Calcul de la charge secondaire d'un transformateur de courant

Introduction

Dans les systèmes de protection moyenne tension, même un transformateur de courant parfaitement spécifié peut ne pas fournir de signaux de défaut fiables si la charge secondaire est mal calculée. La charge secondaire - l'impédance totale connectée aux bornes secondaires du TC - détermine directement si votre TC conserve sa précision pendant les conditions de défaut, ou s'il sature et envoie des signaux corrompus à vos relais de protection. Pour les ingénieurs électriciens qui conçoivent des schémas de protection MT et les responsables de l'approvisionnement en TC pour les sous-stations industrielles ou les alimentations de réseaux électriques, un calcul incorrect de la charge est l'une des erreurs de spécification les plus courantes et les plus lourdes de conséquences sur le terrain. Ce guide fournit une méthodologie structurée et de qualité technique pour le calcul de la charge secondaire des TC, couvrant chaque composant de résistance dans la boucle secondaire, et traduisant ce calcul en une spécification correcte du TC selon la norme CEI 61869-2.

Table des matières

• Qu'est-ce que la charge secondaire de la tomodensitométrie et que comprend-elle ?
• Comment calculer la charge secondaire totale, étape par étape ?
• Comment la charge secondaire affecte-t-elle la sélection des TC pour la protection MV ?
• Quelles sont les erreurs de calcul de la charge les plus courantes dans les circuits de protection ?

Qu'est-ce que la charge secondaire de la tomodensitométrie et que comprend-elle ?

Le fardeau secondaire de la tomodensitométrie est la impédance totale (exprimée en VA ou Ω) présentée à l'enroulement secondaire du TC par tous les dispositifs et conducteurs connectés dans la boucle secondaire. Il ne s'agit pas simplement de l'impédance de la bobine du relais, mais de la somme de tous les éléments résistifs et réactifs que le courant secondaire doit traverser.

Par IEC 61869-2¹, La charge nominale (Sₙ) d'un TC de protection est définie au courant secondaire nominal (généralement 1A ou 5A) et au facteur de puissance nominal (généralement cos φ = 0,8). Le TC doit conserver sa classe de précision jusqu'à cette valeur de charge. Si elle est dépassée, l'ALF effectif chute - potentiellement en dessous de l'exigence de niveau de défaut de votre système.

Composantes de la charge secondaire de la tomodensitométrie

La charge secondaire totale comprend quatre éléments distincts :

• Charge du relais (S_relay) : La consommation en VA de tous les relais de protection connectés - surintensité, défaut de terre, différentiel, distance. Moderne relais de protection numérique² consomment généralement 0,1-0,5VA par phase ; les relais électromécaniques peuvent consommer 3-10VA
• Charge de câble (R_cable) : Résistance du câblage secondaire entre les bornes du TC et le panneau de relais - souvent le composant de charge unique le plus important dans les installations sur le terrain.
• Bornier et résistance de connexion (R_terminal) : Faible mais non négligeable dans les longues chaînes secondaires ; typiquement 0,01-0,05Ω par paire de blocs terminaux.
• Résistance de l'enroulement secondaire du TC (R_ct) : Résistance du bobinage interne du TC lui-même - ne fait pas partie de la charge externe mais est critique pour le calcul de l'ALF ; mesurée à 75°C selon la norme IEC.

Principales caractéristiques techniques à confirmer

• Courant secondaire nominal : 1A ou 5A - ce choix affecte considérablement la charge du câble (un secondaire de 5A produit une chute de tension du câble 25 fois plus importante qu'un secondaire de 1A pour une même résistance).
• Système d'isolation : Résine époxy coulée, 12kV / 24kV / 36kV selon IEC 61869
• Classe de précision : 5P ou 10P pour les circuits de protection
• Gamme de charges nominales : Valeurs standard - 2,5VA, 5VA, 10VA, 15VA, 30VA
• Température de fonctionnement : Classe E (120°C) ou classe F (155°C) - affecte le facteur de correction Rct

Comment calculer la charge secondaire totale, étape par étape ?

