la tension sur l'enroulement primaire et est proportionnelle au nombre d'enroulements sur les côtés primaire et secondaire.

Fonctionnement d'un transformateur de potentiel

Figure 3 : Fonctionnement d'un transformateur de potentiel

Mesure de la tension à l'aide d'un transformateur de tension

  1. Connectez le côté primaire du transformateur de tension à la ligne haute tension qui doit être mesurée.
  2. Connectez un voltmètre standard (0-250V) au secondaire du transformateur de potentiel.
  3. Notez la valeur de la tension aux bornes du secondaire du transformateur affichée sur le voltmètre.

Si le rapport entre le nombre d'enroulements du primaire et du secondaire est de 1200:1, et que le voltmètre mesure 110V aux bornes du secondaire,

  • V2=110V
  • N1=1200
  • N2=1
  • Par conséquent, V1=132 kV

Types de transformateurs de tension

Types de transformateurs de tension en fonction de leur construction

Il existe deux principaux types de transformateurs de potentiel en fonction de leur construction : le type bobiné et le type de tension de condensateur.

Transformateur de potentiel à enroulement

Les transformateurs de potentiel à noyau et coquille sont classés comme étant de type bobiné. Les enroulements primaires et secondaires sont enroulés sur les branches du noyau avec une isolation appropriée. Pour mesurer des tensions élevées (généralement supérieures à 10 kV), la construction devient complexe en raison des problèmes d'isolation. Les transformateurs de potentiel capacitifs sont donc utilisés pour mesurer des tensions très élevées.

Transformateur de potentiel capacitif

Connexion d'un transformateur de potentiel capacitif

Figure 4 : Connexion d'un transformateur de potentiel capacitif

Un transformateur de potentiel capacitif utilise un diviseur capacitif et un transformateur auxiliaire (figure 4 étiquetée A). Le diviseur à condensateur élimine la nécessité d'un transformateur de potentiel à haute tension.

Un réseau diviseur capacitif (quatre condensateurs sur la figure 4) est connecté à la haute tension à mesurer (figure 4 étiquetée B). Lorsqu'il est connecté à une tension alternative, le condensateur commence à se charger en fonction de la magnitude de la tension. La tension d'entrée est répartie entre les condensateurs, ce qui réduit la tension d'entrée élevée à une valeur faible.

La basse tension obtenue du diviseur capacitif est abaissée (figure 4 étiquetée D) à l'aide d'un transformateur auxiliaire. La partie grisée étiquetée C sur la figure 4 décrit collectivement un transformateur de potentiel capacitif qui comprend un diviseur de capacité et un transformateur auxiliaire.

Types de transformateurs de tension en fonction de la tension de fonctionnement

En fonction de la tension du système utilisé, les transformateurs de tension sont classés comme suit

Transformateurs de tension à haute tension

Les transformateurs de potentiel haute tension fonctionnent généralement avec une tension d'entrée supérieure à 69kV. Ces appareils sont adaptés à la mesure des hautes tensions sur les lignes électriques de distribution. Il n'est pas économique d'utiliser un seul transformateur pour mesurer des tensions supérieures à 500kV (car la taille du transformateur devient énorme), et dans ce cas, deux unités de transformation sont mises en cascade pour produire la tension requise.

La mise en cascade consiste à connecter deux transformateurs en série. Par exemple, pour abaisser une haute tension de 100 kV à 10V, il faut un transformateur avec un rapport de transformation (nombre de tours dans l'enroulement secondaire : nombre de tours dans l'enroulement primaire) de 1:10000, ce qui rend le transformateur extrêmement volumineux. Deux transformateurs avec un rapport de transformation de 1:100 peuvent être utilisés dans le même but. Le premier transformateur abaisse la tension d'entrée de 100 kV à 1 kV, qui est envoyée à l'enroulement primaire du second transformateur. Le deuxième transformateur abaisse la tension d'entrée de 1kV à 10V à sa sortie. Ainsi, les transformateurs peuvent être mis en cascade pour obtenir la conversion de tension exacte d'un transformateur unique, mais avec des problèmes de taille et de construction bien moindres.

Transformateurs de tension moyenne tension

Selon la norme IEEE, les niveaux de tension pratiques (tension entrante) entre 5kV-35kV sont souvent appelés moyenne tension. Certaines lignes de distribution peuvent dépasser 35kV, et ces lignes sont classées dans la catégorie haute tension.

Un transformateur de distribution moyenne tension assure la transformation finale de la tension dans un système de distribution d'énergie électrique après avoir abaissé la tension de la ligne de distribution à un niveau adapté à l'usage du consommateur. Ces transformateurs sont idéaux pour les applications intérieures et extérieures, selon le niveau de la plage de tension d'entrée (voir le tableau 1).

