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Les transformateurs de mesure moyenne tension font le lien entre les systèmes d'alimentation haute tension et les relais de protection ou les équipements de mesure qui les surveillent. Le choix entre un VT/PT (transformateur de tension/transformateur de potentiel) électromagnétique et un CVT (transformateur de tension à condensateur) pour les applications MT dépend de trois facteurs : les exigences en matière de classe de précision, la vitesse de réponse aux transitoires et la susceptibilité à la ferrorésonance. Cette comparaison examine les principes de fonctionnement de chaque technologie, identifie les erreurs de câblage courantes à l'origine des défaillances et fournit des stratégies pratiques de prévention de la ferrorésonance.
Les transformateurs électromagnétiques fonctionnent selon le même principe d'induction que les transformateurs de puissance. L'enroulement primaire se connecte directement au bus MT - typiquement de 6,6 kV à 36 kV - tandis que le secondaire délivre des sorties normalisées de 100 V ou 110 V conformément à la norme IEC 61869-3. Un noyau en silicium-acier laminé fournit le chemin magnétique entre les enroulements. Ce couplage direct signifie que la tension de sortie suit fidèlement la tension d'entrée sur une large gamme de fréquences.
Dans les déploiements sur le terrain dans plus de 40 sous-stations industrielles, les VT électromagnétiques atteignent systématiquement des classes de précision de 0,2 à 0,5 pour les applications de comptage, avec des capacités de charge allant de 25 VA à 200 VA.
Les CVT adoptent une approche fondamentalement différente. Une pile de condensateurs (C1) se connecte à la ligne haute tension, formant un diviseur de tension avec un second condensateur (C2). Cette division capacitive réduit la tension primaire à un niveau intermédiaire, généralement de 10 à 20 kV. Un transformateur de tension intermédiaire (IVT) abaisse ensuite la tension secondaire, tandis qu'une bobine d'accord compense la réactance capacitive à 50/60 Hz.
Cette architecture à deux étages crée un stockage d'énergie inhérent. Pendant les transitoires, l'énergie stockée doit être redistribuée avant que la sortie ne se stabilise, ce qui explique pourquoi la réponse de la CVT est en retard d'un ordre de grandeur par rapport à la VT électromagnétique.
Les caractéristiques de la réponse transitoire diffèrent considérablement : les transducteurs électromagnétiques reproduisent les changements d'échelon en 1 à 2 ms, tandis que les CVT présentent des temps de réponse de 15 à 30 ms en raison de l'accord condensateur-réacteur à 50/60 Hz. La fonction de transfert du CVT comprend des pics de résonance qui peuvent amplifier les fréquences sous-synchrones par des facteurs de 3× à 5×, ce qui peut entraîner un mauvais fonctionnement de la protection en cas de défaut.
| Paramètre | Électromagnétique VT/PT | Condensateur VT (CVT) |
|---|---|---|
| Plage de tension typique | 3,6-245 kV | 72,5-800 kV |
| Adéquation MV (≤40,5 kV) | Choix principal | Rarement appliquée |
| Classe de précision de mesure | 0.1, 0.2, 0.5 | 0.5, 1.0 |
| Classe de précision de protection | 3P, 6P | 3P, 6P |
| Réponse transitoire | <2 ms de décantation | 15-30 ms de stabilisation |
| Réponse en fréquence | Plat jusqu'à plusieurs kHz | Accordé à 50/60 Hz |
| Couplage du support PLC | Non disponible | Port intégré |
| Susceptibilité de ferrorésonance | Haut dans les systèmes de câbles | Modéré |
| Coût relatif à 36 kV | Inférieur | Supérieur |
Le comptage des revenus exige des classes de précision de 0,2 ou 0,5, maintenant les erreurs en fonction de la charge à ±0,2% ou ±0,5% pour une tension nominale de 80-120%. Les transformateurs électromagnétiques excellent dans ce domaine car la tension de sortie suit la forme d'onde primaire avec un déphasage minimal - généralement moins de 10 minutes d'erreur d'angle à la charge nominale.
Pour les applications de protection, la norme IEC 61869-5 spécifie les classes 3P et 6P autorisant des erreurs de rapport jusqu'à ±3% ou ±6% tout en mettant l'accent sur une reproduction fidèle des transitoires. Les circuits internes de suppression de la ferrorésonance du CVT peuvent déformer la forme d'onde en cas de défaut, ce qui peut entraîner un mauvais fonctionnement du relais. Des essais sur le terrain dans des sous-stations de 33 kV ont révélé que la réponse transitoire du CVT affecte les calculs de portée des relais de distance de 5-12%.
[Regard d'expert : l'économie de la sélection de la FP]
- En dessous de 72,5 kV : le VT électromagnétique est presque toujours plus économique.
- Le croisement des coûts se produit autour de 110-132 kV en fonction du fabricant.
- Applications MV (≤40,5 kV) : La CVT ajoute de la complexité sans avantage pratique
- Exception : si la communication avec le transporteur PLC est nécessaire au niveau de la MV, évaluer la CVT malgré le surcoût.
