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.......................................................................... Collection T echnique Cahier technique n° 194 Transformateurs de Courant : comment les spécifier P. Fonti Les Cahiers Techniques constituent une collection d’une centaine de titres édités à l’intention des ingénieurs et techniciens qui recherchent une information plus approfondie, complémentaire à celle des guides, catalogues et notices techniques. Les Cahiers Techniques apportent des connaissances sur les nouvelles techniques et technologies électrotechniques et électroniques. Ils permettent également de mieux comprendre les phénomènes rencontrés dans les installations, les systèmes et les équipements. Chaque Cahier Technique traite en profondeur un thème précis dans les domaines des réseaux électriques, protections, contrôle-commande et des automatismes industriels. Les derniers ouvrages parus peuvent être téléchargés sur Internet à partir du site Schneider Electric. Code : http://www.schneider-electric.com Rubrique : Le rendez-vous des experts Pour obtenir un Cahier Technique ou la liste des titres disponibles contactez votre agent Schneider Electric. La collection des Cahiers Techniques s’insère dans la « Collection Technique » de Schneider Electric. Avertissement L'auteur dégage toute responsabilité consécutive à l'utilisation incorrecte des informations et schémas reproduits dans le présent ouvrage, et ne saurait être tenu responsable ni d'éventuelles erreurs ou omissions, ni de conséquences liées à la mise en œuvre des informations et schémas contenus dans cet ouvrage. La reproduction de tout ou partie d’un Cahier Technique est autorisée après accord de la Direction Scientifique et Technique, avec la mention obligatoire : « Extrait du Cahier Technique Schneider Electric n° (à préciser) ». Cahier Technique Schneider Electric n° 194 / p.1 n° 194 Transformateurs de Courant : comment les spécifier CT 194 édition janvier 2001 Paola FONTI Ingénieur INPG (Institut National Polytechnique de Grenoble). Diplômée en 1970. Entrée chez Merlin Gerin en 1981 comme conseillère et responsable du bureau d’étude Moyenne Tension Export, elle est aujourd’hui responsable du Groupe d’Appui à l’Offre et à la Réalisation des projets MT pour Schneider Electric. Cahier Technique Schneider Electric n° 194 / p.2 Lexique FLP : facteur limite de précision. FS : facteur de sécurité. If : courant maximal traversant une zone protégée. Is : seuil de réglage en courant. kn : facteur limite de précision (FLP) nominal d’un TC (associé à sa charge de précision). kr : FLP réel d’un TC, associé à sa charge réelle. Pi : (= Rct In2). Pertes internes du capteur de courant à In. Pn : (= Rn In2). Puissance de précision du capteur de courant. Pr : (= Rr In2). Consommation de la charge réelle du capteur de courant à In. RCT : résistance de l’enroulement secondaire du TC. RL : résistance de la filerie. Rp : résistance du relais de protection. Surcalibrage d’un TC : choix d’un TC dont le In primaire est supérieur au In immédiatement supérieur au In du récepteur. TC : transformateur de courant. TC recaleurs, auxiliaires ou intercalaires : TC basse tension mis au secondaire des TC principaux pour corriger un rapport et/ou le déphasage du courant. Cahier Technique Schneider Electric n° 194 / p.3 Transformateurs de Courant : comment les spécifier Sommaire 1 Introduction p. 4 2 Perturbations et protections des réseaux 2.1 Les perturbations p. 7 2.2 Les protections p. 7 3 Les capteurs de courant 3.1 Rappels sur les transformateurs ferro magnétiques p. 9 3.2 Les capteurs amagnétiques p. 13 3.3 Fabrication et mise en œuvre des TC p. 13 4 Choix des TC en fonction des protections 4.1 Choix des FLP du TC en fonction des protections p. 15 et applications 4.2 Caractérisation des TC en fonction des applications p. 17 4.3 Cas particulier des protections différentielles p. 21 4.4 Protections de distance p. 26 5 Exemples de specification de TC 5.1 Protections départ moteur p. 27 5.2 Protections départ transformateur p. 27 5.3 Protection différentielle pour transformateur p. 28 5.4 Protection différentielle de jeux de barres 87B p. 28 6 Conclusion p. 31 Bibliographie p. 32 La maîtrise de l’énergie électrique nécessite la mise en œuvre d’unités de traitement de l’information capables de surveiller les réseaux ou les équipements et, selon les besoins, de déclencher les actions appropriées… Les données en provenance des capteurs sont traitées par des unités de protection et de contrôle-commande qui envoient des ordres de manoeuvre à l’appareillage et/ou des informations à un superviseur, voire à un centre de conduite. La tâche, qui consiste à identifier et dimensionner les capteurs de courant, ainsi qu’à les associer aux unités de protection et/ou de mesure, a toujours présenté des difficultés, tant pour l’ingénierie électrique (surdimensionnement des