Guide de conception des transformateurs de courant pour la protection et la mesure

Guide de conception des transformateurs de courant pour la protection et la mesure

Les transformateurs de courant (TC) sont des dispositifs de précision qui convertissent les courants primaires en valeurs secondaires standardisées destinées aux relais et aux compteurs. La conception d'un TC implique un équilibre entre performance magnétique, limites thermiques et robustesse mécanique afin de répondre aux exigences d'exactitude dans diverses conditions de fonctionnement.

Définition rapide : La conception d'un transformateur de courant est le processus technique consistant à choisir les matériaux du noyau, les configurations d'enroulement et les systèmes d'isolation afin de reproduire précisément les courants primaires à une valeur secondaire réduite.

Principaux points clés du projet

• La conception du TC doit être conforme aux normes IEC 61869-2 et IEEE C57.13 en matière d'exactitude, de sécurité et d'essais.
• La saturation du noyau, le dimensionnement de la charge et les performances thermiques déterminent la fiabilité des transformateurs de courant lors des défauts.
• Enwei Electric propose des transformateurs de courant conçus sur mesure pour les applications de protection, de comptage et de sous-stations numériques.
• Des références externes provenant de l'IEC, de l'IEEE et du NERC orientent les spécifications, les essais et les protocoles de maintenance.

Définir les objectifs de conception

Les concepteurs déterminent d'abord si le transformateur de courant est destiné à la protection, au comptage ou à une fonction double. Les transformateurs de courant de protection privilégient la performance transitoire et une tension au point de coude élevée afin d'éviter la saturation en cas de défaut. Les transformateurs de courant de comptage mettent l'accent sur la précision dans toute la plage de charges. Les conditions environnementales, les contraintes de montage et l'intégration avec les appareillages influencent les choix géométriques et d'isolation.

Fondamentaux du circuit magnétique

Le noyau du TC forme un circuit magnétique qui guide le flux généré par le courant primaire. La section transversale du noyau et la longueur du trajet magnétique déterminent le courant d'excitation et les caractéristiques de saturation. Les concepteurs utilisent des matériaux à haute perméabilité pour minimiser le courant d'excitation, garantissant ainsi que le courant secondaire suive la forme d'onde primaire.

Les entrefer, souvent indésirables, peuvent être introduits intentionnellement dans certains TC spéciaux afin de contrôler la saturation. Toutefois, les entrefers augmentent le courant d'excitation et réduisent la précision, ils doivent donc être modélisés avec soin.

Conformité aux normes et références

• IEC 61869-2:2012 — Fournit les classes de précision, les limites thermiques et les procédures d'essai. Source : CEI
• IEEE C57.13-2016 — Couvre les exigences relatives aux transformateurs de mesure en Amérique du Nord. Source : IEEE
• NERC PRC-005 — Détaille les intervalles d'entretien pour les composants des systèmes de protection. Source : NERC

La conformité garantit que les TC répondent aux attentes mondiales en matière de précision ainsi qu'aux exigences réglementaires des audits.

Calculs de conception du noyau

Les concepteurs calculent la section transversale du noyau à l'aide de la densité de flux maximale autorisée pour le matériau choisi, en tenant compte du courant primaire, du rapport de spires et de la fréquence. La densité de flux doit rester inférieure au seuil de saturation dans les conditions de défaut maximales.

La tension au point d'inflexion est calculée à partir des caractéristiques du noyau et du rapport de transformation, afin de garantir que les transformateurs de protection maintiennent leur sortie lorsque les circuits secondaires subissent des charges élevées. Les ingénieurs déterminent également le courant d'aimantation et les courbes d'excitation pour vérifier la précision dans les classes spécifiées.

Considérations sur les enroulements et la charge

La conception de l'enroulement secondaire implique le choix de la section du conducteur et du nombre de spires afin d'obtenir le rapport souhaité tout en supportant les charges thermiques. La résistance de l'enroulement et la réactance de fuite contribuent à la charge totale et doivent être minimisées.

Les calculs de charge incluent les appareils connectés — compteurs, relais — ainsi que la résistance des conducteurs. La charge totale doit rester inférieure à la valeur nominale afin de maintenir la précision. Certains modèles intègrent plusieurs enroulements secondaires pour des circuits distincts de protection et de mesure.

