capteurs hybrides, en HT - schneider-electric.com · simultanément les avantages et inconvénients de toutes ces solutions selon leur domaine d’emploi. ... électronique analogique

n° 170des transformateursde courant auxcapteurs hybrides,en HT

CT 170 édition décembre 1993

photographiephotographie

Christian Teyssandier

Entré chez Merlin Gerin en 1962,il est diplômé ingénieur INPG- Institut National Polytechniquede Grenoble - en 1967.Jusqu'en 1974 il travaille lesproblèmes de magnétisme pourle moteur linéaire. Il occupeensuite différents postes àresponsabilités techniques dansle domaine des condensateursde puissance haute, moyenne etbasse tension.Puis en 1983, il devient chef deprojet de l'activitétransformateurs de mesuremoyenne tension.En 1992, il rejoint l'activitéAnticipation de la DivisionMoyenne Tension deMerlin Gerin.

Cahier Technique Merlin Gerin n° 170 / p.2

lexique

capteur hybride :capteur de courant ou de tension quicomprend au moins un élémentsensible à la grandeur à mesurer,couplé à un système électroniquedélivrant un signal secondaire (courantou tension), image en module et enphase de la grandeur primaire.

CEM :compatibilité électromagnétique, c’estla capacité d’un dispositif à fonctionnercorrectement dans son environnementélectromagnétique sans générer deperturbation intolérable pour quoi quece soit dans cet environnement(cf. Cahier Technique n˚ 149)

biréfringence :les matériaux dont l’indice de réfractiondépend à la fois de la direction depropagation, de l’état de polarisation, etaussi de la fréquence de l’ondelumineuse sont dits anisotropes oubiréfringents.

RemarqueLes niveaux de tensions font l’objet de différents classements selon les décrets, lesnormes, et autres spécifications particulières telles celles de certains distributeursd’énergie, ainsi en ce qui concerne les tensions alternatives supérieures à 1 000 V :

le décret français du 14 novembre 1988 définit deux domaines de tension :HTA = 1 kV < U ≤ 50 kV,HTB = U > 50 kV.

le CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique) dans sacirculaire du 27 juillet 1992 précise :MT = 1 kV < U ≤ 35 kV,HT = U > 35 kV.

la publication CEI 71 précise des gammes de tensions les plus élevées pour lematériel :gamme A = 1 kV < U < 52 kV,gamme B = 52 kV ≤ U < 300 kV,gamme C = U ≥ 300 kV.Une révision est prévue, elle retient seulement deux gammes :gamme I = 1 kV < U ≤ 245 kV,gamme II = U ≥ 245 kV.

le distributeur national d’énergie en France, EDF, utilise maintenant le classementdu décret cité ci-dessus.


1. Introduction p. 4

2. Généralités Fonctions des capteurs p. 4

Évolution des capteurs p. 5

Les grandeurs à mesurer p. 5

Les différents types de capteursde courant p. 6

La normalisation p. 7

3. Transformateur de courant Utilisation p. 9

Normalisation p. 9

Spécification d’un TC p. 10

Applications particulières p. 12

Comportement en CEM p. 13

Un risque particulier p. 13

4. Capteur de courant à bobine Fonctionnement p. 14

Normalisation p. 15

Fonctionnement en régimepermanent et transitoire p. 15

Spécification des capteurs decourant à bobine de Rogowski p. 16

Comportement en CEM p. 16

5. Capteurs hybrides. Capteurs optiques àeffet Faraday p. 17

Capteurs de courant à effet Hall p. 19

Capteur de courant à flux nul p. 21

6. Tableau comparatif, synthèse p. 21

7. Conclusion et avenir Les solutions du présent p. 22

Les solutions de l’avenir p. 22

Annexe 1 : précision des TC selon la CEI 185 p. 23

Annexe 2 : classement des TC selon la CEI 44-6 p. 24

Annexe 3 : bibliographie p. 24

Les évolutions technique ettechnologique des équipements deprotection et de contrôle-commandemis en œuvre dans les réseaux dedistribution d’énergie électriquenécessitent une évolution parallèlede leurs sources d’informations quesont les capteurs de courant et detension.Ce Cahier Technique traiteprincipalement des capteurs de courantpour les applications moyenne tension.Après quelques rappels surles besoins d’informations et surles transformateurs de courant, cedocument présente les nouveauxcapteurs hybrides et en particulierceux conçus à partir d’une bobinede Rogowski. Il démontresimultanément les avantages etinconvénients de toutes ces solutionsselon leur domaine d’emploi.

de Rogowski

des transformateurs de courantaux capteurs hybrides, en HT

sommaire


nature du courant (continu oualternatif) ; niveau de tension (basse tension- BT -, haute tension - HTA et HTB -) ; évolutions transitoires de cesgrandeurs liées aux changementsd’état intervenant naturellement ouaccidentellement dans l’exploitationd’un réseau électrique.Plusieurs phénomènes physiquespeuvent être mis en application pour lamesure des courants alternatifs. Cesdifférentes méthodes conduisent à desniveaux de performances qui sont

eux-mêmes plus ou moins compatiblesavec celles requises par les différentsniveaux de protection, d’exploitation etde sécurité recherchés.Pour aboutir à la meilleure spécificationpossible des capteurs à installer sur unréseau il faut pouvoir évaluer leursperformances. La connaissance dufonctionnement des différents types estnécessaire pour faire cette évaluation.

La bonne exploitation et la sécuritédes réseaux électriques dedistribution d’énergie, depuisla centrale électrique de productionde l’énergie jusqu’au point d’utilisation,se font par l’intermédiaired’équipements de protection et decontrôle-commande qui exigent laconnaissance permanente des deuxgrandeurs électriques fondamentalesque sont le courant I et latension U.La connaissance de ces deuxgrandeurs comporte plusieurs aspects :

Les équipements de mesure, deprotection et de contrôle-commande,qui utilisent des grandeurs d’entrée defaible niveau, ne peuvent pas accepterles perturbations existantes sur lesréseaux de puissance auxquels ils sontconnectés par l’intermédiaire descapteurs de mesure.

Séparer le réseau de puissance duréseau de mesure, de protection etde contrôle-commandeLes réseaux électriques sont le siègede perturbations électriques etélectromagnétiques importanteset particulièrement sévères dansles postes à haute tension. Cesperturbations sont liées auxmanœuvres d’appareillages(sectionneurs, interrupteurs,disjoncteurs et contacteurs), auxdécharges atmosphériques auxquellessont exposées les lignes aériennes et àl’apparition ou la suppression desdéfauts sur les réseaux d’exploitation.Ces perturbations se superposentlocalement et temporairement auxgrandeurs nominales du courant et dela tension en entraînant desperturbations de ces grandeurs.

2. généralités

1. introduction

justeUn capteur est juste s’il donne, dansdes conditions spécifiées, un signal x2identique, à un facteur de mesure près,à celui qui sert à mesurer x1.x1 = k . x2avec k = facteur de mesure.

fidèleUn capteur est fidèle si le facteur demesure k est indépendant du temps etdes conditions d’emploi, pourvu quecelles-ci restent dans les valeursspécifiées :si à t1 x1 = k1 . x2et à t2 x1 = k2 . x2et si k1 ≠ k2,alors le capteur de mesure n’est pasfidèle.Plus avant dans ce Cahier Technique ilsera donné des exemples de capteursqui ne sont ni justes ni fidèles danscertaines conditions de fonctionnement,notamment en période de régimetransitoire, qui diffèrent des conditionsspécifiées.Le rapport de transformation, ou plusgénéralement le facteur de mesure,permet d’adapter le signal à mesureraux performances de l’appareil qui sertà mesurer, analyser et traiter ce signal.

fonctions des capteursLes capteurs ont trois fonctionsessentielles : fournir une image juste et aussi fidèleque possible de la grandeur électriqueà mesurer ; assurer une séparation entre lesréseaux de puissance et les réseauxde mesure, de protection et decontrôle-commande ; assurer, soit une interchangeabilitéentre les moyens de mesure, deprotection et de contrôle-commande,soit répondre à une spécificité de cesmêmes moyens.

Fournir une image juste et fidèleA partir des deux grandeurscaractéristiques de tout réseauélectrique que sont le courant et latension, les équipements de mesure,protection et de contrôle-commandeélaborent un certain nombre deparamètres tels que : cos ϕ,dépassement de seuil, puissanceinstantanée,…Il faut donc pour plusieurs raisons(financière, sécurité, sûretéd’exploitation) que les signaux délivréspar les capteurs alimentant ceséquipements soient justes et fidèles :


possible d’avoir plusieurs relais deprotection connectés sur une mêmesortie de capteurs.

électronique numériqueA base de microprocesseurs, c’est latechnologie d’aujourd’hui, elle esttoujours en cours d’évolution. L’énergierequise par cette technologie est trèsfaible, de l’ordre du mVA (0,001 VA) enrégime normal et 0,25 VA lors d’undéfaut. De ce fait, généralement, lescapteurs peuvent n’offrir qu’une seulesortie de très faible puissance suffisantepour alimenter l’unité de protection et decontrôle-commande qui leur estassociée ; dans certains cas et enparticulier pour les protectionsdifférentielles (zone, jeux de barres,transformateur,…) les capteurs doiventprésenter au moins deux sorties.Ces évolutions n’ont pas encore étéentièrement prises en compte par lanormalisation des capteurs. Celle-ci nepermet pas aujourd’hui de profitercomplètement de tous les avantagesqu’offrent les technologies à base demicroprocesseurs et les capteursdéveloppés dans les années récentes.Cependant il apparaît sur le marché,notamment en HTA et en HTB deschaînes de mesure, de protection et decontrôle-commande bénéficiant de cesévolutions. Ces équipements sontassociés à des capteurs spécifiquesréalisant une adaptation aussi parfaiteque possible entre le réseau depuissance et la chaîne de contrôle-commande. Ces capteurs ne sont pasutilisables avec d’autres dispositifs demesure, de protection et de contrôle-commande que ceux pour lesquels ilsont été développés.

