Choisir les transformateurs de courant pour le suivi énergétique

Choisissez d'abord l'entrée du compteur. Une entrée 5 A, une entrée 333 mV et une entrée Rogowski exigent chacune un capteur différent ; aucune caractéristique du TC ne corrigera une incompatibilité. Notez ensuite quatre données pour chaque circuit : le courant le plus faible à mesurer, la plage normale, le courant de pointe et le diamètre extérieur du conducteur fini.

Type de sortie

Un TC à sortie courant possède un secondaire de 1 A ou 5 A. Il relève d'IEC 61869-2 et son secondaire doit toujours voir une charge de faible impédance. Le secondaire 5 A reste courant dans le comptage des tableaux électriques. Un secondaire 1 A convient aux longues liaisons vers le compteur : à courant nominal, la perte dans les fils est 25 fois moindre avec le même câble.

Un TC à sortie tension intègre sa résistance de charge dans le boîtier et fournit une faible tension, généralement 333 mV au courant nominal. IEC 61869-10 couvre ces capteurs passifs de faible puissance. Ils sont fréquents en sous-comptage, car leurs fils de sortie peuvent être débranchés sous charge sans risque de surtension due à un secondaire ouvert.

Une bobine Rogowski fournit une faible tension proportionnelle à la vitesse de variation du courant, exprimée en mV par kA à 50 Hz. Le compteur ou un intégrateur séparé la convertit en courant.

Une association incorrecte peut être dangereuse. Un TC 5 A raccordé à une entrée tension de forte impédance se trouve presque en circuit ouvert au secondaire et peut produire une tension dangereuse. Un TC 333 mV raccordé à une entrée 5 A voit presque un court-circuit ; le compteur indique alors une valeur proche de zéro.

Types de TC

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TC à noyau fermé

Le TC à noyau fermé est un anneau dans lequel on fait passer le conducteur. Sans entrefer dans le noyau, il demande moins de courant de magnétisation qu'un TC ouvrant de même taille et conserve donc mieux sa précision à faible courant. Sa pose exige de déconnecter le conducteur et d'arrêter l'installation. Sur l'arrivée principale, planifiez l'arrêt ou choisissez un TC ouvrant ou une bobine Rogowski.

TC ouvrants

Un TC ouvrant se referme autour d'un conducteur existant. La jonction crée un entrefer. Celui-ci accroît le courant de magnétisation ainsi que les erreurs de rapport et de phase, surtout à faible courant. Des saletés sur les faces polaires ou un fermoir mal fermé agrandissent l'entrefer. Nettoyez les faces, fermez complètement le fermoir et comparez la classe annoncée et les limites d'erreur à faible courant à celles d'un TC à noyau fermé. Le TC ouvrant évite de déconnecter le conducteur ; il ne rend pas sûre une intervention dans un tableau sous tension. La note de pose de Schneider Electric précise les précautions.

Bobines Rogowski

Une bobine Rogowski n'a pas de noyau magnétique. Elle ne peut pas saturer, sa sortie reste linéaire sur une large plage, et sa forme souple entoure de gros câbles ou des barres omnibus. À faible courant, sa sortie est petite : le bruit de fond de l'intégrateur et du compteur limite donc la mesure. Sa position joue aussi. Une bobine souple d'un fabricant est spécifiée à ±1,0 % entre 3 % et 120 % du courant nominal, avec une erreur supplémentaire typique de ±0,5 % (maximum ±1,0 %) si le conducteur est décentré ou incliné (Continental Control Systems). Centrez le conducteur, gardez la bobine perpendiculaire et fermez complètement le fermoir. Évaluez bobine, intégrateur et compteur comme une seule chaîne. Notre guide des bobines Rogowski détaille ces points.

