Transformateurs de mesure

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© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 4 722 − 1
D 4 722 12 - 1990
Transformateurs de mesure
Technologie. Dimensionnement. Essais
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
’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 future [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.
1. Technologie ............................................................................................... D 4 722 - 2
1.1 Généralités ................................................................................................... — 2
1.2 Matériaux ..................................................................................................... — 2
1.2.1 Isolation............................................................................................... — 2
1.2.2 Circuits magnétiques.......................................................................... — 2
1.3 Transformateurs de mesure pour réseaux à moyenne tension .............. — 3
1.3.1 Transformateurs de courant .............................................................. — 3
1.3.2 Transformateurs de tension............................................................... — 4
1.4 Transformateurs de mesure pour réseaux à haute tension..................... — 5
1.4.1 Transformateurs de courant .............................................................. — 5
1.4.2 Transformateurs magnétiques de tension........................................ — 8
1.4.3 Combinés de mesure courant-tension.............................................. — 9
1.4.4 Transformateurs capacitifs de tension (TCT).................................... — 10
2. Dimensionnement.................................................................................... — 10
2.1 Isolement...................................................................................................... — 11
2.2 Échauffement............................................................................................... — 12
2.2.1 Échauffement en régime permanent ................................................ — 12
2.2.2 Échauffements dus aux régimes anormaux..................................... — 12
2.3 Tenue aux efforts électrodynamiques........................................................ — 12
2.4 Tenue aux efforts mécaniques d’origine extérieure ................................. — 12
3. Essais........................................................................................................... — 13
3.1 Essais individuels ........................................................................................ — 13
3.1.1 Essais de précision en régime permanent ....................................... — 13
3.1.2 Essais de tenue diélectrique à fréquence industrielle ..................... — 13
3.2 Essais de type .............................................................................................. — 13
Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 4 726
L

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1. Technologie
1.1 Généralités
La variété de construction des transformateurs de mesure est
liée au niveau de tension auquel ils sont soumis et, dans le cas de
la haute tension, à la technologie de réalisation des postes dans
lesquels ils s’intègrent :
—postes ouverts (appelés encore conventionnels), dans lesquels
l’isolement externe à l’appareillage est assuré par de longues dis-
tances dans l’air ambiant ;
—postes blindés, dans lesquels l’appareillage est placé sous
enveloppe métallique et l’isolement assuré par de l’hexafluorure
de soufre (SF6) sous pression.
Quel que soit le niveau de tension, on peut distinguer trois parties
essentielles dans les transformateurs de mesure :
— la partie active, comprenant les enroulements et les circuits
magnétiques ainsi que, le cas échéant, l’isolation ;
—l’enveloppe (souvent un isolateur), destinée à contenir et pro-
téger la partie active, à assurer sa tenue mécanique et à permettre
la fixation et les raccordements ;
—l’isolant de remplissage, assurant l’isolement entre les divers
éléments internes à l’enveloppe.
Les transformateurs de mesure sont des appareils très denses où
voisinent des tensions élevées, des efforts électromagnétiques
considérables, etc. Ils sont, par nature, fragiles, d’où l’importance
d’une conception et d’une réalisation technologiques très soignées.
1.2 Matériaux
1.2.1 Isolation
Nota : le lecteur pourra se reporter, dans ce traité, à l’article Fonction isolation dans les
matériels électriques [D 2 302] et aux différents articles spécialisés indiqués dans les para-
graphes suivants.
1.2.1.1 Isolateur
■En haute tension (HT), le matériau le plus employé est la porce-
laine. C’est un produit céramique dont les principaux constituants
sont les argiles, les kaolins, les quartz et les feldspaths (article Maté-
riaux isolants céramiques en électrotechnique [D 274]). Son élabora-
tion, à partir de pâtes, autorise des formes très variées. Robuste, très
stable dans le temps, capable de supporter des surpressions internes
importantes, il convient à pratiquement tous les types d’appareils.
Toutefois, on notera que le prix de l’isolateur constitue une part non
négligeable du prix total d’un transformateur de mesure (il peut
représenter 20 à 50 %).
■L’isolateur en matériau composite a fait récemment son appari-
tion en haute tension. Il est constitué d’un cylindre en résine chargée
de fibre de verre, et revêtu d’une enveloppe externe généralement en
silicone (rubrique Matériaux composites dans le traité Plastiques et
Composites). Cette enveloppe, selon la technique classique des
ailettes (ou jupes), est destinée à augmenter la ligne de fuite externe.
