Protection Primaire d’un Transformateur
Comprendre le rôle de la protection primaire d'un transformateur et savoir dimensionner un fusible pour assurer cette protection.
La protection des transformateurs est essentielle pour prévenir les dommages dus aux surintensités (surcharges ou courts-circuits) et pour assurer la sécurité des installations électriques. La protection primaire, située en amont du transformateur, est la première ligne de défense.
Les dispositifs de protection les plus courants sont les fusibles et les disjoncteurs. Un fusible contient un fil qui fond lorsque le courant dépasse une certaine valeur pendant un temps donné, coupant ainsi le circuit. Un disjoncteur est un interrupteur automatique qui s'ouvre en cas de surintensité.
Pour un transformateur monophasé, la puissance apparente \(S\) est liée à la tension \(U\) et au courant \(I\) par \(S = U \cdot I\).
Le courant nominal primaire (\(I_{1n}\)) d'un transformateur de puissance apparente nominale \(S_n\) et de tension primaire nominale \(V_{1n}\) est :
Le calibre d'un fusible (\(I_{fusible}\)) doit être choisi pour permettre le passage du courant nominal et d'éventuelles surcharges temporaires admissibles, mais doit fondre avant que le transformateur ne soit endommagé par une surintensité prolongée ou un court-circuit.
Le pouvoir de coupure d'un fusible est le courant maximal de court-circuit qu'il peut interrompre en toute sécurité.
Données du Problème
On souhaite protéger le primaire d'un transformateur monophasé par un fusible.
- Puissance apparente nominale du transformateur : \(S_n = 25 \text{ kVA}\)
- Tension primaire nominale : \(V_{1n} = 20 \text{ kV}\)
- Tension secondaire nominale (à vide) : \(V_{20} = 400 \text{ V}\)
- On estime que le courant de court-circuit maximal susceptible d'apparaître au primaire est \(I_{cc1,max} = 800 \text{ A}\).
Questions
- Convertir la puissance apparente nominale \(S_n\) en Voltampères (VA) et la tension primaire nominale \(V_{1n}\) en Volts (V).
- Calculer le courant nominal primaire \(I_{1n}\) du transformateur.
- Pour choisir un fusible, on prend généralement un calibre (\(I_{fusible}\)) supérieur d'environ 25% à 50% au courant nominal pour éviter les déclenchements intempestifs dus à de petites surcharges temporaires ou au courant d'enclenchement du transformateur. Calculer une plage de calibres de fusibles possibles en considérant une marge de 25% (\(1.25 \times I_{1n}\)) et de 50% (\(1.5 \times I_{1n}\)).
- Parmi les calibres normalisés de fusibles suivants : 1 A, 1.6 A, 2 A, 2.5 A, 3.15 A, 4 A, quel est le calibre le plus approprié à choisir en se basant sur la plage calculée à la question 3 ? Justifier.
- Le pouvoir de coupure du fusible choisi doit être supérieur au courant de court-circuit maximal présumé. Si le fusible choisi a un pouvoir de coupure de \(10 \text{ kA}\), est-il adapté pour interrompre le courant \(I_{cc1,max} = 800 \text{ A}\) ? Expliquer.
- Si une surcharge au secondaire provoque un courant primaire de \(3.0 \text{ A}\) pendant une durée prolongée, le fusible choisi à la question 4 protégera-t-il le transformateur ? Expliquer.
Correction : Protection Primaire d’un Transformateur
1. Conversion des Unités
\(1 \text{ kVA} = 1000 \text{ VA}\) et \(1 \text{ kV} = 1000 \text{ V}\).
Données :
- \(S_n = 25 \text{ kVA}\)
- \(V_{1n} = 20 \text{ kV}\)
Puissance apparente nominale en VA :
Tension primaire nominale en V :
\(S_n = 25000 \text{ VA}\)
\(V_{1n} = 20000 \text{ V}\)
2. Calcul du Courant Nominal Primaire (\(I_{1n}\))
On utilise la formule \(I_{1n} = S_n / V_{1n}\).
Données converties :
- \(S_n = 25000 \text{ VA}\)
- \(V_{1n} = 20000 \text{ V}\)
Le courant nominal primaire est \(I_{1n} = 1.25 \text{ A}\).
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3. Calcul de la Plage de Calibres de Fusibles
On calcule \(I_{min,fusible} = 1.25 \times I_{1n}\) et \(I_{max,fusible} = 1.5 \times I_{1n}\).
Donnée :
- \(I_{1n} = 1.25 \text{ A}\)
Limite inférieure :
Limite supérieure :
La plage de calibres de fusibles possibles est approximativement entre \(1.56 \text{ A}\) et \(1.88 \text{ A}\).