Le cadre décisionnel est simple pour la plupart des applications MV.
Choisissez le VT/PT électromagnétique lorsque :
La CVT n'est envisagée que dans les cas suivants
Pour disjoncteur à vide Dans les schémas de protection de l'appareillage MT, les transformateurs électromagnétiques restent le choix par défaut. Leur réponse inférieure à la milliseconde garantit que les relais de protection reçoivent des informations précises sur la tension pendant les séquences d'élimination des défauts.
La plupart des “pannes” de VT ne sont pas dues à des défauts du transformateur, mais à des erreurs d'installation. Quatre erreurs reviennent régulièrement.
Inversion de polarité
La polarité soustractive (H1-X1 du même côté) est la norme dans la plupart des régions. Une polarité incorrecte entraîne un mauvais fonctionnement de la protection différentielle, une indication de puissance inversée et des échecs de vérification de la synchronisation. La vérification sur le terrain nécessite un test d'amorçage en courant continu à basse tension : appliquer une impulsion aux bornes primaires et observer la direction de la déviation du secondaire. Une polarité correcte produit une déflexion positive lorsque l'on alimente la borne marquée.
Inadéquation des charges
La charge totale est égale à la charge de l'instrument plus la charge du fil conducteur. Le calcul est important pour les grandes longueurs de câble :
Les conducteurs sous-dimensionnés augmentent la charge totale au-delà de la valeur nominale du VT, dégradant ainsi la conformité à la classe de précision.
Points de mise à la terre multiples
Selon la norme IEEE C57.13.3, la mise à la terre en un seul point empêche les courants de circulation qui dégradent la précision. La mise à la terre ne doit être effectuée qu'au niveau du panneau de relais et jamais simultanément au niveau de la boîte à bornes VT et du panneau. Les symptômes d'une mise à la terre multiple comprennent une dérive inexpliquée des mesures et du bruit sur les formes d'onde secondaires.
Sous-dimensionnement des fusibles
L'appel de courant magnétisant du transformateur atteint 10 à 20 fois le courant nominal pendant 50 à 100 ms lors de la mise sous tension. Les fusibles standard sautent de manière intempestive ; les fusibles HRC conçus pour l'appel de puissance du transformateur résistent à ce transitoire. Un fusible qui saute signifie une perte de la tension de référence de la protection et un mauvais fonctionnement potentiel du relais.
Les bonnes pratiques de câblage s'appliquent de la même manière aux VT et autres composants de commutation dans les assemblages MV.
[Regard d'expert : Séquence de dépannage sur le terrain].
- Étape 1 : Vérifier la polarité à l'aide d'un test de coupure de courant avant la mise sous tension.
- Étape 2 : Mesurer la charge totale, y compris la résistance du plomb
- Étape 3 : Confirmer la mise à la terre d'un point unique par un test de continuité
- Étape 4 : Vérifier le calibre du fusible par rapport à la spécification d'appel du VT (typiquement 15× In pendant 100 ms).
La ferrorésonance est l'un des phénomènes les plus dangereux qui affectent les installations de transformateurs de tension. Lors de travaux de mise en service sur des réseaux de distribution de 35 kV, nous avons observé des événements de ferrorésonance produisant des surtensions soutenues de 4 à 5 par unité, suffisantes pour détruire l'isolation des transformateurs de tension en l'espace de quelques secondes.
Ce qui déclenche la ferrorésonance
Contrairement à la résonance linéaire, la ferrorésonance provient de la courbe d'aimantation non linéaire des noyaux de transformateurs. Lorsqu'un transformateur fonctionne près de la saturation, son inductance varie considérablement en fonction de la tension appliquée. Le phénomène se produit lorsque cette inductance non linéaire forme un circuit résonant avec la capacité du système provenant des câbles, des traversées ou des condensateurs de nivellement.
Les conditions critiques de déclenchement sont les suivantes
Pour les transformateurs électromagnétiques typiques de 10 à 35 kV, une résonance dangereuse se produit pour des longueurs de câble de 200 à 2 000 mètres.
Reconnaître les symptômes
Les indicateurs de terrain comprennent un bourdonnement audible à des fréquences inférieures à 50/60 Hz, des lectures de tension erratiques sautant entre des niveaux discrets, des arcs visibles aux terminaisons et un échauffement rapide du VT. L'analyse de la forme d'onde révèle des oscillations subharmoniques caractéristiques (16,7 Hz dans les systèmes à 50 Hz) qui se distinguent de la distorsion harmonique normale.
Selon la norme IEEE C62.22 (Guide for Application of Metal-Oxide Surge Arresters), la ferrorésonance peut générer des tensions soutenues de 2,5 à 4,0 p.u. avec des fréquences allant des modes sous-harmoniques (16,7 Hz) aux modes harmoniques (150 Hz). La dissipation d'énergie dans les noyaux de VT au cours de ces événements peut dépasser 500 W en continu, alors que les pertes normales sont de 3 à 8 W.