évolution des capteursOutre le fait que les équipements modernesnécessitent moins d’énergie, l’évolutiondes capteurs dans les années récentesest surtout liée à trois besoins : fiabilitéLa recherche permanente de lacontinuité de service, la limitation deseffets extérieurs en cas d’incident ontcontribué à cette évolution. justesse et fidélitéL’évolution des matériels de réseau,surtout en HTB avec l’apparition desmatériels à isolement gazeux et larecherche de continuité de service, ontconduit au développement de capteurs

La transmission de ces perturbationsau secondaire des capteurs doit êtrecompatible avec les niveauxd’isolement et d’impédance d’entréedes équipements qui constituent leréseau de mesure, de protection et decontrôle-commande. Le niveau de cettetransmission est le résultat d’unisolement galvanique plus ou moinsparfait entre circuit primaire et circuitsecondaire des capteurs. Le facteur detransmission est fonction : des technologies de réalisation descapteurs ; et des phénomènes physiquesretenus (pour effectuer la mesure),certains conduisant à un facteurquasiment nul.Ainsi, l’isolement galvanique joue unrôle essentiel dans le comportement enCEM -Compatibilité électromagnétique-des différents types de capteurs.Le comportement en CEM sera traitépour chaque type de capteur présentédans ce Cahier Technique. Il dépendaussi des équipements associés, carles capteurs servent à l’adaptation auréseau de puissance des différentsmoyens de mesure, de protection et decontrôle-commande.

Interchangeabilité et satisfaction desspécificités des appareils«alimentés» par les capteursLes équipements de mesure, deprotection et de contrôle-commandeont fortement évolué durant les années80. Cette évolution n’est pas encoreterminée. De ce fait, il est possible derencontrer dans un même tableauélectrique trois technologies pour ceséquipements.

électromécaniqueC’est la technologie la plus ancienne.Elle utilise les effets électromagnétiquesdes grandeurs électriques. Ce principenécessite, de la part des capteurs, lafourniture d’une énergie importante. Del’ordre de 15 VA en fonctionnementnormal et pouvant atteindreponctuellement 3 400 VA lors d’undéfaut sur le circuit primaire du capteur.

électronique analogiqueCette technologie plus récente estapparue avec le développementintensif des semi-conducteurs.L’énergie nécessaire à ce typed’équipement est beaucoup plus faible,de l’ordre de 1 VA en régime normal et225 VA lors d’un défaut. Il devient alors

linéaires ou dits linéarisés. Cescapteurs rendent possible et sûrel’intervention des systèmes deprotection et de contrôle-commande enpériode de régime transitoire. coûtLa bonne exploitation des réseauxdans le but d’améliorer la continuité deservice, nécessite la connaissance desgrandeurs caractéristiques de réseauxen de multiples endroits, d’oùl’utilisation d’un nombre de capteurs deplus en plus grand. De ce fait le coûtdes capteurs devient donc un élémentimportant.

les grandeurs à mesurerNiveau de tensionC’est une caractéristique importante duréseau sur lequel seront installés lescapteurs. De ce niveau de tensiondécoulent les contraintes diélectriquesqui serviront au dimensionnement descapteurs.La CEI - Commission ElectrotechniqueInternationale - dans sa norme 71définit la tension la plus élevée pour lematériel, Um, comme la valeurmaximale de la tension entre phasesque le réseau peut prendre. A cettetension Um sont associées, dans lamême publication et dans lespublications se rapportant aux capteursde mesure, les contraintes diélectriquesde tenue 50 Hz, de tenue à l’onde dechoc 1,2/50 et le cas échéant la tenueaux ondes de manœuvre et aux ondescoupées.Cette publication divise en troisgammes les valeurs normalisées deUm : la gamme A, de 1 kV à moins de52 kV, la gamme B, de 52 kV à moins de300 kV, et la gamme C, de 300 kV etau-dessus.La suite de ce Cahier Technique estessentiellement consacrée auxcapteurs destinés aux réseaux de lagamme A.

Types de grandeursLa gestion, la surveillance, la protectionet la téléconduite de n’importe queltype de réseau électrique se font àpartir des deux grandeurs tension etcourant, caractéristiques de tout circuitélectrique.


tensionLa valeur nominale d’un réseauélectrique HTA varie de quelquescentaines de volts à quelques dizainesde milliers de volts. Les tensions dedéfaut sont généralement faibles etsouvent voisines de zéro.

courantLa valeur nominale varie de quelquesampères à quelques milliersd’ampères. Les courants de défautpeuvent atteindre plusieurs dizaines dekiloampères.Seuls les capteurs de courant serontexaminés dans ce Cahier Technique :ils représentent la majorité descapteurs de grandeurs électriques dansun réseau. C’est en HTA que leur poidséconomique est le plus important… etdoit donc être minimisé.Pour cela il faut : d’une part, connaître lesperformances recherchées pourl’application à traiter et les spécifier leplus justement possible ; d’autre part connaître lefonctionnement et évaluer lesperformances des différents types decapteurs de courant.

Utilisation des grandeursPour l’exploitation d’un réseau, cesgrandeurs caractéristiques (tensionet courant) sont utilisées par différentsmatériels. La connaissance de cesmatériels permet de spécifier lescaractéristiques du secondaire descapteurs de courant.

appareils de mesure indicateurs de tableau, relativementpeu précis, ils permettent une lecturede la valeur des grandeurs mesurées.A noter que l’affichage à aiguille tendde plus en plus à être remplacé par unaffichage numérique intégré dans lachaîne de contrôle-commande.Ce sont les ampèremètres, lesvoltmètres, les wattmètres, lesfréquencemètres, etc. De classe 1,5ou 3 leur association à un capteur declasse 1 est en général suffisante pourla fonction à remplir. compteurs et enregistreurs, ils sontemployés soit pour la facturation parles distributeurs d’énergie, soit pour larépartition des dépenses d’énergieentre les ateliers d’un même abonné.Ils sont d’une précision en général plusimportante que les indicateursprécédemment cités. Pour lafacturation, le capteur associé est

généralement de classe 0,5. Pour larépartition, la précision demandée estplus faible, et un capteur de classe 1suffit habituellement.

relais de protectionDe type modulaire, chaque élément aune fonction bien définie ; ces élémentssont souvent regroupés pour surveillerune portion de réseau électrique(cf. fig. 1). Les fonctions élémentairesles plus connues sont les protections : à maximum de courant phase(surcharge ou court-circuit), à maximum de courant homopolaire, directionnelle de courant (phase ethomopolaire) , différentielle de zone, de retour de puissance active, de retour de puissance réactive. unités de protection et de contrôle-commandeCe sont des ensembles intégrés,configurables ayant pour base unmicroprocesseur (cf. fig. 2). Les unitésregroupent, au niveau des cellules(niveau 1 d’un système de gestiontechnique d’un réseau électrique), dansun très faible encombrement lesdiverses fonctions nécessaires àl’exploitation des réseaux électriquesque sont : les mesures, les protections, les automatismes, les communications vers des niveauxsupérieurs 2 (sous-station) ou 3 (postede conduite).A noter que les forts courants, commeles fortes tensions sont à éviter sur lescircuits d’entrées de tous ces matériels.C’est le rôle des capteurs de courant etde tension que d’adapter le niveau dessignaux à ces circuits d’entrées(mesure et/ou protection).

les différents types decapteurs de courantLes capteurs de courant se classent entrois grandes familles : les transformateurs, les capteurs spécifiques, les capteurs hybrides.

Transformateur de courant - TC -Ce capteur comporte deux circuitsélectriques, un primaire et unsecondaire, et un circuit magnétique.Il délivre un signal secondaire de mêmenature que la grandeur primaire àmesurer ; c’est une source de courant.Bien qu’il ne soit pas linéaire et que saplage d’utilisation soit limitée par lesphénomènes de saturation magnétique,c’est aujourd’hui le type de capteur leplus employé en HTA et HTB.

Un TC peut comporter plusieurssecondaires, chacun d’eux étant dédiéà une fonction précise, mesure ouprotection.

secondaire «mesure»Sa plage de précision est étroite. Elleest généralement limitée à descourants égaux ou inférieurs au courantprimaire assigné.

secondaire «protection»Dans ce cas la plage de précision esttrès large. Elle atteint très souvent uneà vingt fois le courant primaire assigné.La conception d’un tel secondaire esttrès différente selon le mode defonctionnement, régime permanent outransitoire, auquel il est destiné.Il est à noter que la plage defonctionnement d’un TC est en généralbeaucoup plus étendue que la plage deprécision, car elle doit tenir compte ducourant de court-circuit.

fig. 2 : unité de protection et de contrôle-commande (SEPAM 2000 - Merlin Gerin).

fig. 1 : relais de protection de typemodulaire (Vigirack - Merlin Gerin).


fig. 5 : schéma de principe d’un capteur de courant à effet Hall.

fig. 3 : schéma de principe d’un CS.

fig. 4 : schéma de principe d’un TC à flux nul.

I = courant à mesurer,CM = circuit magnétique,CH = cellule de Hall,i = courant d’alimentationde la cellule,Vh = tension de Hallproportionnelle à i et I,A = amplificateur de tensionou de courant.

I1 = courant à mesurer,I2 = courant du circuitsecondaire,CM = circuit magnétique,Z = impédance de chargegénéralement de faible valeur,A = amplificateur de courant,ES = enroulementsecondaire,SD = enroulement dedétection de flux nul pilotantl’amplificateur A.

Capteur spécifique - CS - ou capteurà bobine de RogowskiLe principe de ce capteur a été décritpar Rogowski en 1912. Il se distinguedes précédents par l’absence dans saconstitution de matériauferromagnétique. Cette absence luiconfère une parfaite linéarité dans unelarge plage de courant. Cette linéaritén’est pas affectée par les différentesfréquences présentes sur les réseauxHTA et HTB. Ce type de capteurassocié à une impédance de charge Z,de forte valeur (≈ 10 kΩ à 50 Hz), estune source de tension (cf. fig. 3).