Un calcul rigoureux de la charge secondaire suit un processus en quatre étapes. Chaque étape doit être achevée avant que la spécification du TC ne soit finalisée - sauter une étape introduit un risque de sous-spécification.

Étape 1 : Déterminer la charge des relais

Obtenir la consommation en VA à partir des fiches techniques des fabricants de relais pour chaque dispositif connecté :

$S_{relay} = \sum_{i=1}^{n} S_{relay,i}$

Convertir les VA en résistance au courant secondaire nominal :

$R_{relay} = \frac{S_{relay}}{I_{2n}^2}$

Exemple : Relais numérique de surintensité = 0,3VA, relais de défaut de terre = 0,2VA, total = 0,5VA
A I₂ₙ = 5A : $R_{relay} = \frac{0,5}{25} = 0,02 , \Omega$
À I₂ₙ = 1A : $R_{relay} = \frac{0,5}{1} = 0,5 , \Omega$

Étape 2 : Calcul de la résistance du câble

Il s'agit de l'étape de calcul la plus critique, en particulier pour les installations où les TC sont situés loin des panneaux de relais :

$R_{cable} = \frac{2 \times L \times \rho}{A}$

Où ?

• $L$ = longueur du câble unidirectionnel (mètres)
• $\rho$ = résistivité du cuivre³ = 0,0175 Ω-mm²/m (à 20°C)
• $A$ = surface de la section du câble (mm²)
• Facteur 2 tient compte des conducteurs de départ et de retour

Correction de la température jusqu'à 75°C :

$R_{cable,75} = R_{cable,20} \n- fois [1 + 0,00393 \n- fois (75 - 20)]$

$R_{cable,75} = R_{cable,20} \Nfois 1,216$

Exemple : Câble de 30 m, cuivre 2,5 mm² :
$R_{cable,20} = \frac{2 \times 30 \times 0,0175}{2,5} = 0,42 , \Omega$
$R_{cable,75} = 0,42 fois 1,216 = 0,511 , \NOmega$

Étape 3 : Ajouter la résistance des terminaux et des connexions

Pour un circuit secondaire typique avec 6 paires de borniers :

$R_{terminal} = 6 fois 0,03 = 0,18 , \NOmega$

Étape 4 : Somme de la charge externe totale

$R_{surface,total} = R_{relay} + R_{câble,75} + R_{terminal}$

$R_{burden,total} = 0,02 + 0,511 + 0,018 = 0,549 , \Omega$

Convertir en VA au courant secondaire nominal :

$S_{burden,total} = R_{burden,total} \times I_{2n}^2 = 0.549 \times 25 = 13.7 , VA$

→ Spécifier la charge nominale du TC ≥ 15VA (valeur standard suivante au-dessus de 13,7VA)

Comparaison de la charge : 1A vs 5A Secondaire

Paramètres	1A Secondaire	5A Secondaire
Résistance du câble Impact	Faible (effet I² minimal)	Élevée (perte de VA 25 fois plus importante)
Relay Burden (VA→Ω)	Plus grand Ω par VA	Ω inférieur par VA
Chemin de câble recommandé	Jusqu'à 100 m pratique	L'idéal est de rester en dessous de 30 mètres.
Charge de travail standard	2,5VA-15VA typique	10VA-30VA typique
Taille du noyau	Plus petit	Plus grand
Application	Installations éloignées, longs parcours de câbles	Installations de panneaux locaux

Ce qu'il faut retenir : Pour les installations de TC à plus de 20 mètres du panneau de relais, 1A secondaire de préférence - La charge du câble à 5A secondaire peut consommer la totalité du budget VA nominal avant même que le relais ne reçoive un signal.

