Introduction
Un transformateur de courant (CT) est un transformateur d'instrument électrique conçu pour mesurer le courant alternatif de manière sûre et précise. Il fonctionne en utilisant le principe de l'induction électromagnétique pour transformer un courant primaire élevé en un courant secondaire plus faible pouvant être utilisé par les compteurs, les équipements de surveillance et les relais de protection.
Les transformateurs de courant sont largement utilisés dans les systèmes de distribution d'énergie, les appareillages de commutation, les équipements industriels, la mesure de l'énergie et la protection électrique. Comprendre le principe de fonctionnement d'un TC est important pour sélectionner, installer et utiliser correctement le transformateur.
Principe de fonctionnement de base
Le principe de fonctionnement de base d'un transformateur de courant repose sur l'induction électromagnétique.
Lorsqu'un courant alternatif circule dans le circuit primaire du TC, il produit un champ magnétique changeant. Ce champ magnétique crée un flux magnétique dans le noyau du CT. Le flux magnétique changeant induit alors une force électromotrice et un courant dans l’enroulement secondaire.
L'amplitude du courant secondaire est liée au courant primaire et au rapport de transformation.
Dans un CT idéal simplifié, la relation peut être exprimée comme suit :
Ip / Est ≈ Ns / Np
où:
* Ip est le courant primaire.
* Is est le courant secondaire.
* Np est le nombre de tours primaires.
* Ns est le nombre de tours secondaires.
Dans de nombreux TC pratiques, le primaire est constitué d'un conducteur traversant le noyau, tandis que l'enroulement secondaire comporte de nombreuses spires. Cela permet de représenter un courant primaire important par un courant secondaire beaucoup plus faible.
Côtés primaires et secondaires
Un transformateur de courant a deux côtés électriques principaux : le côté primaire et le côté secondaire.
Le côté primaire est connecté ou formé par le conducteur transportant le courant qui doit être mesuré.
Le côté secondaire est connecté à des instruments de mesure, des compteurs d'énergie, des appareils de surveillance ou des relais de protection.
Par exemple, un TC 400/5 A est conçu de telle sorte qu'un courant primaire d'environ 400 A correspond à un courant secondaire d'environ 5 A dans les conditions nominales.
L'appareil de mesure peut donc mesurer le courant secondaire 5A et utiliser le rapport CT pour déterminer le courant primaire correspondant.
Noyau magnétique
Le noyau magnétique est un élément clé du principe de fonctionnement du CT.
Le noyau fournit un chemin à faible-réluctance pour le flux magnétique généré par le courant primaire. L'enroulement secondaire est placé autour du noyau afin que les changements de flux magnétique puissent induire du courant dans l'enroulement secondaire.
Le matériau et la conception du noyau affectent d'importantes caractéristiques du TC, notamment la précision, le courant d'excitation et le comportement à la saturation.
Pour les applications de mesure, le noyau est généralement conçu pour fournir une transformation précise du courant sur la plage de mesure spécifiée.
Pour les applications de protection, le TC a besoin de caractéristiques lui permettant de fournir un signal de courant approprié dans des conditions de défaut.
Transformation actuelle
Contrairement à un transformateur de tension classique, un TC est spécifiquement conçu pour transformer le courant.
Le courant primaire génère un flux magnétique, et ce flux produit un courant secondaire approximativement proportionnel au courant primaire dans des conditions de fonctionnement normales.
Par exemple, considérons un TC 1 000/5 A.
Lorsque le courant primaire est de 1 000 A, le courant secondaire est d'environ 5 A dans les conditions nominales.
Si le courant primaire est de 500 A, le courant secondaire est d'environ 2,5 A.
L'équipement de mesure peut alors utiliser le rapport CT connu pour calculer le courant primaire réel.
Il est important de comprendre que le TC ne réduit pas le courant réel circulant dans le circuit primaire. Il crée un signal de courant plus faible du côté secondaire pour la mesure et la protection.
Pourquoi le courant secondaire circule-t-il ?
Le courant secondaire circule parce que le flux magnétique dans le noyau du CT change à mesure que le courant alternatif primaire change.
Selon l'induction électromagnétique, un champ magnétique changeant induit une tension électrique dans un conducteur.
Lorsque le circuit secondaire du TC est connecté à une charge appropriée, la tension induite entraîne un courant secondaire à travers ce circuit.
Le courant secondaire crée son propre effet magnétique qui s'oppose aux modifications du flux du noyau. Cette interaction permet au transformateur de maintenir la relation entre les courants primaire et secondaire.
Rapport CT et nombre de tours
Le rapport entre les tours primaires et secondaires détermine la relation de transformation actuelle.
Dans de nombreuses conceptions de TC, le primaire peut n'avoir qu'un seul tour effectif, tandis que le secondaire en a plusieurs.
Par exemple, si un TC possède une spire primaire effective et 100 spires secondaires, la relation de transformation actuelle peut être d'environ 100:1.
