Chapitre 04 · Sujet 3 sur 4
Le transformateur de distribution
Le transformateur abaisse la haute tension en basse tension ; ses caractéristiques (puissance, couplage, tension de court-circuit, pertes) conditionnent toute l'installation en aval.
Niveau 1
L'essentiel
- Le transformateur abaisse la tension du réseau HT du gestionnaire vers la basse tension du bâtiment, en général 3N 400 V.
- Il fonctionne par induction : deux enroulements sur un même circuit magnétique en fer, sans contact électrique entre HT et BT.
- Côté HT, le courant est faible ; côté BT, il est élevé : c'est pourquoi les câbles BT qui sortent du transformateur sont très gros.
- On rencontre des transformateurs à huile et des transformateurs secs (enrobés de résine).
- La plaque signalétique donne la puissance en kVA, les tensions, le couplage (par exemple Dyn11) et la tension de court-circuit en %.
Comprendre
Le principe
Le transformateur possède un enroulement primaire (côté HT) et un enroulement secondaire (côté BT), bobinés autour d'un même noyau de tôles magnétiques. Le courant alternatif du primaire crée un flux magnétique variable dans le noyau ; ce flux induit une tension dans le secondaire. Le rapport des tensions est égal au rapport des nombres de spires. Le transformateur ne fonctionne qu'en alternatif.
La puissance se conserve presque entièrement : si la tension est divisée par 27,5, le courant est multiplié par 27,5. Un transformateur de 630 kVA donne environ 33 A en 11 kV au primaire, mais environ 910 A en 400 V au secondaire.
Huile ou sec ?
- À huile : les enroulements baignent dans une huile isolante qui évacue aussi la chaleur. Il faut prévoir une rétention en cas de fuite et tenir compte du risque d'incendie.
- Sec enrobé : les enroulements sont enrobés de résine. Il est souvent préféré à l'intérieur des bâtiments tertiaires, mais il demande une bonne ventilation et il est plus sensible à la poussière et à l'humidité.
La plaque signalétique
- Puissance assignée en kVA : ce que le transformateur peut fournir en permanence sans surchauffe.
- Tensions : par exemple 11 000 V / 400 V (à vide).
- Couplage : par exemple Dyn11. Le « n » indique que le neutre du secondaire est sorti : il permet le 3N 400 V.
- ucc en % : tension de court-circuit. Plus elle est faible, plus le courant de court-circuit en BT est élevé.
Il chauffe
Un transformateur a des pertes, qui deviennent de la chaleur. Il ne faut jamais encombrer sa ventilation ni stocker de matériel dans son local.
Sur le terrain
Dans un centre commercial à Charleroi, on vous demande de relever les données du transformateur pour un dossier. Vous ne pénétrez pas dans la zone HT : le responsable vous transmet la photo de la plaque prise par la personne habilitée. Vous lisez : 800 kVA, 15 kV / 400 V, Dyn11, ucc 6 %, sec enrobé. Ces données serviront à calculer le courant de court-circuit au TGBT et à choisir le pouvoir de coupure du disjoncteur général.
Erreurs fréquentes
- Confondre kVA et kW : la puissance du transformateur est une puissance apparente.
- Croire que le neutre BT existe toujours : sans « n » dans le couplage, pas de neutre sorti.
- Oublier que le secondaire est dangereux même si le courant primaire est faible.
- Encombrer le local ou boucher les grilles de ventilation.
Niveau supérieur
L'essentiel
- Courants nominaux : I = S / (√3 × U) au primaire et au secondaire, avec U tension entre phases.
- La tension de court-circuit ucc fixe l'impédance du transformateur : Zcc = ucc × U² / S, et le courant de court-circuit maximal au secondaire Icc ≈ In / ucc.
- Pertes à vide P0 (fer, constantes dès la mise sous tension) et pertes en charge Pk (cuivre, proportionnelles au carré du taux de charge).
- Le couplage Dyn11 (primaire triangle, secondaire étoile avec neutre, déphasage de 330°) est le plus courant en distribution.
Approfondir
Couplage
La notation se lit ainsi : lettre majuscule pour le primaire (D triangle, Y étoile), minuscule pour le secondaire (d, y, z zigzag), « n » si le neutre est sorti, puis l'indice horaire. L'indice horaire multiplié par 30° donne le retard des tensions BT sur les tensions HT homologues : Dyn11 signifie 11 × 30° = 330° de retard, c'est-à-dire une avance de 30°.
Intérêts du Dyn11 :
- le neutre BT sorti permet d'alimenter des charges entre phase et neutre (230 V) ;
- le triangle primaire fait circuler les courants harmoniques de rang 3 et multiples, qui ne remontent pas vers le réseau HT ;
- un déséquilibre de charges en BT est bien supporté.
Deux transformateurs ne peuvent fonctionner en parallèle que s'ils ont le même indice horaire, les mêmes rapports de tension et des ucc voisines.
