Comparaison pratique des transformateurs de courant pour la mesure et la protection

Précision de la protection CTLa précision des transformateurs de courant de protection ne concerne pas la facturation précise, mais la performance prévisible en cas de défaut. Sa précision est définie par une « erreur composite » à un multiple spécifié de son courant nominal. Une classe de protection courante est5P10.Cette désignation se décompose comme suit:

• 5L'erreur composite ne dépassera pas 5 % à la limite de précision.
• PCette lettre le désigne comme un produit de classe de protection CT.
• 10Il s'agit du facteur limite de précision (ALF). Cela signifie que le transformateur de courant conservera sa précision spécifiée jusqu'à 10 fois son courant primaire nominal.

En bref, un CT 5P10 garantit que lorsque le courant primaire atteint 10 fois sa valeur nominale normale, le signal envoyé au relais reste à moins de 5 % de la valeur idéale, assurant ainsi que le relais prenne une décision de déclenchement correcte.

Charge et cote VA

FardeauLa charge électrique totale connectée aux bornes secondaires du transformateur de courant (TC) est exprimée en voltampères (VA) ou en ohms (Ω). Chaque appareil et chaque fil connecté au TC contribue à cette charge. Un dépassement de la charge nominale du TC dégrade sa précision.

La charge totale est lasomme des impédances de tous les composantsdans le circuit secondaire :

• Résistance propre de l'enroulement secondaire du CT.
• La résistance des fils conducteurs reliant le transformateur de courant à l'appareil.
• L'impédance interne de l'appareil connecté (compteur ou relais).

Calcul de la charge totale :Un ingénieur peut calculer la charge totale à l'aide de la formule :Charge totale (Ω) = Enroulement TC R (Ω) + Fil R (Ω) + Dispositif Z (Ω)Par exemple, si la résistance de l'enroulement secondaire d'un transformateur de courant est de 0,08 Ω, que les fils de connexion présentent une résistance de 0,3 Ω et que le relais a une impédance de 0,02 Ω, la charge totale du circuit est de 0,4 Ω. Cette valeur doit être inférieure à la charge nominale du transformateur de courant pour que celui-ci fonctionne correctement.

Les transformateurs de courant de mesure ont généralement une faible puissance apparente (par exemple, 2,5 VA ou 5 VA) car ils sont connectés à des appareils de mesure à haute impédance et faible consommation sur de courtes distances. Les transformateurs de courant de protection nécessitent une puissance apparente beaucoup plus élevée (par exemple, 15 VA ou 30 VA) car ils doivent fournir suffisamment d'énergie pour alimenter les bobines à plus faible impédance et à consommation plus élevée d'un relais de protection, souvent sur des câbles beaucoup plus longs. Un mauvais choix entre la puissance admissible du transformateur de courant et la charge réelle du circuit est une source d'erreur fréquente dans les systèmes de mesure et de protection.

Comprendre la tension du point de coude

La tension de seuil (KPV) est un paramètre critique propre aux transformateurs de courant de protection. Elle définit la limite supérieure de la plage de fonctionnement utile d'un transformateur de courant avant que son noyau ne commence à se saturer. Cette valeur est essentielle pour garantir la réception d'un signal fiable par un relais de protection lors d'un défaut de courant élevé.

Les ingénieurs déterminent le point de tension de crête (KPV) à partir de la courbe d'excitation du transformateur de courant, qui représente la tension d'excitation secondaire en fonction du courant d'excitation secondaire. Le « coude » correspond au point de cette courbe où les propriétés magnétiques du noyau changent brusquement.

LeNorme IEEE C57.13Ce point est défini avec précision. Pour une tomodensitométrie sans intervalle, le point d'inflexion correspond à l'angle de 45 degrés formé par la tangente à la courbe avec l'axe horizontal. Pour une tomodensitométrie avec intervalle, cet angle est de 30 degrés. Ce point précis marque le début de la saturation.

