Introduction : Le rôle essentiel des transformateurs d'instrument
Dans l'architecture complexe des réseaux électriques modernes, les transformateurs d'instrument sont les yeux et les oreilles essentiels qui rendent les réseaux haute tension et à courant élevé mesurables, contrôlables et sûrs. Ces dispositifs spécialisés, en particulier les transformateurs de courant (TC) et les transformateurs de potentiel (TP, également appelés transformateurs de tension ou TV), remplissent une fonction de mise à l'échelle essentielle. Ils transforment les quantités du système primaire (des milliers d'ampères, des centaines de kilovolts) en valeurs secondaires normalisées de bas niveau (généralement 5 A et 115–120 V) qui peuvent être traitées en toute sécurité par les compteurs, les relais et l'équipement de surveillance.
Pour les ingénieurs, les intégrateurs de systèmes et les spécialistes des achats, la compréhension des différences fondamentales entre les TC et les TP n'est pas qu'une question théorique : elle a un impact direct sur la précision du système, la fiabilité de la protection, la sécurité du personnel et la conformité réglementaire. Une mauvaise application peut entraîner des erreurs de mesure, des défaillances de la protection, voire des conditions dangereuses telles qu'une défaillance de l'isolation ou une explosion du transformateur.
Ce guide complet de VIOX Electric, un fabricant leader d'équipements électriques, clarifie les rôles, les conceptions, les normes et les applications distincts des transformateurs de courant par rapport aux transformateurs de potentiel. Que vous spécifiiez des transformateurs pour un nouveau poste, que vous modernisiez une installation existante ou que vous cherchiez simplement à approfondir vos connaissances techniques, cet article vous fournit la comparaison définitive dont vous avez besoin pour prendre des décisions éclairées.
Que sont les transformateurs de courant (TC) ?
Un transformateur de courant est un type de transformateur d'instrument conçu pour abaisser les courants primaires élevés à un courant secondaire normalisé de bas niveau, généralement 5 A ou 1 A, pour une mesure et une protection sûres. Contrairement aux transformateurs de puissance qui transfèrent l'énergie, les TC sont des dispositifs de détection qui fournissent une représentation proportionnelle précise du courant primaire tout en isolant électriquement les instruments de mesure du circuit haute tension.
Principe de fonctionnement de base : Les TC fonctionnent selon le même principe d'induction électromagnétique que les transformateurs conventionnels, mais avec une distinction de conception essentielle : l'enroulement primaire se compose de très peu de spires (souvent un seul conducteur ou une seule barre omnibus) et est connecté en série avec la ligne transportant le courant à mesurer. L'enroulement secondaire comporte de nombreuses spires de fil fin. Selon le rapport de transformation $I_p \times N_p = I_s \times N_s$, le courant primaire élevé $I_p$ est transformé en un courant secondaire beaucoup plus faible $I_s$ qui peut être traité en toute sécurité par les ampèremètres, les compteurs d'énergie, les relais de protection et les systèmes d'acquisition de données.
Normalisation et sécurité : Le calibre secondaire est normalisé au niveau international à 5 A (ou 1 A dans certaines applications), ce qui garantit la compatibilité entre les appareils de différents fabricants. Une règle de sécurité fondamentale régit l'installation des TC : le circuit secondaire ne doit jamais être ouvert lorsque le primaire est sous tension. Un secondaire ouvert peut provoquer la saturation du noyau, induisant des tensions dangereusement élevées qui risquent de provoquer une défaillance de l'isolation, un arc électrique, voire une explosion du transformateur. Les secondaires de TC inutilisés doivent être court-circuités ou connectés à une charge.
- Energy metering (facturation des services publics, sous-comptage)
- Surveillance du système (profilage de la charge, analyse de la qualité de l'énergie)
- Relais de protection (surintensité, différentiel, protection de distance)
- Contrôle et automatisation (verrouillage basé sur le courant, protection du moteur)
Chez VIOX Electric, nous fabriquons des TC qui répondent aux normes rigoureuses de la CEI et de l'ANSI, garantissant ainsi la précision, la fiabilité et la sécurité de vos applications les plus exigeantes.