Capteurs hybrides - CH -La définition d’un capteur hybridedonnée dans le lexique couvreplusieurs types de capteurs. Seuls lestypes les plus connus et les plusutilisés en HTA et HTB sontmentionnés ci-après.

capteur de courant optiqueSon élément sensible est soit une fibreoptique, soit un cristal optique. Dansles deux cas le principe de Faraday,découvert en 1845 par ce physicien,est utilisé.

transformateur à flux nulDans ce type de CH l’élément sensibleest un TC dans lequel le flux créé par leprimaire est annulé pour chaqueenroulement secondaire par unenroulement auxiliaire (cf. fig. 4). Cequi annule les méfaits de la saturation,mais ne peut être fait que dans uneplage limitée de fonctionnement(courant et fréquence).

capteur de courant à effet HallSon élément sensible est une cellule deHall (cf. fig. 5). Il permet de mesureraussi bien des courants continus quedes courants alternatifs. Utilisantgénéralement un circuit magnétiquepour augmenter sa sensibilité, il estalors soumis à des phénomènes desaturation, comme un TC.

la normalisationLa normalisation existante, nationale ouinternationale, ne concerne que les TC(transformateurs de courant). Destravaux sont en cours pour aboutir àune normalisation des capteurshybrides -CH-. Les capteursspécifiques ne sont pas encoreconcernés par de tels travaux.

I = courant à mesurer,

Z

enroulement secondaire(fil fin)

rayon moyen du tore

rayon du support

support non ferromagnétique

tension délivrée

I

u = f ( )dI

dt

Z

I1

A

CM

SD

ES

I2

CM

CH

i

I

Vh +

-A


Normes nationalesDans la CEE les normes nationales desdifférents pays, sont en coursd’harmonisation par l’intermédiaire duCENELEC. Cette harmonisation se faitsur les bases de la normalisationinternationale éditée par la CEI.

Normes internationalesLa CEI par l’intermédiaire du Comitéd’Etudes N˚ 38 élabore les normesconcernant les capteurs de courant etde tension.

PrécisionA partir des normes existantes pour lesTC, il est possible de définir un certainnombre de termes génériques pouvants’appliquer à tous les types decapteurs. Ils sont regroupés, dans cettenormalisation, sous le terme deprécision. Ils permettent de spécifier etd’évaluer les performances etdomaines d’utilisation des capteurs decourant.

rapport de transformation théorique.C’est le rapport entre les valeurs

efficaces assignées des grandeursprimaires et secondaires. Il estgénéralement noté Kn. C’est, pour lesTC, un nombre sans dimension. Pourles CS ou CH il est souvent exprimé enAmpère (primaire) / Volt (secondaire).

erreurTous les capteurs ont desimperfections qui introduisent desdistorsions dans la restitution du signalsecondaire. Il existe en courantalternatif trois types d’erreur : l’erreur de rapport : exprimée en pourcent, elle est calculée à partir de ladifférence qui existe entre les rapportsde transformation réel et théorique(cf. annexe 1) ; l’erreur de phase : habituellementexprimée en minute d’angle, elledonne, à π (TC) ou π/2 (CS) près,l’écart de phase qui existe entre levecteur de la grandeur primaire et celuide la grandeur secondaire (cf.annexe 1) ; l’erreur composée : exprimée en pourcent de la valeur efficace du courant

primaire, c’est en régime permanent,la valeur efficace de la différence entre :- la valeur instantanée du courantprimaire,- et le produit du rapport detransformation assigné par la valeurinstantanée du courant secondaire.

classe de précisionLa classe de précision définit pour uncapteur de courant les limitesmaximales des erreurs (de rapport et dephase) dans des conditions spécifiées.

charge de précisionExprimée en ohms, avec un facteur depuissance spécifié, c’est la valeur del’impédance raccordée aux bornessecondaires du capteur sur laquellesont basées les conditions deprécision.

puissance de précisionExprimée en VA, c’est la puissanceapparente que le capteur peut fournir àsa charge de précision, lorsqu’il esttraversé par le courant primaireassigné.


La normalisation actuelle permet, pourles TC et les deux cas defonctionnement (permanent ettransitoire) et à partir de conditionsspécifiées, de bien évaluer lesperformances de ces matériels.

normalisationFonctionnement permanentLes TC destinés à fonctionner suivantce régime doivent satisfaire auxnormes internationales, européennes etnationales. normes internationales.CEI 185, deuxième édition de 1987 encours de révision par le CE 38, elleconcerne les TC de mesure et deprotection de classe P (cf. annexe 2).La révision en cours a pour objet principalla refonte des clauses concernant lescaractéristiques diélectriques etl’adjonction d’un certain nombre dedispositions concernant uniquement lesTC pour la HTB comme les effortsmécaniques sur les connexions, lesperturbations radioélectriques.

normes européennesCette normalisation, éditée par leCENELEC, est faite à partir desdocuments CEI. Pour les TC, en 1993,il n’existe pas encore de documentsEN. Seuls les documentsd’harmonisation (HD) sont en cours dediscussion.

normes nationalesElles sont actuellement en Europeassez différentes les unes des autres.A l’avenir elles seront plus proches carelles devront toutes être conformes à lanorme EN relative au TC pourfonctionnement en régime permanent. FranceLa norme NF C 42-502 (février 1974) estpratiquement conforme aux documentsCEI et le sera à la norme EN àl’exception du mode de repérage desbornes secondaires.

Note :Selon la Norme NF C 42-502 la bornesecondaire reliée à la masse del’installation est toujours repérée S2 ;elle est aussi la borne commune à tousles rapports dans le cas de TC à

plusieurs rapports de transformationobtenus par prises sur l’enroulementsecondaire. Par ailleurs, la même normeprécise que les enroulements destinés àla mesure doivent avoir un repère impairalors que les enroulements destinés à laprotection seront repérés par unchiffre pair. Grande BretagneLa norme BS 3938 (février 1973) esttrès proche de celle de la CEI et serapratiquement conforme au documentEN. Elle inclut en plus les enroulementsclasse X destinés à la protection. Cedernier type permet une spécificationplus précise des enroulements deprotection. Cette classe pourrait être,dans un avenir proche, introduite dansles normes européennes EN. ItalieLa norme CEI 1008 (Octobre 1987)(Comitato Electronico Italiano) estconforme à la CEI 185. Elle sera aussiconforme à la norme EN lors de sapublication. USALa norme ANSI/IEEE C57 13 (1978) estassez différente de la CEI 185 et desnormes européennes :- les classes et les puissances deprécision ne sont pas définies dans lesmêmes termes,- les repérages des bornes sont trèsdifférents,- et les appareils sont souvent plusencombrants.

Fonctionnement transitoireLes grands distributeurs d’énergie ontdepuis longtemps des spécificationsd’entreprise concernant lefonctionnement des TC en modetransitoire.De telles spécifications ont été, et sontencore, satisfaites par des fabricationsspéciales. Elles font l’objet d’accordsdirects entre le constructeur etl’utilisateur. normes internationales.Les prescriptions concernant les TCpour protection, pour une réponse enrégime transitoire, sont maintenantdonnées au niveau international par lanorme CEI 44-6 (première édition1992-03).

3. transformateur de courant

Son principe (brièvement décrit auchapitre 2) lui confère des propriétésavantageuses, mais aussi gênantesdans certains cas, pour l’exploitationdes réseaux.Sa description technique ainsi que soncomportement sont particulièrementdéveloppés dans le Cahier TechniqueN˚ 164, qui aborde principalement lesproblèmes liés au fonctionnement desinstallations électriques en régimepermanent.

utilisationEn HTB, l’apparition des matérielsblindés à isolement gazeux et larecherche d’une stabilité dynamiquepermanente des réseaux comportantdes générateurs de forte puissancerendent nécessaire la prise en comptedu fonctionnement pendant lespériodes de changement d’état duréseau (régime transitoire).Les phénomènes de saturation etd’hystérésis, sans sur-dimensionnement important desnoyaux magnétiques des TC, font quela réponse en régime transitoire de cetype de capteur n’est ni juste ni fidèle.Il faut, en général, attendre la fin durégime transitoire pour obtenir uneréponse juste. Ce temps d’attente,dans certains cas d’exploitation et dedéfaut, n’est pas toujours compatibleavec la sécurité des matériels et despersonnes. Il est parfois nécessaire dedétecter le défaut lors de la premièrepériode du régime transitoire qui danscertains types de réseaux peut durer200 ms (soit 10 périodes).Justesse et fidélité sont aussinécessaires en période de régimetransitoire : en HTB, pour les matériels setrouvant près des centrales de fortepuissance et sur les jeux de barres deposte important ; en HTA, au voisinage des sources,lorsqu’un réseau HTB de fortepuissance est alimenté, soit par untransformateur à fort rapport detransformation (220 kV/ 20 ou 36 kVpar exemple), soit par des générateursde très forte puissance unitaire.


et le facteur de sécurité (FS) maximalgénéralement compris entre 5 et 10,très exceptionnellement inférieur à 5.

Note : Le facteur de sécurité est lerapport entre le courant primaire pourlequel l’erreur de rapport detransformation est supérieure ou égaleà 10 %, et le courant primaire assigné.Les différentes classes de précision etles contraintes en découlant sontdonnées dans les différentes normes.Pour les appareils de tableau uneclasse 1 est généralement amplementsuffisante. La désignation usuelle d’untel secondaire est faite commeci-après.

10 VA Cl1 FS < 10

protectionIl y a deux manières de spécifier lesenroulements destinés à la protection.- Suivant la CEI 185 et les normeseuropéennes : en spécifiant lapuissance de précision (en VA),la classe de précision (5P ou 10P)et le facteur limite de précision(FLP).La classe de précision donne l’erreurcomposée maximale admise sur lecourant secondaire pour un courantprimaire égal à FLP fois le courantprimaire assigné ( 5P = 5 %,10P = 10 %). Les caractéristiques etles contraintes associées auxdifférentes classes de précision sontdonnées par les différentes normes.Les enroulements sont alors désignéscomme suit.