Courant nominal

Le courant primaire nominal fixe le rapport. Un TC 200/5 donne 5 A sous 200 A et 2,75 A sous 110 A. Les limites de précision s'appliquent jusqu'à 120 % du courant nominal. Au-delà, l'erreur n'est pas spécifiée, sauf si le TC possède un courant assigné étendu. IEC 61869-2 (5.203) donne 120 %, 150 % et 200 % comme valeurs préférentielles du courant thermique permanent assigné. Vérifiez le courant thermique de courte durée (Ith, sur 1 s) par rapport au niveau de défaut au point de pose.

Dimensionner selon la charge, pas selon le disjoncteur

Le calibre du disjoncteur ne décrit pas la charge. Prenons un départ protégé par un disjoncteur de 400 A, parcouru par 80 à 120 A le jour, 15 A la nuit et 250 A sur de courtes périodes :

• Un TC 400/5 de classe 0,5 fonctionne à 20 à 30 % du courant nominal le jour. À 80 A, l'erreur de rapport autorisée est de ±0,75 %. Les pointes atteignent 62,5 % du nominal. La nuit, il fonctionne à 3,75 %. La classe 0,5 ne spécifie aucune limite sous 5 % : la précision nocturne n'est donc pas spécifiée.
• Un TC 400/5 de classe 0,5S tient ±0,5 % à partir de 20 % du courant nominal. À 3,75 %, il se situe entre la limite de ±1,5 % à 1 % et celle de ±0,75 % à 5 %.
• Un TC 150/5 de classe 0,5 fonctionne à 53 à 80 % le jour et à 10 % la nuit. Les pointes de 250 A atteignent 167 % du nominal ; choisissez donc un modèle à courant assigné étendu de 200 %.

Le TC 400/5 de classe 0,5S et le TC 150/5 à plage étendue conviennent tous deux ici. Le TC 400/5 de classe 0,5 ne convient pas si la charge de base nocturne importe.

Augmentation future de la charge

Si le circuit doit passer de 100 à 180 A, un TC 200/5 évite un remplacement ultérieur. À 100 A aujourd'hui, il fonctionne à 50 % du nominal, dans la zone la plus précise de chaque classe. Le risque concerne une faible charge de base. À 10 A, il fonctionne à 5 % : la classe 0,5 autorise alors ±1,5 % et la classe 0,5S ±0,75 %.

Classe de précision

Pour les TC de mesure, IEC 61869-2 (5.6.201.3, tableaux 201 et 202) fixe les limites suivantes à la fréquence nominale et avec une charge comprise entre 25 % et 100 % de la sortie assignée :

Les classes S atteignent les mêmes limites à un courant plus faible. La limite de la classe 0,5S à 1 % est celle de la classe 0,5 à 5 % ; sa limite à 5 % est celle de la classe 0,5 à 20 %. C'est important pour les circuits souvent peu chargés, tels que l'éclairage, la CVC nocturne et les départs de réserve.

À faible facteur de puissance, le déphasage compte davantage que l'erreur de rapport. L'erreur de puissance active vaut approximativement l'erreur de phase en radians multipliée par tan φ. Au courant nominal, un TC de classe 0,5 peut présenter 30′ (0,5°) de déphasage. À facteur de puissance 0,5, cela représente environ 1,5 % d'erreur en kW, soit trois fois sa limite d'erreur de rapport. À 5 % du courant nominal et au même facteur de puissance, les 90′ autorisés donnent environ 4,5 %.

La classe d'un TC ne couvre que le TC. Le compteur a sa propre classe, par exemple IEC 62053-22 pour les compteurs d'énergie active alimentés par transformateur. Leurs erreurs s'additionnent ; aucune des deux classes ne démontre à elle seule la précision de l'installation ou son aptitude à la facturation. Le glossaire Beckhoff explique les termes des fiches techniques.

