Transformateurs de tension

Un réseau électrique est un réseau de composants électriques utilisés pour fournir, transférer et consommer de l'énergie électrique. L'électricité est fournie par un mécanisme de production tel qu'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 et ne peut être mesurée avec un voltmètre classique. Des transformateurs spécialisés, connus sous le nom de transformateurs de mesure, sont utilisés pour mesurer des tensions et des courants très élevés le long du réseau électrique. Le transformateur utilisé pour mesurer la haute tension est appelé transformateur de tension, également communément appelé 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 ?
• Construction de transformateurs de tension
• Principe de fonctionnement du transformateur de tension
• Mesure de la tension à l'aide d'un transformateur de tension
• Types de transformateurs de tension
• Erreurs dans les transformateurs de tension
• Avantages et inconvénients du transformateur de tension
• Applications des transformateurs de tension
• FAQ

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

Une sous-station électrique est un poste secondaire du système de production, de transport 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 électriques et le consommateur, et la tension peut être modifiée en plusieurs étapes.

La tension générée dans une centrale électrique ou une sous-station est transmise et alimente plusieurs unités industrielles et zones résidentielles. Il faut s'assurer que la tension générée est optimale et 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 élevées dans les centrales électriques et les centres de charge ne peut pas être effectuée par des voltmètres conventionnels. Un transformateur de potentiel est un instrument utilisé pour mesurer les hautes tensions dans un système de transmission ou de distribution. Il s'agit d'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 tout au long de l'article.

Construction de transformateurs de tension

La construction d'un transformateur de tension est similaire à celle d'un transformateur de puissance conventionnel 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.

Un transformateur de tension possède un noyau magnétique (figure 2 étiquetée F) similaire à celui d'un transformateur de puissance conventionnel, mais avec un noyau de grande taille composé de tôles 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 à basse tension (figure 2 étiquetée B). Le primaire, qui transporte la haute tension (figure 2 étiquetée A), est enroulé sur l'enroulement secondaire avec du ruban de papier ou de l'isolant en coton (figure 2 étiquetée C) entre les deux.

Les enroulements sont immergés dans un réservoir rempli d'huile (figure 2 étiquetée D), ce qui permet d'améliorer l'isolation des 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 à faible gamme (figure 3 étiquetée V). Un transformateur de courant est toujours connecté en série avec la ligne dont le courant doit être mesuré. Lisez notre article pour 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.

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

1. Connecter le côté primaire du transformateur de tension à la ligne à haute tension à mesurer.
2. Connecter un voltmètre standard (0-250V) au secondaire du transformateur de potentiel.
3. Notez la valeur de la tension au secondaire du transformateur affichée sur le voltmètre.

Si le rapport entre le nombre d'enroulements au primaire et au secondaire est de 1200:1, et que le voltmètre mesure 110V au 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 transformateur à enroulement et le transformateur de tension à condensateur.

Transformateur de potentiel à enroulement

Les transformateurs de potentiel à enveloppe et à noyau sont classés dans la catégorie des transformateurs bobinés. Les enroulements primaires et secondaires sont enroulés sur les membres 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. C'est pourquoi les transformateurs de potentiel capacitifs sont utilisés pour mesurer des tensions très élevées.

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 dans 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 l'ampleur de la tension. La tension d'entrée est divisée entre les condensateurs, réduisant ainsi la tension d'entrée élevée à une faible valeur.

La basse tension obtenue à partir du diviseur capacitif est abaissée (figure 4 étiquetée D) à l'aide d'un transformateur auxiliaire. La partie ombrée étiquetée C dans la figure 4 décrit collectivement un transformateur de potentiel capacitif qui comprend un diviseur de condensateur 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 à haute tension fonctionnent généralement avec une tension d'entrée supérieure à 69 kV. 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 500 kV (car la taille du transformateur devient énorme), et dans ce cas, deux unités de transformateurs sont montées en cascade pour produire la tension requise.

La mise en cascade est le processus de connexion de deux transformateurs en série. Par exemple, pour abaisser une haute tension de 100 kV à 10 V, il faut un transformateur avec un rapport de tours (nombre de tours dans l'enroulement secondaire : nombre de tours dans l'enroulement primaire) de 1:10000, ce qui rend le transformateur extrêmement encombrant. Deux transformateurs avec un rapport de tours 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 envoyé à l'enroulement primaire du second transformateur. Le second transformateur abaisse la tension d'entrée de 1kV à 10V à sa sortie. Les transformateurs peuvent donc être mis en cascade pour obtenir la conversion de tension exacte d'un transformateur unique, mais avec une taille et des problèmes 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 35 kV, et ces lignes sont classées dans la catégorie des lignes à 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'utilisation par le consommateur. Ces transformateurs sont idéaux pour les applications intérieures et extérieures en fonction du niveau de la plage de tension d'entrée (voir tableau 1).

Note :La tension du système indiquée dans le tableau 1 pour différents types de transformateurs de tension n'est donnée qu'à titre d'information et ces valeurs peuvent varier en fonction des différentes normes utilisées, telles que 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 tableau de commande du moteur.

Type de transformateur	Construction	Type d'isolation	Tension du système	Applications intérieures/extérieures
Basse tension	Monophasé, Triphasé	Plâtre en résine, plaie par ruban adhésif	440V	Intérieur
Moyenne tension	Unipolaire triphasé, bipolaire triphasé	Résine moulée	3,3 kV-33kV	Intérieur et extérieur
Moyenne tension	Type monophasé avec mise à la terre	Immergé dans l'huile	3.3kV-33kV	Extérieur
Haute tension	Type monophasé avec mise à la terre	Immergé dans l'huile	66kV et plus	Extérieur

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

Types de transformateurs de tension selon leur fonction

Selon leur fonction, les transformateurs de tension sont classés en deux catégories : les transformateurs de mesure et les transformateurs de protection.

Transformateurs de tension de type compteur

Les transformateurs de tension de type compteur sont des transformateurs de faible puissance et de grande précision utilisés pour mesurer 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 isolés électriquement et le côté basse tension n'est pas directement connecté au côté haute tension.

Erreurs dans les transformateurs de tension

Dans un transformateur conventionnel, 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 – K_n V2) / V1} ✕100

• V1 : Tension primaire
• V2 : tension secondaire
• K_n : Rapport nominal (Rapport nominal)

Avantages et inconvénients du transformateur de tension

Avantages

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

Disadvantages

• Un transformateur de tension ne peut pas mesurer la tension continue.
• Les transformateurs de tension sont coûteux par rapport aux transformateurs conventionnels.

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 par lesquelles l'électricité est transmise dans les réseaux électriques).

FAQ

À quoi sert un transformateur de tension ?

Un transformateur de tension est utilisé pour mesurer les lignes de transmission à haute tension et assurer l'isolation des 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 est connecté en série avec la ligne à mesurer.

Pourquoi les transformateurs de potentiel éclatent-ils ?

Lorsqu'un courant important pénètre 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.