Dans les systèmes de mesure et de surveillance de l'énergie, les compteurs électriques 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 des transformateurs de courant
Un transformateur de courant (CT) 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 ».
Structure
Il se compose généralement d'un noyau de fer fermé, d'un enroulement primaire avec un nombre de spires relativement petit (connecté en série dans le circuit principal) et d'un enroulement secondaire avec un nombre de spires relativement important (connecté au compteur électrique).
État idéal
Dans un circuit fermé normal, le TC fonctionne dans un état approximativement de "court-circuit-". Selon la loi des circuits d'Ampère et la loi de l'induction électromagnétique, le courant primaire I1 générera un flux magnétique alternatif Φ dans le noyau de fer, qui à son tour induit un courant I2 du côté secondaire. La relation entre les deux est la suivante :
I1 × N1=I2 × N2 + Im × N1
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 grande impédance d'excitation dans la conception, Im est extrêmement faible, donc dans un état idéal, il peut être simplifié comme suit :
I₁ × N₁ ≈ I₂ × N₂ ou I₁/I₂ ≈ N₂/N₁=Kₙ
Ici, Kn est le rapport de rotation nominal, par exemple 1 000/5 A. À ce stade, le courant important du côté primaire est converti avec précision et proportionnellement en un petit courant du côté secondaire (généralement une valeur standard de 5 A ou 1 A) pour une mesure sûre par des instruments. Simultanément, le potentiel du circuit secondaire du TC est très faible (généralement quelques volts seulement), dans une plage sûre.
Analyse de principe du circuit ouvert du circuit secondaire
Lorsque le circuit secondaire s'ouvre pour des raisons telles que des bornes desserrées, des fils cassés ou une déconnexion accidentelle pendant les tests, son état de fonctionnement subit un changement catastrophique.
| Statut de travail | Normalement fermé | Circuit ouvert secondaire |
|---|---|---|
| Courant secondaire I2 | Existe, proportionnel à I1 | I2=0 |
| Flux magnétique de base Φ | Efficacement supprimé par le flux démagnétisant généré par I2, maintenu à un niveau bas | Perd la suppression, sature rapidement jusqu'à une valeur extrêmement élevée |
| Tension secondaire U2 | Très faible (plusieurs volts) | Induit une haute tension de plusieurs milliers, voire dizaines de milliers de volts |
| Essence physique | Couplage fort, rétroaction négative profonde : I2 résiste fortement au changement de Φ | Coupure de rétroaction-, accumulation d'énergie : tous les ampères-tours primaires-I1N1 sont utilisés pour l'excitation. |
Le processus physique principal est le suivant :
Disparition du feedback démagnétisant
En fonctionnement normal, le flux magnétique généré par le courant secondaire I2 est toujours dans le sens opposé à celui généré par le courant primaire I1, créant un fort effet « démagnétisant » qui confine le flux magnétique combiné dans le noyau à un faible niveau. Une fois le circuit ouvert, je2=0, et l'effet démagnétisant revient instantanément à zéro.
Saturation rapide du flux magnétique
Les ampères-tours-primaires I1 et N1, désormais libres, 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.
Selon la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, un flux magnétique alternatif induit une force électromotrice à travers l'enroulement. Lorsque le flux magnétique augmente considérablement, une tension U2 extrêmement élevée sera induite aux bornes de l’enroulement secondaire.
Génération de haute tension
Dans des conditions de fréquence industrielle, pour un courant primaire de plusieurs centaines d'ampères, la tension induite sur un côté secondaire en circuit ouvert-peut facilement atteindre plusieurs milliers de volts, et dans les cas extrêmes, dépasser 10 kilovolts.
Risques de circuit ouvert du côté secondaire du transformateur de courant
La haute tension et les phénomènes associés générés par un circuit ouvert du côté secondaire peuvent déclencher une série de réactions en chaîne de dangers.
Risque de choc électrique
La présence de milliers de volts de haute tension aux bornes secondaires constitue 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.
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 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 : Un point de circuit ouvert (comme une borne desserrée) générera 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.
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 à haute tension-dangereuses : 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.
Conclusion
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, « empêcher les circuits ouverts » doit être strictement respecté dans tous les travaux impliquant des circuits TC.
Simultanément, 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 deux règles fondamentales à toute épreuve en matière d'exploitation et de maintenance des TC. La mise à la terre permet à toute surtension de haute tension d'être rapidement évacuée vers le sol via un fil de terre, empêchant ainsi les augmentations soudaines du potentiel secondaire qui pourraient entraîner un grillage de l'équipement ou des accidents de choc électrique.