Transformateurs de mesure

17/09/2008
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© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 4 724 − 1
D 4 724 3 - 1991
Transformateurs de mesure
Transformateurs spéciaux. Évolution
par Jean-Pierre DUPRAZ
Ingénieur de l’École Nationale Supérieure d’Électronique et de ses Applications (ENSEA)
et de l’Institut d’Administration des Entreprises (IAE)
Responsable du Groupe de Recherches en Électronique
de la Direction Technique Haute Tension GEC ALSTHOM
Division Transport et Distribution d’Énergie
1. Mesures en courant continu................................................................. D 4 724 - 2
1.1 Mesure du courant ...................................................................................... — 2
1.2 Mesure de la tension................................................................................... — 3
2. Transformateurs électroniques............................................................ — 4
2.1 Transformateurs de courant ....................................................................... — 4
2.2 Transformateurs de tension........................................................................ — 5
2.2.1 Principes généraux............................................................................. — 5
2.2.2 Préamplificateurs alimentés en courant........................................... — 5
2.2.3 Préamplificateurs alimentés en tension ........................................... — 6
2.2.4 Localisation des sous-ensembles...................................................... — 6
2.2.5 Amplificateur de puissance ............................................................... — 6
2.2.6 Problème dû aux charges piégées.................................................... — 7
2.2.7 Fiabilité ................................................................................................ — 7
3. Transformateur amagnétique de courant. Tore de Rogowski..... — 7
3.1 Utilisation pour la mesure de courant à haute fréquence........................ — 8
3.2 Utilisation aux fréquences industrielles .................................................... — 8
4. Comparateurs de courant...................................................................... — 9
4.1 Principe......................................................................................................... — 9
4.2 Montages...................................................................................................... — 9
4.2.1 Montage à deux transformateurs...................................................... — 9
4.2.2 Association d’un transformateur et d’un amplificateur .................. — 10
4.2.3 Montage à deux transformateurs et un amplificateur..................... — 10
5. Transformateurs magnéto-optiques de courant. Effet Faraday.. — 11
5.1 Principe......................................................................................................... — 11
5.2 Réalisations actuelles.................................................................................. — 11
5.2.1 Montages classiques.......................................................................... — 11
5.2.2 Montages tenant compte de la non-réciprocité de l’effet Faraday. — 12
6. Transformateurs électro-optiques de tension. Effet Pockels...... — 13
6.1 Principe......................................................................................................... — 13
6.2 Détections..................................................................................................... — 13
6.2.1 Détection polarimétrique ................................................................... — 13
6.2.2 Détection interférométrique .............................................................. — 14
Pour en savoir plus.................................................................................... Doc. D 4 726

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TRANSFORMATEURS DE MESURE _________________________________________________________________________________________________________
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D 4 724 − 2© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
’article Transformateurs de mesure fait l’objet de plusieurs articles :
—Généralités. Théorie. Fonctionnement [D 4 720] ;
—Technologie. Dimensionnement. Essais [D 4 722] ;
—Transformateurs spéciaux. Évolution [D 4 724] ;
et les sujets traités ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur devra
assez souvent se reporter aux autres articles.
L
1. Mesures en courant continu
1.1 Mesure du courant
En alternatif, un transformateur de courant conventionnel assure
trois fonctions de base (article Transformateurs de mesure.
Généralités. Théorie. Fonctionnement [D 4 720]) :
— isolement ;
— comparaison des ampères-tours ;
— transfert d’énergie du primaire vers le secondaire.
En courant continu, il ne peut plus assurer la dernière fonction.
En effet, le flux d’induction magnétique au sein du noyau est alors
constant. Il n’engendre donc pas de force électromotrice dans
l’enroulement secondaire. Le courant secondaire doit être délivré par
une source auxiliaire, capable de fournir la puissance dissipée par
la charge et par la résistance de l’enroulement.
On est alors conduit au schéma représenté sur la figure 1. Le trans-
formateur est utilisé pour mesurer la différence entre les ampères-
tours primaires et les ampères-tours secondaires, tout en assurant
l’isolement. Si cette différence n’est pas nulle, il existe, dans le noyau
du transformateur, un champ magnétique résiduel dont la mesure
fournit un signal d’erreur utilisable par la chaîne de régulation élec-
tronique. Si celle-ci est correctement réglée, les ampères-tours
primaires et secondaires sont égaux, à une erreur négligeable près.
Pour améliorer la réponse en fréquence, on peut utiliser un enrou-
lement auxiliaire qui permet à l’amplificateur de compenser les varia-
tions rapides de flux sans être pénalisé par les retards de la chaîne
de mesure du champ d’induction magnétique (figure 2).
Les appareils mesurant le courant selon ce principe sont appelés
transformateurs à flux nul, et leur circuit magnétique, n’ayant
plus à transférer d’énergie, est de très petite section. Ils diffèrent
les uns des autres essentiellement par :
— le niveau d’isolement ;
— la technique de mesure du champ d’induction résiduel.
En basse tension (figures 1 et 2), la technique la plus courante
consiste à insérer une sonde à effet Hall dans l’entrefer du circuit
magnétique. Grâce à la structure de la boucle de régulation, la pré-
cision globale de l’appareil est indépendante, au premier ordre, de
celle de la sonde.
En haute tension, cette technique n’est pas utilisable, car l’éloigne-
ment relatif de la chaîne de mesure et du transformateur est trop
important (il peut dépasser 100 m). Il est en effet illusoire de
transmettre sur une aussi grande distance les faibles signaux déli-
vrés par la sonde à effet Hall. On préfère alors utiliser la technique
illustrée sur la figure 3.
L’idée de base consiste à mettre à profit la non-linéarité des maté-
riaux ferromagnétiques. Pour cela, il est nécessaire d’utiliser deux
transformateurs auxiliaires (T2 et T3) dont les circuits magnétiques,
les enroulements primaires (P2, P3) et les enroulements secondaires
(S2, S3) sont respectivement identiques à ceux (P1, S1) du trans-
formateur principal T1 ; ils disposent en outre tous les deux d’un
enroulement d’analyse (A2, A3), en série avec un shunt résistif
(Sh, R), et alimentés, en opposition de phase relativement l’un à
l’autre, par une tension sinusoïdale de fréquence f0.
Figure 1 – Transformateur de courant pour mesure en courant
continu : schéma de principe général des transformateurs à flux nul