caractéristiques) que pour le fournisseur (faisabilités aléatoires, encombrements excessifs, coûts prohibitifs). Ce document ne reprend pas les démonstrations techniques largement diffusées dans la littérature, (cf. les Cahiers Techniques n° 164 et 170) ; son objectif est de rappeler quelques règles simples permettant de définir au mieux les caractéristiques secondaires d’un transformateur de courant (TC) en fonction des protections et applications concernées. Pratiquement, il apporte une aide constructive aux techniciens qui sont dans une impasse : c soit parce qu’ils ne possèdent pas les informations nécessaires, c soit parce que la définition à laquelle ils ont abouti conduit à des capteurs irréalisables par les fournisseurs potentiels. Cahier Technique Schneider Electric n° 194 / p.4 La conception des réseaux électriques moyenne et haute tension est une œuvre complexe qui doit tenir compte des besoins à satisfaire, citons : c la sécurité des personnes et des biens, c la continuité de service, c les coûts d’installation et d’exploitation. A partir des points de consommation, de leur coefficient de simultanéité et des critères ci- 1 Introduction dessus, le concepteur établit le schéma unifilaire de l’installation (cf. fig. 1 ). Il doit ensuite choisir le régime du neutre, définir les canalisations, calculer les courants de défaut, définir le système de protection (sélectivité, choix des protections, cf. Cahier Technique n° 174). La figure 2 donne un exemple de choix de protections pour la source de remplacement du schéma de la figure 1. Fig. 1 : exemple de schéma général unifilaire d’une mine. G Concassage Carreau 63 kV 10 MVA 2 MVA 10 MVA Source de remplacement 5 kV BT BT 20 kV Puits N° 1, niveau – 300 5 kV Traitement Broyeurs Puits N° 2, niveau – 500 Cahier Technique Schneider Electric n° 194 / p.5 Fig. 2 : protections d’un groupe bloc de moyenne puissance. Contrôleur permanent d'isolement a 49 Image thermique 46 Max de composante inverse 51V Max de courant à retenue de tension 32P Directionnelle de puissance active 32Q Perte d'excitation (max de puissance réactive) 27 Min. de tension 59 Max de tension 81 Max et mini de fréquence 59N Max de U Homopolaire 87T Différentielle Le plan de protection doit préciser les conditions d’action et de non action de l’ensemble des protections en période de défaut et d’exploitation normale (transitoires). Il doit indiquer le réglage des protections. Ce qu’il ne précise que rarement, ce sont les caractéristiques du circuit d’entrée des protections et autres données nécessaires à la spécification des capteurs de courant (TC) ; en effet, très souvent la difficulté est grande pour le concepteur de rassembler toutes les informations nécessaires. Les conséquences lors de la mise en œuvre industrielle peuvent être importantes : inadaptation, surdimensionnement, hors standard, encombrement et coût trop élevés, rajout de TC d’adaptation, changement de capteur au dernier moment… et report du délai de livraison, de mise en service, de production etc. Plus grave encore, une mauvaise définition peut amener des dysfonctionnements de la chaîne de protection induisant une destruction de matériel, pire, un danger pour l’exploitant. Quelques exemples : c La surestimation du courant de court-circuit peut entraîner des problèmes de faisabilité, de surdimensionnement et finalement de coût du capteur. c A l’inverse, sous-estimer le courant de court- circuit peut entraîner une non détection de défaut avec destruction du matériel, danger pour l’opérateur et arrêt de l’exploitation. c Une erreur sur la puissance utile ou de précision requise peut entraîner un dysfonctionnement ou un non déclenchement des protections avec destruction du matériel, danger pour l’opérateur et arrêt de l’exploitation. Cahier Technique Schneider Electric n° 194 / p.6 c Une erreur de définition de la classe de précision d’un enroulement mesure entraînera une facturation d’énergie erronée et donc un manque à gagner pour le distributeur ou pour le client. c Etc. Informations requises Abréviations Unités de mesure Niveau d’isolement Un kV Courant de court-circuit nominal Icc kA Durée (1 ou 3 secondes) t s Courant nominal primaire Ip A Nombre d’enroulements secondaires (1 à 3) Pour chaque enroulement secondaire : c Quel type c Protection ou mesure associée et réglage c Puissance de précision utile Putile VA (consommation relayage et filerie) c facteur de précision v protection FLP v mesure FS c Courant nominal secondaire (1 ou 5 A) Is A Fig. 3 : informations nécessaires pour la spécification d’un TC avec un seul primaire. Le présent document a pour objectif d’apporter une aide dans le processus de définition des capteurs de courant. Avant d’entrer dans le corps du sujet, il est utile de rappeler les informations requises pour la définition d’un TC, (cf. le tableau de la figure n° uploads/Management/ definition-tc-ct194-mg.pdf