10 VA 5P 10

- Suivant la BS 3938 : en spécifiantla valeur en volts de la tensiond’excitation au coude de saturation(Vk), la résistance maximale del’enroulement (Rct) et le cas échéantle courant d’excitation maximal (Io)pour la tension Vk. Dans ce cas lesenroulements sont désignés commesuit.

normes européennes et nationales.Il n’existe pas encore de telles normes.La norme européenne, en coursd’élaboration, sera très voisine de laCEI 44-6. Les normes nationales serontéditées par les différents organismes àpartir du document EN.

spécification d’un TCLes différents intervenantsL’utilisateur, le concepteur du réseau,le fabricant du système de protection etle fabricant des TC interviennent, à desniveaux différents, dans la spécificationdes TC, chacun ayant despréoccupations différentes.

le concepteur du réseau qui, pourdes raisons de sécurité defonctionnement, a tendance à majorerles facteurs de dimensionnement liésau primaire du TC : tenue thermique et électrodynamiquereprésentée par les valeurs efficaces etde crête des courants de court-circuit àtenir pendant une durée généralementégale à 1 seconde. durée du régime asymétrique endonnant des constantes de temps ourapport X/R surestimés. le fabricant de relayage qui aussipour des raisons de sécurité defonctionnement de son matériel, atendance à spécifier des performancessecondaires élevées. puissance de précision ensurestimant la valeur des impédancesde liaison entre relais et TC ; classe de précision en demandant auTC de ne pas introduire d’erreursupplémentaire dans la chaîne ; alorsqu’il serait peut être plus avantageuxd’utiliser des équipements un peu plusprécis et des TC de moins bonneprécision, ce pour obtenir une précisionglobale identique.Exemple : un appareil de mesure declasse 3 avec un TC de classe 0,5donnent une précision globale declasse 3,5. Dans certains cas il est plusavantageux (financièrement) deprendre un appareil de classe 2 et unTC de classe 1 qui donnent, uneprécision globale de classe 3. Ceci estparticulièrement vrai dans le cas desfaibles courants primaires et de fortcourant de court-circuit. le fabricant de TC qui essaie deconcilier les différentes demandes, touten tenant compte de ses propres

impératifs, afin de pouvoir satisfaire lademande. Le rapport I th / In (tenuethermique 1s / Iprimaire assigné) donneune bonne idée sur la faisabilité du TC,et ce quelles que soient les performances secondaires demandées. Par exemple : I th / In ≤ 100 : le TC obtenu peut êtreconsidéré standard avec desperformances secondaires normales. 100 < Ith / In ≤ 400 : le TC répondant àcette spécification est un TC dont lafaisabilité est étudiée individuellement,ses performances secondaires sontr é d u i t e s . I th / In > 400 : ce TC n’est pas toujoursréalisable. Lorsqu’il l’est, sesperformances secondaires sont trèsfaibles.

Les grandeurs à spécifierPour fabriquer un TC, plusieursgrandeurs doivent être spécifiées.Certaines de ces grandeurs ont desvaleurs normalisées (cf. les normescitées dans le paragraphenormalisation).Pour les TC devant avoir une précisionspécifiée en régime transitoire il faut serapporter, soit à la norme CEI 44-6, soitaux spécifications d’entreprises.L’énumération ci-après ne concerneque les TC fonctionnant dans le cadred’un régime permanent.

primaire niveau d’isolement défini par troistensions, la plus élevée du réseau(Um), la tension assignée de tenue decourte durée à fréquence industrielle etla tension de tenue au choc de foudre ; le courant de court-circuit thermiqueassigné (I th) et sa durée si elle diffèrede 1 s ; la tenue électrodynamique (Idy) si savaleur crête diffère de 2,5 Ith ; le courant primaire assignéLes règles de l’art de la professionveulent que le courant nominal duréseau sur lequel est installé un TC soitcompris entre 40 et 100 % du courantprimaire assigné du TC.

secondaireLa fonction, mesure ou protection,du secondaire doit être précisée.Elle entraîne des contraintes et desspécifications différentes. Dans lesdeux cas il faut spécifier le courantsecondaire assigné (1 ou 5 A). mesureIl faut spécifier la puissance deprécision (en VA) la classe de précision

puissance de précision = 10 VA

facteur limite de précision = 10

classe de précision = 5P

classe de précision = 1facteur de sécurité < 10

puissance de précision = 10 VA


0,050 150 R 0,50

Les imperfections des TCLes imperfections magnétiques(saturation, rémanence, pertes parcourant de Foucault et par hystérésis)sont, dans les TC, génératricesd’imprécisions : erreur de rapport et dephase, linéarité imparfaite, réponsedépendant des situationsantécédentes… D’autresimperfections sont liées àl’environnement électromagnétiqueet électrique du TC.

phénomènes magnétiquesSaturation et hystérésis sont les deuxprincipaux phénomènes«perturbateurs» : un TC saturé délivreun signal qui n’est plus sinusoïdal et saprécision ne peut plus être garantie(erreurs de rapport et de phasefortement amplifiées).Ces phénomènes apparaissent : pendant un régime transitoire, parexemple fermeture d’un circuit surdéfaut avec ou sans composantecontinue, l’état de saturation atteintdépend de l’état magnétique initial ducircuit magnétique (présence plus oumoins importante d’une inductionrémanente) ; en régime permanent de court-circuitsi la valeur de celui-ci est supérieur àFLP fois le courant primaire assigné ; lorsque la valeur de la charge, àlaquelle est raccordé le TC, estsupérieure à sa charge de précision,cas des connexions de grandelongueur ou des adjonctionsd’équipements dans le circuit de charged’un enroulement secondaire ; si la fréquence du réseau estinférieure à la fréquence assignée :l’utilisation en 50 Hz de TC ayant unefréquence assignée de 60 Hz provoqueune augmentation d’induction de 20 % ;par contre une utilisation en 60 Hz deTC de fréquence assignée 50 Hz neprésente pas de risques.Le fonctionnement en régime saturé nedoit pas être maintenu. La saturationprovoque des échauffements anormauxdes constituants actifs du TC : du circuit magnétique, car les pertespar hystérésis et courants de Foucaultdeviennent importantes ;

du bobinage secondaire, car lescourants, bien que fortement déformés,sont aussi très grands.

phénomènes externes positions du conducteur primaire etdes conducteurs voisins.Leurs géométries et leurs positionsrespectives peuvent altérer de façonnon négligeable la précision destransformateurs de mesure. Ces

altérations sont dues à la non linéaritédes matériaux ferromagnétiques. Lecas typique est celui destransformateurs de courant installésdans une boucle (cf. fig. 6) ou ceuxinstallés en quinconce dans un jeux debarres (cf. fig. 7). Ces deux montagesprovoquent un accroissement localiséde l’induction d’où introduction d’uneerreur.

fig. 7 : schéma de trois TC traversants installés en quinconce dans un jeu de barres.

résistance Rct en Ohmstension Vk en Voltscourant Io en Ampères

Le conducteur de retour ou de laphase voisine (PR) crée un champmagnétique perturbateur dans lecircuit magnétique (CM) ; ce champs’ajoute vectoriellement à celui créepar le courant I1 à mesurer duconducteur qui le traversenormalement (PA). Cette additionvectorielle conduit à uneaugmentation de l’induction dans lazone A.Cet accroissement d’induction estfonction :- du courant circulant dans leconducteur perturbateur,- de la distance existant entre lecircuit magnétique et ce courantperturbateur.Il conduit alors à des saturationslocales qui provoquent uneaugmentation de la valeur ducourant d’excitation (Ie) et parconséquent des erreurs.

fig. 6 : schéma d’un TC traversant dont le circuit primaire est en boucle.

I1

@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ

PR PA

A A

coupe AABPA→

B→

BPR→

BPA→

B→

zone A d'augmentation d'induction

CM

BPR→

@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À


TC1TC2

TC3

TC1

TC3

TC2I1

I2

I3

zones d'augmentation d'induction


@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@@ÀÀ@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À@À


cycle de réenclenchementsAprès coupure d’un courant decourt-circuit primaire, le retour à lavaleur de rémanence de l’induction dansle noyau magnétique du TC n’est pasinstantané. La décroissance de cetteinduction se fait suivant une loiexponentielle ayant une constante detemps T2 ; cette dernière est fonction ducircuit secondaire, elle est généralementcomprise entre une et trois secondes.Lors d’un réenclenchement rapide, ilexiste donc dans le circuit magnétiquedu TC, une induction rémanente quis’ajoute vectoriellement à l’inductioncréée par le courant en coursd’établissement (cf. fig. 8). Si les deuxinductions sont de même signe et si leTC n’a pas été dimensionné de façon àgarantir une précision donnée en régimetransitoire, il est fort probable que lesignal secondaire délivré par ce TC nesoit en rien comparable au courantprimaire le traversant.

précautions à prendre avec les TC en régime permanent :- le dimensionnement du TC doit êtrecompatible avec l’usage auquel il estdestiné.- la somme des impédances d’entrée detous les relais et/ou des appareils demesure à laquelle il faut ajouter la valeurde l’impédance de filerie doit êtreinférieure ou au plus égale àl’impédance de précision. Cette dernières’obtient en divisant la puissance deprécision assignée par le carré ducourant secondaire assigné.- les conditions d’installation ne doiventpas entraîner de saturation localeimportante. Les installations enquinconce (cf. fig. 7) sont à proscrire. en régime transitoire, pour lessecondaires de protection uniquement :- dans le cas général des protections àtemps constant, pour prendre encompte tout ou partie des phénomènesd’hytérésis, il suffit de vérifier que lavaleur du courant de réglaged’intervention (de la protection) diviséepar la valeur du courant secondaireassigné du TC, est inférieure à deux foisle facteur limite de précision dusecondaire concerné.- pour les protections à tempsdépendant (différentielle,homopolaire, …) s’assurer que laspécification du TC est conforme auxrecommandations du fabricant desrelais.

généralement assurée par un dispositifintégré au disjoncteur BT, est souventautonome : l’énergie nécessaire à sonfonctionnement est fournie par le TC dedétection des courants différentielsrésiduels.Les performances demandées à cesTC nécessitent généralement desmatériaux ferromagnétiques ayant unetrès grande perméabilité relative (µr), àbase de nickel, donc coûteux. Il existeune méthode rapide dedimensionnement de ce type de TC(cf. annexe 3, bibliographie : articledans la revue RGE n°4).

Mesure du courant homopolaire ( Io)

C’est le courant résultant de la sommevectorielle des trois courants de phased’un circuit triphasé. Cette somme peutêtre réalisée de deux façons.

par sommation des courantssecondaires de trois TC (montage deNicholson).