Stratégies de prévention
Il existe plusieurs méthodes de suppression qui ont fait leurs preuves :
Les CVT présentent une immunité inhérente à la ferrorésonance grâce à la division capacitive de la tension. Lors d'essais sur des réseaux de 12 kV, les transducteurs électromagnétiques sont entrés en ferrorésonance à des longueurs de câble supérieures à 2 km, tandis que les transducteurs à variation continue sont restés stables au-delà de 15 km dans des conditions de commutation identiques. Lorsque des transistors électromagnétiques sont requis pour des systèmes alimentés par câble, il convient de spécifier des conceptions anti-résonance avec une géométrie de noyau modifiée ou un amortissement intégré.
La ferrorésonance affecte l'ensemble de la ensemble de commutation, La suppression correcte protège l'équipement connecté tout au long de l'installation.
La conception du compartiment VT est conforme aux exigences de la norme IEC 62271-1 en matière de dégagements minimaux. Une ventilation adéquate permet de dissiper la chaleur due au fonctionnement continu de la charge - typiquement de 5 à 15 W pour les transformateurs MT. Les dispositions d'accès permettent le remplacement des fusibles et l'inspection des bornes secondaires sans mettre hors tension les compartiments adjacents.
La coordination avec le fonctionnement des disjoncteurs est importante. La mise sous tension de la tension d'alimentation pendant la fermeture du disjoncteur crée des transitoires d'appel ; la commutation contrôlée point par point réduit cette contrainte. Le transformateur ajoute également une charge capacitive qui affecte la tension de rétablissement transitoire (TRV) observée par le disjoncteur pendant l'interruption.
VS1 disjoncteur à vide intérieur intègrent des dispositions normalisées pour le montage de l'appareil de télévision en circuit fermé, avec une séparation adéquate des produits de l'arc.
Le choix du transformateur de tension s'intègre dans la conception globale de l'appareillage de commutation. Les calculs de charge, la vérification de la précision et l'évaluation de la ferrorésonance nécessitent une coordination entre les spécifications du transformateur de tension et la configuration du tableau.
XBRELE fournit des assemblages complets de panneaux VCB avec des compartiments VT montés en usine et conçus pour une intégration fiable des transformateurs d'instrumentation. Le support technique couvre la coordination de la protection, la révision du câblage et l'évaluation des risques de ferrorésonance pour les installations alimentées par câble.
Contacter l'équipe d'ingénieurs de XBRELE pour les solutions d'appareillage de commutation à moyenne tension avec des transformateurs de tension correctement spécifiés.
Q : Le CVT peut-il atteindre une précision de classe 0,2 pour le comptage des revenus dans les systèmes MT ?
R : Les CVT atteignent généralement une précision de classe 0,5 ou 1,0, et leurs erreurs dépendantes de la fréquence les rendent inadaptés au comptage de précision des revenus en dessous de 72,5 kV, où les VT électromagnétiques atteignent systématiquement une performance de classe 0,2.
Q : Quelle longueur de câble déclenche la ferrorésonance dans les systèmes de 35 kV ?
R : Le risque de ferrorésonance augmente de manière significative lorsque la capacité du câble tombe entre 0,1-1,0 μF par phase, ce qui correspond approximativement à des longueurs de câble de 200 à 2 000 mètres en fonction du type de câble et de la configuration de la mise à la terre du système.
Q : Comment dimensionner une résistance d'amortissement pour supprimer la ferrorésonance ?
R : Les résistances d'amortissement sont généralement comprises entre 25 et 100 Ω et sont connectées à l'enroulement secondaire en triangle ouvert, avec une puissance nominale continue de 50 à 200 W ; le dimensionnement exact dépend de la capacité du système et des caractéristiques de magnétisation du VT.
Q : Pourquoi la portée du relais de distance change-t-elle lorsque l'on remplace le VT par le CVT ?
R : La réponse transitoire du CVT (15-30 ms de stabilisation) fausse la mesure de la tension de défaut, affectant les calculs de portée du relais de 5-12% et nécessitant souvent des ajustements de réglage pour maintenir une coordination de zone correcte.
Q : Quel est le calibre du fusible qui empêche le déclenchement intempestif lors de la mise sous tension du VT ?
R : Les fusibles HRC conçus pour l'encrassement des transformateurs - qui résistent généralement à un courant de 15 à 20 fois supérieur au courant nominal pendant 100 ms - empêchent les opérations intempestives pendant la commutation tout en assurant une protection contre les défauts prolongés.
Q : La ferrorésonance est-elle possible avec des systèmes neutres solidement mis à la terre ?
R : Le risque de ferrorésonance diminue considérablement dans les systèmes solidement mis à la terre parce que la connexion neutre fournit un chemin à faible impédance qui empêche les surtensions soutenues caractéristiques des configurations non mises à la terre ou mises à la terre à haute résistance.
Q : À quelle fréquence la précision de la VT doit-elle être vérifiée en service ?
R : La plupart des compagnies d'électricité vérifient la précision des compteurs de revenus tous les 4 à 8 ans à l'aide d'un équipement d'étalonnage portable, des contrôles plus fréquents étant recommandés après des opérations de commutation ou si des anomalies de mesure apparaissent.
