Évaluation expérimentale et analyse de précision des transformateurs de courant inductifs dans des conditions de charge réalistes non linéaires et riches en harmoniques

Pourquoi les compteurs d’électricité peuvent progressivement dériver

Derrière chaque facture d’électricité, relais de protection ou compteur intelligent se cache un appareil modeste appelé transformateur de courant. Sa fonction est de ramener de forts courants à des niveaux sûrs et mesurables. Cet article pose une question d’actualité : à mesure que les habitations et les usines se remplissent d’équipements électroniques qui déforment la forme d’onde du courant, peut‑on encore se fier à ces transformateurs longtemps considérés comme fiables ? En recréant en laboratoire des conditions réalistes et fortement chargées en distorsion, les auteurs montrent en détail quand et comment les transformateurs de courant commencent à nous induire en erreur.

Des ondes parfaites à la réalité désordonnée

Dans un manuel, le courant électrique est représenté comme une sinusoïde lisse. Dans les bâtiments réels, cependant, des appareils comme les variateurs de moteur, les téléviseurs, les lampes à décharge et les alimentations absorbent le courant par courts à‑coups irréguliers. Ces charges « non linéaires » enrichissent le courant en composantes fréquentielles supplémentaires, appelées harmoniques, et poussent les noyaux des transformateurs hors de leur zone de fonctionnement confortable. L’étude se concentre sur deux transformateurs de courant basse tension largement utilisés, de 50/5 A et 100/5 A, et s’interroge sur leur capacité à reproduire fidèlement tant des courants quasi sinusoïdaux que ces formes d’onde beaucoup plus perturbées.

Un banc d’essai réaliste en laboratoire

Pour explorer cette question, les chercheurs ont construit un montage de laboratoire qui reflète la pratique industrielle. Une source AC 230 V alimente de vrais appareils disposés pour créer sept conditions de charge différentes, allant d’un fonctionnement linéaire simple à des courants fortement pulsés et asymétriques. Une résistance de précision dans la ligne principale enregistre le courant « réel », tandis que les deux transformateurs de courant, câblés en série, fournissent leurs versions réduites. Un oscilloscope numérique capture les formes d’onde synchronisées et calcule plusieurs indicateurs clés : le courant efficace (RMS), qui sous‑tend la facturation d’énergie ; la distorsion harmonique totale (THD), qui mesure l’écart d’une forme d’onde par rapport à une sinusoïde pure ; l’erreur de rapport entre courant réel et mesuré ; et l’erreur de phase, c’est‑à‑dire le décalage temporel entre les courants primaire et secondaire.

Que se passe‑t‑il quand la distorsion et le courant augmentent

Dans des conditions douces et quasi sinusoïdales, les deux transformateurs se comportent comme l’annoncent leurs fiches techniques. Ils reproduisent le courant avec de très faibles erreurs de rapport, inférieures à 1 %, et des déphasages très réduits, et leur distorsion harmonique n’est que légèrement pire que celle de la source. Dès que des charges non linéaires interviennent, le récit change. Des courants très pulsés et fortement distordus amènent les noyaux magnétiques vers la saturation. Les transformateurs sous‑estimment ou surestiment alors le courant réel, présentent de fortes erreurs de rapport pouvant dépasser 40 %, et ajoutent une distorsion supplémentaire notable. Parallèlement, la phase du courant secondaire se décale en retard ou en avance de plusieurs degrés par rapport au primaire, ce qui peut être critique pour des relais de protection qui doivent réagir en millisecondes.

Un courant élevé, à lui seul, peut poser problème

Les expériences révèlent aussi que même lorsque la forme d’onde semble presque idéale, le simple fait d’augmenter l’intensité peut invalider les hypothèses habituelles. Dans un test avec un courant propre mais de forte amplitude, le transformateur 50/5 a gravement sous‑estimé le courant RMS réel, avec des erreurs de rapport supérieures à 60 % et une THD grimpant au‑delà de 100 %, signatures nettes d’une saturation profonde du noyau. Le transformateur 100/5, de puissance nominale supérieure, s’en est mieux tiré mais a quand même présenté des erreurs importantes. Sur l’ensemble des sept cas, le même schéma est apparu : à mesure que le niveau de courant ou la teneur en harmoniques augmentaient, les erreurs d’amplitude et de phase croissaient de concert, montrant que les classes de précision conventionnelles définies uniquement pour des essais sinusoïdaux ne décrivent pas ce qui se passe réellement dans les réseaux distordus d’aujourd’hui.

Ce que cela implique pour les réseaux et les solutions futures

Pour un lecteur non spécialiste, la conclusion est simple : lorsque la forme d’onde du courant est fortement distordue, les transformateurs de courant ordinaires peuvent faire paraître les courants plus petits ou différents de ce qu’ils sont réellement, et leur synchronisation peut dériver. Cette combinaison compromet la facturation précise, fausse la planification du réseau et peut retarder ou déclencher à tort des systèmes de protection. En cartographiant soigneusement la croissance des erreurs en fonction de la distorsion et de la charge, cette étude fournit la « vérité terrain » nécessaire pour améliorer les normes et concevoir des méthodes de correction plus intelligentes. Elle oriente vers des solutions futures telles que la surveillance d’erreur en temps réel, la compensation harmonique et des modèles d’intelligence artificielle capables de prédire quand un transformateur sort de sa zone de fonctionnement sûre. Ensemble, ces avancées pourraient maintenir l’intégrité des instruments de mesure, même alors que nos réseaux électriques se remplissent toujours davantage d’électronique non linéaire.

Citation: Daouli, B.H.L., Mana, H., Labiod, C. et al. Experimental evaluation and accuracy analysis of inductive current transformers under realistic nonlinear and harmonic-rich load conditions. Sci Rep 16, 8933 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41709-7

Mots-clés: transformateurs de courant, distorsion harmonique, charges non linéaires, précision de mesure, qualité de l’énergie