CH4_Transfo_Mesure(SP).pdf

Protection des réseaux
2016-01-26 IGEE 409 / ELE8459 - © J. Tessier - BBA 1
Transformateurs de mesure

 Pour la protection et la commande des réseaux
électrique, il faut connaître (i.e. mesurer) les deux
grandeurs électriques fondamentales :
 Le courant (alternatif)
 La tension (alternative)
 L’évolution transitoires du courant et de la tension lors des
changements d’états (défauts)

2016-01-26 3
Transformateur de
courant (TC)
Transformateur de
tension (TT)
IGEE 409 / ELE8459 - © J. Tessier - BBA

 Fonctions des « capteurs » de courant et tension :
 fournir une image juste et aussi fidèle que possible de la
grandeur électrique à mesurer
 Linéarité
 Rapport de transformation constant sur toute la plage
 assurer une séparation entre le réseau (au primaire) et les
éléments de mesure et protection (au secondaire)
 Isolation galvanique

 Fonctions des « capteurs » de courant et tension :
 assurer une interchangeabilité (standardisation) entre ces
éléments
 1 A, 5 A, 120 V, etc.
 Relais électromécaniques(15 à 3500 VA)
 Relais électroniques analogiques (1 à 225 VA)
 Relais numériques (0.001 à 0.25 VA)

Transformateur de tension (TT) inductif
Moyenne Tension
Basse Tension Haute Tension

Transformateur de tension capacitif
230 kV
Pas de backfeed si alimentation
par le secondaire

 Symboles
 Transformateur de tension
 Delta ouvert
 Transformateur de tension
 Étoile-étoile

 Polarité des transformateurs de tension
Marques de
polarités

Type « Bobine »
(Bar Type)
Type « Toroïdal »
(Traversée, Beigne)
Transformateur de courant (MT, BT)

 Symboles
 Transformateur de courant
 200 : 5 A
 Transformateur de courant avec 2 secondaires et 2 noyaux
 100 : 5 // 5 A
 Transformateur de courant avec prises dans l'enroulement
 600 / 400 : 5 A

 Polarité des transformateurs de courant

 TC intégré dans une cellule MT

Transformateur de
courant (TC)
Transformateur de
tension (TT)
 Toujours mettre à la terre l’un des fils secondaires d’un TC / TT.
 ATTENTION aux mises à la terre multiples!!!
2016-01-26 16

 Pour les TC :
 Court-circuiter le secondaire avec des barettes / cavaliers lorsqu’il n’est pas raccordé.
 Important de ne pas laisser les vis d’expédition avant l’utilisation.
 Borniers spéciaux à 2 vis
2016-01-26 17

 Pour les TC
 Possibilité d’utiliser des borniers de test avec couteaux qui court-circuitent le sec. du TC
automatiquement lors de l’ouverture.
2016-01-26 18
 Pas de connecteurs en fourchette pour éviter l’ouverture du circuit si les vis se desserrent

Courant primaire (I1) = Source courant
Ne jamais ouvrir le secondaire d’un TC lorsque le primaire est
alimenté !

2016-01-26 21

1
Source: http://www.lohri.net/PDFelectro/chaptransfo.pdf
Principe de base du circuit électromagnétique
…Ici, les fuites magnétiques sont élevées
dû à l’absence de noyau…
→
Tension induite aux bornes de la
bobine due au flux magnétique
(Loi de Faraday-Lenz)
→
1
N1 N2
2016-01-26 22

Principe de base du circuit électromagnétique
…Ici, les fuites magnétiques sont
faibles…
→
2
…Considérant un circuit
électromagnétiqueidéal et
linéaire…
2016-01-26 23

Modélisation d’un transformateur (Ex. : transformateur de courant)
3
 Flux de fuite représenté par XL
 Résistance des enroulements représentées par RS
 Fardeau (Burden) représenté par jXB+RB
 Circuit de magnétisation représenté par Lm
Lm
Im
2016-01-26 24

Modélisation d’un transformateur (Ex. : transformateur de courant)
 Le flux de magnétisation sature en fonction du courant de magnétisation (ou courant primaire).
L’inductance Lm est non linéaire.
 Le point de saturation et la pente de la courbe de saturation dépendentdes caractéristiques
du noyau magnétique.
 Pour les transformateurs de mesure et protection, la précisiondes mesures de courant et
tension est directementliée à la caractéristique de saturation.
 Le fardeau (burden) raccordé au secondaire d’un transformateur de mesure influence la zone
d’opération flux-courant et donc, influence la précisiondes mesures.
Lm
Im
2016-01-26 25