Lorsqu'un transformateur de courant (TC) fonctionne en dessous de sa tension de seuil, son noyau est dans un état magnétique linéaire. Cela lui permet de reproduire fidèlement le courant de défaut pour le relais connecté. Cependant, dès que la tension secondaire dépasse la tension de seuil, le noyau entre en saturation. La saturation, souvent provoquée par des courants alternatifs importants et des décalages continus lors d'un défaut, entraîne le dysfonctionnement du TC.l'impédance de magnétisation doit chuter de manière significativeLe transformateur ne peut plus restituer fidèlement le courant primaire à son côté secondaire.

La relation entre le KPV et la fiabilité de la protection est directe et cruciale :

• Sous le point du genou:Le noyau du transformateur de courant fonctionne de manière linéaire. Il fournit une représentation précise du courant de défaut au relais de protection.
• Au-dessus du genou :Le noyau se sature. Cela entraîne une forte augmentation du courant de magnétisation et un fonctionnement non linéaire, ce qui signifie que le transformateur de courant ne reflète plus fidèlement le courant de défaut réel.
• Fonctionnement du relais :Les relais de protection nécessitent un signal précis pour fonctionner correctement. Si un transformateur de courant se sature avant que le relais ne puisse prendre sa décision, ce dernier risque de ne pas détecter l'amplitude réelle du défaut, ce qui peut entraîner un déclenchement retardé ou une panne complète.
• Sécurité du système :Par conséquent, la tension au point de coude du transformateur de courant doit être nettement supérieure à la tension secondaire maximale prévue en cas de défaut. Ceci garantit que le relais reçoive un signal fiable pour protéger les équipements coûteux.

Les ingénieurs calculent la tension de seuil de polarisation (KPV) nécessaire pour garantir que le transformateur de courant (TC) reste non saturé dans les conditions de défaut les plus défavorables. Voici une formule simplifiée pour ce calcul :

KPV requis ≥ Si × (Rct + Rb)

Où:

• If= Courant de défaut secondaire maximal (Ampères)
• Rct= Résistance de l'enroulement secondaire du CT (Ohms)
• Rb= Charge totale du relais, du câblage et des connexions (Ohms)

En définitive, la tension au point de genou constitue le principal indicateur de la capacité d'un transformateur de courant de protection à remplir sa fonction de sécurité sous des contraintes électriques extrêmes.

Décodage des désignations des plaques signalétiques des transformateurs de courant

La plaque signalétique d'un transformateur de courant comporte un code concis qui définit ses performances. Cette désignation alphanumérique est un langage abrégé utilisé par les ingénieurs ; elle spécifie la précision, l'application et les limites de fonctionnement du composant. La compréhension de ces codes est essentielle pour choisir le transformateur adapté.

Interprétation des classes de mesure CT (ex. : 0,2, 0,5S, 1)

Les classes de mesure des transformateurs de courant sont définies par un nombre qui représente l'erreur relative maximale admissible au courant nominal. Plus ce nombre est petit, plus la précision est élevée.

• Classe 1 :Convient aux applications générales de mesure sur panneaux où une haute précision n'est pas essentielle.
• Classe 0,5 :Utilisé pour les applications de facturation commerciales et industrielles.
• Classe 0.2 :Nécessaire pour un comptage des recettes de haute précision.

Certaines classes incluent la lettre « S ». Dans les classes de transformateurs de courant (TC) de mesure CEI, comme 0,2S et 0,5S, la désignation « S » indique une haute précision. Cette classification est généralement utilisée pour la tarification de l'énergie, où la précision des mesures est essentielle, notamment pour les faibles intensités.

Interprétation des classes de protection CT (par exemple, 5P10, 10P20)

Les classes CT de protection utilisent un code en trois parties qui décrit leur comportement lors d'une panne. Un exemple courant est :5P10.

Décryptage du code 5P10 :

• 5: Ce premier nombre est l'erreur composite maximale en pourcentage (5%) à la limite de précision.
• PLa lettre « P » dans une classification comme 5P10 signifie « classe de protection ». Cela indique que le transformateur de courant est principalement conçu pour des applications de protection par relais plutôt que pour des mesures précises.
• 10Ce dernier chiffre est le facteur limite de précision (ALF). Il signifie que le transformateur de courant conservera sa précision spécifiée jusqu'à un courant de défaut égal à 10 fois sa valeur nominale.