Les limites de classe ne s'appliquent qu'à la fréquence nominale. En amont d'un variateur de vitesse ou d'un onduleur, le courant contient des harmoniques, par exemple les rangs 5 et 7 à 250 et 350 Hz sur un réseau 50 Hz. Demandez la réponse en fréquence si la puissance harmonique importe. Mesurez un variateur sur son côté alimentation. Sa sortie est à fréquence variable ; à basse fréquence, un noyau ferromagnétique approche davantage de la saturation.

Un TC de mesure peut aussi porter un facteur de sécurité des appareils, FS 5 ou FS 10 (5.6.201.6). À FS fois le courant primaire nominal, sous charge nominale, son erreur composite atteint 10 %. Au-delà, le courant secondaire cesse de croître proportionnellement, ce qui protège le compteur lors d'un défaut. Avec une charge bien inférieure à la valeur nominale, le TC suit davantage le courant de défaut avant saturation.

Charge du secondaire

La charge est l'impédance raccordée au secondaire du TC : l'entrée du compteur, les conducteurs et toutes les bornes et tous les blocs d'essai de la boucle. Les fiches l'expriment en VA au courant secondaire nominal (VA = I² × Z). IEC 61869-2 prévoit des sorties assignées normalisées de 2,5, 5, 10, 15 et 30 VA.

Les limites de classe s'appliquent entre 25 % et 100 % de cette valeur. Au-dessus, le flux dans le noyau augmente, ainsi que les erreurs de rapport et de phase, surtout à courant élevé. Sous 25 %, le TC sort de sa plage d'essai. Un TC de 15 VA raccordé à un compteur électronique de 0,5 VA par des fils courts est nettement sous son minimum de 3,75 VA. Choisissez une sortie assignée plus faible ou un TC à plage de charge étendue selon 5.6.201.4, qui tient sa classe de 1 VA à la sortie assignée (pour une sortie assignée de 15 VA au plus).

La charge de la boucle des fils au courant secondaire nominal vaut I² × R. À 5 A, chaque 0,1 Ω de résistance de boucle ajoute 2,5 VA. Par exemple, un compteur à 15 m d'un TC 200/5, câblé en cuivre de 2,5 mm², forme une boucle de 30 m d'environ 0,207 Ω à 20 °C. Elle ajoute 5,2 VA. Avec l'entrée du compteur de 1 VA, le total atteint 6,2 VA et dépasse la valeur nominale de 5 VA :

Trois corrections sont possibles. Avec des fils secondaires de 4 mm², la boucle tombe à 0,129 Ω et la charge totale à 4,2 VA. Un TC de 10 VA accepte 6,2 VA, tout en restant au-dessus de 2,5 VA raccordés. Un secondaire 1 A sur les mêmes fils de 2,5 mm² n'ajoute que 0,21 VA, si le compteur possède une entrée 1 A. Si vous prolongez un secondaire existant, recalculez la boucle de la même façon. Obtenez sa résistance avec le calculateur de résistance des conducteurs, puis vérifiez la charge totale dans le calculateur de rapport et de charge des TC.

Encombrement et polarité

Mesurez le diamètre extérieur du câble fini, isolant compris, avant de choisir l'ouverture. La section nominale du conducteur ne le donne pas. Le guide des sections de conducteurs l'explique. Pour une barre omnibus, vérifiez largeur et épaisseur par rapport à la fenêtre rectangulaire du TC. Vérifiez aussi les dimensions extérieures du TC et la place entre les phases et jusqu'à l'enveloppe.

Si une phase comporte des câbles parallèles, passez-les tous dans un même TC ou installez un TC sur chaque câble et additionnez les lectures dans le compteur. Ne passez jamais deux phases, ni une phase et le neutre, dans le même TC. Il mesurerait leur somme, c'est-à-dire un courant résiduel et non la charge.

