Transformateur de potentiel (TP) : Fonctionnement, schéma équivalent et guide d'application
Un Transformateur de Potentiel (TP) — aussi appelé Transformateur de Tension (TT) — est un transformateur d'instrument qui abaisse la haute tension du réseau à une valeur normalisée basse (typiquement 120 V ou 69,3 V) pour la mesure, la protection et le contrôle. C'est les « yeux » du système de protection.
Principe de fonctionnement : Induction électromagnétique
Identique à un transformateur de puissance, mais optimisé pour la précision et la faible charge, pas le transfert de puissance.
- Enroulement primaire (HT) : Relié phase-terre (généralement) ou phase-phase. Nombreux tours, fil fin.
- Noyau magnétique : Acier au silicium à grains orientés haute perméabilité, faibles pertes (ou nickel-fer pour comptage tarifaire). Densité de flux faible (0,5-1,0 T) pour minimiser courant d'excitation et erreur.
- Enroulement secondaire (BT) : Peu de tours, fil plus gros. Sortie : 120 V (P-N) ou 69,3 V (P-N pour 120 V P-P) standard.
- Rapport de tours (n) : n = Np/Ns = Vp/Vs. Ex. 7200 V : 120 V = 60 : 1.
Schéma équivalent et diagramme de Fresnel
Primaire (HT) Noyau Secondaire (BT) Vp → ───[ Rp + jXp ]───┬───[ Rc || jXm ]───┬───[ Rs + jXs ]───→ Vs (Charge) │ │ TERRE TERRE (Un bornier secondaire mis à la terre !)
- Rp, Xp : Résistance et réactance de fuite primaire.
- Rc, Xm : Branche pertes fer et magnétisation (cause erreur de rapport et de phase).
- Rs, Xs : Résistance et réactance de fuite secondaire.
- Charge (Zb) : Impédance relais/compteur connectés (VA & cos φ).
Classe de précision (IEEE C57.13 / IEC 61869)
| Classe | Erreur rapport (±%) | Erreur phase (±min) | Application |
|---|---|---|---|
| 0,15 / 0,15S | 0,15 | 5 / 10 | Comptage tarifaire (Haute précision) |
| 0,3 / 0,3S | 0,3 | 10 / 20 | Mesure de précision |
| 0,6 / 0,6S | 0,6 | 20 / 30 | Mesure industrielle |
| 1,2 | 1,2 | 40 | Appareils indicateurs |
| 3,0 / 3,0S | 3,0 | 120 / 180 | Protection relais (IEEE « S » = charge étendue) |
Classes « S » maintiennent la précision jusqu'à charge plus élevée (ex. 12,5 VA vs 2,5 VA pour 0,3).
Configurations de raccordement
- Étoile avec neutre (Le plus courant) : Primaire Phase-Neutre. Secondaire 120 V P-N. Neutre mis à terre. Mesure VLN.
- Triangle ouvert (V-V) : 2 TP sur réseau 3 fils 3 phases. Mesure VLL. Secondaire 120 V P-P. Économise un TP.
- Triangle brisé (tertiaire) : 3e enroulement (triangle ouvert) relié à relais défaut terre (59N). Détecte tension de séquence zéro (3V0).
Règles de sécurité critiques
- SECONDAIRE JAMAIS EN CIRCUIT OUVERT : Secondaire TP est une source de tension. Circuit ouvert → haute tension dangereuse (couplage capacitif + rapport tours). Borniers de court-circuit / commutateur de test requis pour dépose.
- UN BORNIER SECONDAIRE MIS À LA TERRE : Obligatoire (NEC 250.182). Empêche couplage capacitif secondaire flottant vers potentiel dangereux. Généralement X2 (neutre) mis à terre.
- Fusibles : Fusibles primaire (CL, type E) pour coupure défaut. Fusibles secondaire (0,5-1 A) pour protection câblage seulement — jamais compter sur fusible secondaire pour protection TP.
- Limite de charge : VA total connecté (compteurs + relais + câbles) < Charge nominale TP (à la classe de précision). Charge excessive = erreur rapport/phase.
Schéma de câblage typique (Monophasé, secondaire mis à terre)
Ligne HT │ [Fusible] (Fusible primaire) │ ┌┴┐ │ │ Enroulement primaire (Np) └┬┘ │ ┌────┴────┐ │ │ [TP] [TERRE] ← Neutre/Terre Primaire (Système) │ ├──[Rs + jXs]──→ X1 (120 V) → [Compteur/Relais] → X2 (TERRE) │ [TERRE] ← Mise à terre secondaire (OBLIGATOIRE)
Applications
- Comptage tarifaire : Classe 0,15/0,3, faible charge, commutateurs de test.
- Protection (Distance, Différentielle, Sur-tension) : Classe 0,3S/1,2/3,0. TP capacitif (TPC) souvent utilisé >115 kV.
- Contrôle de synchronisation (25) : Comparaison amplitude, angle de phase, fréquence tension.
- Régulation de tension (Commande changeur de prises) : Compensation chute de ligne.
Distinction clé : TP = Inductif (noyau magnétique). TPC = Diviseur capacitif + EMU (réacteur accord + transformateur). TPC moins cher >138 kV mais erreurs transitoires (risque ferrorésonance). TP préféré pour précision/protection basses tensions.