Cas client - Entrepreneur EPC pour le réseau électrique, sous-station 33kV :
Un entrepreneur EPC en Asie du Sud a spécifié des TC secondaires de 5A pour une sous-station extérieure de 33kV où les boîtes de triage des TC étaient situées à 45 mètres du panneau de relais principal. Le calcul initial de la charge (relais uniquement) a montré 8VA - bien en deçà de la charge nominale de 15VA. Cependant, l'ingénieur d'application de Bepto a recalculé en tenant compte de la résistance du câble : 45 m × 2,5 mm² de cuivre à 75 °C ajoutés à la résistance du câble. 1,23Ω = 30,7VA à la charge. La charge totale dépassait 38VA, soit plus du double de la valeur nominale du TC. La spécification a été révisée pour que les TC secondaires 1A aient une charge nominale de 15VA, ce qui a permis de résoudre le problème avant la fabrication. Ce simple calcul a permis d'éviter une défaillance complète du système de protection sur un réseau de distribution sous tension.

Comment la charge secondaire affecte-t-elle la sélection des TC pour la protection MV ?

Une fois que la charge secondaire totale est calculée, elle influence directement trois paramètres de spécification du TC : la classe de charge nominale, la sélection de la classe de précision et la vérification de l'ALF réel par rapport aux exigences de niveau de défaut du système.

Étape 1 : Sélection de la classe de charge cotée

Sélectionnez toujours l'option la valeur de la charge standard suivante au-dessus de la charge totale calculée :

• Charge calculée = 13,7VA → Préciser 15VA
• Charge calculée = 22VA → Spécifier 30VA
• Ne jamais spécifier un TC dont la charge nominale est égale à la charge calculée - cela ne laisse aucune marge.

Étape 2 : Vérification de l'ALF réel par rapport au niveau de défaut

Une fois la charge nominale sélectionnée, vérifiez l'ALF réel en utilisant :

$ALF_{actual} = ALF_{rated} \times \frac{R_{ct} + R_{terrain, nominal}}{R_{ct} + R_{débit, réel}}$

Assurer : $ALF_{actual} \geq \frac{I_{sc,max}}{I_{1n}} \N- fois 1.1$

Étape 3 : Recommandations sur la charge spécifique à l'application

• Distribution MV industrielle (6-12kV) : Secondaire 5A, 15VA, Classe 5P20 - pour des chemins de câbles courts dans des panneaux MCC compacts
• Sous-station de réseau électrique (33-36kV) : 1A secondaire, 15VA, Classe 5P30 - longs parcours de câbles vers les salles de relais distantes
• Collecte MV de la ferme solaire (33kV) : 1A secondaire, 10VA, Classe 10P10 - niveaux de défaut inférieurs, coûts optimisés
• Unité principale de l'anneau urbain (12kV) : 1A secondaire, 5VA, Classe 5P20 - TC compact moulé dans l'époxy, espace restreint
• Plate-forme marine/offshore : 1A secondaire, 10VA, Classe 5P20, encapsulation époxy IP67 - environnement corrosif

Impact de la spécification correcte de la charge sur la fiabilité

• ✅ Le TC fonctionne dans la zone linéaire pendant le défaut → Le relais reçoit un signal de courant de défaut précis
• ✅ Le relais de protection se déclenche en respectant la caractéristique temps-courant correcte
• ✅ La protection différentielle maintient la stabilité sur les défauts traversants
• La fiabilité et le temps de fonctionnement du système sont préservés sur l'ensemble de la plage de niveaux de défaillance.
• ❌ saturation du TC surchargé → sous-estimation du courant de défaut par le relais → retard ou échec du déclenchement
• ❌ Charge nominale sous-spécifiée → ALF effectif réduit → angle mort de la protection en cas de multiples de défaut élevés

Quelles sont les erreurs de calcul de la charge les plus courantes dans les circuits de protection ?