- si une réponse précise est nécessairedans cette période de fonctionnement,il faut spécifier et concevoir les TC enrespectant les différentes classesdéfinies dans la CEI 44-6(cf. annexe 1). Cette norme conduittoujours à un surdimensionnementimportant des TC.La nécessité d’un flux rémanent faible(cas des réenclenchements) conduit àl’utilisation de circuit magnétique àentrefer. C’est ainsi que sont obtenusles TC dits linéarisés (cf. TPZ dans lanorme CEI 44-6).

applications particulièresMesure des courants différentielsrésiduelsDans les réseaux de distributionBT la protection des personnesse fait fréquemment par lasurveillance de la valeur du courantdifférentiel résiduel. Cette protection

t

t

t

Ip

Is

B

(primaire)

(secondaire)

(induction)

fig. 8 : évolution des courants et de l’induction dans un TC non saturé.


Pour cela il faut utiliser des TC demême rapport de transformation, ens’assurant que les connectionsprimaires et secondaires respectentbien les polarités (sens d’enroulement)des différents bobinages primaires etsecondaires (cf. fig. 9).Dans cette méthode deux phénomèneslimitent les seuils de détection : en régime permanent, les différencesd’erreur de rapport de transformation etde phase font que la somme vectoriellen’est pas nulle ; d’où un «faux couranthompolaire» qui peut ne pas êtrecompatible avec les seuils désirés.L’appairage des TC (en phase et enmodule) permet d’abaisser les seuilspratiques ; en régime transitoire, la saturation etl’hystérésis des circuits magnétiquesprovoquent le même défaut. Un sur-dimensionnement des TC repousse leseuil d’apparition du phénomène.Ces solutions (appairage et sur-dimensionnement) ne permettentgénéralement pas la détection d’uncourant Io inférieur à 6 % des courantsde phase.

par sommation des fluxPour pallier le manque de précision dela première méthode et contourner lescontraintes qu’elle impose, il estpossible de faire la mesure descourants Io par l’intermédiaire d’un TCtorique unique ou «tore» : son circuitmagnétique est traversé par les troiscourants de phase I1, I2, I3 du réseautriphasé (cf. fig. 10). Avec uneconception adaptée (matériauferromagnétique, dimension et chargede précision) et certaines précautionsd’installation du tore (regroupement descâbles et centrage de ceux-ci,éventuellement utilisation d’unmanchon ferromagnétique), cetteméthode autorise la mesure de trèsfaibles valeurs de courant Io, avec unebonne précision (erreur de module del’ordre de 1 % et erreur de phaseinférieure à 60 minutes d’angle) :quelques centaines de mA en HTA etune dizaine de mA en BT.

détection de défautDans les réseaux de distribution HTA,l’emploi des détecteurs de défautsfacilite la localisation rapide de cesderniers permettant ainsi uneminimisation de la partie de réseau nonalimentée et de la durée de la coupure.

La signalisation du passage du courantde défaut, donnée par ces détecteurs,peut être envisagée de deux manières : par voyants mécaniques ouélectriques placés en des lieux d’accèsaisés aux personnels chargés del’exploitation (cas des postes MT / BTen réseau urbain ou rural souterrain). par télétransmission au centred’exploitation pour les détecteurs dedéfauts placés sur les interrupteurstélécommandés des réseaux dedistribution publique.Ces détecteurs de défauts sontalimentés par des TC qui ne sontrégis par aucune norme : ce sontles ensembles TC - détecteur dedéfaut qui sont spécifiés par lesexploitants.

comportement en CEMEn HTA la CEM des TC peut êtreconsidérée comme satisfaisante.En HTB les écrans répartiteurs dechamp électrique plus ou moinsparfaits, de présence obligatoire,peuvent conduire à une CEM nonsatisfaisante du TC.La capacité de couplage existantentre les enroulements primaire etsecondaire des TC participe à latransmission des perturbations ducircuit primaire au circuit secondaire. Lavaleur de cette capacité est fonction dela tension d’isolement du TC, descaractéristiques du secondaire et de latechnologie d’isolation employée.Certaines spécifications d’entreprises,pour les tensions Um > 123 kV donnentune valeur maximale du facteur detransmission des perturbations. Cettegrandeur est mesurée au cours d’unessai de type décrit dans laspécification. L’introduction dans lanormalisation internationale de cettenotion est en cours de discussion ausein du CE 38.

un risque particulierIl est dangereux d’ouvrir le circuitsecondaire d’un TC.Le flux d’induction magnétique circulantdans le noyau magnétique est lasomme de deux flux de signes opposés :l’un résultant de la présence d’uncourant primaire, l’autre de la présencedu courant secondaire. L’annulation dece dernier par ouverture du circuitsecondaire augmente fortement le fluxdans le noyau, provoquant une très

fig. 9 : raccordement de trois TC pour lamesure du courant homopolaire (montagede Nicholson).

forte augmentation de la tension auxbornes du secondaire. Des tensionscrêtes ou instantanées supérieures à5 kV peuvent être atteintes. Cestensions peuvent être mortelles pourles personnes et provoquer ladestruction du matériel.

Conclusions pratiques : il ne faut en aucun cas ouvrir le circuitsecondaire d’un transformateur decourant en service. toute intervention sur la charge d’unTC en fonctionnement doit êtreprécédée par l’installation d’uncourt-circuit de très bonne qualité entreses bornes secondaires.

fig. 10 : mesure du courant à l’aide d’un tore.

manchonmétallique

regroupementet centrage desconducteursL manchon > 2ø tore

I1 I2

I3

tore

L

P1 P2

S1 S2

P1 P2

S1 S2

P1 P2

S1 S2

I1

I2

I3

Io


Composants électromagnétiquesUn capteur CS est constitué de cinqparties (cf. fig. 11). un enroulement primaire constituépar un seul conducteur en cuivre dontla section est déterminée par : un courant primaire d’échauffement, un courant de court-circuit assigné ; un support de bobinage secondairegénéralement torique et constitué d’unmatériau non ferromagnétique ; un enroulement secondaire, bobinésur le support ; une résistance d’ajustage raccordéeà l’enroulement secondaire ; un blindage magnétique protégeantle bobinage des possibles perturbationsliées aux champs magnétiquesextérieurs au capteur.

Composants diélectriques isolement diélectriqueComme pour les transformateurs decourant, le primaire et le secondaired’un capteur CS sont isolés l’un del’autre, par une résine diélectriquesolide en HTA.

écran diélectriqueDans le but d’améliorer lecomportement en CEM du système, unécran diélectrique mis à la masse estplacé entre le primaire et le bobinagesecondaire.

ModélisationDe la même manière que pour les TC,pour l’étude du fonctionnement d’un CSil est pratique de concevoir etd’exploiter un modèle.Le modèle proposé, par la suite, n’estvalable que pour les fréquencesindustrielles. Dans le cas defréquences élevées (plusieurscentaines de kHz) il faut introduire lescapacités réparties du bobinagesecondaire ainsi que les différentescapacités de couplages primaire-secondaire, primaire-masse etsecondaire-masse.

Schéma équivalentIl est possible de concevoir deuxschémas équivalents : le premier (cf. fig. 12) s’inspirede celui des TC par la présenced’un transformateur idéal, avec :

4. capteur de courant à bobine de Rogowski

Le principe de ce capteur de courant aété donné par ROGOWSKI en 1912.Ce type de capteur, noté par la suitecapteur CS, est développé depuis 1986de façon industrielle pour les réseauxHTA.

fonctionnementPrincipe physiqueL’application du théorème d’Ampère àune bobine de Rogowski (cf. fig. 3)montre que la tension apparaissant auxbornes d’une charge Z de très fortevaleur est une fonction du courantI = i(t).Le courant I à mesurer créelocalement, au niveau de chaque spire,une induction b = µ0 . h, µ0 étant laperméabilité du vide, le support debobinage n’étant pas réalisé à l’aided’un matériau ferromagnétique, et h lechamp magnétique correspondant aucourant I. Le flux embrassé parl’ensemble de la sonde a pourexpression :

ø = spires∑ .π .r2 .b

Si toutes les N spires sont de sectionidentique et si leurs centres sont situéssur un même cercle de diamètre Rpouvant être considéré comme trèsgrand devant leur propre rayon r, il estalors possible d’écrire :

ø = N.π .r2 .µ0 .het par application du théorèmed’Ampère :ø = N.π .r2 .µ0 .

i(t)2.π .R

La force électromotrice développéedans le bobinage s’écrit :

e(t) = - dødt

= N.r2 .µ0

2.R

didt

.

Si i(t) = I . 2 .sin (ωt + ϕ)

donc di / dt = ω .I. 2 .cos(ωt + ϕ)

et

e(t) = - N .r2 .µ0

2 .R

ω . I . 2

.cos(ωt + ϕ)

= - K .ω . I . 2 . cos(ωt + ϕ) fig. 12 : schéma équivalent de type TC d’un capteur CS.

fig. 11 : coupe d’un capteur CS destiné à la HTA.

enroulement secondaire

support de bobinagesecondaire

blindage magnétique

enroulementprimaire

écrandiélectrique

isolementdiélectrique

résistancede réglage

N1 N2

L1

L Lf Rt Ra

Zc

i2 = N1. I 1/N2

Ι1


L = valeur de l’inductance de la fileriede raccordement du capteur à sacharge M, Lf est l’inductance de fuite dubobinage. L’enroulement secondairedes capteurs CS est à spires jointivestrès bien réparties sur le support. Soninductance de fuite de très faible valeurpeut donc être négligée, L1 . ω = impédance magnétisantedu générateur de courantéquivalent, Rt = somme des résistances dubobinage et du raccordement, Ra = résistance de réglage, Zc = impédance de la charge M à lafréquence considérée.

le deuxième (cf. fig. 13) inclut ungénérateur de tension découlant del’étude théorique. C’est ce schéma quisera utilisé par la suite.

Dans ce schéma équivalent :

E0(t) = - K.ω . I . 2 .cos(ωt + ϕ)

E0(t) est une source de tensionproportionnelle au courant primaire.Elle est déphasée en retardde π/2 par rapport au courant i(t),avec

K = N.r2 .µ0

2.R , où

le produit K . ω représente le rapportde transformation, il s’exprime en Voltpar Ampère (V/A).

normalisationA ce jour aucune norme internationaleou nationale ne régit ce type decapteur. Aussi les capteurs CSactuellement commercialiséssatisfont la norme CEI 185 sauf pourles paramètres concernant le signalsecondaire qui alimente des unités deprotection et contrôle-commande bienspécifiques. Ces unités sont d’unetechnologie à microprocesseur. Ellespermettent par un simple paramétrage,à partir d’un clavier et d’un afficheur,de réaliser l’ensemble des fonctions(protection, mesure, automatisme etcommunication) adaptées à chaqueinstallation.

