Transformateurs et distribution d'énergie

Introduction au chapitre

Ce chapitre couvre l'ensemble des connaissances requises pour l'examen Sceau rouge concernant les transformateurs et la distribution d'énergie électrique. Vous y trouverez les principes fondamentaux, les configurations courantes, les calculs essentiels, les exigences du Code canadien de l'électricité (CCE) et les pièges typiques à éviter. La maîtrise de ce contenu est essentielle, car les questions sur ce sujet représentent une portion significative de l'examen.

Principes fondamentaux des transformateurs

Loi de Faraday et induction électromagnétique

Un transformateur fonctionne sur le principe de l'induction électromagnétique découverte par Michael Faraday. Lorsqu'un courant alternatif traverse l'enroulement primaire, il crée un flux magnétique variable dans le noyau ferromagnétique. Ce flux variable induit une force électromotrice (FÉM) dans l'enroulement secondaire.

La relation fondamentale est exprimée par la loi de Faraday :

E = N × (dΦ/dt)

Où :

E = force électromotrice induite (volts)

N = nombre de spires

dΦ/dt = variation du flux magnétique dans le temps

Rapport de transformation

Le rapport de transformation (a) est le rapport entre le nombre de spires du primaire et celui du secondaire :

a = N₁/N₂ = V₁/V₂ = I₂/I₁

Pour un transformateur idéal (sans pertes) :

V₁/V₂ = N₁/N₂

I₁/I₂ = N₂/N₁

V₁ × I₁ = V₂ × I₂ (puissance conservée)

Exemple de calcul : Un transformateur possède 480 spires au primaire et 120 spires au secondaire. Si la tension primaire est de 600 V, quelle est la tension secondaire ?

V₂ = V₁ × (N₂/N₁) = 600 × (120/480) = 600 × 0,25 = 150 V

Types de transformateurs selon l'usage

Type	Application principale	Caractéristique
De puissance	Sous-stations, distribution	> 500 kVA, haute tension
De distribution	Alimentation de quartiers, industriels	5 kVA à 500 kVA
D'isolement	Séparation galvanique	Rapport 1:1
D'instrumentation	TC, TT pour mesure et protection	Précision élevée
Autotransformateur	Variation de tension modérée	Un seul enroulement
Triphasé	Réseaux industriels	3 noyaux ou 3 monophasés

Transformateurs triphasés

Configurations de couplage

Les transformateurs triphasés peuvent être connectés selon différentes configurations. Chacune présente des avantages et des inconvénients spécifiques.

Étoile-étoile (Y-Y)

Avantages : économique, léger

Inconvénients : problèmes d'harmoniques (3e harmonique), déséquilibre possible

Le neutre du primaire doit être relié à la terre

Triangle-étoile (Δ-Y)

Configuration la plus courante pour la distribution

Déphasage de 30° entre primaire et secondaire

Le neutre est disponible au secondaire

Bonne stabilité sous charge déséquilibrée

Étoile-triangle (Y-Δ)

Utilisé pour les grandes centrales (élévation de tension)

Déphasage de 30° également

Le triangle piège les harmoniques de rang 3

Triangle-triangle (Δ-Δ)

Pas de déphasage

Peut fonctionner en configuration triangle ouvert (V-V) si un enroulement est défectueux

Pas de neutre disponible

Indice horaire

L'indice horaire indique le déphasage entre les tensions primaire et secondaire. Il est exprimé en multiples de 30°. Par exemple, un couplage Δ-Y avec déphasage de 30° est noté Dyn1 ou Dyn11 selon le sens du déphasage.

Calculs de puissance et de courant

Puissance apparente, active et réactive

Puissance apparente : S = V × I (VA, kVA, MVA)

Puissance active : P = V × I × cos φ (W, kW, MW)

Puissance réactive : Q = V × I × sin φ (VAR, kVAR, MVAR)

Pour un système triphasé équilibré :

S = √3 × V_L-L × I_L

P = √3 × V_L-L × I_L × cos φ

Q = √3 × V_L-L × I_L × sin φ

Calcul du courant nominal

Exemple : Un transformateur triphasé de 750 kVA, 600 V/208 V, couplage Δ-Y. Calculer le courant nominal au secondaire.

I₂ = S / (√3 × V₂) = 750 000 / (1,732 × 208) = 750 000 / 360,3 = 2 082 A

Rendement du transformateur

η = (P_sortie / P_entrée) × 100 %

Les pertes se divisent en :

Pertes dans le cuivre (P = I² × R) — proportionnelles au carré du courant

Pertes dans le fer (hystérésis et courants de Foucault) — constantes à tension fixe

Le rendement maximal survient lorsque les pertes cuivre égalent les pertes fer.

Mise à la terre et liaison équipotentielle

Exigences du Code canadien de l'électricité

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V (CCE) impose des règles précises pour la mise à la terre des transformateurs.

Règle 10-204 — Mise à la terre des transformateurs

Le boîtier métallique et le noyau de tout transformateur doivent être mis à la terre conformément aux règles de la section 10. Le neutre du secondaire doit être relié à la terre au point de service ou au transformateur lui-même.