Malgré les progrès accomplis, l’isolateur composite est encore
beaucoup plus cher que son homologue en porcelaine (d’un facteur 2
à 3). De plus, son vieillissement en milieu pollué et sous fort champ
électrique n’est pas encore bien maîtrisé. Ces éléments suffisent à
en marginaliser l’emploi.
1.2.1.2 Diélectriques solides
En basse (BT) et moyenne (MT) tensions, le même matériau assure
souvent les fonctions de remplissage et d’enveloppe.
Les résines époxydes (article Résines époxydes. Composants et
propriétés [A 3 465] dans le traité Plastiques et Composites) chargées
de quartz sont appréciées pour leurs bonnes propriétés électriques
et mécaniques, leur facilité de mise en œuvre (moulage) et leur
bonne conductivité thermique qui facilite l’évacuation de l’énergie
thermique dégagée par les parties actives.
Souveraines pour les matériels de type intérieur, elles sont moins
performantes en extérieur. Pour éviter le phénomène de dégradation
de la résine en utilisation extérieure, lorsqu’elle est soumise à des
champs électriques, la surface en contact avec les intempéries est
recouverte d’une couche équipotentielle raccordée à une borne
primaire.
Cette solution ne convient évidemment pas à la réalisation de
l’enveloppe complète, isolateur inclus. Pour les transformateurs tout
résine, on utilise les résines cycloaliphatiques, dont la résistance à
l’action conjointe de l’agression climatique et des champs élec-
triques superficiels est très bonne.
1.2.1.3 Diélectriques liquides
Les huiles constituent toujours l’imprégnant privilégié des trans-
formateurs de mesure à haute tension, en raison de leur très grande
rigidité diélectrique (article Huiles et liquides isolants [D 230]).
Pour la fabrication de condensateurs, la nécessité de disposer de
permittivités élevées conduit à utiliser des liquides isolants de syn-
thèse. Rappelons que les pyralènes, autrefois seuls utilisés, sont
aujourd’hui interdits.
Tous les autres transformateurs de mesure HT à diélectrique
liquide utilisent des huiles minérales. Deux qualités d’huile
s’affrontent :
— les huiles naphténiques, qui contiennent environ autant de
molécules de type naphténique que de molécules de type paraf-
finique ; seules homologuées à ce jour par Électricité de France, elles
ont le meilleur comportement au froid ;
— les huiles paraffiniques, contenant deux à trois fois plus de
molécules de type paraffinique que de type naphténique, et réputées
– point très controversé – avoir un meilleur coefficient d’absorption
gazeuse.
1.2.1.4 Diélectriques gazeux
L’hexafluorure de soufre (SF6) (article Gaz isolants [D 2 530]) est
utilisé depuis plus de vingt ans pour la réalisation d’appareillages
sous enveloppe métallique. Il constitue le diélectrique des transfor-
mateurs de tension, capacitifs ou magnétiques, qui répondent à des
règles de construction particulières. Les transformateurs de courant
utilisés pour ce type d’appareillage n’ont pas à supporter l’isolement,
celui-ci étant assuré par la cellule (§ 1.4.1.5).
La grande stabilité dans le temps des propriétés diélectriques
du SF6 a encouragé, peu à peu, son emploi dans la réalisation de
transformateurs de courant pour postes à haute tension de type
ouvert, leur prix étant le principal frein à leur généralisation.
1.2.2 Circuits magnétiques
Les circuits magnétiques sont réalisés à partir de tôles empilées
(transformateur de tension) ou roulées (transformateur de courant).
Un revêtement isolant (Carlite ) isole la surface des tôles, condition
indispensable à la diminution des courants de Foucault. Leur mise
en œuvre engendre souvent des contraintes internes, dont on se
libère par un recuit du circuit vers 800 oC, sous atmosphère
contrôlée, afin de rétablir les performances nominales.
Les principaux critères de choix sont le prix, l’induction à satu-
ration, la perméabilité relative et les pertes. La figure 1 permet de
comparer les caractéristiques magnétiques champ d’excitation –
champ d’induction des différentes tôles utilisées.
Nota : le lecteur pourra se reporter, aux articles Alliage fer-silicium [D 2 110] et Alliages
fer-nickel et fer-cobalt. Propriétés magnétiques [D 2 130] dans ce traité.

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1.2.2.1 Tôles ordinaires au silicium
Très utilisées en moyenne tension en raison de leur prix modéré,
leurs performances sont modestes (induction à saturation proche
de 1,6 T ; pertes massiques de 1,2 à 2,6 W/kg).
Elles conviennent bien à la réalisation de transformateurs de
tension, car l’influence du courant magnétisant sur l’erreur est
minime.