Nota :Actuellement ces capteurs CS et unitésde protection et contrôle-commandeSEPAM sont conçus et commercialiséspar un seul et même constructeur(Merlin Gerin).

EquationsLe diagramme vectoriel (cf. fig. 14) estétabli à partir du schéma équivalent dela figure 13. Ce diagramme permetd’obtenir les relations suivantes:U(t)=E0(t) − (Ra +Rt + jL .ω)i2 (t)

avec i2 (t) =U(t) / Zc.

Analyse des erreurs erreur de rapport et de phaseL’image parfaite du courant primairepour un capteur CS est le vecteur Edéphasé de π/2 en retard par rapport aucourant I1 ; c’est-à-dire en phase avecE0 sur la figure 15. Le module de cevecteur est donné par E = K1 . I1, avecK1 constante représentant le rapport detransformation à une fréquence donnée.

fonctionnement en régimepermanent et transitoireLes capteurs CS ne possèdentpas de circuit magnétique, ilsne sont donc pas soumis auxphénomènes de saturation oude flux rémanent. De ce fait,parfaitement linéaires ils donnent ausecondaire une image presque parfaitedes régimes permanent et transitoiredu primaire.Les tolérances de fabrication surles dimensions du support debobinage et sur la valeur du nombrede spires (plusieurs milliers) sontcompensées par une résistance (Ra)d’ajustage.

fig. 13 : schéma équivalent avec générateur de tension d’un capteur CS.

fig. 14 : diagramme vectoriel d’un capteur CS.

fig. 15 : diagramme vectoriel, avec erreur, du capteur CS.

L Rt Ra

Zc

Lf

UEo

ϕ ϕ

Ι1

ψ

E0

U

i2 (Ra + Rt) i2

L . ω . i2

ε(nat) = erreur naturelle (de fabrication)ε(reg) = erreur après réglage.

= plage de réglage liée à Raréglage optimum = ε(reg) minimun

E

L . ω . i(t)

ε(reg) ε(nat)

E0

UA

Ra . i(t) Rt . i(t)i(t)

Ι1


Comme tous les capteurs le signalsecondaire des capteurs CS est entachéd’une erreur. Cette erreur est définiecomme étant le vecteur représentant ladifférence des vecteurs E et U, c’est levecteur ε(net) sur le diagramme de lafigure 15.Elle est minimisée en fin de fabricationpar le réglage du potentiomètre Ra à unevaleur donnant un vecteur erreur ε

→(reg)

minimal. Ce réglage du capteur estadapté aux entrées courant des unitésde protection et de contrôle-commandepour lesquelles il a été conçu. La valeurmaximale de ce vecteur erreur a été fixéeà 1 % de la valeur du vecteur deréférence pour tout courant primairecompris entre 0.2 et 10 fois le courantprimaire assigné, et à 5 % pour uncourant de 200 fois le courant primaireassigné.Avec ces erreurs maximales les capteursCS d’un même rapport de transformationsont tous parfaitement interchangeableset sont pratiquement identiques enterme de précision (cf. fig. 16) àdes TC de classe : 0,5 pour la mesure, 5P pour la protection.

linéaritéLe capteur CS est linéaire :e(t) = K .ω . I . 2 .cos(ωt + ø)Cette linéarité lui confère beaucoupd’avantages, notamment : la possibilité de réduire la variété derapports de transformation et ainsifavoriser les possibilités destandardisation. Les rapports detransformation sont imposés par ladynamique de l’électronique de l’unité decontrôle-commande à laquelle le capteurest associé et par le niveau dediscrimination souhaité pour celle-ci. une bonne réponse en régimetransitoire. L’absence de saturation,d’hystérésis et de flux rémanent, permet àces capteurs d’avoir une réponse parfaiteen régime transitoire. Ainsi sansprécaution particulière ce type de capteurs’installe sur des réseaux sur lesquels ilest nécessaire que les protectionsinterviennent rapidement pendant lesrégimes transitoires, notamment sur lesréseaux à constante de temps longue oucomportant des matériels de type blindésà isolement gazeux (présentant un risqued'explosion).

Influences externesLa réponse de ces capteurs CS, commecelle des TC, peut être, dans certainesconditions, influencée par l’environnement.

une modification de la chargesecondaire de ce type de capteurentraîne une variation d’erreur. Pouratténuer ces variations, un CS étantune source de tension, il faut que sacharge purement résistive soit la plusélevée possible (≥ 10 kΩ). la fréquenceLe signal délivré par ce type de capteurest une fonction de la dérivée ducourant primaire (cf. § principephysique). Pour s’affranchir del’influence de la fréquence, il faut que lesignal du capteur CS soit traité par unamplificateur intégrateur de précision.

position du conducteur primaire

Le théorème d’Ampère ne fait pasréférence à la position relative du courant(conducteur primaire) et du contour fermé(bobinage secondaire) auxquels il estappliqué. Cette remarque indique que lecapteur est théoriquement insensible aupositionnement relatif de ses composants.Cependant des imperfections deréalisation du bobinage secondairepeuvent le rendre légèrement sensible. Ilfaut donc, à l’installation des capteurs àprimaire non intégré (BT) , assurer uncentrage et un azimutage relatif entreprimaire et secondaire assez précis. Sanscette précaution des erreurs de l’ordre de3 % peuvent être atteintes.

position des conducteurs voisins Unconducteur voisin, parcouru par le courantd’une autre phase ou de retour pour uneboucle (cf. fig. 6), produit un champmagnétique qui s’additionnevectoriellement à celui créé par le courantà mesurer et de ce fait, modifie la réponsedu capteur. Les capteurs CS doivent êtreprotégés contre ce type de perturbation.

spécification des capteursde courant à bobine deRogowskiLes capteurs CS et les unités deprotection et de contrôle-commandesont fournis par un même industriel. Laspécification des CS est donc beaucoupplus simple pour le client final. Il n’a pasà spécifier, comme il doit le faire pourles TC, les caractéristiques dusecondaire (courant secondaire,puissance de précision, classe deprécision et facteur limite de précision).Il lui reste à préciser seulement : le niveau d’isolement du capteur définicomme pour un TC ; le courant de court-circuit thermiqueassigné(Ith), et le courant dynamique(Idyn) établis selon les mêmes règlesque pour les TC ; la plage d’utilisation (courant primaireassigné et courant d’échauffement). Parexemple il existe quatre plagesd’utilisation (30-300, 160-630, 160-1600,500-2500 A) avec les CS de fabricationMerlin Gerin.

comportement en CEMLe capteur CS a une faible capacité deliaison primaire - secondaire (≈ 20 pFen HTA). La présence d'écrans,diélectrique et magnétique, mis aupotentiel de la masse, empêchela transmission des perturbationsconduites (à partir du réseauprimaire MT) et rayonnées.L'ensemble CS, unité de protectionet de contrôle-commande a doncun bon comportement en CEM.

fig. 16 : comparaison des précisions des capteurs TC et CS.Le point A situe le fonctionnement d’un capteur CS qui satisfait tout à la fois aux exigences deprécision des TC de classe 0,5, et des TC de classe 1.

0

±30'±60'

±0,5 %

±1 %0

classe 1

classe 0,5

classe CSp

= vecteur ε(reg)

A

A


5. capteurs hybrides

Les signaux délivrés par les TC etles CS sont directement utilisés parles unités de protection et de contrôle-commande. Il existe d’autres capteursde courant dont le signal, avantd’être utilisé par ces unités, doit êtretraité électroniquement, ce sont lescapteurs hybrides. Ils ont tous undiagramme semblable à celui de lafigure 17.

DiagrammeIl peut comporter jusqu’à six éléments : élément sensible primaireIl utilise les différents effets (optique,électronique ou électrique) desmatériaux soumis à un champmagnétique créé par le courant àmesurer. convertisseur primaireIl convertit l’effet utilisé par l’élémentsensible en un signal fonction ducourant primaire et adapté au systèmede transmission. système de transmissionIl véhicule sur une distance plus oumoins grande le signal émis par leconvertisseur primaire. convertisseur secondaireIl transforme ce signal, représentatif ducourant primaire, en un signal électriqueutilisable par les unités de protection etde contrôle-commande. alimentation primaireElle fournit l’énergie nécessaire àl’élément sensible, au convertisseurprimaire et éventuellement au systèmede transmission.

alimentation secondaireElle fournit l’énergie au convertisseursecondaire et éventuellement ausystème de transmission.Dans certains capteurs ces deuxalimentations, primaire et secondaire,peuvent être confondues.

Les éléments sensiblesLes capteurs hybrides ont fait l’objet aucours de ces dernières annéesd’importants programmes dedéveloppement. Différents effets duchamp magnétique ont été utilisés dansles éléments sensibles primaires etnotamment : optiqueUtilisation des effets du champmagnétique sur les caractéristiques dela lumière (capteur optique de courant).L'optique peut être aussi utiliséeuniquement comme système detransmission à partir d’un élémentprimaire sensible de type quelconque.Cette transmission se fait alors par fibreoptique. L’emploi de dispositifsobéissant à la physique de la lumière(élément sensible et système detransmission) confère au capteur unisolement galvanique parfait. Cetavantage a été exploité dans beaucoupde programmes de développement,dont certains ont abouti au capteur decourant à effet Faraday. électroniqueInfluence d’un champ magnétique surun semi-conducteur (capteur de courantà effet Hall) et sur un matériau

ferromagnétique (variation derésistivité exploitée dansles capteurs de courant magnéto-résistant). électriqueLe flux créé dans un circuitmagnétique par le champ magnétiqueissu du courant à mesurer, est annulépar un flux magnétique provoqué etrégulé à l’aide d’un courant auxiliaire(transformateur de courant à flux nul).

capteurs optiques à effetFaradayPour la bonne compréhension de lasuite il est nécessaire de fairequelques rappels en ce qui concernela physique de la lumière.