De même, un10P20La classe CT a une limite d'erreur composite de 10 % et un facteur de limite de précision de20Dans une désignation comme 10P20, le chiffre « 20 » indique le facteur de limite de précision. Ce facteur garantit que l'erreur du transformateur restera dans des limites acceptables même lorsque le courant atteint 20 fois sa valeur nominale. Cette caractéristique est essentielle pour assurer le bon fonctionnement des relais de protection en cas de court-circuit important.

Guide d'application : Adapter le CT à la tâche

Le choix du transformateur de courant approprié n'est pas une question de préférence, mais une exigence dictée par l'application. Un transformateur de courant de mesure offre la précision nécessaire aux transactions financières, tandis qu'un transformateur de courant de protection garantit la fiabilité requise pour la sécurité des équipements. Comprendre quand utiliser chaque type de transformateur est fondamental pour une conception et un fonctionnement optimaux des systèmes électriques.

Quand utiliser un scanner de mesure

Les ingénieurs devraient utiliser un transformateur de courant de mesure dans toute application où le suivi précis de la consommation électrique est primordial. Ces appareils sont essentiels à une facturation précise et à une gestion efficace de l'énergie. Leur conception privilégie une grande précision en conditions de charge normales.

Les principales applications des scanners CT de mesure sont les suivantes :

• Comptage des recettes et des tarifsLes fournisseurs d'énergie utilisent des transformateurs de courant de haute précision (par exemple, de classe 0,2S ou 0,5S) pour la facturation des clients résidentiels, commerciaux et industriels. Cette précision garantit des transactions financières justes et correctes.
• Systèmes de gestion de l'énergie (EMS)Les installations utilisent ces capteurs de température pour surveiller la consommation d'énergie des différents services ou équipements. Ces données permettent d'identifier les inefficacités et d'optimiser la consommation d'énergie.
• Analyse de la qualité de l'énergieLes analyseurs de qualité de l'énergie nécessitent des entrées précises pour diagnostiquer des problèmes tels que les harmoniques et les creux de tension. Pour ces mesures, notamment dans les systèmes moyenne tension, la réponse en fréquence du transformateur de mesure est cruciale. Les analyseurs modernes peuvent nécessiter des données fiables.jusqu'à 9 kHz, exigeant des transformateurs à fréquence optimisée pour capturer un spectre harmonique complet.

Note sur la sélection :Lors du choix d'un transformateur de courant pour un compteur ou un analyseur de puissance, plusieurs facteurs sont cruciaux.

• Compatibilité de sortie: La sortie du CT (par exemple, 333 mV, 5 A) doit correspondre aux exigences d'entrée du compteur.
• Taille de la chargeLa plage d'ampérage du transformateur de courant doit correspondre à la charge prévue pour garantir la précision.
• Aptitude physiqueLe transformateur de courant doit pouvoir s'adapter physiquement au conducteur. Les bobines de Rogowski flexibles constituent une solution pratique pour les barres omnibus de grand diamètre ou les espaces restreints.
• PrécisionPour la facturation, une précision de 0,5 % ou mieux est la norme. Pour la surveillance générale, 1 % peut suffire.

Quand utiliser une protection CT

Les ingénieurs doivent utiliser un transformateur de courant de protection (TCP) dès lors que l'objectif principal est de protéger le personnel et les équipements contre les surintensités et les défauts. Ces TCP sont conçus pour rester opérationnels lors d'événements électriques extrêmes, en fournissant un signal fiable à un relais de protection.

Les applications courantes des CT de protection comprennent :