Que sont les transformateurs de potentiel (TP) ?
Un transformateur de potentiel, également appelé transformateur de tension (TV), est un transformateur d'instrument qui abaisse les tensions élevées du système à une basse tension normalisée, généralement 115 V ou 120 V, pour une mesure et une protection sûres. Les TP fournissent une proportionnalité de tension précise et une isolation galvanique, permettant aux compteurs, aux relais et aux dispositifs de commande de fonctionner en toute sécurité à de faibles niveaux de tension tout en surveillant les circuits haute tension.
Principe de fonctionnement de base : Les TP sont essentiellement des transformateurs abaisseurs de précision. L'enroulement primaire, qui comporte de nombreuses spires de fil fin, est connecté en parallèle (shunt) entre les deux lignes ou entre la ligne et la terre dont la tension doit être mesurée. L'enroulement secondaire comporte moins de spires, produisant une tension de sortie réduite qui maintient un rapport fixe avec la tension primaire. La transformation suit la relation $V_p / V_s = N_p / N_s$, où $V_p$ est la tension primaire, $V_s$ est la tension secondaire et $N_p$, $N_s$ sont les spires d'enroulement respectives.
Normalisation et sécurité : Les tensions secondaires sont normalisées à 115 V ou 120 V pour les mesures entre phases et à 69,3 V ou 66,5 V pour les configurations phase-neutre, ce qui garantit l'interopérabilité entre les installations mondiales. Contrairement aux TC, les TP peuvent fonctionner en toute sécurité avec un circuit secondaire ouvert ; le principal danger est le court-circuit du secondaire, qui peut provoquer un flux de courant excessif et des dommages thermiques aux enroulements. Les TP sont conçus pour résister à des conditions de surtension continues (généralement 110 % de la tension nominale) et à des surtensions d'urgence de courte durée, comme le définissent les groupes IEEE.
- Mesure de la tension (comptage, surveillance du système)
- Synchronisation (mise en parallèle des générateurs, interconnexion du réseau)
- Relais de protection (sous-tension, surtension, protection de distance)
- Analyse de la qualité de l'énergie (creux de tension, gonflement, surveillance des harmoniques)
VIOX Electric fournit des TP conformes aux normes internationales CEI et ANSI/IEEE, offrant la précision et la durabilité requises pour les applications de services publics, industrielles et commerciales.
TC vs TP : Principales différences en un coup d'œil
Le tableau suivant résume les distinctions fondamentales entre les transformateurs de courant et les transformateurs de potentiel selon plusieurs dimensions.
| Fonctionnalité | Transformateur de courant (TC) | Transformateur de potentiel (TP) / Transformateur de tension (TV) |
|---|---|---|
| Fonction principale | Abaisse la haute actuel à un faible courant normalisé (généralement 5 A ou 1 A) pour la mesure et la protection. | Abaisse la haute « Maigre » (disjoncteur unipolaire) = 120 volts à une basse tension normalisée (généralement 115 V ou 120 V) pour la mesure et la protection. |
| Connexion du circuit | Connecté en série avec le conducteur transportant le courant à mesurer. | Connecté en parallèle (shunt) entre les lignes dont la tension doit être mesurée. |
| Type de transformateur | Fonctionne comme un transformateur élévateur (augmente la tension pour abaisser le courant). | Fonctionne comme un transformateur abaisseur (abaisse la tension). |
| Enroulement primaire | Peu de spires (souvent un seul conducteur ou une seule barre omnibus) ; conducteur épais pour supporter un courant élevé. | Nombreuses spires de fil fin pour résister à une tension élevée. |
| Enroulement secondaire | Nombreuses spires de fil fin pour produire un faible courant. | Moins de spires pour produire une basse tension. |