Sélection des matériaux du noyau et des enroulements

Les TC de protection utilisent souvent de l'acier au silicium orienté ou des matériaux nanocristallins afin d'obtenir une densité de flux de saturation élevée. Les TC de mesure peuvent utiliser des alliages amorphes pour améliorer la précision à faible courant. L'isolation de l'enroulement secondaire utilise un fil de cuivre émaillé, complété par des couches d'époxy, de Mylar ou de Nomex selon la classe de tension.

La conception mécanique comprend des structures de support, des cadres de fixation et une encapsulation par résine afin de résister aux efforts dus aux courts-circuits. Les TC extérieurs nécessitent des boîtiers étanches aux intempéries, tandis que les TC intérieurs s'intègrent dans des compartiments d'appareillage.

Performance thermique et mécanique

Les transformateurs de courant génèrent de la chaleur par pertes cuivre et hystérésis du noyau. La modélisation thermique garantit que l'élévation de température reste dans les limites fixées par la CEI. Les concepteurs peuvent utiliser des boîtiers en résine moulée ou immergés dans l'huile pour dissiper efficacement la chaleur.

Les efforts dus aux courts-circuits peuvent dépasser plusieurs kN, notamment dans les applications à fort courant. Les châssis des transformateurs de courant, les supports et l'isolation doivent résister aux contraintes mécaniques afin d'éviter toute déformation ou défaillance de l'isolation.

Essai et validation

Les prototypes de transformateurs de courant subissent des essais courants, des essais de type et des essais spéciaux : vérification de précision du rapport, contrôle de polarité, essais d'isolement, tenue au courant de courte durée et mesures de décharges partielles. Les courbes d'excitation confirment la tension du point de coude, tandis que les essais d'élévation de température valident la conception thermique.

Des outils de modélisation numérique, tels que l'analyse par éléments finis (AEF), aident à vérifier la répartition du flux magnétique et des contraintes mécaniques avant les essais physiques. Les laboratoires d'Enwei Electric collectent des données afin de certifier la conformité aux spécifications clients et aux normes internationales.

Liste de vérification pour la conception d'un transformateur de courant

• Identifier l'application : protection, mesure ou combinée.
• Sélectionner le matériau du noyau et déterminer la section transversale afin d'éviter la saturation.
• Calculer le rapport de transformation, la tension au point de coude et le courant d'excitation.
• Évaluer la charge, y compris les appareils connectés et le câblage.
• Concevoir l'isolation, la gestion thermique et les supports mécaniques adaptés à l'environnement de fonctionnement.
• Prévoir les essais de validation conformément aux normes IEC 61869-2 et IEEE C57.13.

Expertise de conception des TC chez Enwei Electric

Enwei Electric fabrique des transformateurs de courant moyenne et basse tension avec des rapports, classes de précision et systèmes d'isolation personnalisables. Découvrez les options produits sur https://www.enweielectric.com/products/current-transformers. Intégration avec les équipements électriques ( https://www.enweielectric.com/products/switchgear) et transformateurs ( https://www.enweielectric.com/products/transformers) garantit des performances cohérentes du système.

FAQ technique sur la conception des transformateurs de courant

Comment éviter la saturation d'un transformateur de courant lors d'un défaut ?

Concevoir pour une tension au point de coude élevée en choisissant un matériau de noyau adapté, en augmentant le nombre de spires et en gérant la charge pour rester dans les limites nominales.

Un seul transformateur de courant peut-il servir à la fois à la protection et à la mesure ?

Oui, avec deux enroulements secondaires conçus pour des classes de précision différentes, mais une gestion attentive de la charge est nécessaire pour éviter les interférences.

Quel support technique Enwei Electric propose-t-il ?

Enwei Electric fournit une ingénierie d'application, la sélection des rapports et des tests de vérification afin de fournir des transformateurs de courant adaptés aux besoins de protection ou de mesure.

Appel à l'action : Concevez des transformateurs de courant précis avec Enwei Electric

Un design robuste du transformateur de courant est essentiel pour une mesure précise et une protection fiable. Associez-vous à Enwei Electric pour des solutions techniques sur mesure, des essais et un support d'intégration système. Contactez Enwei Electric dès aujourd'hui pour accélérer votre projet de conception de transformateurs de courant.

Applications du projet

Découvrez des exemples de déploiements réels et des sélections en galerie sur les centres produits d'Enwei Electric :

• Solutions transformateurs pour projets de distribution et industriels.
• Portefeuilles d'appareillages couvrant les salles de commande moyenne et basse tension.
• Plages de transformateurs de courant assurant une mesure précise et la protection.
• Sous-stations préfabriquées qui intègrent des transformateurs, des appareillages électriques et des tableaux.