Règle 10-206 — Conducteur de mise à la terre

Le conducteur de mise à la terre doit être :

En cuivre ou en aluminium

De calibre minimal selon le tableau 16 du CCE

Acheminé sans épissure, sauf si une boîte de jonction accessible est utilisée

Règle 10-208 — Électrode de mise à la terre

L'électrode doit avoir une résistance de 25 Ω ou moins. Si cette valeur ne peut être atteinte, une électrode supplémentaire doit être installée.

Schéma de mise à la terre (SNT)

Les systèmes de mise à la terre sont classifiés selon trois lettres :

Première lettre : relation à la terre (T = directement à la terre, I = isolé)

Deuxième lettre : masse (T = masses à la terre, N = masses au neutre)

Troisième lettre : conducteur neutre et de protection (S = séparés, C = combinés)

Schéma	Description	Usage typique
TN-S	Neutre et PE séparés	Bâtiments commerciaux
TN-C	Neutre et PE combinés (PEN)	Réseaux industriels anciens
TN-C-S	Combiné en amont, séparé en aval	Distribution moderne
TT	Neutre à la terre, masses à la terre	Réseaux publics
IT	Neutre isolé, masses à la terre	Hôpitaux, continuité de service

Protection des transformateurs

Protection contre les surintensités

Règle 26-248 du CCE

Cette règle exige que chaque transformateur soit protégé contre les surintensités du côté primaire. Le dispositif de protection doit être réglé :

À 125 % du courant nominal primaire pour les transformateurs de 600 V et moins

À 150 % pour les transformateurs de plus de 600 V

Si le réglage exact n'est pas disponible, on peut arrondir au calibre standard supérieur.

Protection secondaire

La protection secondaire est requise lorsque :

La tension secondaire dépasse 750 V

Le courant secondaire dépasse 9 A et la tension dépasse 150 V

Protection contre les défauts internes

Relais Buchholz : détecte l'accumulation de gaz dans les transformateurs à huile

Relais de pression : détecte les variations brusques de pression

Relais différentiel : compare les courants primaire et secondaire

Sondes de température : surveillent l'échauffement des enroulements

Transformateurs de mesure

Transformateurs de courant (TC)

Les transformateurs de courant réduisent les courants élevés à des valeurs mesurables (généralement 5 A ou 1 A au secondaire).

Caractéristiques importantes :

Le primaire est en série avec le circuit

Le secondaire ne doit jamais être ouvert sous charge (tension dangereuse)

Le rapport est exprimé comme 400:5, 600:5, etc.

La classe de précision est indiquée (0,3, 0,6, 1,2, etc.)

Transformateurs de potentiel (TP)

Les transformateurs de potentiel réduisent les hautes tensions à des valeurs mesurables (généralement 120 V ou 69,3 V au secondaire).

Le primaire est en parallèle avec le circuit

Le secondaire doit être protégé par un fusible

La précision est typiquement de 0,3 % ou 0,6 %

Distribution d'énergie dans les bâtiments industriels

Systèmes de distribution typiques

Tension	Usage	Configuration
600 V	Moteurs industriels, équipements lourds	Triphasé, 3 ou 4 fils
480 V	Équipements commerciaux et industriels	Triphasé, 3 ou 4 fils
347/600 V	Éclairage et moteurs (Québec, Ontario)	Triphasé, 4 fils
208/120 V	Prises, éclairage, petits équipements	Triphasé, 4 fils
240/120 V	Résidentiel, petits commerciaux	Monophasé, 3 fils

Règle 8-200 — Calcul des charges

La règle 8-200 du CCE spécifie les demandes minimales pour le calcul des charges. Les facteurs de demande s'appliquent selon le type de charge :

Type de charge	Facteur de demande
Éclairage général	100 % des 100 premiers kVA + 70 % du reste
Prises de courant	100 % des 10 premiers kVA + 50 % du reste
Moteurs	100 % du plus gros + 25 % des autres
Chauffage	100 % de la charge connectée

Conducteurs et canalisations

Règle 4-004 — Ampacité des conducteurs

L'ampacité des conducteurs est déterminée selon les tableaux 1 à 4 du CCE, en fonction de :

La température ambiante

Le nombre de conducteurs dans la canalisation

Le type d'isolant (TW, THW, XHHW, etc.)

Facteurs de correction

Température : tableau 5A du CCE (facteurs de correction)

Groupement : tableau 5C du CCE (facteurs de correction pour plus de 3 conducteurs)

Harmoniques et qualité de l'énergie

Sources d'harmoniques

Les charges non linéaires (variateurs de vitesse, alimentations à découpage, éclairage électronique) génèrent des courants harmoniques qui :

Surchauffent les transformateurs

Provoquent des échauffements dans le neutre

Détériorent la qualité de l'énergie

Transformateurs à facteur K

Les transformateurs à facteur K sont conçus pour supporter les courants harmoniques. Le facteur K indique la capacité du transformateur à gérer les harmoniques :

Facteur K	Application
K-4	Charges légères, éclairage
K-13	Charges mixtes, bureaux
K-20	Charges lourdes, centres de données
K-30	Charges très lourdes, industries

Règle 26-250 — Transformateurs et harmoniques

Le CCE exige que le neutre des systèmes triphasés à 4 fils alimentant des charges non linéaires soit dimensionné pour supporter le courant de neutre résultant. Dans certains cas, le neutre doit être pleine section ou même surdimensionné.