Liste de contrôle pour l'installation et la vérification

1. Mesurer la longueur réelle du câble - utiliser les dessins conformes à l'exécution et non les estimations de conception ; le routage sur le terrain ajoute 15-25% à la longueur calculée
2. Obtenir la charge du relais à partir de la fiche technique du courant - pas de mémoire ou de spécifications de projets antérieurs ; les modèles de relais varient considérablement
3. Appliquer la correction de température à Rct et à la résistance du câble - toujours calculer à 75°C, et non à la température ambiante
4. Compte pour tous les blocs de jonction - en particulier dans les gares de triage avec plusieurs borniers intermédiaires
5. Vérifier à l'aide d'un compteur de charge lors de la mise en service - mesurer l'impédance réelle de la boucle secondaire avant la mise sous tension
6. Vérifier les connexions des relais parallèles - plusieurs relais sur le même secondaire de TC réduisent la charge totale mais nécessitent une vérification individuelle

Erreurs courantes à l'origine des défaillances de la protection

• Utilisation de la VA de la plaque signalétique du relais sans correction de température - la résistance de la bobine d'un relais électromécanique augmente considérablement à la température de fonctionnement
• Ignorer la résistance du conducteur de retour - le facteur 2 dans la formule de calcul des câbles est souvent omis, ce qui réduit de moitié la charge calculée pour les câbles
• En supposant que la charge numérique des relais est égale à la charge électromécanique des relais - Les relais numériques consomment 10 à 50 fois moins de VA ; la surspécification de la charge entraîne un gaspillage des coûts, mais la sous-spécification des remplacements de relais anciens est source d'erreurs.
• Absence de recalcul de la charge après le déplacement d'un panneau de relais - les changements de longueur de câble pendant la construction sont fréquents et doivent donner lieu à un nouveau calcul de la charge
• Spécification de la charge des TC sur la base de la distance entre les salles de relais uniquement - l'oubli des boîtes de jonction intermédiaires, des bornes de triage et des borniers d'essai

Cas client - Responsable des achats, usine pétrochimique industrielle :
Un responsable des achats d'une usine pétrochimique du Moyen-Orient a commandé des TC de remplacement en se basant sur la spécification originale du projet de 1995 - 5A secondaire, 15VA, Classe 5P20. Le panneau de relais avait été déplacé lors d'une extension de l'usine en 2018, faisant passer les câbles de 12 m à 38 m. Personne n'a recalculé la charge. Personne n'a recalculé la charge. Après le remplacement d'un TC, la protection contre les surintensités d'une ligne d'alimentation de moteur de 11kV ne s'est pas déclenchée lors d'un défaut phase-phase, ce qui a endommagé l'enroulement du moteur. L'analyse après l'incident a révélé que la charge réelle était de 28,4VA, soit près du double de la valeur nominale du TC de 15VA. Bepto fournit maintenant Examen gratuit du calcul de la charge dans le cadre de la consultation sur le remplacement du scanner, La Commission européenne a mis en place un système de gestion de la qualité qui garantit l'exactitude des spécifications avant de passer une commande.

Conclusion

Le calcul de la charge secondaire du TC n'est pas une formalité - c'est une étape fondamentale de l'ingénierie qui détermine si l'ensemble de votre système de protection MT fonctionne correctement dans des conditions de défaut. En prenant systématiquement en compte la charge du relais, la résistance du câble à la température de fonctionnement, la résistance du bornier, et en vérifiant le résultat par rapport à la charge nominale du TC et aux exigences ALF, les ingénieurs s'assurent que les transformateurs de courant fournissent des signaux précis et fiables lorsque le système électrique a le plus besoin d'être protégé. Pour la distribution d'énergie moyenne tension, les sous-stations et les installations industrielles, la spécification correcte de la charge est le fondement de la fiabilité de la protection.

FAQ sur le calcul de la charge secondaire de CT

1. Norme internationale officielle pour les critères de performance et de précision des transformateurs de courant. ↩

2. Les appareils numériques modernes consomment beaucoup moins d'énergie que les anciens modèles électromécaniques. ↩

3. Constante physique standard utilisée pour calculer la chute de tension et la perte de puissance dans le câblage secondaire. ↩

4. Paramètre technique qui détermine la capacité du TC à maintenir sa précision en cas de courants de défaut élevés. ↩