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En l’absence d’ampères-tours continus, l’exploration de la courbe
de magnétisme est symétrique, et le courant mesuré aux bornes du
shunt d’analyse ne contient que des harmoniques impairs du signal
de référence à la fréquence f0. En présence d’ampères-tours, par
contre, l’exploration de la courbe de magnétisme devient dissy-
métrique : le courant mesuré aux bornes du shunt d’analyse contient
alors des harmoniques pairs du signal de référence. Un amplificateur
à détection synchrone permet, en particulier, la mesure de l’harmo-
nique deux, dont l’amplitude et la phase sont représentatives du
champ magnétique continu au sein du noyau.
L’emploi de deux transformateurs auxiliaires, analysés en opposi-
tion de phase, permet d’éliminer toute injection du signal de modu-
lation dans les circuits primaires et secondaires.
1.2 Mesure de la tension
La technique classique consiste à utiliser un diviseur résistif-
capacitif (figure 4) compensé en fréquence, les résistances assurant
la mesure et la répartition de la tension en continu, les condensateurs
assurant la même fonction en haute fréquence.
Le pied du diviseur est connecté à un amplificateur électronique
d’une impédance telle que la condition :
R1C1 = R2C2
soit respectée ; cet amplificateur assure l’adaptation d’impédance
entre le diviseur et la charge.
Figure 2 – Transformateur de courant pour mesure en courant continu.
Variante de transformateur à flux nul, utilisé en basse tension
Figure 3 – Transformateur de courant à flux nul
pour mesure en haute tension

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2. Transformateurs
électroniques
2.1 Transformateurs de courant
Les transformateurs électroniques de courant ont un intérêt en
haute tension (HT), où ils allient les qualités de mesure des trans-
formateurs magnétiques aux propriétés d’isolement des fibres
optiques. Une configuration typique est représentée sur la figure 5.
On distingue un équipement de mesure, au potentiel de la ligne, une
liaison à fibre optique, assurant l’isolement, et un équipement de
réception, au potentiel de la terre.
Le courant primaire Ip est mesuré au moyen d’un transformateur
de courant, n’ayant pas à assurer de fonction d’isolement, et dont
le secondaire débite sur un shunt de mesure. La tension ainsi
recueillie est alors conditionnée, puis convertie en signal numérique
parallèle. Celui-ci est ensuite sérialisé, codé, puis converti en impul-
sions lumineuses, transmises, via une fibre optique, généralement
multimode, à l’équipement de réception. Après conversion
optique-électrique, le signal est alors décodé. Il peut être exploité
directement sous forme numérique ou bien, après conversion, sous
forme analogique.
L’équipement électronique situé au niveau de la ligne doit être
alimenté en énergie. Parmi les diverses solutions possibles, les
plus intéressantes sont celles indiquées ci-après.
■Alimentation à partir du courant de la ligne : elle est réalisée au
moyen d’un transformateur de courant auxiliaire et d’un ensemble
électronique de régulation. Il est ainsi possible de disposer d’une
puissance de plusieurs watts, autorisant l’emploi d’équipements
relativement performants. Notons que le courant capacitif d’une
ligne suffit en général au bon fonctionnement du système.
Figure 4 – Transformateur de tension pour mesure
en courant continu : schéma de principe
Figure 5 – Transformateur électronique de courant : schéma de principe

