Tension de Court-Circuit d’un Transformateur (%Uk) – Signification et Choix

La tension de court-circuit est l'un des rares paramètres de transformateur qu'un acheteur choisit véritablement plutôt que de simplement accepter. Elle apparaît sur la plaque signalétique sous forme de pourcentage, et ce seul chiffre déterminera le courant de défaut que l'installation devra supporter, l'ampleur de l'affaissement de la tension de sortie sous charge, et si l'appareil peut être mis en parallèle avec un appareil existant.

C'est aussi le paramètre le plus souvent spécifié en copiant un projet précédent sans se demander si la valeur convient toujours.

La Définition

La tension de court-circuit est la tension qui doit être appliquée à un enroulement, l'autre étant en court-circuit, pour faire circuler le courant assigné dans le transformateur. Elle est exprimée en pourcentage de la tension assignée.

Un transformateur avec 4 % d'impédance nécessite 4 % de la tension assignée — 16 V sur un enroulement de 400 V — pour faire circuler le courant assigné complet lorsque l'autre côté est en court-circuit. Ceci est mesuré directement lors d'un essai individuel sur chaque appareil.

D'Où Elle Provient

L'impédance n'est pas un composant ajouté au transformateur. C'est l'effet combiné de deux éléments inhérents à la construction :

• Résistance des enroulements — la composante résistive, responsable des pertes en charge. Faible par rapport à la composante réactive dans la plupart des conceptions.
• Réactance de fuite — la composante dominante. Résulte du flux magnétique qui traverse un enroulement mais pas l'autre, déterminée principalement par la séparation physique entre les enroulements HT et BT et par la géométrie des enroulements.

Comme la réactance de fuite dépend de la géométrie, l'impédance est fixée au stade de la conception selon la disposition des enroulements. Un concepteur augmente l'impédance en éloignant davantage les enroulements ou en modifiant leurs proportions — ce qui augmente aussi la taille, le matériau et le coût.

Valeurs Standard

Les normes IEC 60076-5 et EN 50588-1 établissent des valeurs d'impédance standard pour les transformateurs de distribution :

Effet sur le Niveau de Défaut

C'est la conséquence qui détermine le plus souvent le choix. Le courant de court-circuit aux bornes du transformateur est inversement proportionnel à l'impédance :

L'implication pour l'appareillage est directe. Passer de 4 % à 6 % sur un appareil de 1000 kVA réduit le niveau de défaut de 36 kA à 24 kA — ce qui peut faire la différence entre un tableau BT standard et un tableau considérablement plus coûteux.

Effet sur la Régulation de Tension

Une impédance plus élevée signifie une chute de tension plus importante entre le fonctionnement à vide et à pleine charge. La régulation approximative est :

En pratique, la régulation à pleine charge se rapproche du pourcentage d'impédance lorsque le facteur de puissance de la charge est faible, et est nettement inférieure au facteur de puissance unitaire.

Lorsque la stabilité de la tension à la charge est importante — électronique sensible, longs départs subissant déjà une chute de tension, installations proches de la limite inférieure de la plage d'alimentation admise — une impédance plus faible est préférable.

Effet sur le Démarrage des Moteurs

Le démarrage direct d'un moteur appelle six à huit fois le courant de pleine charge pendant quelques secondes. Cet appel de courant traverse l'impédance du transformateur et produit un creux de tension sur toute l'installation.

Lorsqu'un moteur important démarre face à un transformateur relativement petit, ce creux peut être suffisamment sévère pour faire décrocher des contacteurs, déclencher la protection de sous-tension, ou bloquer le moteur lui-même. Dans de telles installations, le choix de l'impédance peut être déterminé par le démarrage moteur plutôt que par le niveau de défaut.

Effet sur le Fonctionnement en Parallèle

Les transformateurs en parallèle se répartissent la charge en proportion inverse de leurs impédances. Deux appareils de même puissance mais d'impédances différentes ne se répartiront pas la charge de manière égale — celui de plus faible impédance en prend davantage.

La recommandation de la CEI est que les transformateurs mis en parallèle aient des impédances à 10 % l'une de l'autre. Au-delà, un appareil atteint sa puissance assignée tandis que l'autre dispose encore de capacité, et la production totale utilisable est inférieure à la somme des puissances. Le calcul et des exemples résolus figurent dans Fonctionnement en Parallèle des Transformateurs.

Effet sur les Pertes et le Coût

Une impédance plus élevée nécessite une plus grande séparation entre les enroulements, ce qui signifie une fenêtre de noyau plus grande, davantage de matériau de noyau, une longueur moyenne de spire plus longue et davantage de conducteur.

Ce compromis est réel et il n'existe pas de réponse universellement correcte. Ce qui importe, c'est que le choix soit fait délibérément plutôt qu'hérité d'une spécification précédente.

Quand S'écarter de la Valeur Standard

Spécifier une impédance plus élevée lorsque :

• Le niveau de défaut calculé dépasse le calibre de l'appareillage existant ou préféré
• Plusieurs transformateurs fonctionneront en parallèle et le niveau de défaut combiné est la contrainte
• L'installation est proche d'un réseau puissant avec un niveau de défaut amont élevé
• L'appareillage existant est conservé dans le cadre d'une rénovation

Spécifier une impédance plus faible lorsque :

• La régulation de tension à la charge est critique
• De grands moteurs démarrent en direct face à une puissance de transformateur modeste
• La tension d'alimentation est déjà proche de la limite inférieure de la plage admise
• La consommation de puissance réactive est pénalisée par le tarif

Faire correspondre à une valeur existante lorsque :

• Le nouvel appareil sera mis en parallèle avec un transformateur installé
• Une norme de distributeur ou une spécification de projet indique la valeur requise
• Le transformateur est un remplacement à l'identique dans une installation dont les réglages de protection sont déjà établis

Remarques Pratiques

• L'impédance est mesurée sur la prise principale. Sur un transformateur à large plage de réglage, la valeur aux prises extrêmes diffère, et le rapport d'essais devrait indiquer les valeurs sur toute la plage lorsque cela importe.
• Le pourcentage se réfère à la puissance assignée propre du transformateur. Une impédance de 6 % sur un appareil de 630 kVA et une impédance de 6 % sur un appareil de 1600 kVA sont des impédances absolues entièrement différentes.
• Lorsque la spécification n'indique pas d'impédance, le fabricant fournit la valeur standard pour cette puissance. Si une valeur particulière est nécessaire, elle doit apparaître dans la demande — la modifier après que la conception est fixée signifie reconcevoir le transformateur.
• Les études de sélectivité de protection devraient utiliser la valeur mesurée du rapport d'essais, et non la spécification nominale, une fois l'appareil livré.