• Protection contre les surintensités et les défauts à la terreCes transformateurs de courant (TC) transmettent des signaux à des relais (comme les dispositifs ANSI 50/51) qui détectent les défauts de phase ou à la terre. Le relais déclenche alors un disjoncteur pour isoler le défaut. Dans les appareillages de commutation moyenne tension, on utilise un dispositif dédié.tomodensitométrie à séquence zéroLa protection contre les défauts à la terre est souvent recommandée plutôt qu'une connexion résiduelle.TC triphasésUne connexion résiduelle peut entraîner des déclenchements intempestifs dus à une saturation inégale lors du démarrage du moteur ou à des défauts de phase.
• Protection différentielleCe système protège les équipements critiques tels que les transformateurs et les générateurs en comparant les courants entrant et sortant de la zone protégée. Il nécessite des transformateurs de courant de protection appariés.relais numériques modernespeut compenser les différentes connexions CT (étoile ou delta) et les déphasages grâce à des paramètres logiciels, offrant une flexibilité importante dans ces schémas complexes.
• Protection à distanceUtilisé sur les lignes de transport d'énergie, ce système repose sur des transformateurs de courant de protection (TC) pour mesurer l'impédance en cas de défaut. La saturation des TC peut fausser cette mesure et induire en erreur le relais quant à la localisation du défaut. Par conséquent, les TC doivent être dimensionnés de manière à éviter toute saturation pendant toute la durée de la mesure.

Selon la norme ANSI C57.13, un transformateur de courant de protection standard doit résister à une tension allant jusqu'à20 foisSon courant nominal en cas de défaut lui permet de fournir un signal exploitable au relais au moment le plus critique.

Le coût élevé d'une mauvaise sélection

Utiliser un type de transformateur de courant inadapté est une erreur critique aux conséquences graves. Les différences fonctionnelles entre les transformateurs de courant de mesure et de protection ne sont pas interchangeables, et une erreur d'adaptation peut entraîner des conséquences dangereuses et coûteuses.

• Utilisation d'un transformateur de courant de mesure pour la protectionIl s'agit de l'erreur la plus dangereuse. Un transformateur de courant (TC) de mesure est conçu pour se saturer à de faibles surintensités afin de protéger le compteur. Lors d'un défaut important, il se sature presque instantanément. Le TC saturé ne peut alors plus reproduire le courant de défaut élevé, et le relais de protection ne détecte pas l'amplitude réelle de l'événement. Cela peut entraîner un déclenchement retardé ou une panne complète, provoquant des dommages matériels catastrophiques, un incendie et des risques pour le personnel. Par exemple, la saturation d'un TC peut provoquer le déclenchement d'un relais de protection différentielle de transformateur.malfonctionner, ce qui peut entraîner un déclenchement intempestif lors d'un défaut externe.
• Utilisation d'un CT de protection pour la mesureCe choix entraîne des erreurs financières. Un transformateur de courant de protection n'est pas conçu pour une précision optimale aux courants de fonctionnement normaux. Sa classe de précision (par exemple, 5P10) garantit des performances élevées, même à des niveaux de courant supérieurs à sa valeur nominale, et non à des niveaux inférieurs, là où la plupart des systèmes fonctionnent. L'utiliser pour la facturation reviendrait à mesurer un grain de sable avec un mètre. Les factures d'énergie qui en résulteraient seraient inexactes, entraînant une perte de revenus pour le fournisseur d'énergie ou une surfacturation pour le consommateur.

Scénario de défaillance critique :Dans les systèmes de protection de distance, la saturation du TC provoque la mesure d'un relais.impédance plus élevéeLa valeur de déclenchement est inférieure à la valeur réelle. Cela réduit de fait la portée de protection du relais. Un défaut qui devrait être éliminé instantanément peut être perçu comme un défaut plus éloigné, provoquant un déclenchement retardé. Ce délai prolonge la contrainte sur le système électrique et augmente le risque de dommages importants.

En définitive, le coût d'un mauvais choix de transformateur de courant dépasse largement le prix du composant lui-même. Il se traduit par la destruction d'équipements, des arrêts de production, des données financières inexactes et une sécurité compromise.

Un seul CT peut-il servir à la fois à la mesure et à la protection ?

Bien que les transformateurs de courant de mesure et de protection présentent des conceptions distinctes, les ingénieurs ont parfois besoin d'un seul appareil pour remplir les deux fonctions. Ce besoin a conduit au développement de transformateurs spécialisés à double usage, mais ceux-ci présentent certains inconvénients.

Le CT à double usage (classe X)

Une catégorie spéciale, connue sous le nom deTransformateur de courant de classe X ou de classe PSCes dispositifs peuvent assurer à la fois des fonctions de mesure et de protection. Leurs performances ne sont pas définies par des classes de précision standard telles que 5P10. Elles sont plutôt spécifiées par un ensemble de paramètres clés utilisés par un ingénieur pour vérifier leur adéquation à un système de protection spécifique.