Rappels polarisationC’est un phénomène propre à lapropagation des ondes, en particulierlumineuses, caractérisées par leurdirection de vibration dans un plandéterminé, appelé plan depropagation, contenant la direction depropagation.Quand ce plan garde une directionfixée dans le temps, les ondeslumineuses ont une polarisationlinéaire. S’il tourne autour de ladirection de propagation à unevitesse constante, la polarisation estelliptique ou, dans un cas particulier,circulaire. biréfringenceCertains corps naturels présentent lephénomène de biréfringence. Unelumière plane qui les traverse ne sepropage pas à la même vitessesuivant que son plan de polarisationest parallèle à l’une ou l’autre desdeux directions perpendiculairespropres au corps biréfringent. Labiréfringence peut être intrinsèque(matériaux anisotropes) ou induite parune contrainte : mécanique ou effet photo-élastique, électrique ou effet électro-optiqueKerr ou Pockels, magnétique ou effet magnéto-optique Faraday.

fig. 17 : diagramme des capteurs hybrides.

convertisseurprimaire

convertisseursecondaire

élémentsensibleprimaire

système detransmission

signalsecondaire

(i ou u)

Ι

alimentationprimaire

alimentationsecondaire

courantprimaire


Effet FaradayEn 1845 Michael Faraday découvrit quele plan de polarisation d’une lumièrepolarisée, traversant un morceau deverre placé dans un fort champmagnétique et se propageantparallèlement à ce champ, tourne.L’angle (F) de rotation de la polarisationest proportionnel à la circulation duchamp magnétique (H) le long duchemin optique L (cf. fig. 18).

F = V. ∫H . dLDans cette équation V est unecaractéristique du milieu optique. C’estla constante de Verdet. Elle estgénéralement faible et dépend, plus oumoins fortement, de la température.L’effet Faraday étant dispersif il faututiliser une lumière monochromatique (àfréquence unique).

Réalisation pratiqueCet effet est exploité avec des cristauxou des fibres optiques, dans les deuxcas il est nécessaire d’avoir une sourcelumineuse et de traiter l’informationoptique afin de pouvoir la rendreutilisable par les unités de protection etde contrôle-commande.

source lumineuseC’est souvent une diode lasermonomode ayant une longueur d’ondevoisine de 780 nanomètres, la constantede Verdet étant maximale dans cettepartie du spectre de longueurs d’onde.

cristal optiqueIl est possible d’utiliser un ou plusieurscristaux qui entourent plus ou moins leconducteur dans lequel circule lecourant à mesurer (cf. fig. 19a). Dans laconfiguration d’optique en champ libre,c’est généralement le cas avec lescristaux, les problèmes d’alignementmécano-optique sont particulièrementimportants. fibre optiqueLa technique d’optique guidée utilisecomme élément sensible une fibreoptique monomode qui peut faireplusieurs tours autour du conducteurprimaire (cf. fig. 19b). Dans ce casl’application du théorème d’Ampèrepermet d’écrire :F = V.N. ICette technique permet d’obtenir uneplus grande sensibilité.Les capteurs à fibre optique ne sont passensibles aux courants extérieurs(conducteur de retour, autres phases,autres circuits), alors que les capteurs

fig. 19 : capteurs de courant à effet Faraday .

fig. 18 : représentation graphique de l’effet Faraday.

a - éclaté d'un capteur à cristal optique. b - schéma d'un capteur à fibre optique.

LSR lame semi-réfléchissanteL lentilles SelfocF1 fibre optique à maintien de

polarisationF2 fibre capteurF3 fibres optiques multimodesI courant à mesurerSSP système séparateur/polariseur à 45°P photodiodesPR photodiodes de référence