Remarque :La tension du système mentionnée dans le tableau 1 pour différents types de transformateurs de tension n'est donnée qu'à titre indicatif, et ces valeurs peuvent varier en fonction des différentes normes utilisées comme IEEE, IEC et ANSI.

Transformateurs de tension basse tension

Un transformateur basse tension fonctionne avec une tension d'entrée inférieure à 600V. Ce transformateur est utilisé avec des équipements de mesure ou de surveillance ou comme source d'alimentation auxiliaire dans le panneau de commande du moteur.

Types de transformateurs de tension, A : transformateur de tension haute tension, B : transformateur de tension moyenne tension, et C : transformateur de tension basse tension

Figure 5 : Types de transformateurs de tension, A : Transformateur de tension à haute tension, B : Transformateur de tension moyenne tension, et C : Transformateur de tension basse tension

Type de transformateur Construction Type d'isolation Tension du système Applications intérieures/extérieures
Basse tension Monophasé, triphasé Moulage en résine, plaie par bande 440V Intérieur
Moyenne tension Unipolaire triphasé, bipolaire triphasé Moulage en résine 3.3 kV-33kV Intérieur et extérieur
Moyenne tension Type monophasé avec mise à la terre Imprégné d'huile 3.3kV-33kV Extérieur
Haute tension Type monophasé avec mise à la terre Imprégné d'huile 66kV et plus Extérieur

Tableau 1 : Différence entre les transformateurs de tension basse tension, moyenne tension et haute tension

Types de transformateurs de tension selon leur fonction

Les transformateurs de tension sont classés en types de mesure et de protection en fonction de leur fonction.

Transformateurs de tension de type compteur

Les transformateurs de tension de type compteur sont des transformateurs de faible puissance et de haute précision utilisés pour la mesure de la tension dans les dispositifs de comptage.

Transformateurs de tension de type protection

Les transformateurs de potentiel de type protection sont utilisés pour assurer l'isolation et la protection contre les hautes tensions pendant les mesures. Les enroulements de ces transformateurs sont électriquement isolés et le côté basse tension n'est pas directement connecté au côté haute tension.

Erreurs dans les transformateurs de tension

Dans un transformateur classique, la tension de sortie dans l'enroulement secondaire est exactement proportionnelle à la tension sur le transformateur secondaire. Cependant, dans les transformateurs de tension, la tension chute en raison de la réactance et de la résistance des enroulements primaires et secondaires. Il existe deux types d'erreurs, à savoir les erreurs de déphasage et les erreurs de rapport de tension présentes dans la tension de sortie d'un transformateur de tension.

Erreur de déphasage

L'erreur de déphasage est la différence entre la phase de la tension primaire et la tension secondaire inversée. Idéalement, la tension primaire reste en phase avec la tension secondaire inversée. Mais dans la pratique, la réactance des enroulements dévie la phase de la tension secondaire, ce qui crée une erreur d'angle de phase.

Erreur de rapport de tension

L'erreur de rapport de tension est la différence entre la tension idéale à obtenir et la tension réelle obtenue aux enroulements secondaires. Le pourcentage d'erreur du rapport de tension est donné par :

{(V1 – Kn V2) / V1} ✕100

  • V1 : Tension primaire
  • V2 : Tension secondaire
  • Kn : Rapport nominal (Rapport nominal)

Avantages et inconvénients des transformateurs de tension

Avantages

  • Mesure les très hautes tensions sur les lignes de transmission en toute sécurité.
  • Permet à un voltmètre ordinaire de mesurer des tensions très élevées.
  • Assure la protection en isolant électriquement le voltmètre et la ligne haute tension.

Disadvantages

  • Un transformateur de tension ne peut pas mesurer une tension continue.
  • Les transformateurs de tension sont chers par rapport aux transformateurs classiques.

Applications des transformateurs de tension

Les transformateurs de tension sont couramment utilisés dans :

  • Circuits de relais et de comptage
  • Systèmes de protection électrique
  • Mesure des lignes de transmission à haute tension
  • Synchronisation des générateurs et des lignes d'alimentation (les lignes d'alimentation sont les lignes électriques par lesquelles l'électricité est transmise dans les systèmes électriques)

FAQs

A quoi sert un transformateur de tension ?

Un transformateur de tension est utilisé pour mesurer les lignes de transmission à haute tension et fournir une isolation dans les systèmes de comptage commerciaux.

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 les transformateurs de potentiel éclatent-ils ?

Lorsqu'un courant important entre dans les enroulements du transformateur, la surtension soudaine peut provoquer une explosion du transformateur. Les transformateurs sont programmés pour s'éteindre en cas de pic, mais l'arrêt peut prendre jusqu'à 60 millisecondes.

Comment choisir un transformateur de potentiel ?

Les principaux facteurs de sélection d'un transformateur de potentiel sont la tension de service, l'application (intérieure ou extérieure), le lieu d'installation, les tensions nominales primaire et secondaire et le niveau d'isolation.