| Caractéristiques secondaires | Normalisé à 5 A (ou 1 A). | Normalisé à 115 V ou 120 V (entre phases) ; 69,3 V ou 66,5 V (entre phase et neutre). |
| Risque de sécurité | Ne jamais ouvrir le circuit secondaire lorsque le primaire est sous tension – provoque la saturation du noyau, une tension dangereusement élevée, une défaillance de l'isolation ou une explosion. | Ne jamais court-circuiter le secondaire – provoque un courant excessif, des dommages thermiques aux enroulements. |
| Considération de charge | La charge secondaire (impédance) affecte la précision ; doit être calculée pour éviter la saturation. | La charge secondaire affecte la précision ; doit être dans la plage VA nominale pour maintenir la classe de précision. |
| Classes de précision (CEI) | Comptage : 0,1, 0,2, 0,5, 1, 3 ; 0,2S, 0,5S. Protection : P, PR, TPX, TPY, TPZ. |
Comptage : 0.1, 0.2, 0.5, 1, 3. Protection : P, PR. |
| Classes de précision (ANSI/IEEE) | Comptage : 0.3%, 0.6%, 1.2%. Protection : C100, C200, C400, C800 (≈ 5P20 à VA correspondant). |
Comptage : 0.3%, 0.6%, 1.2%. Protection : Défini par la capacité de surtension (groupes IEEE). |
| Les Applications Typiques | Comptage d'énergie, surveillance de charge, protection contre les surintensités/différentielle/de distance, protection de moteur. | Mesure de tension, synchronisation, protection contre les sous-tensions/surtensions, analyse de la qualité de l'énergie. |
| Normes | CEI 61869‑2, IEEE C57.13, ANSI C57.13. | CEI 61869‑3, IEEE C57.13, ANSI C57.13. |
| Préoccupation de saturation du noyau | Risque élevé en cas de défauts ou de conditions de circuit secondaire ouvert ; nécessite une spécification de tension au point de genou. | Risque plus faible ; conçu pour un fonctionnement continu en surtension. |
| Mise à la terre secondaire | Une borne doit être mise à la terre pour la sécurité et la référence. | Une borne doit être mise à la terre pour la sécurité et la référence. |
Principaux enseignements : Les TC sont des dispositifs de détection de courant connectés en série qui ne doivent jamais être mis en circuit ouvert, tandis que les TP sont des dispositifs de détection de tension connectés en parallèle qui ne doivent jamais être court-circuités. Cette différence fondamentale dicte leur conception, leur installation et leurs protocoles de sécurité.
Variations de construction et de conception
Les transformateurs de courant et les transformateurs de potentiel sont construits sous des formes physiques distinctes pour correspondre à leurs fonctions de mesure spécifiques et à leurs exigences d'installation. Les TC se présentent généralement sous forme de types à fenêtre (donut) pour une installation facile autour des conducteurs existants, de conceptions à primaire bobiné pour les gammes de courant inférieures, de variantes de type barre pour une construction mécanique robuste et de configurations de traversée pour les applications de modernisation. Les TP sont généralement des transformateurs électromagnétiques (inductifs) pour des tensions allant jusqu'à 36 kV, des transformateurs de tension capacitifs (TVC) pour les systèmes à très haute tension et des versions moulées en résine ou immergées dans l'huile pour les conditions environnementales difficiles. Chaque type de construction équilibre la précision, le coût, la taille et la résilience environnementale pour s'adapter aux différentes applications des systèmes électriques.
Classes de précision et normes (CEI vs ANSI)
Les transformateurs de mesure sont régis par des normes internationales et régionales qui définissent leurs performances de précision, leurs méthodes d'essai et leurs systèmes de classification. Les deux cadres dominants sont CEI (Commission électrotechnique internationale) normes, utilisées mondialement, et ANSI/IEEE (American National Standards Institute/Institute of Electrical and Electronics Engineers) normes, prévalant en Amérique du Nord.