yyyz||

~~~

yyy zz

zz

||||

~~

~~

~

milieu optiqueà effet Faraday

angle de rotationdu plan depolarisation

F

lumière transmisepolarisation linéaire

lumière incidentepolarisation linéaire

champmagnétique

H

L

4 cristaux constituantl'élément sensible

analyseur

lentille

connecteursfibre optique

polariseur

conducteurprimaire

diodelaser

P

électronique

connexionmonomode

F2

F1

PR

F3

L

LSR

L

L

SSP

L

Ι

P P


l’exploitation, ne doivent pas modifierce taux de biréfringence.

influence de l’électronique deconversion du signal. Le cristal et lafibre optique sont parfaitementlinéaires. Par contre l’électronique detraitement est limitée dans sadynamique, pour une précision donnée,par : sa bande passante ; son aptitude à détecter à 2.π prèsl’angle de rotation du plan depolarisation, mais des techniquesnumériques de traitementdu signal permettent de corrigerce point ; les tensions d’alimentation descomposants constituant le ou lesconvertisseurs primaires etsecondaires.Malgré toutes ces difficultés, lestechniques actuelles permettent deréaliser des capteurs optiques decourant ayant une précisioncomparable à celles des TC(cf. fig. 20).

Comportement en CEML’isolement galvanique entre lescircuits (primaire et secondaire) étantparfait (pas de capacité de liaison), lecomportement en CEM (perturbationsconduites) d’un tel capteur est bon.Mais ce comportement peut être affectépar celui de ses convertisseurs primaireet secondaire sensibles auxperturbations rayonnées (blindages,positionnement relatif, etc.).A noter que cet isolement galvaniqueparfait est, en terme de sécurité, unatout majeur pour ce type de capteur :il supprime les risques d’explosionexistants en HTB avec les TC àisolement dans l’huile.

capteurs de courant à effetHallEffet HallUne plaquette semi-conductricetraversée par un courant i et plongéedans un champ d’induction magnétiqueB→

développe entre deux faces unedifférence de potentiel appelée tensionde Hall VH répondant à la relation :VH = K .i.Boù K est le coefficient de sensibilité ducapteur.Cette plaquette constitue l’élémentsensible du capteur de courant à effetHall.

à cristaux optiques le sont plus oumoins selon leur technologie deconstruction.Par contre les caractéristiques optiquesde l’élément sensible (cristal ou fibre)sont particulièrement affectées par lesvariations de température et decontraintes mécaniques.

conversion du signal optique ensignal électrique. Cette conversion sefait par comparaison des faisceauxlumineux émis et reçus. Elle utilisegénéralement des prismes polariseurs-séparateurs associés à desphotodiodes qui transforment le signallumineux en signal électriqueanalogique. Ce dernier est ensuitetraité et amplifié pour être renduutilisable par les unités de protection etde contrôle-commande.

PrécisionLes capteurs optiques (à fibre ou àcristal) sont sensibles aux conditionsextérieures (température, sourced’énergie auxiliaire). Leur précision enest donc affectée.

influence de la températureCette dernière influe sur deuxparamètres : la constante de Verdet V la biréfringence du milieu optique, la longueur d’onde de la lumièreémise par la diode laser.Pour fonctionner dans les conditionsrencontrées sur les réseauxélectriques, les capteurs optiquesdoivent être compensés entempérature (cf. annexe 3, [5]). Cettecompensation peut être faite : par action permanente sur l’élémentsensible optique (double torsion de lafibre, parcours aller et retour de la fibrepar la lumière, compensation thermiquedu cristal, etc.), par maintien de la diode laser à unetempérature compatible avec laprécision recherchée, par la prise en compte de latempérature réelle de chaque élémentdans la chaîne de mise en forme dusignal de sortie.

influence des contraintesmécaniques. Le cristal ou la fibreoptique doit avoir un très faible taux debiréfringence afin de ne pas modifier lapolarisation de la lumière en l’absencede champ magnétique. Les contraintesmécaniques sur le cristal ou sur la fibre,liées aux variations de température,comme à la mise en œuvre et

a - du domaine HTA (Merlin Gerin), avec :

au premier plan un capteur optique avecson conducteur à fibre optique enroulé,

au deuxième plan un capteur TCconventionnel équivalent, mais plusvolumineux.

b - du domaine HTB (Square D), avec :

au premier plan un TC conventionnel,

au deuxième plan un capteur optiqueéquivalent, mais moins encombrant.

fig. 20 : exemples de capteurs optiques.


Elle peut être corrigée, pourune plage de température définie, parle convertisseur secondaire.

erreur de linéaritéLa présence d’un circuit magnétique,même avec un entrefer relativementimportant, introduit une non linéaritérésultant des phénomènes desaturation. La dynamique de ce capteurest liée au dimensionnement du circuitmagnétique.

fluctuation liée à la températureLa température influe de deuxmanières : par le coefficient de sensibilité K quivarie d’environ 0,01 % par ˚C, par les contraintes mécaniques,consécutives à des variations detempérature, subies par l’élémentsensible.La réalisation d’un tel capteur doitprendre en compte toutes cesinfluences et essayer de les compenserpour obtenir et garantir, dans lesconditions d’utilisation spécifiées, uneprécision compatible avec l’applicationenvisagée (mesure ou protection ou lesdeux). D’où le schéma fonctionnel del’électronique nécessaire au bonfonctionnement de ce capteur(cf. fig. 22).

PrincipeL’explication du phénomène de Hallsuppose que dans une plaquettelongue (cf. fig. 21), pourvue de largesélectrodes d’injection de courant i, tousles électrons sont en déplacementuniforme à la vitesse V en sens inversedu courant i. Lorsqu’un champd’induction magnétique B

→ est appliqué

perpendiculairement à l’une desgrandes faces de la plaquette, lesélectrons de charge -e sont déviés versl’une des petites faces contrelesquelles ils s’accumulent sousl’action des forces de Laplace :

F→

= − e. V→

∧ B→

Le déséquilibre des chargesentre les deux petites faces faitapparaître un champ électrique deHall EH

→,qui croît jusqu’à ce que la

force (-e .EH

→) équilibre celle du

champ d’induction.Dans ces conditions, les électronsreprennent un mouvement uniforme, etle champ électrique de Hall s’exprimepar :

EH

→ = − B

→. j→

/ (N.e)

où N est le nombre de porteurs decharge (-e) et j

→ la densité de courant

dans la plaquette , d’où la tension deHall :

VH

→ = K . i

→. B→

/ (N.e.d)

Réalisation pratiqueUne solution pratique pour améliorer lasensibilité du capteur est d’augmenterB→

. Pour cela, le générateur de Hall estplacé dans l’entrefer d’un noyaumagnétique parcouru par le fluxd’induction dû au champ magnétiquecréé par le courant à mesurer(cf. fig. 5). L’alimentation en courant etle traitement du signal se font parl’intermédiaire d’élémentsélectroniques.

PrécisionLa réponse d’un capteur à effet Halln’est pas parfaitement proportionnelle àB, trois facteurs en sont la cause : tension d’offset, erreur de linéarité, fluctuation en fonction de latempérature.

tension d’offsetC’est une tension d’erreur liéeà la réalisation de l’élément sensible.

La bande passante de tels capteurs estrelativement grande. Il est possible demesurer des courants continus et descourants ayant des fréquences de l’ordrede 40 kHz. La largeur de la bandepassante, de ce type de capteur, dépendde la technologie du circuit magnétique,des composants électroniques et del’architecture employés pour letraitement du signal.

Comportement en CEML'absence d'isolement galvanique entrele capteur et les éléments électroniquesest un handicap important, surtout enHT. La CEM de l'ensemble (capteur àeffet Hall, unité de protection et decontrôle-commande) peut donc êtreimparfaite.

fig. 22 : schéma fonctionnel de l’électronique d’un capteur à effet Hall.

→EH

vΛΒ-e.→

→EH-e.

→v→ VH

d

i

fig. 21 : schéma théorique du capteur à effetHall.

amplificateur différentielet stabilisateur du

coefficient de sensibilitéen température

sonde

amplificateur+

filtre

alimentations

circuit decompensationde l'inductionrésiduelle

thermistances

circuit decompensationd'effortsmécaniques

B→

Ι

Uh = K . Ι

i

générateur decourant constant


capteur de courant à fluxnulPrincipeL’élément sensible est un circuitmagnétique (CM) (cf. fig. 4) danslequel le flux créé par le courant àmesurer (I1) est annulé par un courant(I2). Courant dont la valeur est ajustéeautomatiquement par un amplificateurélectronique de puissance (A) pilotépar la tension de la sonde (SD)proportionnelle au flux circulant dansle noyau magnétique (CM). Le fluxrésultant dans ce noyau est nul, il estdonc possible d’écrire :I2 = N1 . I1 / N2, avecN1 = nombre de spires del’enroulement primaire,N2 = nombre de spires del’enroulement secondaire.

PrécisionLa précision de ce système est trèsbonne. Les bancs de mesure deserreurs des transformateurs de courantexploitent ce principe. Il est possible delimiter l’erreur de module à de trèsfaibles valeurs (≈ 0,02 %). De mêmepour l’erreur de phase qui peut êtreinférieure à 0,1 minute d’angle (maisqui dépend des circuits électroniquesd’annulation du flux).Les performances d’un tel capteurdépendent essentiellement desperformances de l’amplificateur, aussibien en plage de mesure qu’enprécision.

Note :Les transformateurs de courant à fluxnul permettent de mesurer les courantscontinus.

Comportement CEMLe signal d’annulation du flux voisin dezéro est facilement perturbable. Cetype de TC doit donc faire l’objet d’unenvironnement électromagnétique trèsprotégé (écrans, filtrage desalimentations, etc.).

6. tableau comparatif, synthèse

mauvais TC CS capteurs transformateur moyen transformateur capteur à bobine optiques de courant à bon de courant de Rogowski flux nul très bon conventionnel

performances : linéarité

fidélité

dynamique

précision

CEM

aptitudes : étalon de mesure

fournir de l’énergie aux équipements

de protection et contrôle-commande fournir le signal de mesure à : des compteurs d’énergie analogiques

des compteurs d’énergie numériques

des équipements numériques de

protection et contrôle-commande

coût relatif par rapport à l’appareillage : en HTA

en HTB

importance des capteurs annuellement installés : situation actuelle

évolution prévisible


importantes des spécifications descapteurs. Ces spécificationsfavorisent la CEM, la linéarité et laplage d’utilisation des capteurs. CEMIl est lié à l’emploi de plus en plusétendu des technologies électroniques.Dans ce domaine le capteur optiqueprésente un comportement idéal.

linéaritéLes TC linéaires (type TPZ) sontgénéralement très encombrants(présence d’entrefer) et leur linéaritén’est pas parfaite. Sur défaut, ilsimposent aux équipements qui leursont raccordés des contraintesthermiques très importantes. Lecapteur CS, étant d’une linéaritéparfaite, présente la performanceoptimale sur ce point.

plage d’utilisationUn TC a une plage d’utilisation trèsréduite qui limite son emploi à uneseule application. Par contre, lescapteurs optiques et CS dont la plaged’utilisation est plus grande (≈ 10 fois)ont des possibilités d’emploi plusétendues, seulement limitées par leséquipements auxquels ils sontraccordés.Les capteurs optiques et CS sont doncles plus performants au niveau descontraintes techniques nouvelles. Uncapteur hybride , ayant comme élémentsensible une bobine de Rogowski et

les solutions du présentAujourd’hui la majorité deséquipements de protection et decontrôle-commande en service faitappel aux technologiesélectromagnétiques ou électroniques.Ils nécessitent des signaux depuissance suffisante (≈ 5 à 50 VA) dela part de capteurs de courant souventéloignés (≈ 2 à 150 m).Dans les équipements HT, cettefourniture d’énergie est faite par destransformateurs de courantconventionnels.Cependant, en HTA plusieurscentaines d’unités de protection et decontrôle-commande numériques sonten fonctionnement. La plupart,capables de traiter des signaux de basniveaux énergétiques, sont associées àdes capteurs CS. Et en HTB desexpérimentations sont en cours avecdes capteurs à effet Faraday à cristauxou à fibres optiques.Les TC à flux nul sont surtout employésdans les bancs de contrôle et dans lesréseaux de transport en courantcontinu.

les solutions de l’avenirL’évolution très rapide des systèmes deprotection et de contrôle-commandevers les technologies numériquesconduit déjà à des modifications

7. conclusion et avenir

comme système de transmission desfibres optiques, pourrait être la solutionidéale.En HTA, cette solution n’est pas encoreéconomiquement exploitable. Parcontre la solution CS, par son coût etles avantages qu’elle procure, est lasolution déjà présente et de l’avenir.En HTB l’emploi de ces nouveauxcapteurs dépend du développementdes solutions numériques pour lesunités de protection et de contrôle-commande ou de la créationd’interfaces numériques pour les unitésexistantes. A partir de l’instant où detels équipements seront disponibles,l’évolution des capteurs sera trèsrapide. Cette évolution estcommencée : des systèmes sont déjàproposés, soit en «tout optique», soitsuivant la solution idéale préconiséeprécédemment.Ainsi donc, à long terme en HT, les TCconventionnels, dont les performancessont limitées et le coût relativementélevé, sont condamnés à disparaître,exceptés peut être ceux employés pourle comptage de facturation d’énergie.


limites d’erreur pour des secondaires «protection»

classe erreur de rapport déphasage erreur composéede pour des courants pour le courant nominal pour le courantprécision compris entre In minutes centiradians limite de

et 2 In, en % précision, en %

5P ± 1 ± 60 ± 1,8 510P ± 3 10

limites d’erreur pour des secondaires «mesure»

valeurs du courant erreur de courant (±), en % déphasage I1/I2 (±)exprimées en % du minutes centiradianscourant assigné

- 5 20 100 120 5 20 100 120 5 20 100 120

classe de précision

0,1 0,4 0,2 0,1 0,1 15 8 5 5 0,45 0,24 0,15 0,150,2 0,75 0,35 0,2 0,2 30 15 10 10 0,9 0,45 0,3 0,30,5 1,5 0,75 0,5 0,5 90 45 30 30 2,7 1,35 0,9 0,91,0 3,0 1,5 1,0 1,0 180 90 60 60 5,4 2,7 1,8 1,8

annexe 1 : précision des TC selon la CEI 185


annexe 2 : classement des TC selon la CEI 44-6

Les différentes classes detransformateurs de courant pour laprotection, définies par la CEI 44-6selon leurs performances, sontindiquées dans le tableau ci-contre.

Réal. : ERI Lyon - Photo. : Merlin Gerin, Square DDTE - 12-93 - 3 500 - Imprimeur : Léostic, Seyssinet - Paris

classe performances

P Limite de précision définie par l’erreur composée ( ε c) pour un courantprimaire symétrique de régime établi.Aucune limite pour le flux rémanent.C’est aussi la classe du secondaire protection définie dans la CEI 185.

TPS TC à faible flux de fuites dont les performances sont définies par des limitesfixées pour les caractéristiques d’excitation par l’enroulement secondaireet pour l’erreur sur le rapport des nombres de spires.Aucune limite pour le flux rémanent.Cette classe est similaire à la classe X définie dans la norme BS 3938.

TPX Limite de précision définie par l’erreur instantanée de crête ( ε ) au cours ducycle de fonctionnement en régime transitoire spécifié.Aucune limite pour le flux rémanent.

TPY Limite de précision définie par l’erreur instantanée de crête ( ε ) au cours ducycle de fonctionnement en régime transitoire spécifié.Le flux rémanent ne doit pas excéder 10 % du flux de saturation.

TPZ Limite de précision définie par l’erreur instantanée de crête sur lacomposante alternative du courant ( ε ca) au cours d’un seul passage ducourant présentant la composante apériodique maximale, la constante detemps de la boucle secondaire ayant la valeur spécifiée. Aucune exigenceconcernant l’erreur limite sur la composante apériodique du courant.Le flux rémanent devant être pratiquement négligeable.

annexe 3 : bibliographie

[1] Techniques de l'ingénieur :Transformateurs de mesure.D 4720 12-1990, D 4722 12-1990,D 4724 3-1991, R1016 10-1992.

[2] CEI 44-6 : Première édition1992-03 : Transformateurs de mesure.Partie 6 : Prescriptions concernant lestransformateurs de courant pourprotection pour la réponse en régimetransitoire.

[3] CEI 185 : Deuxième édition 1987 etsa modification 1 1990-07.Transformateurs de courant.

[4] Méthode rapide deprédétermination des transformateursde courant,Pierre SCHUELLER (Merlin Gerin)page 41 à 45, RGE n°4 avril 1990.

[5] Techniques de l’ingénieur :Capteurs de courant à fibresoptiques.R 1016 10-1992.

[6] La CEM : la compatibilitéélectromagnétique,Cahier Technique Merlin Gerin n° 149.F. VAILLANT.

[7] Le transformateur de courant pourla protection en HT,Cahier Technique Merlin Gerin n° 164.M. ORLHAC.

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