Dans les systèmes de mesure et de surveillance de l'énergie, les compteurs d'énergie nécessitant des transformateurs de courant (TC) externes sont omniprésents ; ce sont nos « yeux » pour détecter avec précision les grands courants. Cependant, au sein de ce système sophistiqué se trouve une règle cruciale qui doit toujours être respectée : le côté secondaire du transformateur de courant ne doit jamais fonctionner en circuit ouvert-. Cet article approfondira les principes et les dangers derrière cette règle.
Le principe de fonctionnement normal d'un transformateur de courant
Un transformateur de courant (CT) est un type spécial de transformateur qui fonctionne sur le principe de l'induction électromagnétique. Sa conception de base se concentre sur 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 avec le circuit principal) et d'un enroulement secondaire avec plus de spires (connecté au compteur d'énergie).
2. État idéal : dans un circuit normalement fermé, 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 génère un flux magnétique alternatif Φ dans le noyau de fer, qui à son tour induit un courant I2 du côté secondaire. La relation entre eux est la suivante :
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
où N1 et N2 sont le nombre de tours des enroulements primaire et secondaire, et Im est le courant d'excitation. En raison de la grande impédance d'excitation dans la conception, Im est très faible, donc dans le cas idéal, il peut être simplifié comme suit :
Ici, Kn est le rapport de transformation nominal, par exemple 1000/5A. À ce stade, le courant important du côté primaire est converti avec précision et proportion en un petit courant du côté secondaire (généralement une valeur standard de 5 A ou 1 A) pour une mesure sûre par l'instrument. Dans le même temps, le potentiel du circuit secondaire du TC est très faible (généralement quelques volts seulement), ce qui se situe dans une plage de sécurité.
Analyse de principe lorsque le côté secondaire est en circuit 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 | Normalement fermé | Circuit ouvert secondaire |
|---|---|---|
| Courant secondaire I₂ |
Présent, proportionnel à I₁ | I₂ = 0 |
| Flux magnétique de base Φ |
Le flux démagnétisant produit par I₂ supprime efficacement le flux central, maintenant un faible niveau | La suppression est perdue ; le flux sature rapidement jusqu'à un niveau extrêmement élevé |
| Tension secondaire U₂ |
Très faible (quelques volts) | Haute tension induite dans la plage de plusieurs kilovolts jusqu'à des dizaines de kilovolts |
| Nature physique | Couplage fort, rétroaction négative profonde : I₂ s'oppose fortement aux changements de Φ | Rétroaction interrompue, accumulation d'énergie : tous les ampères-tours primaires (I₁N₁) sont utilisés pour la magnétisation |
Les processus physiques de base sont les suivants👇 :
1. Disparition du feedback démagnétisant :En fonctionnement normal, le flux magnétique généré par le courant secondaire I2 est toujours de direction opposée au flux magnétique généré par le courant primaire I1, créant un fort effet « démagnétisant » qui limite le flux magnétique résultant dans le noyau de fer à un faible niveau. Une fois le circuit ouvert, je2=0, et l'effet démagnétisant tombe instantanément à zéro.
2. Saturation rapide du flux magnétique :Les ampères-tours primaires déséquilibrés I1N1 sont entièrement convertis en ampères-tours excitants. Étant donné que la section transversale du noyau de fer-est conçue pour une faible densité de flux magnétique, le noyau de fer entre rapidement dans un état de saturation profonde.
Selon la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique, le flux magnétique alternatif induit une force électromotrice à travers les enroulements. Avec l’augmentation rapide du flux magnétique, une tension U2 extrêmement élevée sera induite aux bornes de l’enroulement secondaire.
3. Génération de haute tension :Dans des conditions de fréquence industrielle, pour un courant primaire de plusieurs centaines d'ampères, la tension induite du côté secondaire ouvert-en circuit ouvert peut facilement atteindre plusieurs milliers de volts et, dans les cas extrêmes, elle peut dépasser 10 kilovolts.
Les dangers d'un circuit ouvert du côté secondaire d'un transformateur de courant.
La haute tension et les phénomènes associés provoqués par un circuit secondaire ouvert-peuvent déclencher une série de risques de réaction en chaîne-.
1. Risque de choc électrique pour le personnel
Des milliers de volts de haute tension existent sur les bornes du câblage secondaire, créant directement un risque grave de choc électrique. Le personnel de maintenance et d'inspection peut subir un choc électrique s'il touche accidentellement ces bornes sans protection appropriée.
2. Dommages à l'équipement
● Panne d'isolation: La haute tension va d'abord ponctuer l'isolation entre les spires de l'enroulement secondaire, entre les couches, ou l'isolation entre le circuit secondaire et la masse, entraînant des dommages permanents au TC.
● Surchauffe et brûlure: Une fois que le noyau devient fortement saturé, il génère d'énormes pertes par courants de Foucault et par hystérésis, provoquant une surchauffe du noyau. Cela pourrait brûler l'isolation du bobinage et même déclencher un incendie.
● Arc et explosion : Les points de circuit ouvert- (tels que les bornes desserrées) généreront des arcs soutenus sous haute tension. La température élevée des arcs peut endommager l'équipement, enflammer les matériaux combustibles environnants et le gaz à haute température - accumulé dans les armoires fermées peut même provoquer une explosion électrique.
3. Dangers pour le fonctionnement du système
Perte et défaillance de mesure : pour les compteurs électriques de type CT-, le courant d'entrée devient nul, ce qui les rend incapables de mesurer l'électricité. Cela entraîne une perte d’électricité mesurée et peut déclencher des différends sur les règlements commerciaux.
Étincelles dangereuses à haute tension : elles agissent non seulement comme une source d'inflammation, mais les impulsions électromagnétiques intenses qu'elles génèrent peuvent également interférer avec les équipements électroniques à proximité.
Conclusion
Un circuit ouvert du côté secondaire d’un transformateur de courant (TC) déclenche une violente accumulation d’énergie électromagnétique, qui est finalement libérée sous la forme d’une haute tension, d’arcs puissants et d’une surchauffe – un processus physique catastrophique. Par conséquent, dans tous les travaux impliquant des circuits TC, « empêcher les circuits ouverts » doit être une procédure strictement suivie.
Dans le même temps, le côté secondaire du transformateur de courant connecté au compteur d'énergie doit être mis à la terre. Ceci, ainsi que « l'interdiction stricte des circuits ouverts du côté secondaire », constituent les deux règles fondamentales à toute épreuve pour l'exploitation et la maintenance des TC. La mise à la terre permet à la haute tension d'être rapidement déchargée vers le sol via le fil de terre, empêchant ainsi une augmentation soudaine du potentiel secondaire qui pourrait causer des dommages à l'équipement ou des accidents de choc électrique.