Normes CEI pour les TC et les TP
- CEI 61869‑2 : Exigences supplémentaires pour les transformateurs de courant
- CEI 61869‑3 : Exigences supplémentaires pour les transformateurs de potentiel (tension)
Classes de précision des TC selon la CEI 61869‑2
- Classes standard : 0,1, 0,2, 0,5, 1, 3 (erreur de rapport en pourcentage au courant nominal)
- Classes spéciales : 0,2S, 0,5S – précision étendue sur une plage de courant plus large (1% à 120% du courant nominal)
- Classes P : P, PR (avec rémanence) – définies par des limites d'erreur composite au courant limite de précision nominal (par exemple, 5P20, 10P20)
- Classes TP : TPX, TPY, TPZ – pour les exigences de performance transitoire dans les schémas de protection à haute vitesse
Classes de précision des TP selon la CEI 61869‑3
Classes de comptage : 0,1, 0,2, 0,5, 1, 3 (erreur de tension en pourcentage et déphasage à la tension et à la charge nominales)
Classes de protection : P, PR – similaires aux TC mais appliqués aux transformateurs de tension pour les applications de protection
Normes ANSI/IEEE pour les TC et les TP
IEEE C57.13 (et ses dérivés) est la norme principale pour les transformateurs de mesure en Amérique du Nord.
Classes de précision des TC selon la norme IEEE C57.13
- 0.3%, 0.6%, 1.2% – correspondant aux charges B‑0.1, B‑0.2, B‑0.5, B‑1, B‑2, B‑4, B‑8
- Classe C : C100, C200, C400, C800 – le nombre indique la tension secondaire à la charge standard (par exemple, C200 délivre 200 V à 100 A secondaire avec une charge de 2 Ω)
- Classe T : Les TC de classe T ont un flux de fuite plus élevé et nécessitent des tests pour déterminer les facteurs de correction de rapport
Classes de précision des TP selon la norme IEEE C57.13
Précision de la mesure : 0.3%, 0.6%, 1.2% – limites d’erreur de tension aux charges et plages de tension spécifiées (90% à 110% de la tension nominale)
Groupes IEEE : Les TP sont classés en groupes (par exemple, groupe 1, groupe 2) en fonction de leur système d’isolation et de leurs capacités de surtension, qui déterminent les facteurs de surtension continus et de courte durée.
Équivalents inter-normes
- Mesure des TC : CEI 0,2 ≈ ANSI 0,3% ; CEI 0,5 ≈ ANSI 0,6% ; CEI 1 ≈ ANSI 1,2%
- Protection des TC : CEI 5P20 à 50 VA ≈ C200 ; CEI 10P20 à 100 VA ≈ C400
- Mesure des TP : CEI 0,2 ≈ ANSI 0,3% ; CEI 0,5 ≈ ANSI 0,6%
Importance des considérations relatives à la charge
Dans les systèmes CEI et ANSI, les classes de précision sont valables uniquement aux charges spécifiées. La charge secondaire totale (y compris l’impédance du compteur/relais, la résistance des conducteurs et la résistance de contact) doit être calculée et maintenue dans la charge nominale du transformateur pour maintenir la précision déclarée. Le dépassement de la charge nominale peut provoquer une saturation (TC) ou une chute de tension excessive (TP), entraînant des erreurs de mesure ou un mauvais fonctionnement de la protection.
VIOX Electric fournit des fiches techniques détaillées qui spécifient les classes de précision, les charges nominales et les capacités de surintensité/surtension conformément aux normes CEI et ANSI/IEEE, ce qui permet une sélection appropriée pour votre application spécifique.
Applications dans la mesure, la protection et la surveillance
Les transformateurs de courant et les transformateurs de potentiel remplissent des rôles complémentaires dans les trois fonctions principales des transformateurs de mesure : la mesure (revenus et exploitation), la protection (sécurité du système et des équipements) et la surveillance (qualité de l’énergie et état du système).
Applications de mesure
TC pour la mesure de l’énergie : Les TC fournissent l’entrée de courant pour les compteurs de wattheures, ce qui permet une facturation précise pour les services publics et le sous-comptage pour les installations industrielles. Les TC de classe de mesure (CEI 0,2/0,5, ANSI 0,3%/0,6%) garantissent des erreurs minimales de rapport et d’angle de phase aux courants de charge normaux.
TP pour la mesure de la tension : Les TP fournissent la référence de tension pour les mêmes compteurs, ce qui complète le calcul de la puissance (P = V×I×cosθ). Sans les TP, les fluctuations de tension introduiraient des erreurs de mesure importantes.