Charge = Fardeau = Burden
2016-01-26 26
Charge appliquée sur un transformateur de mesure

Fardeaux standardisés (ANSI) pour les T.T.
Appellation
(Burden)
Volt-Ampères Facteur de
puissance
Impédance à
120 V (ohms)
W 12,5 0,10 1152,0
X 25,0 0,70 576,0
Y 75,0 0,85 192,0
YY 150,0 0,89 96,0
Z 200,0 0,85 72,0
ZZ 400,0 0,85 36,0
M 35,0 0,20 411,0
Interprétation du standard
 La précision est donnée pour chacune des charges pour lesquelles il est conçu;
 0,3 WXYZ signifie une précision de 0,3 % pour les fardeaux standardisés W, X, Y et Z.
Exemple ANSI
T.P. 14400:120 V
0.3W
0.6Y
Précision de 0.3% pour les charges de type :
W (1152 Ω à 120 V et 0.10 FP)
Précision de 0.6% pour les charges de type:
Y (192 Ω à 120 V et 0.85 FP).
2016-01-26 27

Charge = Fardeau = Burden
2016-01-26 28
Charge appliquée sur un transformateur de mesure
Lm
Im
R fil allé
R fil retour
R relais

 Exemple de fardeau

Fardeaux standardisés (ANSI) pour les T.C. de 5 A secondaire
Appellation
(Burden)
Impédance
(ohm)
Facteur de
puissance
VA
(à 5 A)
Classe de
tension (V)
Mesure
B-0.1 0,1 0,9 2,5 [C10]*
B-0.2 0,2 0,9 5,0 [C20]*
B-0.5 0,5 0,9 12,5 [C50]*
B-0.9 0,9 0,9 22,5 [C90]*
B-1.8 1,8 0,9 45,0 [C180]*
Protection
[B-1]** 1.0 0,5 25,0 C100
[B-2]** 2.0 0,5 50,0 C200
[B-4]** 4.0 0,5 100,0 C400
[B-8]** 8.0 0,5 200,0 C800
Interprétationdu standard (Protection)
 Un T.C. 100:5 A, C400
 Peut délivrer 20 x Inom (20x5A = 100A, c.-à-d.
Iprimaire = 2000 A)
 Dans une impédance (fardeau) ayant jusqu’à
400 V à ses bornes
 Donc, ZB_max = 400 V / 100 A = 4 Ω
 Garantie d’une erreur de précision < 10 %,
pour [1, 20] x Inom
Interprétationdu standard (Mesure)
 La capacité est donnée en Ohms, au
courant nominal (VA = Z x In
2)
 La précision donnée n’est bonne que sur
la plage [10%, 100%] x Iprimaire_nom
* Équivalent en classe protection
** Équivalent en classe mesure
N.B. Certains transfos sont classifiés à la fois pour la
mesure et la protection
2016-01-26 30

Précision des transformateurs de courant de mesure
ANSI IEC
0.3 0.2
0.6 0.5
1.2 1.0
Exemple ANSI
T.C. 200:5 A
0.3 B-0.1
0.3 B-0.2
0.6 B-0.5
B-0.1 (0.1 Ω à 0.9 FP)
B-0.2 (0.2 Ω à 0.9 FP)
B-0.5 (0.5 Ω à 0.9 FP).
Exemple IEC
T.C. 200:5 A
50 VA classe 0.5
Précision de 0.5% pour les charges de 50 VA
2016-01-26 31

Précision des transformateurs de courant - IEC
 Protection (IEC)
- Charge en VA : 2.5, 5, 10, 15 ou 30 VA
- Classe de précision : 5 ou 10 %
- utilisation en protection, lettre P
- précisionen régime transitoire, lettre T
- noyau avec mince entrefer, lettre Y
- facteur limite de précision (FLP) : 5, 10, 15, 20 ou 30
- FLP = Courant limite de précisionnominal = Kp
Courant nominal primaire
- Exemple Système HQ:
 FLP = 52 kAcc_max ÷ 2000 Anom = 12.5
2016-01-26 32

Précision des transformateurs de courant – IEC
(Équivalence IEC ANSI)
- Protection (IEC)
Exemple IEC
T.C. 150:5 A, 15 VA classe 5 P 10
Pour un TC de 5 A nominal,
peut délivrer 15 VA (à 5 amps = 3 V)
avec une précision de 5% jusqu’à 10 x In (1500 A primaire, 50 A secondaire), soit 30 V
Équivaut donc à un ANSI: 5 C30
2016-01-26 33
(ANSI classe C) = (CEI Kp) x VA
In

