Le transformateur de courant (C.T.) est un type de « transformateur d’instrument » conçu pour produire un courant alternatif dans son enroulement secondaire qui est proportionnel au courant mesuré dans son primaire. Les transformateurs de courant réduisent les courants à haute tension à une valeur beaucoup plus basse et fournissent une manière pratique de surveiller en toute sécurité le courant électrique réel circulant dans une ligne de transmission CA à l’aide d’un ampèremètre standard. Le principe de fonctionnement d’un transformateur de courant de base est légèrement différent de celui d’un transformateur de tension ordinaire.

Transformateur de Courant Typique

Contrairement au transformateur de tension ou de puissance étudié précédemment, le transformateur de courant se compose de seulement un ou très peu de tours comme enroulement primaire. Cet enroulement primaire peut être un tour plat unique, une bobine de fil robuste enroulée autour du noyau ou simplement un conducteur ou une barre de bus placée à travers un trou central comme illustré.

En raison de ce type d’agencement, le transformateur de courant est souvent désigné comme un « transformateur en série » car l’enroulement primaire, qui n’a jamais plus de quelques tours, est en série avec le conducteur transportant le courant fournissant une charge.

L’enroulement secondaire, en revanche, peut avoir un grand nombre de tours de fil enroulés sur un noyau laminé en matériau magnétique à faible perte. Ce noyau a une grande surface transversale, de sorte que la densité de flux magnétique créée est faible en utilisant un fil de section transversale beaucoup plus petite, selon la quantité de courant qui doit être réduit alors qu’il essaie de fournir un courant constant, indépendant de la charge connectée.

L’enroulement secondaire fournira un courant soit dans un court-circuit, sous la forme d’un ampèremètre, soit dans une charge résistive jusqu’à ce que la tension induite dans le secondaire soit suffisamment élevée pour saturer le noyau ou provoquer une défaillance à cause d’une rupture de tension excessive.

Contrairement à un transformateur de tension, le courant primaire d’un transformateur de courant n’est pas dépendant du courant de charge secondaire, mais est plutôt contrôlé par une charge externe. Le courant secondaire est généralement classé à un standard de 1 Ampère ou 5 Ampères pour des classes de courant primaire plus élevées.

Il existe trois types fondamentaux de transformateurs de courant : enroulé, toroidal et en barre.

• Transformateur de courant enroulé – L’enroulement primaire des transformateurs est physiquement connecté en série avec le conducteur qui transporte le courant mesuré circulant dans le circuit. L’intensité du courant secondaire dépend du rapport de transformation du transformateur.
• Transformateur de courant toroidal – Ceux-ci ne contiennent pas d’enroulement primaire. Au lieu de cela, la ligne qui transporte le courant circulant dans le réseau est enfilée à travers une fenêtre ou un trou dans le transformateur toroidal. Certains transformateurs de courant ont un « noyau fendu » qui permet de l’ouvrir, de l’installer et de le fermer sans déconnecter le circuit auquel ils sont attachés.
• Transformateur de courant en barre – Ce type de transformateur de courant utilise le câble ou la barre de bus principale du circuit comme enroulement primaire, ce qui équivaut à un seul tour. Ils sont entièrement isolés de la haute tension de fonctionnement du système et sont généralement fixés à l’appareil transportant le courant.

Les transformateurs de courant peuvent réduire ou « abaisser » les niveaux de courant de milliers d’amperes à une sortie standard d’un rapport connu de 5 Amps ou 1 Amp pour un fonctionnement normal. Ainsi, des instruments et dispositifs de contrôle petits et précis peuvent être utilisés avec les C.T. car ils sont isolés des lignes haute tension. Il existe une variété d’applications de mesure et d’utilisations pour les transformateurs de courant telles que les Wattmètres, les compteurs de facteur de puissance, les compteurs wattheures, les relais de protection ou comme bobines de déclenchement dans des disjoncteurs magnétiques, ou MCB.