Applications de protection
TC pour le relais : Les TC de classe de protection (CEI 5P20, 10P20 ; ANSI C200, C400) alimentent les signaux de courant aux relais de protection qui détectent les défauts (surintensité, différentiel, distance). Ils doivent maintenir la précision jusqu’au courant limite de précision (par exemple, 20 × le courant nominal) pour assurer un déclenchement fiable.
TP pour la protection basée sur la tension : Les TP fournissent des signaux de tension pour les relais de protection contre les sous-tensions, les surtensions et les distances. Ils doivent résister aux surtensions temporaires pendant les perturbations du système sans saturer ni perdre de précision.
Applications de surveillance et de contrôle
TC pour le profilage de la charge : Les TC connectés aux enregistreurs de données ou aux systèmes SCADA suivent les schémas de charge, les pics de demande et le facteur de puissance pour l’optimisation opérationnelle.
TP pour l’analyse de la qualité de l’énergie : Les TP permettent de surveiller les creux de tension, les gonflements, les harmoniques et le déséquilibre, ce qui est essentiel pour les processus industriels sensibles et la conformité aux normes de qualité de l’énergie.
Systèmes intégrés : Dans les postes numériques modernes, les TC et les TP alimentent les unités de fusion qui numérisent les signaux analogiques pour les systèmes de protection et de contrôle basés sur la norme CEI 61850.
Applications spécialisées
TC pour la protection du moteur : Les TC surveillent le courant du moteur pour la protection contre les surcharges, le rotor bloqué et la perte de phase.
TP pour la synchronisation : Les TP fournissent des informations précises sur la tension et l’angle de phase pour la synchronisation des générateurs au réseau.
TC/TP pour les énergies renouvelables : Dans les centrales solaires et éoliennes, les transformateurs de mesure surveillent la sortie de l’onduleur, les points de raccordement au réseau et les systèmes de collecte.
Les gammes de produits TC et TP de VIOX Electric couvrent toutes ces applications, avec des conceptions optimisées pour la précision, la fiabilité et la stabilité à long terme dans divers environnements d’exploitation.
Comment choisir le bon transformateur pour votre système
La sélection du transformateur de courant ou du transformateur de potentiel approprié nécessite un examen attentif de plusieurs paramètres clés :
Les Principaux Critères De Sélection
1. Calibre primaire : Faites correspondre le courant primaire (TC) ou la tension (TP) du transformateur aux valeurs de fonctionnement de votre système. Tenez compte à la fois de la charge normale et des conditions de défaut maximales.
- Comptage : CEI 0,2/0,5 ou ANSI 0,3%/0,6% pour la précision de la facturation
- Protection : CEI 5P20/10P20 ou ANSI C200/C400 pour une détection fiable des défauts
3. Calibre de la charge : Calculez l’impédance totale du circuit secondaire (conducteurs, compteurs, relais) et sélectionnez un transformateur avec un calibre VA suffisant pour maintenir la précision.
4. Niveau d’isolation : Assurez-vous que la tension d'isolement nominale du transformateur dépasse la tension maximale de votre système, y compris les surtensions transitoires.
5. Conditions environnementales : Tenez compte de la plage de températures, de l'humidité, de l'altitude et de l'indice de protection (indice IP) pour le lieu d'installation.
Erreurs de sélection courantes à éviter
- Sous-dimensionnement des TC pour les courants de défaut, entraînant une saturation et une défaillance de la protection
- Ignorer les calculs de charge, entraînant une dégradation de la précision
- Mélanger les normes CEI et ANSI sans comprendre l'équivalence
- Négliger les exigences de sécurité (mise à la terre, protection contre les circuits ouverts pour les TC)
Assistance à la sélection VIOX
VIOX Electric fournit une assistance technique complète pour vous aider à sélectionner le TC ou le TP optimal pour votre application. Nos experts peuvent vous aider avec les calculs de charge, les interprétations standard et les exigences de conception personnalisées.
Foire aux questions (FAQ)
Q1 : Puis-je utiliser un transformateur de courant pour mesurer la tension, ou un transformateur de potentiel pour mesurer le courant ?