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4. Choix du Calibre de Fusible Normalisé
On choisit le calibre normalisé qui se situe dans la plage calculée [1.56 A ; 1.88 A] et qui est le plus proche, généralement par excès pour permettre de petites surcharges.
Calibres normalisés proposés : 1 A, 1.6 A, 2 A, 2.5 A, 3.15 A, 4 A.
Le calibre \(1.6 \text{ A}\) est dans la plage [1.56 A ; 1.88 A].
Le calibre \(2 \text{ A}\) est légèrement au-dessus, mais pourrait être envisagé si le courant d'enclenchement est important.
En se tenant strictement à la plage calculée, \(1.6 \text{ A}\) est le plus approprié.
Le calibre de fusible le plus approprié dans la liste, en respectant la plage, est \(1.6 \text{ A}\).
5. Vérification du Pouvoir de Coupure
Le pouvoir de coupure du fusible doit être supérieur au courant de court-circuit maximal présumé pour garantir une interruption sûre.
Données :
- Pouvoir de coupure du fusible choisi (supposé) : \(10 \text{ kA} = 10000 \text{ A}\)
- Courant de court-circuit maximal primaire : \(I_{cc1,max} = 800 \text{ A}\)
Comparaison : \(10000 \text{ A} > 800 \text{ A}\).
Comme le pouvoir de coupure du fusible (\(10 \text{ kA}\)) est bien supérieur au courant de court-circuit maximal estimé (\(800 \text{ A}\)), le fusible est adapté de ce point de vue.
Oui, le fusible est adapté car son pouvoir de coupure (\(10000 \text{ A}\)) est supérieur au courant de court-circuit maximal (\(800 \text{ A}\)).
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6. Protection contre une Surcharge de \(3.0 \text{ A}\)
Le fusible choisi a un calibre de \(1.6 \text{ A}\). On compare ce calibre au courant de surcharge.
Données :
- Courant de surcharge primaire : \(I_{surcharge} = 3.0 \text{ A}\)
- Calibre du fusible : \(I_{fusible} = 1.6 \text{ A}\)
Comparaison : \(3.0 \text{ A} > 1.6 \text{ A}\).
Comme le courant de surcharge (\(3.0 \text{ A}\)) est supérieur au calibre du fusible (\(1.6 \text{ A}\)), le fusible va fondre et interrompre le circuit, protégeant ainsi le transformateur contre cette surcharge prolongée.
Oui, le fusible de \(1.6 \text{ A}\) protégera le transformateur car le courant de surcharge de \(3.0 \text{ A}\) est supérieur à son calibre, ce qui provoquera sa fusion.
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Glossaire des Termes Clés
Transformateur :
Appareil statique qui transfère de l'énergie électrique d'un circuit à un autre par induction électromagnétique, modifiant tension et courant.
Protection Primaire :
Dispositif de protection (fusible, disjoncteur) placé sur l'enroulement primaire du transformateur.
Surcharge :
Fonctionnement d'un appareil ou d'un circuit au-delà de son courant nominal pendant une durée prolongée, pouvant causer un échauffement excessif.
Court-Circuit :
Contact accidentel entre deux points d'un circuit électrique qui ne sont normalement pas reliés, entraînant un courant très élevé.
Fusible :
Dispositif de sécurité qui protège un circuit électrique contre les surintensités en fondant (coupant le circuit) lorsque le courant dépasse une certaine valeur.
Calibre (d'un fusible) :
Courant nominal maximal qu'un fusible peut supporter en continu sans fondre.
Pouvoir de Coupure :
Valeur maximale du courant de court-circuit présumé qu'un dispositif de protection (fusible, disjoncteur) peut interrompre en toute sécurité.
Courant Nominal (\(I_n\)) :
Courant pour lequel un appareil a été conçu pour fonctionner en service normal continu.
Puissance Apparente Nominale (\(S_n\)) :
Puissance maximale qu'un transformateur peut fournir en continu sans surchauffe, exprimée en VA ou kVA.
Questions d'Ouverture ou de Réflexion
1. Quels sont les avantages et inconvénients des fusibles par rapport aux disjoncteurs pour la protection des transformateurs ?
2. Comment la notion de "courbe de fusion" d'un fusible est-elle importante pour assurer une protection sélective et éviter les déclenchements intempestifs ?
3. En plus de la protection primaire, quels autres types de protections sont couramment utilisés pour les transformateurs de puissance (ex: protection différentielle, protection Buchholz) ?
4. Comment le type de charge connectée au secondaire (résistive, inductive, capacitive) peut-il influencer le choix de la protection primaire ?
5. Pourquoi est-il important de coordonner les dispositifs de protection à différents niveaux d'un réseau électrique (par exemple, entre la protection du transformateur et les protections des circuits en aval) ?
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