Conformément aux normes CEI, les performances d'un CT de classe X sont définies par :

• Courant primaire nominal
• Rapport de tours
• Tension au point de genou (KPV)
• Courant de magnétisation à la tension spécifiée
• Résistance de l'enroulement secondaire à 75 °C

Ces caractéristiques permettent à l'appareil d'offrir une grande précision de mesure en conditions normales, tout en assurant une tension de seuil prévisible pour un fonctionnement fiable du relais en cas de défaut. Il est fréquemment utilisé dans les systèmes de protection différentielle à haute impédance où les performances doivent être parfaitement maîtrisées.

Limitations pratiques et compromis

Malgré l'existence de transformateurs de courant de classe X, on évite souvent d'utiliser un seul appareil pour la mesure et la protection. Les exigences de ces deux fonctions sont fondamentalement contradictoires.

Un transformateur de courant de mesure est conçu pour saturer rapidement afin de protéger les appareils de mesure sensibles.La protection CT est conçuePour éviter la saturation et permettre à un relais de détecter un défaut, un transformateur de courant à double usage doit trouver un compromis entre ces deux objectifs contradictoires.

Ce compromis signifie qu'un transformateur de courant à double usage peut ne pas être aussi performant dans aucune des deux tâches qu'un appareil dédié. La conception devient plus complexe et plus coûteuse. Pour la plupart des applications, l'installation de deux transformateurs de courant distincts et spécialisés — l'un pour la mesure et l'autre pour la protection — constitue la solution la plus fiable et la plus rentable. Cette approche garantit que les deuxsystème de facturationet le système de sécurité fonctionne sans compromis.

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Le choix entreCT de mesure et de protectionLe choix du transformateur de courant (TC) est une décision cruciale, fondée sur les priorités opérationnelles. L'un garantit la précision de la facturation, tandis que l'autre assure la fiabilité en cas de panne. Ce choix est indispensable pour la sécurité du système, l'exactitude des calculs et la longévité des équipements. Les ingénieurs doivent impérativement comparer les spécifications du TC avec les besoins de l'appareil connecté.

UNliste de vérification finalecomprend :

1. Déterminer le courant primaire: Adapter le rapport CT à la charge maximale.
2. Calculer la charge: Additionnez les charges de tous les composants connectés.
3. Classe de vérification de l'exactitudeSélectionnez la classe appropriée pour la mesure ou la protection.

FAQ

Que se passe-t-il si le circuit secondaire d'un transformateur de courant est laissé ouvert ?

Un circuit secondaire ouvert crée une haute tension dangereuse. Le courant primaire devient un courant magnétisant, saturant le noyau. Cette situation peut détruire le transformateur de courant et présente un risque d'électrocution grave.

La sécurité avant tout :Toujours court-circuiter les bornes secondaires avant de débrancher un instrument du circuit.

Comment les ingénieurs choisissent-ils le rapport CT approprié ?

Les ingénieurs choisissent un rapport de transformation tel que le courant maximal nominal du système soit proche du courant nominal primaire du transformateur de courant. Ce choix garantit un fonctionnement optimal du transformateur de courant. Par exemple, une charge de 90 A fonctionne correctement avec un transformateur de courant de 100:5 A.

Pourquoi un scanner CT de mesure est-il dangereux pour la protection ?

Lors d'un défaut, un transformateur de courant de mesure sature rapidement. Il est alors incapable de transmettre le courant de défaut réel au relais de protection. Ce dernier ne déclenche donc pas le disjoncteur, ce qui peut entraîner la destruction du matériel et de graves risques pour la sécurité.

Un seul transformateur de courant peut-il assurer à la fois la mesure et la protection ?

Les transformateurs de courant de classe X spéciaux peuvent remplir les deux fonctions, mais leur conception représente un compromis. Pour une sécurité et une précision optimales, les ingénieurs installent généralement deux transformateurs de courant distincts et dédiés : l’un pour la mesure et l’autre pour la protection.