Non. Les TC sont conçus spécifiquement pour la mesure du courant et doivent être connectés en série avec le conducteur. Les TP sont conçus pour la mesure de la tension et sont connectés en parallèle. Leur utilisation interchangeable entraînera des lectures incorrectes, des dommages potentiels à l'équipement et des risques pour la sécurité.
Q2 : Que se passe-t-il si j'ouvre le secondaire d'un TC alors que le primaire est sous tension ?
L'ouverture du secondaire d'un TC en charge provoque la saturation du noyau magnétique, induisant des tensions dangereusement élevées (plusieurs kilovolts) aux bornes ouvertes. Cela peut entraîner une défaillance de l'isolation, un arc électrique, un incendie ou une explosion du transformateur. Toujours court-circuiter les secondaires de TC inutilisés.
Q3 : Comment puis-je convertir les classes de précision CEI et ANSI ?
Équivalences approximatives : CEI 0,2 ≈ ANSI 0,3% ; CEI 0,5 ≈ ANSI 0,6% ; CEI 1 ≈ ANSI 1,2%. Pour les TC de protection, CEI 5P20 à 50 VA ≈ C200, et CEI 10P20 à 100 VA ≈ C400. Toujours consulter les données du fabricant pour connaître les performances précises dans vos conditions de charge spécifiques.
Q4 : Puis-je connecter plusieurs compteurs ou relais à un seul TC ou TP ?
Oui, mais la charge totale (somme de tous les appareils connectés plus la résistance des conducteurs) ne doit pas dépasser la charge nominale du transformateur. Le dépassement de la charge nominale dégrade la précision et, pour les TC, peut provoquer une saturation prématurée pendant les défauts.
Q5 : À quelle fréquence les transformateurs de mesure doivent-ils être testés ou étalonnés ?
La vérification initiale doit avoir lieu après l'installation. Les intervalles de tests périodiques dépendent de l'application : la mesure de revenus peut nécessiter un étalonnage annuel, tandis que les TC/TP de protection dans des environnements stables peuvent être testés tous les 5 à 10 ans. Suivez les directives des services publics ou réglementaires.
Q6 : Quelle est la différence entre un transformateur de potentiel (TP) et un transformateur de tension capacitif (TVC) ?
Un TP est un transformateur électromagnétique qui abaisse directement la tension. Un TC utilise un diviseur capacitif suivi d'un transformateur magnétique, ce qui le rend plus économique pour les systèmes à très haute tension (THT) (généralement ≥72,5 kV). Les TC servent également de condensateurs de couplage pour la communication par courants porteurs en ligne.
Q7 : Pourquoi les secondaires des TC et des TP doivent-ils être mis à la terre ?
La mise à la terre d'une borne secondaire fournit un point de référence stable, empêche les potentiels flottants qui pourraient mettre le personnel en danger et limite les tensions induites provenant de sources externes. Une mise à la terre appropriée est essentielle pour la sécurité et la précision des mesures.
Conclusion : Partenariat avec VIOX pour des transformateurs de mesure fiables
Comprendre les différences fondamentales entre les transformateurs de courant et les transformateurs de potentiel est essentiel pour concevoir des systèmes d'alimentation électrique sûrs, précis et fiables. Les TC, connectés en série, transforment les courants élevés en signaux normalisés de faible courant pour la mesure et la protection. Les TP, connectés en parallèle, abaissent les tensions élevées à des niveaux sûrs et mesurables. Leurs conceptions distinctes, leurs classes de précision et leurs exigences de sécurité doivent être soigneusement prises en compte lors de la sélection et de l'installation.
VIOX Electric, en tant que fabricant leader d'équipements électriques, propose une gamme complète de TC et de TP conformes aux normes internationales CEI et ANSI/IEEE. Nos produits sont conçus pour la précision, la durabilité et la performance dans diverses applications, des sous-stations de services publics aux usines industrielles et aux installations d'énergie renouvelable.
Lorsque vous avez besoin de transformateurs de mesure offrant une précision et une fiabilité sans compromis, associez-vous à VIOX. Contactez notre équipe technique pour obtenir une assistance personnalisée dans le choix des transformateurs adaptés à vos besoins spécifiques.