1.2.2.2 Tôles à grains orientés
Elles sont constituées d’un alliage fer-silicium (3 % de silicium
environ). Leur grande perméabilité relative (de 10 000 à 40 000), leurs
faibles pertes massiques (1,6 W/kg à 1,7 T) et leur induction à
saturation élevée (1,8 T) en font le matériau privilégié des transfor-
mateurs de courant. Ces tôles sont aussi utilisées pour les trans-
formateurs de tension performants, sous forme de circuits coupés,
à entrefers rectifiés (par exemple, figure 9).
Une autre version de ces tôles (tôles HiB ) permet une induction
à saturation légèrement plus élevée et des pertes plus faibles
(1 W/kg à 1,7 T), mais pour un prix supérieur.
1.2.2.3 Tôles fer-nickel (Mumétal )
Ces tôles, constituées d’un alliage contenant de 70 à 80 % de nickel,
permettent d’atteindre des perméabilités relatives très élevées (de
100 000 à 300 000) ; présentées généralement sous forme de rubans
de faible épaisseur (0,05 à 0,1 mm), leur mise en œuvre est délicate
(recuit au-delà de 1 000 oC) et leur coût élevé.
Le coude de saturation à basse induction de leur courbe de magné-
tisme est mis à profit pour réaliser des limiteurs de surtension ainsi
que des transformateurs de courant de grande précision ; la
saturation franche permet d’obtenir de bons facteurs de sécurité
(§ 1.4.1.2).
1.3 Transformateurs de mesure
pour réseaux à moyenne tension
Le marché des transformateurs de mesure à moyenne tension est
celui de la distribution d’électricité ; les principales caractéristiques
sont :
— plage de tension des matériels comprise entre 1,2 et 60 kV ;
— taille importante, autorisant des effets de série ;
— matériels généralement sous abri ou en intérieur.
En conséquence, la grande majorité des transformateurs de
mesure à moyenne tension est réalisée selon la technique de sur-
moulage des parties actives par des résines, généralement de type
époxyde.
1.3.1 Transformateurs de courant
Il existe essentiellement quatre catégories d’appareils, en fonction
du mode de réalisation du primaire (bobiné ou non) et de l’instal-
lation (intérieur ou extérieur).
■La figure 2a représente un transformateur de courant à primaire
bobiné, à usage intérieur. Le circuit magnétique, de forme torique,
est obtenu par l’enroulement d’un ruban de tôle à grains orientés. Il
est ensuite soit placé dans un boîtier isolant, soit guipé à l’aide de
papier crêpé, afin de ne pas blesser l’enroulement secondaire, réalisé
en fil de cuivre émaillé.
L’enroulement primaire se présente sous forme d’un tore, croisé
avec le circuit magnétique. Il est obtenu, pour les faibles calibres,
par bobinage de fil de cuivre rond et, pour les forts calibres (> 50 A),
par bobinage sur champ de cuivre plat à l’aide d’une machine
spéciale ; il est introduit en position par écartement de ses spires
et vissage. Les spires sont ensuite isolées par du papier et le tout
est alors maintenu rigidement.
Primaire et secondaire sont chacun matelassés à l’aide d’un
enrubannage de mousse, afin de permettre le retrait de la résine
d’enrobage sans engendrer de contraintes, lors de son refroidis-
sement. Les connexions sont soudées ou serties sur des inserts
métalliques et l’ensemble est positionné dans un moule.
L’enrobage est généralement fait avec de la résine époxyde
chargée de quartz, coulée sous vide et à chaud. La température de
polymérisation élevée limite l’éventail des matériaux utilisables.
Ces transformateurs allient de nombreuses qualités telles que
excellente tenue diélectrique, bonne tenue aux efforts électro-
dynamiques, bonne précision, faible encombrement et possibilité de
raccordement en toutes positions.
Nota : ils sont utilisés de 7,2 à 52 kV et pour des courants assignés allant jusqu’à 1 250 A.
La classe de précision est généralement de 0,5 pour la mesure et peut aller jusqu’à 5P20 pour
la protection (article Transformateurs de mesure. Généralités. Théorie. Fonctionnement
[D 4 720]).
Figure 1 – Comparaison des caractéristiques magnétiques
des différentes tôles utilisées pour la réalisation de transformateurs

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■Toujours pour l’usage intérieur, mais pour des courants assignés
plus importants (jusqu’à 5 000 A), le primaire est réduit à une
simple barre traversante, ce qui correspond à une autre catégorie
de transformateurs (figure 2b), se prêtant bien à la réalisation de
plusieurs secondaires (jusqu’à quatre), sur des circuits magnétiques
séparés.
