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 = N_p/N_s = V_p/V_s. 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 !) 

• R_p, X_p : Résistance et réactance de fuite primaire.
• R_c, X_m : Branche pertes fer et magnétisation (cause erreur de rapport et de phase).
• R_s, X_s : Résistance et réactance de fuite secondaire.
• Charge (Z_b) : 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 V_LN.
• Triangle ouvert (V-V) : 2 TP sur réseau 3 fils 3 phases. Mesure V_LL. Secondaire 120 V P-P. Économise un TP.
• Triangle brisé (tertiaire) : 3^e enroulement (triangle ouvert) relié à relais défaut terre (59N). Détecte tension de séquence zéro (3V₀).

Règles de sécurité critiques

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.