Précision des transformateurs de courant (Équivalence ANSI  IEC)
2016-01-26 34
(FLP)

 Précision des transformateurs (ANSI)
 Classe C (L avant 1968)
 performance peut être calculée avec suffisamment d'exactitude
(flux de fuite minimisé)

 Précision des transformateurs (ANSI)
 Classe C

2016-01-26 37
 Choix du rapport de transformation d’un TC
À l’exception d’application HT, où courant de charge est <
comparé au courant de défaut, on choisit généralement le
rapport de transformation d’un TC en fonction des critères :
1) Courant primaire du TC > Courant nominal de l’artère
2) En condition de défaut, le courant secondaire du TC doit
être < 100 A
Kn = Icc__
20x In

 Précision des transformateurs
 Équivalence IEC ANSI
Exemple CEI:
T.C. 30 VA classe 10 P 20 (5 A nominal)
Précision de 10%
peut délivrer 30 VA (6 V à 5 A)
Peut délivrer 6 V x 20 = 120 V
Équivalent ANSI/IEEE: C100 (= plus proche standard)
Fardeau permis : 30/52 = 1.2 Ω

 Saturation des transformateurs de courant
 La saturation peut se produire lorsque :
 Le niveau de défaut est élevé
 Le rapport du transformateur de courant est bas
 Le fardeau au secondaire du TC est élevée
 La saturation cause :
 Le courant de magnétisation n’est plus négligeable (erreur)
 La forme d’onde du courant est distorsionnée
 Le courant au secondaire du TC est inférieur à ce qu'il devrait être
 ce qui a pour effet de ralentir le temps d'opération des protections

Courbe de saturation d’un TC de protection
 Norme ANSI : point
de cassure où la
tangente de la courbe
de saturation (log-log)
atteint 45°
 Norme IEC :
augmentation de 50 %
du courant d'excitation
ne produit que 10 %
d'augmentation de la
tension d'excitation
2016-01-26 40

Saturation d’un TC
2016-01-26 41

Exemple de saturation de TC en
fonction de la charge

 Exercice
 Un TC 50 : 5 A, classe C10 avec à son secondaire un relais
a) IAC-51
b) IAC-53
c) SEL 751A
 Impédance de l’enroulement secondaire du TC :
 0.061 Ω
 Impédance des fils vers le relais (2 x 50 m, 12 AWG) :
 0.25 Ω allé - 0.25 Ω retour
 Mise au travail du relais (disque commenceà tourner) :
 5 A primaire (Prise au relais 0.5 A)
 Courant de défaut max. :
 100 A

2016-01-26
 IAC-51 et IAC-53 - relais électromécaniques de sur-
courant avec caractéristiques distinctes:
 IAC-51
 Caractéristique « Inverse Time Current »
 (Exemple Courbe en Rouge)
 IAC-53
 Caractéristique « Very- Inverse Time Current »
 (Exemple Courbe en Bleu)
IGEE 409 / ELE8459 - © J. Tessier - BBA 45

2016-01-26
 IAC-51 et IAC-53 - relais électromécaniques de sur-
courant avec caractéristiques distinctes:
 IAC-51
 « Inverse Time Current »
 IAC-53
 « Very- Inverse Time Current »
 Disque interne plus petit et plus
rapide…
 …Couple nécessaire moins grand
 …Bobine avec moins
d’enroulements…
 …Fardeauplus petit que IAC-51

 Caractéristiques du TC
 TC 50 : 5 A, classe C10
2016-01-26
Point de saturation @ ~ 10V
Selon ANSI
Précision ≤ 10%
Pour 10 V @ 20 x 5 Asec
Donc:
Zb_max @ 20 x IN = 10 V / 100 A
Zb_max @ 20 x IN = 0.1 Ω
Zb_max @ 0.5 Asec = 10 V / 0.5 A
Zb_max @ 0.5 Asec = 20 Ω
Etc…

 Caractéristiques du relais IAC-51

 Caractéristiques du
relais IAC-51
2016-01-26
FARDEAUV(n x I)
n : Prise
I : Courant lu par le relais
V : Tension correspondante
V x I = Fardeau en VA
11V
36.6V
0.5A 10A