Transformateur de Courant

En général, les transformateurs de courant et les ampèremètres sont utilisés ensemble comme une paire appariée, dans laquelle la conception du transformateur de courant est telle qu’elle fournit un maximum de courant secondaire correspondant à une déviation complète de l’ampèremètre. Dans la plupart des transformateurs de courant, un rapport de transformation inverse approximatif existe entre les deux courants dans les enroulements primaire et secondaire. C’est pourquoi la calibration du C.T. est généralement pour un type spécifique d’ampèremètre.

La plupart des transformateurs de courant ont une évaluation secondaire standard de 5 amps avec les courants primaire et secondaire exprimés comme un rapport tel que 100/5. Cela signifie que le courant primaire est 20 fois plus grand que le courant secondaire, donc lorsque 100 amps circulent dans le conducteur primaire, cela donnera lieu à 5 amps circulant dans l’enroulement secondaire. Un transformateur de courant de disons 500/5 produira 5 amps dans le secondaire pour 500 amps dans le conducteur primaire, soit 100 fois plus.

En augmentant le nombre d’enroulements secondaires, Ns, le courant secondaire peut être rendu beaucoup plus petit que le courant du circuit primaire mesuré car à mesure que Ns augmente, Is diminue de manière proportionnelle. En d’autres termes, le nombre de tours et le courant dans les enroulements primaire et secondaire sont liés par une proportion inverse.

Un transformateur de courant, comme tout autre transformateur, doit satisfaire à l’équation amp-turn et nous savons de notre tutoriel sur les transformateurs de tension double enroulement que ce rapport de transformation est égal à :

d’où nous obtenons :

Le rapport de courant établit le rapport de transformation et comme le primaire consiste généralement en un ou deux tours tandis que le secondaire peut avoir plusieurs centaines de tours, le rapport entre les primaire et secondaire peut être assez grand. Par exemple, supposons que le courant nominal de l’enroulement primaire soit de 100A. L’enroulement secondaire a l’évaluation standard de 5A. Alors, le rapport entre les courants primaire et secondaire est de 100A à 5A, ou 20:1. En d’autres termes, le courant primaire est 20 fois plus grand que le courant secondaire.

Il convient cependant de noter qu’un transformateur de courant classé comme 100/5 n’est pas le même qu’un celui classé comme 20/1 ou des subdivisions de 100/5. Cela est dû au fait que le rapport de 100/5 exprime la « capacité de courant d’entrée/sortie » et non le rapport réel des courants primaire et secondaire. Notez également que le nombre de tours et le courant dans les enroulements primaire et secondaire sont liés par une proportion inverse.

Mais des modifications relativement importantes du rapport de transformation d’un transformateur de courant peuvent être réalisées en modifiant les tours primaires à travers la fenêtre du C.T., où un tour primaire équivaut à un passage, et plus d’un passage à travers la fenêtre fait que le rapport électrique est modifié.

Par exemple, un transformateur de courant avec un rapport de disons, 300/5A peut être converti en un autre de 150/5A ou même 100/5A en passant le conducteur primaire principal à travers sa fenêtre intérieure deux ou trois fois comme montré. Cela permet à un transformateur de courant de valeur plus élevée de fournir le courant de sortie maximum pour l’ampèremètre lorsqu’il est utilisé sur des lignes de courant primaire plus petites.

Rapport de Tours Primaire du Transformateur de Courant

Exemple de Transformateur de Courant No1

Un transformateur de courant de type barre qui a 1 tour sur son primaire et 160 tours sur son secondaire doit être utilisé avec une gamme standard d’ampèremètres ayant une résistance interne de 0.2Ω. L’ampèremètre doit donner une déviation complète lorsque le courant primaire est de 800 Amps. Calculez le courant secondaire maximum et la tension secondaire à travers l’ampèremètre.

Courant Secondaire :

Tension à travers l’Ampèremètre :

Nous pouvons voir ci-dessus que puisque le secondaire du transformateur de courant est connecté à l’ampèremètre, qui a une résistance très faible, la chute de tension à travers l’enroulement secondaire n’est que de 1,0 volt à courant primaire complet.

Cependant, si l’ampèremètre est retiré, l’enroulement secondaire devient effectivement ouvert, et donc le transformateur agit comme un transformateur élévateur. Cela est en partie dû à la très grande augmentation du flux magnétique dans le noyau secondaire à mesure que la réactance de fuite secondaire influence la tension induite secondaire parce qu’il n’y a pas de courant opposé dans l’enroulement secondaire pour empêcher cela.

