Dans les systèmes de mesure et de surveillance de l'énergie, les compteurs d'électricité qui nécessitent des transformateurs de courant (TC) externes sont omniprésents ; ce sont nos « yeux » qui détectent avec précision les courants massifs. Cependant, ce système sophistiqué cache une règle absolue qui doit être respectée à tout moment : le côté secondaire du transformateur de courant ne doit jamais fonctionner en circuit ouvert. Cet article approfondira les principes sous-jacents et les dangers impliqués.
Principe de fonctionnement normal du transformateur de courant
Un CT (Current Transformer) est un type spécial de transformateur qui fonctionne sur le principe de l'induction électromagnétique. Ses principes de conception fondamentaux sont la « réduction du courant » et l’« isolation ».
1. Structure : Il se compose généralement d'un noyau de fer fermé, d'un enroulement primaire avec moins de spires (connecté en série dans le circuit principal) et d'un enroulement secondaire avec plus de spires (connecté au compteur électrique).
2. État idéal : dans un circuit fermé normal, le TC fonctionne dans un état approximativement de "court-circuit". Selon la loi circuit d'Ampère et la loi de l'induction électromagnétique, le courant primaire I1 va générer un flux magnétique alternatif Φ dans le noyau de fer, qui va alors induire un courant I2 côté secondaire. La relation entre les deux est la suivante :
Où N1 et N2 sont le nombre de tours dans les enroulements primaire et secondaire, et Im est le courant d'excitation. En raison de la très grande impédance d'excitation et de l'Im extrêmement faible dans la conception, elle peut être simplifiée comme suit dans des conditions idéales :
Ici, Kn fait référence au rapport de transformation nominal, tel que 1000/5A. Dans ce cas, le courant important du côté primaire est converti de manière précise et proportionnelle en un petit courant du côté secondaire (généralement une valeur standard de 5 A ou 1 A) pour une mesure sûre de l'instrument. Simultanément, le potentiel du circuit secondaire du transformateur de courant (TC) est très faible (généralement quelques volts seulement), dans une plage sûre.
Analyse de principe lorsque le côté secondaire est ouvert
Lorsque le circuit secondaire s'ouvre en raison de bornes desserrées, de fils cassés ou d'une déconnexion accidentelle pendant les tests, son état de fonctionnement subit un changement catastrophique.
| État de fonctionnement | Fermeture normale | Ouverture d'une route secondaire |
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Existe, proportionnel à I1 |
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Φ |
Efficacement supprimé par le flux démagnétisant généré par I2, maintenant un faible niveau | Perte d'inhibition, saturation rapide jusqu'à des valeurs extrêmement élevées |
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Très faible (plusieurs volts) | Une haute tension de plusieurs milliers, voire dizaines de milliers de volts, a été induite. |
| Nature physique | Couplage fort, rétroaction négative profonde : I2 résiste fortement aux changements de Φ | Coupure de rétroaction et accumulation d'énergie : tous les ampères-tours primaires-I1 et N1 sont utilisés pour l'excitation. |
Ses principaux processus physiques sont les suivants :
1 : Disparition du feedback démagnétisant
En fonctionnement normal, le flux magnétique généré par le courant secondaire I2 est toujours dans la direction opposée au flux magnétique généré par le courant primaire I1, créant un fort effet « démagnétisant » qui confine le flux magnétique combiné dans le noyau de fer à un faible niveau. Une fois le circuit ouvert, je2=0, et l'effet démagnétisant revient instantanément à zéro.
2 : Saturation rapide du flux magnétique
Les ampères-tours primaires déséquilibrés I1 et N1 sont entièrement convertis en ampères-tours magnétisants-. Étant donné que la section transversale du noyau-est conçue pour une faible densité de flux magnétique, le noyau entre rapidement dans un état de saturation profonde à ce stade.
Selon la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, un flux magnétique alternatif induira une force électromotrice à travers l'enroulement. Lorsque le flux magnétique augmente fortement, une tension U2 extrêmement élevée sera induite aux bornes de l’enroulement secondaire.
3 : Génération de haute pression
Dans les conditions de fréquence industrielle, pour un courant primaire de plusieurs centaines d'ampères, la tension induite côté secondaire en circuit ouvert-peut facilement atteindre plusieurs milliers de volts, et dans les cas extrêmes, elle peut dépasser 10 kilovolts.
La norme nationale GB/T 20840.2-2014 « Transformateurs d'instrument – Partie 2 : Exigences techniques supplémentaires pour les transformateurs de courant » comporte des exigences strictes concernant les performances d'isolation des transformateurs de mesure, et cette haute tension soudaine a largement dépassé sa capacité de conception normale.
Risques de circuit ouvert du côté secondaire du transformateur de courant
La haute tension et les phénomènes associés générés par un circuit ouvert secondaire peuvent déclencher une série de réactions en chaîne de dangers.
1. Danger de choc électrique : Des milliers de volts de haute tension existent aux bornes secondaires, posant directement un risque sérieux de choc électrique. Le personnel de maintenance et de réparation qui entre en contact avec cette tension sans précaution peut subir un choc électrique.
2. Dommages à l'équipement :
Rupture d'isolation : la haute tension décomposera d'abord l'isolation entre les-spires et entre-couches de l'enroulement secondaire, ou brisera l'isolation jusqu'à la terre dans le circuit secondaire, entraînant des dommages permanents au transformateur de courant (TC).
Surchauffe et grillage : lorsque le noyau de fer est fortement saturé, il génère d'énormes courants de Foucault et des pertes par hystérésis, provoquant une surchauffe du noyau de fer, ce qui peut brûler l'isolation de l'enroulement et même provoquer un incendie.
Arc électrique et explosion : les points de circuit ouvert (tels que les bornes desserrées) généreront un arc électrique continu sous haute tension. La température élevée de l'arc peut brûler l'équipement, enflammer les combustibles environnants et les gaz à haute température accumulés dans l'armoire scellée peuvent même provoquer une explosion électrique.
3. Risques liés au fonctionnement du système
Imprécision et défaillance des mesures : pour les compteurs d'énergie de type CT-, un courant d'entrée nul les rendra incapables de mesurer l'électricité, ce qui entraînera une perte d'électricité et d'éventuels différends commerciaux.
Génération d'étincelles dangereuses à haute tension- : il ne s'agit pas seulement d'une source d'inflammation, mais les fortes impulsions électromagnétiques qui en résultent peuvent également interférer avec les équipements électroniques à proximité.
Résumer
Un circuit ouvert du côté secondaire d'un transformateur de courant déclenche une violente accumulation d'énergie électromagnétique, entraînant finalement une catastrophe physique se manifestant par une haute tension, de forts arcs électriques et une surchauffe. Par conséquent, dans tous les travaux impliquant des circuits TC, la « prévention des circuits ouverts » doit être strictement respectée en tant que procédure.
Pendant ce temps, le côté secondaire du transformateur de courant connecté au compteur électrique doit être mis à la terre. Ceci, ainsi que « l'interdiction stricte des circuits ouverts du côté secondaire », constituent les deux règles fondamentales d'exploitation et de maintenance des TC. Après la mise à la terre, la haute tension qui a surgi peut être rapidement déchargée vers le sol via le fil de terre, évitant ainsi l'épuisement de l'équipement ou les accidents de choc électrique causés par une augmentation soudaine du potentiel secondaire.