Essais et mise en service

Essais préalables à la mise sous tension

149.Test d'isolement (mégohmmètre) : mesurer la résistance d'isolement entre chaque enroulement et la masse, et entre primaire et secondaire

Valeur minimale typique : 1 MΩ par kV de tension nominale

151.Test de rapport de transformation : vérifier le rapport V₁/V₂ à vide

152.Test de polarité : vérifier le marquage des bornes

153.Test de continuité : vérifier la continuité des enroulements

154.Test de résistance ohmique : mesurer la résistance des enroulements

Essais sous tension

Test de tension appliquée : appliquer 2 × V_nominale + 1 000 V pendant 60 secondes

Test d'induction : appliquer une tension supérieure à la nominale pour vérifier l'isolement entre spires

Procédure de mise sous tension

159.Vérifier toutes les connexions et le serrage des bornes

160.Vérifier la mise à la terre du boîtier et du neutre

161.Retirer les mises à la terre temporaires

162.Fermer le sectionneur primaire

163.Mesurer les tensions secondaires (doivent être équilibrées à ± 2 %)

164.Vérifier la rotation de phase

165.Mettre en charge progressivement

Pièges à éviter

168.Confondre les rapports de transformation : N₁/N₂ = V₁/V₂, mais I₁/I₂ = N₂/N₁. Vérifiez toujours l'orientation du rapport.

169.Oublier le facteur √3 dans les calculs triphasés : S = √3 × V × I, pas V × I.

170.Ouvrir le secondaire d'un TC sous charge : cela crée une tension extrêmement dangereuse. Le secondaire d'un TC doit toujours être court-circuité avant de retirer un appareil.

171.Négliger les facteurs de correction : la température et le groupement modifient l'ampacité des conducteurs. Un conducteur correctement dimensionné à 30 °C peut être inadéquat à 40 °C.

172.Confondre les configurations de couplage : un transformateur Δ-Y a un déphasage de 30°, pas de 0°. Vérifiez l'indice horaire.

173.Oublier la règle du 125 % pour la protection primaire des transformateurs (règle 26-248).

174.Utiliser le mauvais facteur de demande selon la règle 8-200. Les facteurs varient selon le type de charge.

175.Ignorer les harmoniques dans le dimensionnement du neutre. Les charges non linéaires peuvent produire des courants de neutre supérieurs aux courants de phase.

176.Ne pas vérifier la polarité lors du parallélisme de transformateurs. Des polarités opposées créent un court-circuit.

177.Confondre les pertes cuivre et fer : les pertes cuivre varient avec le carré du courant, les pertes fer sont constantes à tension fixe.

Résumé

Le rapport de transformation est fondamental : a = N₁/N₂ = V₁/V₂ = I₂/I₁

Les transformateurs triphasés utilisent les couplages Y-Y, Δ-Y, Y-Δ, Δ-Δ, chacun avec ses avantages et inconvénients

La puissance triphasée se calcule avec S = √3 × V × I

Le Code canadien de l'électricité, Chapitre V impose des règles précises pour la protection (règle 26-248), la mise à la terre (section 10) et le calcul des charges (règle 8-200)

Les TC ne doivent jamais être ouverts sous charge ; les TP doivent être protégés par fusibles

Les harmoniques nécessitent des transformateurs à facteur K et des neutres surdimensionnés

Les essais de mise en service incluent : isolement, rapport de transformation, polarité, continuité et tension appliquée

Les facteurs de correction (température, groupement) sont essentiels pour le dimensionnement des conducteurs

Questions de révision

190.Un transformateur monophasé de 25 kVA, 600 V/120 V, alimente une charge de 18 kW avec un facteur de puissance de 0,85. Quel est le courant au secondaire ?

191.Un transformateur triphasé de 500 kVA, 13,8 kV/600 V, couplage Δ-Y, est protégé au primaire. Quel est le calibre minimal du dispositif de protection selon la règle 26-248 ?

192.Quelle est la différence fondamentale entre un transformateur de courant et un transformateur de potentiel ?

193.Un transformateur de distribution alimente un centre de données avec 40 % de charges non linéaires. Quel facteur K minimal recommandez-vous ?

194.Quelles vérifications effectuez-vous avant de mettre sous tension un transformateur nouvellement installé ?

Ce chapitre couvre les notions essentielles pour l'examen Sceau rouge. Assurez-vous de maîtriser les calculs, les règles du CCE et les procédures de sécurité avant de passer à l'examen.

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