Tension de court-circuit
L'ucc est la tension qu'il faut appliquer au primaire, secondaire en court-circuit, pour faire circuler le courant nominal ; elle s'exprime en % de la tension assignée. Valeurs typiques : environ 4 % pour les petites puissances, environ 6 % au-delà de quelques centaines de kVA (voir la fiche du fabricant). Elle donne :
- Zcc = ucc × U² / S (impédance ramenée au secondaire) ;
- Icc3 = U / (√3 × Zcc) = In / ucc, pour un réseau amont de puissance infinie.
Ce courant fixe le pouvoir de coupure du disjoncteur général BT (voir Le courant de court-circuit). Il dimensionne aussi la tenue des jeux de barres.
Pertes et rendement
Pertes totales à un taux de charge x = S / Sn : Ptot = P0 + x² × Pk. Rendement : η = x × Sn × cos φ / (x × Sn × cos φ + P0 + x² × Pk). Le rendement est maximal quand pertes en charge = pertes à vide, soit x = √(P0 / Pk). Comme un bâtiment tertiaire est peu chargé la nuit et le week-end, les pertes à vide pèsent beaucoup sur l'énergie annuelle perdue : le choix d'un transformateur à faibles pertes et d'une puissance raisonnable compte. Les transformateurs neufs mis sur le marché européen doivent respecter des pertes maximales (à vide et en charge) fixées par le règlement d'écoconception (UE) n° 548/2014, modifié par le règlement (UE) 2019/1783 ; la 2e étape, plus exigeante, s'applique depuis le 1er juillet 2021.
Échauffement et protections
L'échauffement limite la puissance utilisable. Un transformateur sec est équipé de sondes de température dans les enroulements reliées à un relais (alarme puis déclenchement). Un transformateur à huile hermétique est souvent équipé d'un relais combiné qui surveille gaz, pression, température et niveau. Ces protections agissent sur l'appareil de coupure HT (voir Composition d'une cabine).
Côté schéma de liaison à la terre
Le point neutre du secondaire est relié à la terre ou non selon le schéma choisi pour l'installation BT : en TN, il est relié à la terre et au conducteur de protection ; en IT, il est isolé ou relié par une impédance élevée. Le RGIE exige en outre des mesures pour qu'un défaut d'isolement côté HT ne crée pas de tensions de contact dangereuses dans l'installation BT, par propagation de potentiel via les conducteurs actifs, l'installation de terre ou des parties conductrices étrangères ; il renvoie pour cela au Livre 2 (RGIE, Livre 1, 4.2.4.5). Le choix des liaisons à la terre de la cabine et du neutre BT relève donc d'une étude.
Exemple chiffré
Transformateur 630 kVA, 11 kV / 400 V, Dyn11, ucc = 4 %. Données du fabricant (exemple) : P0 = 0,6 kW, Pk = 6,5 kW.
- Courants nominaux : I1n = 630 000 / (√3 × 11 000) = 33,1 A ; I2n = 630 000 / (√3 × 400) = 909,3 A.
- Impédance de court-circuit ramenée au secondaire : Zcc = 0,04 × 400² / 630 000 = 0,04 × 160 000 / 630 000 = 0,01016 Ω.
- Icc triphasé aux bornes BT : Icc = 400 / (√3 × 0,01016) ≈ 22 730 A ≈ 22,7 kA. Vérification : I2n / ucc = 909,3 / 0,04 = 22 733 A (le petit écart vient de l'arrondi de Zcc). Le disjoncteur général doit avoir un pouvoir de coupure supérieur à cette valeur.
- Rendement à 75 % de charge, cos φ = 0,9 : puissance utile = 0,75 × 630 × 0,9 = 425,25 kW ; pertes = 0,6 + 0,75² × 6,5 = 0,6 + 3,656 = 4,256 kW ; η = 425,25 / (425,25 + 4,256) = 99,0 %.
- Taux de charge du rendement maximal : x = √(0,6 / 6,5) = 0,304, soit environ 30 %.
- Énergie perdue sur une année (8 760 h), avec 2 500 h à 70 % de charge et 6 260 h à 15 % :
- pertes à vide : 0,6 × 8 760 = 5 256 kWh ;
- pertes en charge : 6,5 × (2 500 × 0,7² + 6 260 × 0,15²) = 6,5 × (1 225 + 140,85) = 8 878 kWh ;
- total : 14 134 kWh par an.
Les pertes à vide représentent ici plus d'un tiers des pertes annuelles, alors que le transformateur ne « travaille » vraiment qu'une partie de l'année.
Erreurs fréquentes
- Calculer le courant secondaire avec 230 V au lieu de 400 V dans I = S / (√3 × U).
- Oublier que Icc = In / ucc suppose un réseau amont infini : c'est un majorant utile pour le pouvoir de coupure, pas pour vérifier un déclenchement en Icc minimal.
- Coupler en parallèle deux transformateurs d'indices horaires différents : courants de circulation destructeurs.
- Juger un transformateur seulement sur son rendement à pleine charge, en ignorant les pertes à vide.
- Négliger la ventilation du local : un transformateur sec qui chauffe déclenche ou vieillit prématurément.