Rapport, polarité et magnétisme
L’essai d’excitation d’un transformateur de courant alimente l’enroulement secondaire avec une tension alternative croissante, le primaire étant ouvert, et trace le courant d’excitation obtenu. La courbe montre où le noyau commence à saturer, ce qui indique si un transformateur de courant de protection reproduira fidèlement le courant de défaut.
L’essai d’excitation d’un transformateur de courant, aussi appelé essai de saturation ou essai du point de coude, consiste à appliquer une tension alternative variable à l’enroulement secondaire, le primaire demeurant ouvert, et à mesurer le courant d’excitation absorbé à chaque palier de tension. Les points de tension et de courant, une fois portés sur un graphique, forment la courbe d’excitation du noyau. Cette courbe comprend une partie inférieure à montée douce, un coude, le point de coude, puis une partie supérieure très raide où une faible hausse de tension exige un courant énorme parce que le fer est saturé. L’essai s’applique aux transformateurs de courant de classe protection, notamment les unités de type traversée à l’intérieur des transformateurs et des disjoncteurs, les types à fenêtre et à barre des appareillages et les unités à rapport multiple dotées de plusieurs prises. Lorsqu’une unité comporte un noyau de mesurage et un noyau de protection, c’est ce dernier qui est mis à l’essai. Il s’agit d’une vérification du noyau lui-même, indépendante de la charge raccordée, qui complète les mesures de rapport, de polarité et de charge faites sur le même appareil.
Un relais de protection compte sur le transformateur de courant pour recevoir une copie fidèle du courant de défaut, et il doit la recevoir au moment précis où le courant primaire est le plus élevé et où le noyau subit la plus grande contrainte. Si le noyau sature trop tôt, l’onde secondaire est écrêtée, le relais perçoit moins de courant qu’il n’en circule réellement et le déclenchement peut être retardé ou manqué. Les schémas différentiels sont particulièrement sensibles, car la saturation inégale de deux transformateurs de courant crée un faux courant de fonctionnement. La courbe d’excitation met en évidence des spires en court-circuit dans l’enroulement secondaire, un noyau endommagé ou contaminé à la fabrication, un entrefer ou un joint défectueux, un magnétisme rémanent laissé par un essai en courant continu, un mauvais choix de prise sur une unité à rapport multiple et une unité dont la conception n’est pas celle qui était spécifiée. Déceler ces défauts à la mise en service coûte beaucoup moins cher que de les découvrir lors d’un défaut sur le réseau, alors qu’un fonctionnement incorrect du relais peut transformer un événement local en panne étendue et endommager l’équipement.
Un transformateur de courant fonctionne parce que les ampères-tours du primaire sont équilibrés par ceux du secondaire, à l’exception d’une petite part qui magnétise le noyau. Cette part est le courant d’excitation. Dans la région inférieure de la courbe, le fer se magnétise facilement, de sorte qu’un faible courant suffit et que la tension croît presque proportionnellement. Quand la densité de flux approche la limite du matériau, le noyau ne peut plus absorber de flux, la perméabilité s’effondre et le courant d’excitation grimpe rapidement pour très peu de tension additionnelle. La transition entre les deux régions est le point de coude, que les normes définissent par une pente particulière de la courbe sur des axes logarithmiques. La tension au coude est une mesure approximative de la tension secondaire que le noyau peut soutenir avant de déformer la sortie, ce qui est précisément la grandeur dont l’ingénieur en protection a besoin pour la comparer à la charge et au courant de défaut. La courbe varie selon le nombre de spires utilisées, si bien que chaque prise d’une unité à rapport multiple a la sienne. Puisque le fer garde la mémoire de la magnétisation antérieure, le flux rémanent d’une mesure précédente en courant continu ou d’un courant traversant peut avancer la saturation, et c’est pourquoi l’unité est démagnétisée avant et après l’essai.
Le circuit est mis hors tension, isolé et mis à la terre selon les procédures de sécurité du propriétaire, et le primaire reste ouvert. Les conducteurs du secondaire sont débranchés des relais et des compteurs, et les liens de court-circuit sont ouverts, afin que seul l’enroulement du transformateur de courant soit mis à l’essai. Comme la tension d’essai est appliquée au secondaire, le côté primaire peut développer une tension élevée; le personnel se tient à distance des bornes primaires et prend les mêmes précautions que pour un équipement sous tension. Une source alternative variable de capacité appropriée, par exemple un autotransformateur variable accompagné d’un voltmètre et d’un ampèremètre à valeur efficace vraie, ou un analyseur de transformateurs de courant conçu à cette fin, est raccordée à l’enroulement secondaire complet ou à la prise visée. La tension est augmentée par paliers pendant que le courant d’excitation est relevé, et le balayage est interrompu dès que le coude est nettement dépassé, afin de ne pas surcontraindre l’enroulement ni l’instrument. La tension est ensuite ramenée doucement à zéro, jamais coupée brusquement, pour ne pas laisser de flux rémanent. Une démagnétisation est effectuée après l’essai, soit avec la fonction intégrée de l’analyseur, soit en faisant redescendre lentement la tension par cycles. Chaque phase et chaque prise appelée à servir sont mises à l’essai, et l’instrument doit être étalonné et fonctionner à une fréquence conforme à celle du réseau.