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■Alimentation à partir du sol : elle est réalisée au moyen d’une
source puissante de lumière, d’une fibre optique et d’un ensemble de
conversion électro-optique. Très séduisante (indépendance de
l’alimentation et de la ligne HT, facilité de se protéger contre les
perturbations, etc.), cette solution ne permet cependant de disposer
que d’une puissance modeste, de l’ordre du milliwatt, ce qui limite
aujourd’hui les performances envisageables.
■Alimentation au potentiel de ligne par l’intermédiaire de batteries
d’accumulateurs. Cette solution, qui présente l’inconvénient de
nécessiter le remplacement périodique des batteries, a l’avantage de
la simplicité et de la fiabilité. Elle est déjà utilisée par certains
exploitants européens.
■De nombreuses autres variantes d’alimentation ont été pro-
posées, à l’état de prototype, mais elles sont en général beaucoup
plus complexes que les trois techniques que nous venons de pré-
senter et n’ont donc que peu d’avenir.
2.2 Transformateurs de tension
Le domaine d’application privilégié des transformateurs électro-
niques de tension est l’appareillage à haute tension sous enveloppe
métallique, dit appareillage blindé. La simplicité relative de leur
partie HT les rend compétitifs vis-à-vis des transformateurs magné-
tiques, lorsque l’utilisateur ne demande pas une puissance de sortie
importante (inférieure à 50 VA). Ils trouvent aussi des applications
en matériel conventionnel, en association avec des diviseurs capa-
citifs, en vue d’obtenir des réponses en régime transitoire meilleures
que celles des transformateurs capacitifs de tension.
Les principes étant sensiblement les mêmes, nous ne décrirons
que l’application aux postes sous enveloppe métallique.
2.2.1 Principes généraux
Les transformateurs électroniques de tension sont constitués de
trois sous-ensembles principaux : un condensateur à haute tension,
un préamplificateur adaptateur d’impédance et un amplificateur de
sortie, délivrant à la charge secondaire la puissance nécessaire.
L’utilisation du condensateur à haute tension peut se faire de deux
façons, conduisant à distinguer les préamplificateurs alimentés en
courant et les préamplificateurs alimentés en tension.
2.2.2 Préamplificateurs alimentés en courant
Ils sont basés sur le schéma simplifié de la figure 6. Si nous sup-
posons que le préamplificateur présente une impédance d’entrée et
un gain différentiel infinis, la relation entre Up et Us se résume à :
Le courant traversant le condensateur à haute tension C1 est
entièrement compensé par le préamplificateur de façon à mainte-
nir le point milieu de C1 et C2 au potentiel 0.
Dans le montage réel, il est nécessaire d’ajouter un certain nombre
de composants auxiliaires, comme indiqué sur la figure 7 :
— le condensateur C3, associé à la résistance r, est destiné à
écouler à la terre les courants à haute fréquence et de forte amplitude
engendrés par les manœuvres de sectionneurs ; il est pour partie
formé de la capacité répartie du câble de liaison ;
— la résistance R2 permet de fixer le potentiel de repos (potentiel
en continu, en l’absence de signal d’excitation) de l’amplificateur.
La relation entre Up et Us devient alors :
L’intérêt de ce montage est évident : la capacité parasite du câble
de liaison n’a pas d’influence significative sur la précision de mesure,
et le préamplificateur n’est pas soumis aux courants à haute
fréquence générés par la cellule blindée lors des manœuvres de
sectionneurs.
Les montages employés utilisent dans la pratique des filtrages
bien plus performants que celui réalisé à l’aide des composants r
et C3, mais les conclusions sont les mêmes.
Us
Up
--------- C
1
C
2
--------
–=
C
Figure 6 – Préamplificateur alimenté en courant : principe
Figure 7 – Préamplificateur alimenté en courant : disposition pratique
Exemple : soit un montage avec :
C
1
= 5 pF C
2
= 100 nF C
3
= 10 nF
r = 100 Ω R
2
= 100 M Ω
avec f = 50 Hz fréquence du réseau.
Il vient :
et
Us
Up
--------- C
1
C
2
-------- 1
1j
rC
1
C
3
+
() ω
+ []
1 1/j R
2
C
2
ω ()
+
[]
----------------------------------------------------------------------------------------------------------
–=
rC
1C3
+() ω 3104–
1 ⋅
≈
1
R2C2
ω
----------------------310
4–
1 ⋅
≈
Us
Up
--------
C
1
C
2
---------
–
≈