Le résultat est une très haute tension induite dans l’enroulement secondaire égale au rapport de :  Vp(Ns/Np) développé à travers l’enroulement secondaire. Donc, par exemple, supposons que notre transformateur de courant ci-dessus soit utilisé sur une ligne de puissance triphasée de 480 volts à la terre. Donc :

Cette haute tension est due au fait que le rapport volts par tour est presque constant dans les enroulements primaire et secondaire et comme Vs = Ns*Vp, les valeurs de Ns et Vp sont des valeurs élevées, donc Vs est extrêmement élevé.

Pour cette raison, un transformateur de courant ne doit jamais être laissé en circuit ouvert ou fonctionner sans charge attachée lorsque le courant primaire principal le traverse, tout comme un transformateur de tension ne doit jamais fonctionner en court-circuit. Si l’ampèremètre (ou la charge) doit être retiré, un court-circuit doit d’abord être placé à travers les bornes secondaires afin d’éliminer le risque de choc.

Cette haute tension est due au fait que lorsque le secondaire est ouvert, le noyau en fer du transformateur fonctionne à un haut degré de saturation et, sans rien pour l’arrêter, il produit une tension secondaire anormalement grande, et dans notre exemple simple ci-dessus, ceci a été calculé à 76.8kV ! Cette haute tension secondaire pourrait endommager l’isolation ou provoquer un choc électrique si les bornes du C.T sont accidentellement touchées.

Transformateurs de Courant Portatifs

Il existe de nombreux types spécialisés de transformateurs de courant désormais disponibles. Un type populaire et portable qui peut être utilisé pour mesurer la charge du circuit est appelé « ampèremètres à pince » comme illustré.

Les ampèremètres à pince s’ouvrent et se ferment autour d’un conducteur transportant du courant et mesurent son courant en déterminant le champ magnétique qui l’entoure, fournissant une lecture rapide généralement sur un affichage numérique sans déconnecter ou ouvrir le circuit.

En plus du CT de type pince portatif, des transformateurs de courant à noyau fendu sont disponibles, dont une extrémité est amovible, de sorte que le conducteur de charge ou la barre de distribution n’ont pas besoin d’être déconnectés pour l’installer. Ceux-ci sont disponibles pour mesurer des courants de 100 à 5000 amps, avec des tailles de fenêtre carrées allant de 1″ à plus de 12″ (25 à 300 mm).

Pour résumer, le Transformateur de Courant (CT) est un type de transformateur d’instrument utilisé pour convertir un courant primaire en un courant secondaire à travers un milieu magnétique. Son enroulement secondaire fournit ensuite un courant beaucoup réduit qui peut être utilisé pour détecter des conditions de surintensité, de sous-intensité, de courant de pointe ou de conditions de courant moyen.

Un enroulement primaire de transformateur de courant est toujours connecté en série avec le conducteur principal, ce qui lui donne également le nom de transformateur en série. Le courant secondaire nominal est classé à 1A ou 5A pour faciliter la mesure. La construction peut être un seul tour primaire unique comme dans les types toroidaux, donuts ou en barre, ou quelques tours primaires enroulés, généralement pour des rapports de courant faibles.

Les transformateurs de courant sont destinés à être utilisés comme dispositifs de courant proportionnels. Par conséquent, l’enroulement secondaire d’un transformateur de courant ne doit jamais être utilisé en circuit ouvert, tout comme un transformateur de tension ne doit jamais être utilisé en court-circuit.

Des tensions très élevées résulteront de la mise à l’air libre du circuit secondaire d’un transformateur de courant sous tension, donc leurs bornes doivent être court-circuitées si l’ampèremètre doit être retiré ou lorsque qu’un C.T n’est pas utilisé avant de mettre le système sous tension.

Dans le prochain tutoriel sur les Transformateurs, nous examinerons ce qui se passe lorsque nous connectons ensemble trois transformateurs individuels dans une configuration étoile ou delta pour produire un plus grand transformateur de puissance appelé Transformateur Triphasé, utilisé pour fournir des alimentations triphasées.