2016-01-26
relais IAC-53
FARDEAU V(n x I)
2.1V
22V
0.5A 10A

2016-01-26
relais SEL 751A

2016-01-26
 Réponses:
 Seuil de mise au travail - 5 A primaire ou 0.5 A secondaire
(1 x Prise):
 le relais IAC-51 requiert :
 (0.061 + 0.25 + 22 + 0.25) = 22.561 Ω x 0.5 A = 11,3 V (SATURATION)
 (0.061 + 0.25 + 4.2 + 0.25) = 4.761Ω x 0.5 A = 2,38 V (ok)
 le relais SEL 751A requiert :
 (0.061 + 0.25 + 0.4 + 0.25) = 0.961Ω x 0.5 A = 0.48 V (ok)
Lm
Im
22 Ω ou 4.2 Ω ou 0.4 Ω
0.25 Ω
0.25 Ω
0.061 Ω
IAC-51 ou IAC-53 ou 751A

2016-01-26
 Réponses:
 Disque en mouvement avec un défaut de 100 A primaire ou
10 A secondaire (20 x Prise):
 (0.061 + 0.25 + 3.66 + 0.25) = 4.221 Ω x 10 A = 42,2 V (SATURATION)
 (0.061 + 0.25 + 2.2 + 0.25) = 2.661Ω x 10 A = 26,6 V (SATURATION)
 le relais SEL 751A requiert :
 (0.061 + 0.25 + 0.001 + 0.25) = 0.562Ω x 10 A = 5.6 V (ok)
Lm
Im
0.25 Ω
0.25 Ω
0.061 Ω
3.66 Ω ou 2.2 Ω ou 0.001 Ω
IAC-51 ou IAC-53 ou 751A

2016-01-26
 Constat:
La limite de courant de défaut (avant saturation), pour l’exemple
avec le relais numérique est :
 (0.061 + 0.25 + 0.001 + 0.25) = 0.562Ω
Avec un TC qui sature à 10 Volts,
10 V / 0.562Ω = 17.8 Ampères
= 178 ampères primaire

2016-01-26
 Constat:
On constate que par le passé, la saturation était causée par le
«burden» du relais, qui était dominante dans le circuit.
Aujourd’hui les relais numériques ont des «burden» très faibles
en les comparant aux impédancesd’enroulements et des
conducteurs du circuit. Ce pourquoi ce problème est beaucoup
plus rare aujourd’hui... Mais qui existe toujours.

 Cas particulier : Protection différentielle haute impédance
Zone protégée

Zone protégée

Calcul de réglage de protection différentielle haute impédance
TC ABB SAB2 - C200 (saturation à 200 Volts)
Icc : 40 000 Ampères
Ratio TC : 3000: 5 A = Ratio de 600
 Icc secondaire : 66.66 A
Résistance TC : 0.809 Ω (voir fiche technique)
Résistance Fil utilisé: 0.00328 Ω/m (Voir calibre #10AWG)
Distance entre TC et relais : 20 m
Longueur total fil : 40 m
Résistance totale fil: 0.1312 Ω
R totale (burden) : 0.9402 Ω
De V=RI 66.66 A * 0.9402 = 62.68 V
Facteur sécurité 1.5 = 94.02 Volts
Réglage recommandé : 95 Volts (1/2 seuil de saturation du TC= OK)
À 95 Volts, Imag = 0.02 A (voir courbe magnétisation TC)
Nombre de TC dans l’application différentielle : 5
 5 * 0.02 A = 0.1 A
Impédance relais SEL 587Z = 2000 Ω
Courant d’opération relais : I = V / R = 0.0475 A
Courant d’opération total : 0.1 A + 0.0475 A = 0.1475 A
0.1475 * ratio 600 = 88.5 Amps primaire

AWG Chart
AWG Number
Ø [Inch] Ø [mm] Ø [mm²] Resistance
for Solid for Solid for Solid [Ohm/m]
Rod Rod Rod Copper
(20 °C,68 °F)
4/0 = 0000 0.46 11.7 107 0.000161
3/0 = 000 0.41 10.4 85 0.000203
2/0 = 00 0.365 9.26 67.4 0.000256
1/0 = 0 0.325 8.25 53.5 0.000323
1 0.289 7.35 42.4 0.000407
2 0.258 6.54 33.6 0.000513
3 0.229 5.83 26.7 0.000647
4 0.204 5.19 21.1 0.000815
5 0.182 4.62 16.8 0.00103
6 0.162 4.11 13.3 0.0013
7 0.144 3.66 10.5 0.00163
8 0.128 3.26 8.36 0.00206
9 0.114 2.91 6.63 0.0026
10 0.102 2.59 5.26 0.00328
11 0.0907 2.3 4.17 0.00413
12 0.0808 2.05 3.31 0.00521
13 0.072 1.83 2.62 0.00657
14 0.0641 1.63 2.08 0.00829
15 0.0571 1.45 1.65 0.0104
16 0.0508 1.29 1.31 0.0132
17 0.0453 1.15 1.04 0.0166
18 0.0403 1.02 0.823 0.021
19 0.0359 0.912 0.653 0.0264
20 0.032 0.812 0.518 0.0333
21 0.0285 0.723 0.41 0.042
22 0.0253 0.644 0.326 0.053
23 0.0226 0.573 0.258 0.0668
24 0.0201 0.511 0.205 0.0842