Le relevé comprend les points de tension et de courant d’excitation qui forment la courbe de chaque phase et de chaque prise mesurée, l’enroulement ou le noyau secondaire mis à l’essai et la tension à laquelle le coude a été repéré. Il consigne aussi l’instrument et son état d’étalonnage, la fréquence de la source, la date et les conditions ambiantes. L’état constaté à l’arrivée y figure également, par exemple si l’unité venait d’être installée, si elle avait subi auparavant un essai en courant continu et si la démagnétisation a été faite par la suite. Disposer de tous les points et non seulement de la valeur du coude permet à un examinateur ultérieur de superposer les courbes et de voir où, et avec quelle netteté, un changement est survenu.
Il n’existe ici aucune valeur unique de réussite ou d’échec, et cette page n’en donne aucune. La comparaison principale se fait entre la courbe mesurée et la courbe typique publiée par le fabricant pour cette unité et ce rapport. On s’attend à ce que la tension au coude mesurée soit cohérente avec cette courbe et avec la classe de précision de l’unité, et à ce que la forme soit lisse, sans paliers abrupts. Les courbes des trois phases d’une même installation, de même rapport et de même conception, sont comparées entre elles, car une valeur atypique évoque des spires en court-circuit ou un noyau endommagé. La comparaison avec les résultats antérieurs du même appareil montre si la caractéristique a dérivé. Le coude doit en outre convenir à la charge et au courant de défaut du schéma de protection, question de conception qui relève de l’ingénieur en protection. La méthode de définition du point de coude et les classes de précision sont traitées dans IEEE C57.13-2016 et IEEE C57.13.1-2017, tandis que ANSI/NETA ATS-2025 et ANSI/NETA MTS-2023 prévoient l’essai d’excitation pour les applications de protection; reportez-vous à vos exemplaires sous licence pour connaître les exigences applicables.
L’essai d’excitation fait partie de la séquence de réception des transformateurs de courant destinés à la protection, et il est repris à l’entretien lorsque le schéma de protection est en révision ou qu’un résultat antérieur était douteux. Les noyaux de classe mesurage ne sont généralement pas soumis à cet essai. Sur une unité à plusieurs enroulements secondaires, chaque noyau de protection est mis à l’essai séparément, les autres étant ouverts ou court-circuités selon la procédure. Les transformateurs de courant de type traversée installés dans un transformateur ou un disjoncteur sont mis à l’essai à partir du bornier, l’équipement étant isolé. Les unités à rapport multiple sont mises à l’essai sur la prise en service et, idéalement, sur la prise la plus élevée aussi, parce que la courbe dépend du nombre de spires. Les noyaux à entrefer et les unités de haute précision ont un coude beaucoup plus progressif et demandent du jugement, puisque la définition usuelle du coude ne convient qu’aux noyaux sans entrefer. Dans tous les cas, la courbe publiée par le fabricant demeure la référence principale.
Les catégories d’équipement et les articles de norme qui exigent cet essai, et les formulaires de UltraDb qui le comportent.
C’est le point de la courbe d’excitation où le noyau commence à saturer, de sorte qu’une faible hausse supplémentaire de tension exige une forte hausse du courant d’excitation. Les normes le définissent par la pente de la courbe sur des axes logarithmiques. Il indique la tension secondaire que le noyau peut soutenir avant que la sortie soit déformée.
Le primaire étant ouvert, aucun courant primaire n’équilibre les ampères-tours du secondaire, et tout ce que fournit la source sert à magnétiser le noyau. Le courant mesuré est donc le véritable courant d’excitation. Le primaire ouvert peut développer une tension dangereuse; on le traite comme s’il était sous tension.
Porter la tension jusqu’à la saturation, ou appliquer un essai en courant continu comme une mesure de résistance, peut laisser du flux rémanent dans le fer. Ce flux déplace le point de fonctionnement et peut provoquer une saturation précoce lors d’un défaut ultérieur. La démagnétisation rétablit un état de départ neutre avant la remise en service.
Normalement non, car les noyaux de mesurage sont conçus pour être précis à charge normale et pour saturer volontairement à une surintensité modeste, ce qui protège le compteur. L’essai d’excitation vise les noyaux de protection, où c’est le comportement à fort courant de défaut qui importe.
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