Cela permet à un courant primaire de 500 A de produire un courant secondaire d'environ 5 A dans les conditions nominales.
La relation exacte dépend de la conception du TC et de ses conditions de fonctionnement.
Balance électromagnétique
Un moyen utile de comprendre le fonctionnement du CT consiste à utiliser la balance magnétique.
Le courant primaire produit une force magnétomotrice dans le noyau. Le courant secondaire produit une force magnétomotrice opposée.
Dans des conditions normales de fonctionnement, le CT fonctionne de manière à ce que ces effets magnétiques maintiennent un équilibre approprié tout en transférant de l'énergie à travers le champ magnétique.
Une relation simplifiée est :
Np × Ip ≈ Ns × Est
Cette relation explique pourquoi un TC comportant de nombreuses spires secondaires peut produire un courant secondaire beaucoup plus faible.
Les performances réelles du CT incluent le courant magnétisant et d'autres effets non-idéals, de sorte que la relation pratique n'est pas parfaitement idéale.
Courant d'excitation
La totalité du courant primaire n’est pas parfaitement transférée au circuit secondaire.
Une petite partie du courant est nécessaire pour magnétiser le noyau du CT. Ceci est communément appelé courant d’excitation ou courant magnétisant.
Le courant d'excitation contribue à la différence entre le rapport de transformation CT idéal et réel.
Dans des conditions de fonctionnement normales, un TC correctement sélectionné maintient ces effets dans les limites de ses exigences de précision spécifiées.
Les caractéristiques d'excitation du noyau sont particulièrement importantes lors de l'évaluation de la précision et de la saturation du TC.
Saturation CT
La saturation se produit lorsque le flux magnétique dans le noyau du CT devient trop élevé pour que le noyau puisse maintenir sa relation magnétique normale.
Cela peut se produire dans des conditions de défaut de courant-élevé ou lorsque la charge du circuit secondaire est trop élevée pour le TC.
En cas de saturation, le courant secondaire peut ne plus reproduire fidèlement le courant primaire.
La distorsion de la forme d'onde qui en résulte peut affecter les équipements de mesure et les relais de protection.
Les TC de protection sont donc sélectionnés en fonction des conditions actuelles de défaut-attendues et des performances de protection requises.
Fardeau et principe de fonctionnement
Le circuit secondaire du TC comporte une charge constituée des équipements de mesure ou de protection connectés et du câblage entre le TC et ces appareils.
Le TC doit développer une tension secondaire suffisante pour faire passer le courant secondaire requis à travers cette charge.
Si la charge est trop élevée, le TC peut nécessiter une tension secondaire plus élevée. Cela peut augmenter le flux magnétique dans le noyau et potentiellement rapprocher le TC de la saturation.
Par conséquent, la charge est un facteur important dans le fonctionnement pratique du CT.
Applications de mesure et de protection
Le principe de fonctionnement d'un TC est le même principe électromagnétique de base dans les applications de mesure et de protection, mais les caractéristiques du TC peuvent être différentes.
Un TC de mesure est conçu pour fournir des informations actuelles précises pour les compteurs et la mesure de l'énergie.
Un TC de protection est conçu pour fournir des signaux de courant appropriés aux relais de protection, en particulier dans des conditions anormales et de défaut.
Le TC approprié doit donc être sélectionné en fonction de l'application envisagée.
Considérations de sécurité
Les transformateurs de courant nécessitent une attention particulière lors de leur fonctionnement et de leur maintenance.
Lorsque le courant primaire circule, le secondaire du TC ne doit pas être laissé en circuit ouvert-à moins que l'équipement et les procédures ne soient spécifiquement conçus pour cette condition.
Un secondaire de TC ouvert peut produire une tension dangereuse car le transformateur continue d'être alimenté par le courant primaire.
Avant de débrancher le câblage secondaire, les procédures appropriées spécifiées par le fabricant doivent être suivies, y compris les dispositions de court-circuit approuvées, le cas échéant.
L'installation, la mise à la terre, les tests et la maintenance du CT doivent également respecter les exigences de sécurité électrique applicables.
Conclusion
Le principe de fonctionnement d'un transformateur de courant repose sur l'induction électromagnétique. Un courant primaire produit un flux magnétique dans le noyau du CT, et le flux changeant induit un courant secondaire approximativement proportionnel au courant primaire en fonction du rapport du CT.
Le noyau magnétique, la disposition des enroulements, le courant d'excitation, la charge et les caractéristiques de saturation influencent tous les performances réelles du transformateur.
Le TC ne réduit pas physiquement le courant circulant dans le circuit primaire. Au lieu de cela, il produit un signal de courant secondaire plus petit qui peut être utilisé de manière sûre et pratique par les équipements de mesure et de protection.
En comprenant l'induction électromagnétique, le rapport CT, l'équilibre magnétique, la charge et la saturation, les utilisateurs peuvent mieux sélectionner et appliquer les transformateurs de courant dans les systèmes de mesure électrique, de distribution d'énergie et de protection.