Nota : la technologie étant sensiblement la même, ces appareils offrent les mêmes
avantages que les précédents.
■Pour les utilisations en extérieur, on doit tenir compte de deux
contraintes supplémentaires :
— d’une part, pour éviter la dégradation de la résine lorsqu’elle
est soumise simultanément à des champs électriques et aux
intempéries, sa surface extérieure est recouverte d’une couche
équipotentielle (peinture) raccordée au primaire (§ 1.2.1.2) ;
— d’autre part, il est nécessaire d’augmenter la ligne de fuite entre
primaire et masse, ce qui est obtenu par l’emploi d’un isolateur en
porcelaine (figure 2c) ; l’espace compris entre la porcelaine et le
corps en résine est alors rempli par un diélectrique solide souple.
De même que pour les modèles intérieurs, on distingue deux
catégories d’appareils (à primaire bobiné ou à barre traversante).
Nota : ils sont utilisés jusqu’à 52 kV, pour des courants assignés couvrant la gamme de
5 à 1 250 A pour les modèles à primaire bobiné, et jusqu’à 5 000 A pour les modèles à barre
traversante.
En variante, les transformateurs de type extérieur peuvent être
réalisés entièrement à l’aide de résines cycloaliphatiques (§ 1.2.1.2).
L’isolateur n’est alors plus nécessaire, les ailettes étant obtenues
automatiquement lors du moulage.
1.3.2 Transformateurs de tension
Les transformateurs de tension peuvent être classés en un grand
nombre de catégories : type intérieur (figure 3a et b) ou extérieur
(figure 3c), à un ou deux pôles isolés, avec ou sans fusible incorporé.
■Les parties actives sont cependant conçues sensiblement selon
les mêmes principes. La figure 3a montre celles d’un appareil à
usage intérieur :
— le circuit magnétique, de type enchevêtré, est constitué de tôles
ordinaires au silicium ;
—l’enroulement secondaire, placé le plus près du circuit magné-
tique, est bobiné sur un mandrin cylindrique isolant ; pour la mesure
de la tension homopolaire dans un circuit triphasé, le transformateur
peut avoir un deuxième secondaire (concentrique au premier),
destiné à être connecté en triangle fermé sur une charge ;
—l’enroulement primaire, destiné à être monté concentri-
quement à l’enroulement secondaire, est réalisé selon la technique
de bobinage à gradins ; elle consiste à diminuer progressivement
la largeur des couches successives, ce qui permet d’optimiser la
répartition du champ électrique ; dans le cas d’un transformateur à
deux pôles isolés, le primaire est constitué par deux demi-bobines
à gradins symétriques ;
—l’isolement entre couches et entre enroulements est assuré par
du papier, dont les performances diélectriques seront stabilisées par
séchage et imprégnation d’huile (anciens modèles extérieurs), ou
d’hexafluorure de soufre.
■En vue d’assurer une imprégnation correcte des transformateurs
de tension, l’ensemble du circuit magnétique, du bobinage et des
connexions est séché en étuve, puis positionné dans un moule. Ce
moule est tout d’abord soumis au vide pendant quelques minutes,
puis le SF6 est injecté sous pression et imprègne les bobinages ; cela
leur confère une bonne tenue diélectrique.
La résine époxyde, chargée de quartz, est alors injectée sous
pression et à chaud, et la pression est maintenue jusqu’à gélification
complète, afin de compenser les retraits. Durant cette opération, la
pression du SF6, chassé dans le moule par un canal spécial, est main-
tenue constante, pour préserver la qualité de l’imprégnation.
Figure 2 – Transformateurs de courant pour réseaux à moyenne tension

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Cette technique procure au transformateur une meilleure tenue
diélectrique (absence de décharges partielles) que la technique
d’imprégnation par résine.
■Pour les modèles extérieurs (figure 3c), souvent installés en
sommet de poteau, l’huile a, longtemps, été le diélectrique privilégié.
L’enveloppe extérieure est une cuve cylindrique (figure 3c) métal-
lique, les traversées MT étant réalisées à l’aide d’isolateurs en por-
celaine. Cependant, bien que très répandu, ce type de transformateur
cède la place, maintenant, à des transformateurs à isolement solide,
de technologie proche de celle des modèles intérieurs.
