Essai du courant d’excitation des transformateurs : détection des défauts du noyau et des enroulements

De quoi il s’agit

L’essai du courant d’excitation, parfois appelé essai du courant à vide ou du courant magnétisant, mesure le faible courant qu’un transformateur prélève pour magnétiser son noyau lorsqu’un enroulement est alimenté et que les autres demeurent ouverts. Sur le terrain, il se fait à tension réduite fournie par un appareil d’essai portatif, habituellement sur l’enroulement haute tension d’un transformateur de puissance ou de distribution, une phase à la fois. L’essai s’applique aux transformateurs à liquide, aux grands transformateurs secs refroidis par air et aux régulateurs de tension à échelons, y compris les positions du changeur de prises en charge; la lecture est donc prise à chaque prise d’intérêt et, sur certaines unités, avec le neutre accessible. Il est prévu comme essai électrique à la réception et à l’entretien, et les spécifications le présentent parfois comme facultatif pour les positions de prise et le neutre. Le résultat est un courant, souvent consigné avec la tension appliquée et les pertes, et la valeur de chaque phase est comparée à celle des autres et à des données antérieures ou d’usine.

Pourquoi on le fait

Le courant d’excitation est un indicateur sensible de l’état du circuit magnétique et de l’isolation entre spires. Des spires en court-circuit dans un enroulement, des tôles de noyau endommagées, un joint de noyau déplacé, un courant de circulation dans le noyau, un magnétisme rémanent et un mauvais contact dans un changeur de prises ou ses conducteurs modifient tous le courant que prélève le transformateur. Ces problèmes peuvent échapper aux essais de résistance d’isolement et de rapport, mais ils augmentent les pertes, échauffent l’unité et peuvent évoluer vers une défaillance. Comme l’essai est rapide et ne demande qu’une source basse tension, il constitue un bon filtre après le transport, après un défaut traversant, après une réparation du changeur de prises et chaque fois que l’analyse des gaz dissous ou d’autres indices laissent soupçonner un problème interne. Il établit aussi une référence pour l’unité, à laquelle les essais futurs pourront être comparés, et il aide à distinguer un défaut d’enroulement, qui se manifeste dans le courant d’excitation, d’un problème purement d’isolation.

Le principe

Le noyau d’un transformateur a besoin d’un courant de magnétisation pour produire le flux qui embrasse les enroulements. La valeur de ce courant dépend du matériau du noyau, de sa géométrie et du nombre de spires de l’enroulement alimenté. Dans un transformateur triphasé sain à noyau à trois colonnes, le chemin magnétique est plus long pour les phases extérieures que pour la phase centrale, de sorte que le courant est plus élevé dans les deux phases extérieures et plus faible au centre, ce qui donne une configuration reconnaissable. Lorsque quelques spires sont court-circuitées, la boucle en court-circuit se comporte comme un secondaire chargé et le primaire prélève plus de courant pour compenser. Lorsque des tôles du noyau sont endommagées ou qu’un joint est ouvert, la réluctance augmente et le courant change. À la basse tension d’essai, le noyau n’est pas saturé, de sorte que la mesure reflète la région linéaire du noyau et la structure des enroulements. Le magnétisme rémanent laissé par des essais antérieurs en courant continu ou par une manœuvre peut modifier le résultat, c’est pourquoi l’essai d’excitation se fait avant les essais qui magnétisent le noyau, comme la résistance des enroulements, ou après la démagnétisation de l’unité.

Comment on le réalise

Le transformateur est mis hors tension, isolé et mis à la terre selon les procédures de sécurité du propriétaire, et les raccordements externes sont retirés des traversées. Le changeur de prises est amené à une position définie, qui est notée, et l’essai est repris aux positions que la procédure exige. L’appareil d’essai est raccordé à une phase de l’enroulement à alimenter, les autres enroulements du transformateur étant ouverts et les connexions en triangle ou au neutre disposées selon la procédure, puisque le couplage de l’unité détermine la préparation de l’essai. Une basse tension alternative est appliquée à un niveau sûr pour l’unité et l’instrument, et l’on consigne le courant et, lorsqu’ils sont disponibles, les pertes et le facteur de puissance de cette phase. L’étape est reprise pour chaque phase. Comme l’équipement mis à l’essai peut être capacitif et inductif, l’instrument gère la puissance de la source et donne des lectures stables. Un appareil qui rapporte à la fois le courant et les pertes est utile, car les deux ensemble séparent un problème de noyau d’un problème d’enroulement. Le magnétisme rémanent influant sur le résultat, les essais en courant continu sont planifiés par la suite. La température, la position de prise, la tension appliquée et l’étalonnage de l’instrument sont consignés.

Ce qui est consigné

Le relevé indique l’unité, l’enroulement alimenté, les couplages des enroulements et la phase, ainsi que la position de prise. Il contient la tension d’essai appliquée et le courant d’excitation de chaque phase et de chaque prise mesurée, et les pertes lorsque l’instrument les rapporte. L’instrument et son état d’étalonnage, la date, la température de l’enroulement ou de l’huile et les conditions ambiantes sont consignés, avec l’état constaté de l’unité, par exemple neuve, transportée ou revenue d’un défaut. On y précise si le noyau avait été magnétisé par des essais antérieurs en courant continu, car cela explique un écart inattendu. La même disposition est décrite afin que les essais ultérieurs puissent la suivre à l’identique.

Comment les résultats sont jugés

Aucune valeur unique n’est un seuil de réussite ou d’échec, et cette page n’en donne aucune. Les résultats se jugent par comparaison. La première comparaison est entre les phases : dans une unité à noyau à trois colonnes, on s’attend à ce que les deux phases extérieures se ressemblent et que la phase centrale diffère de façon caractéristique, et un écart par rapport à cette configuration révèle un problème local. La deuxième se fait avec les données d’essais d’usine ou des résultats de terrain antérieurs pris à la même tension et à la même prise, où une hausse ou un changement de configuration évoque des spires en court-circuit ou un noyau endommagé. La troisième se fait entre les positions de prise, où une position qui s’écarte de ses voisines évoque un problème de changeur ou de conducteurs. Les constats se lisent avec d’autres essais, comme le rapport de transformation, la résistance des enroulements, la réactance de fuite et l’analyse des gaz dissous. ANSI/NETA ATS-2025 et ANSI/NETA MTS-2023 prévoient l’essai d’excitation pour les transformateurs et les régulateurs; reportez-vous à vos exemplaires sous licence pour les exigences et les critères.

Variantes

À la réception, l’essai est effectué pour confirmer l’unité par rapport aux données d’usine et établir une référence pour toutes les prises d’intérêt. À l’entretien, il s’applique après un défaut traversant, après un transport ou un déplacement, après l’entretien du changeur de prises et lorsque d’autres indices laissent soupçonner un problème interne. Les unités à liquide et les unités sèches sont traitées de la même façon en principe, bien que les grands transformateurs secs présentent des particularités de température et d’accès. Les régulateurs de tension à échelons sont mis à l’essai à chaque position de prise, et le montage en série et le changeur sont inclus dans ce que reflète le courant. Les unités triphasées à enroulements en triangle, en zigzag ou à neutre accessible demandent une disposition d’essai précise, et lorsque le neutre est sorti, l’essai peut être étendu pour l’inclure. Les unités monophasées donnent une seule lecture par configuration. Dans tous les cas, la comparaison avec le résultat antérieur de la même unité est la plus sensible.