Calcul de réglage de protection différentielle haute impédance
TC ITI model 130 - C100 (saturation à 100 Volts)
Icc : 40 000 Ampères
Ratio TC : 3000: 5 A = Ratio de 600
 Icc secondaire : 66.66 A
Résistance TC : 1.175 Ω (voir fiche technique)
Résistance Fil utilisé: 0.00829 Ω/m (Voir calibre #14AWG)
Distance entre TC et relais : 20 m
Longueur total fil : 40 m
Résistance totale fil: 0.3316 Ω
R totale (burden) : 1.5066 Ω
De V=RI 66.66 A * 1.5066 = 100.44 V
Facteur sécurité 1.5 = 150.66 Volts
Réglage recommandé : 150 Volts (1.5x seuil de saturation du TC!!)

Current transformer
ITI model 130 specifications

Autres types de transformateurs de courant

 Principaux types de capteur de courant :
 Conventionnels :
 Transformateurs de courant (ferro magnétiques)
 Nouveaux :
 Capteur spécifique - bobine de Rogowski (1912)
 Capteurs hybrides (comprend au moins un élément sensible à la
grandeur à mesurer couplé à un système électronique délivrant
un signal secondaire (courant ou tension), proportionnel et en
phase de la grandeur primaire) :
 capteur de courant optique
 transformateur à flux nul
 capteur de courant à effet Hall

Effet Hall Rogowski
Conventionnel

 Bobine de Rogowski
 N’a pas de noyau ferromagnétique
 parfaite linéarité dans une large plage de courant et de
fréquence
 Source tension si impédance de charge Z élevée

 Capteur de courant optique
 Son élément sensible est soit une fibre optique, soit un cristal
optique.
 Dans les deux cas le principe de Faraday (1845) est utilisé.

 Principe de Faraday

 Capteur de courant optique
Projet pilote
Areva – Hydro-Québec
Protection de ligne au
poste La Praire

Capteur de courant type Optique : COSI-NXCT
 Précision entre 1A rms and 63kA rms.
 Grosseur et poids réduit
 Pas d’huile, gaz ni SF6 comme médium isolant.
 Haute-précision pour mesurage et protection.
 Mesure du DC et AC jusqu’à la 100ème harmonique et mesure
précisément l’angle de phase.
http://www.nxtphase.com/products-nxct.php

Capteur de courant type Optique : COSI-NXCT
 PERFORMANCES
 La précision dépasse les exigences de ANSI/IEEE Class 0.15S/IEC
Class 0.2S pour le mesurage et IEC Classe 5P/IEEE 10% pour la
protection
 Pas de saturation du noyau magnétique
 Sécuritaire et écologique
 L’ouverture du circuit secondaire n’est pas dangereuse.. !!

 Capteur de courant à Effet Hall
 Son élément sensible est une cellule de Hall
 Une plaquette semi-conductrice traversée par un courant i et
plongée dans un champ d’induction magnétique B développe entre
deux faces une différence de potentiel appelée tension de Hall VH
répondant à la relation :
 VH = K.i.B
 où K est le coefficient de sensibilité du capteur

 Capteur de courant à Effet Hall
 Permet de mesurer aussi bien le courant continu que le courant
alternatif.
 Avec un circuit magnétique pour augmenter sa sensibilité, donc il
est aussi soumis à des phénomènes de saturation, comme un TC.

2016-01-26 75
Questions QUIZ
Pour terminer en beauté

2016-01-26 76
Note de la part du
manufacturier :
Ne pas retirer le
cavalier tant que la
charge au sec. du TC
n’est pas raccordée.
 Pourquoi?

2016-01-26 77
 Est-ce un TP ou un TC?
 Quel niveau de tension
(BT, MT, HT)?

2016-01-26 78
 Est-ce un TP ou un
TC?
 Quel niveau de
tension
(BT, MT, HT)?

2016-01-26 79
 Est-ce un TP
ou un TC?
 Quel niveau
de tension
(BT, MT, HT)?

2016-01-26 80
TC homopolaire – « Gas Insulated Switchgear (GIS) » 25 kV

2016-01-26 81

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