Orientez le côté P1 de chaque TC, ou sa flèche, vers l'alimentation, puis raccordez S1 et S2 aux bornes correspondantes du compteur. Les erreurs de câblage sont fréquentes à la mise en service et chacune a une signature :

• Un TC inversé donne une puissance négative sur sa phase. Sur une charge triphasée équilibrée, la puissance totale affichée vaut environ un tiers de la valeur réelle.
• Un TC associé à la mauvaise phase de tension donne un facteur de puissance incompatible avec la charge. Pour une charge résistive, le facteur de puissance affiché est d'environ 0,5 et la puissance affichée est à peu près la moitié de la valeur réelle, avec un signe négatif.

Vérifiez le signe et le facteur de puissance de chaque phase selon la charge, puis comparez chaque courant à une pince ampèremétrique.

Sécurité

Un TC à sortie tension intègre sa charge dans le boîtier. Tant que cette charge interne est intacte, un fil de sortie ouvert ne crée donc pas la haute tension d'un secondaire de courant ouvert. Suivez les instructions de câblage du capteur exact.

Tension nominale

L'isolation du TC doit convenir à la tension du réseau et à sa position dans l'installation. IEC 61010-1 place les mesures à l'arrivée de service, en amont du dispositif principal de protection contre les surintensités, en CAT IV ; les mesures dans les tableaux de distribution et installations fixes sont en CAT III (Continental Control Systems). Un TC autour d'une barre omnibus nue dépend de sa propre isolation. Vérifiez sa tension assignée d'isolement par rapport à celle de la barre.

Liste de contrôle pour choisir un TC

1. Confirmez les entrées acceptées par le compteur : 1 A, 5 A, 333 mV ou Rogowski.
2. Notez le courant minimal, habituel et de pointe de chaque circuit.
3. Choisissez rapport et classe pour que le courant minimal à mesurer reste dans une plage de précision spécifiée et que la pointe reste sous 120 % du nominal ou sous le courant assigné étendu.
4. Comparez le courant thermique de courte durée au niveau de défaut.
5. Mesurez le diamètre extérieur du conducteur fini ou les dimensions de la barre omnibus ; vérifiez l'ouverture et la place dans le tableau.
6. Pour un TC à sortie courant, additionnez en VA la charge du compteur et de la boucle des fils ; maintenez le total entre 25 % et 100 % de la sortie assignée.
7. Vérifiez la classe d'isolation et la catégorie de mesure selon le point de pose.
8. À la mise en service, vérifiez polarité et phase de chaque TC par les lectures.

TC pour les moniteurs EpiSensor

Un moniteur d'électricité ZEM est livré avec ses capteurs de courant déjà raccordés et étalonnés avec le compteur. Sa classe 0,5S selon IEC 62053-22 couvre donc l'ensemble compteur-capteurs ; il n'y a ni rapport, ni charge, ni classe de TC à associer sur site. Choisissez l'option de capteur : TC ouvrants à ouverture de 14 mm pour les circuits jusqu'à 120 A, ou bobines Rogowski pour 300 A, 1 000 A et 3 000 A. Le ZEM intègre lui-même le signal Rogowski, sans intégrateur séparé.

L'outil de choix d'un transformateur de courant établit des critères généraux à partir de la plage de courant, des dimensions du conducteur isolé, de la marge de pose et de l'entrée du compteur. Vous pouvez vérifier un capteur candidat avec ces critères. Pour ce câble de 14 mm, une marge de 2 mm de chaque côté demande une ouverture circulaire de 18 mm :

La correspondance EpiSensor facultative compare ces critères aux options publiées pour ZEM ou ZDR. Elle ne valide ni l'accès de pose, ni la précision à faible courant, ni le raccordement d'un capteur tiers. Les contrôles de polarité et de phase restent nécessaires à la mise en service. Si le bon modèle n'est pas évident, parlez à un ingénieur et donnez le profil de courant du circuit et les dimensions du conducteur.

Les capteurs de courant sans fil tiers et les pinces de mesure figurent dans la catégorie Transformateurs de courant du Répertoire des appareils, avec pour chacun les mesures documentées et son mode de connexion à Edge.