1.4 Transformateurs de mesure
pour réseaux à haute tension
Dans les postes à haute tension (au-dessus de 52 kV), l’appa-
reillage est généralement de type conventionnel. Mais lorsque des
contraintes particulières (implantation en milieu urbain, pollution,
etc.) en interdisent l’emploi, on utilise alors l’appareillage à isolement
gazeux (SF6) sous enveloppe métallique ; dans ce cas, les trans-
formateurs de courant n’ont pas à assurer la fonction isolement HT
(§ 1.2.1.4 et 1.4.1.7) ; ils sont considérés comme matériels BT. En
conséquence, les transformateurs de courant pour réseaux HT sont
essentiellement du type conventionnel, à isolation papier imprégné
d’huile et porcelaine.
Cependant, pour répondre aux exigences accrues en matière de
sécurité, la suprématie de cette technologie a été entamée, entre les
années 80 et 90, par l’apparition de transformateurs de courant pour
postes conventionnels avec isolement assuré non plus par de l’huile,
mais par du SF6 (§ 1.4.1.5) ; parfois, la porcelaine a cédé la place
aux matériaux composites (§ 1.2.1.1). Ces innovations sont majeures
dans un domaine aussi conservateur.
Les principaux réducteurs de mesure rencontrés en haute tension
peuvent se classer en quatre catégories : transformateurs de courant
(TC), transformateurs magnétiques de tension (TT), combinés de
mesure courant-tension, transformateurs capacitifs de tension (TCT).
1.4.1 Transformateurs de courant
1.4.1.1 Généralités
Ils peuvent être classés en quatre catégories :
— à secondaire isolé (type inversé) ;
— à primaire isolé (type épingle ou type U) ;
— à primaire isolé (type œillet) ;
— à isolement gazeux.
Tous ces appareils doivent résoudre le même problème
technique : positionner le circuit magnétique et le secondaire aussi
près que possible du primaire, pour optimiser le couplage tout en
procurant une longue distance d’isolement externe entre primaire
et secondaire. Deux techniques s’affrontent : soit positionner le
secondaire au niveau de la ligne (modèle inversé ), auquel cas c’est
au circuit secondaire d’être isolé, soit descendre le conducteur
primaire au niveau du sol, et c’est alors à lui d’être isolé.
Dans les trois premiers cas décrits (§ 1.4.1.2, 1.4.1.3 et 1.4.1.4), la
technique d’isolation est la même : elle est assurée par de multiples
couches de papier enrubanné autour de l’écran de terre, avec inter-
position d’armatures métalliques ou semi-conductrices destinées à
assurer une répartition capacitive homogène du champ électrique
de la partie active.
1.4.1.2 Transformateurs à secondaire isolé (type inversé)
Ce sont les plus économiques et les plus répandus. Après avoir
longtemps été limités à des tensions inférieures ou égales à 420 kV,
ils ont aujourd’hui pris place sur tous les segments du marché,
jusqu’à 800 kV.
Leur conception (figure 4) assure un couplage magnétique idéal
entre primaire et secondaire, tout particulièrement dans le cas où
le primaire se réduit à une simple barre. L’homogénéité du champ
magnétique dans les noyaux est alors excellente, autorisant de
grandes précisions de mesure.
En contrepartie, la tenue sismique des appareils limite la masse
admissible pour les circuits magnétiques. Ceux-ci, dont le nombre
peut aller jusqu’à six, sont utilisés pour des fonctions différentes
(protection de distance, protection différentielle de barres,
comptage). Ils sont de forme torique, et généralement réalisés à
l’aide de tôles à grains orientés, choisies en raison de leur haute
induction de saturation.
Les noyaux magnétiques destinés à la protection comportent
généralement un ou plusieurs entrefers ; ceux-ci sont nécessaires
à un bon comportement en régime transitoire et à une démagnéti-
sation correcte en l’absence de courant. Le Mumétal, en raison de
son coût, est réservé aux circuits de mesure de haute précision ; sa
courbe de magnétisme à saturation brutale est de plus mise à profit
pour protéger les équipements connectés au secondaire (§ 1.2.2.3) :
en cas de surintensité primaire, le courant secondaire est alors auto-
matiquement limité à des valeurs tolérables.
Les noyaux sont guipés de papier crêpé, pour ne pas blesser
l’émail des spires secondaires, uniformément réparties sur leur
circonférence. Lorsque les bobinages secondaires sont terminés, les
circuits sont frettés ensemble et recouverts d’un écran électro-
statique, réalisé par enrubannage de tissu de cuivre lamé ou formé
d’un boîtier en aluminium, selon les constructeurs, et connecté à la
Figure 3 – Transformateurs de tension pour réseaux à moyenne tension