Développer les outils métrologiques pour étalonner les transformateurs de mesure de la qualité de l’énergie sur le réseau de distribution de l’électricité

Les transformateurs (courant et tension) sont des éléments de base pour les mesures de la qualité de l’énergie sur les réseaux électriques. Ces instruments de mesure sont bien normalisés pour la fréquence fondamentale mais il n’existe pas de paramètres définis pour les fréquences supérieures, comme les composantes harmoniques de courant et de tension. Ce projet vise alors à répondre aux besoins spécifiques exprimés par le comité de normalisation CEI-TC38 « Transformateurs d’instruments », en définissant les paramètres spécifiques à mesurer pour évaluer leur performance à ces fréquences, c’est-à-dire pour des signaux distordus avec un contenu fréquentiel allant jusqu’à 9 kHz.

Le premier objectif de ce projet est alors de fournir des systèmes de mesure adaptés aux conditions réelles de fonctionnement, des procédures d’évaluation de leurs performances et des ordres de grandeurs d’incertitude de mesure de ces paramètres.

Face à ces nouvelles exigences, les laboratoires nationaux de métrologie doivent d’abord adapter leurs systèmes de référence pour effectuer des mesures exactes et traçables au Système international d’unités sur une bande de fréquences allant de la fréquence fondamentale et jusqu’à 9 kHz.

Le LNE va, dans le cadre de cette étude, adapter son système de mesure à échantillonnage qui est actuellement apte à prendre en compte des signaux à une fréquence fondamentale de 1 kHz. Tout d’abord, il est nécessaire de développer un nouvel algorithme pour la mesure des signaux distordus en utilisant la technique de la transformation de Fourier rapide, puis de caractériser un diviseur capacitif de référence adapter aux tensions allant jusqu’à 30 kV. Pour le besoin de l’étude, le LNE va concevoir un système de génération de signaux distordus en utilisant un amplificateur de puissance associé à un transformateur élévateur.

Le second objectif du projet est de fournir au comité de normalisation CEI-TC38 des procédures techniques pour évaluer la performance des transformateurs de mesure en présence de plusieurs facteurs d’influence (température, charge, vibration, phase, champ magnétique, etc.). Pour contribuer à l’atteinte de ces objectifs, le LNE va étudier l’influence combinée de la température et de la vibration sur l’étalonnage d’un transformateur de tension et en présence de signaux distordus. Le LNE effectuera des mesures suivant la procédure choisie et en faisant varier à la fois la température et les vibrations. Le but étant de fournir des indicateurs de performance, des procédures techniques et des incertitudes pour l’étalonnage d’un transformateur en présence de ces deux facteurs d’influence et en présence de signaux distordus.

À l’issue des mesures effectuées par tous les partenaires, le LNE effectuera la synthèse des résultats afin de proposer un guide de bonnes pratiques pour l’évaluation des performances des transformateurs en présence de plusieurs facteurs d’influence.

Le projet a débuté en août 2020 pour une durée de 3 années. Le programme de travail est réparti entre 11 partenaires et est coordonné par l’INRIM (Italie). Le projet est structuré en 4 lots de travail technique et 2 lots de management et de diffusion des connaissances :

• WP1 -   Incertitudes limites des transformateurs de tension et de courant ;
• WP2 -   Méthodes de mesure et systèmes de référence pour les indices de qualité de l’énergie ;
• WP3 -   Performance des transformateurs dans différentes conditions de mesure.

Le LNE participe aux lots WP2 et WP3 pour :

• mettre en place un système de mesure du rapport et du déphasage des signaux issus de deux transformateurs (étalon et inconnu) ; il sera utilisé pour caractériser les systèmes des partenaires ;
• rédiger un guide de bonnes pratiques pour l’étalonnage des transformateurs en présence de signaux distordus dans le milieu industriel ;
• étudier l’influence combinée (température et vibration) dans l’étalonnage d’un transformateur de tension et de la présence de signaux distordus : adaptation de son système de génération et de son système de référence suivant la nature de signaux distordus sélectionnés, mesures expérimentales suivant la procédure choisie en variant à la fois la température et les vibrations. Le but est de fournir des paramètres de performance, des procédures techniques et des incertitudes pour l’étalonnage d’un transformateur en présence de ces deux facteurs et en présence de signaux distordus qui feront l’objet d’un guide de bonnes pratiques pour l’évaluation des performances des transformateurs en présence de plusieurs facteurs influents.

• Industrie : Ce projet apportera un soutien aux fabricants de transformateurs ainsi qu’aux opérateurs d’énergie électrique en permettant de se référer à méthodes reconnues (qui auront obtenues un consensus) pour l’évaluation des performances des instruments utilisés pour les mesures de qualité de l’énergie électrique. De plus les autorités de contrôle pourront de référer à des mesures fiables et traçables de l’efficacité de ces instruments, dans l’intérêt des consommateurs et d’une concurrence loyale.
• Métrologie et communauté scientifique : Le projet permettra à cette communauté de bénéficier de nouvelles possibilités de mesure et de test de la plupart des transformateurs (courant/tension, inductif/faible puissance, sortie analogique/numérique) dans les conditions de mesure de la qualité de l’énergie. Cela impliquera la mise aux point de nouvelles références de mesure et fournira des données d’entrée pour le contrôle « intelligent » des réseaux électriques instrumentés (smart grids).
• Normalisation : Ce projet aura un impact majeur sur les travaux de normalisation du CEN-CENELEC ou de la CEI. Les normes visées sont celles traitées par le comité technique CEI-TC38. Ce JRP créera des liens continus entre les partenaires du JRP et les membres des comités de normalisation, favorisant les échanges et les retombées pertinentes pour les utilisateurs.
• Économie/Société/environnement : Les travaux effectués dans le cadre de ce projet apporteront plus de fiabilité dans la qualité de l’énergie électrique distribuée, au bénéfice de toute la société, puisqu’elle a un impact direct sur le fonctionnement des appareils électriques. De plus, la connaissance de la qualité de l’énergie avec les incertitudes de mesure plus faibles, conduira de fait à une meilleure connaissance de la qualité de l’énergie et permettra d’intervenir plus facilement et rapidement pour corriger d’éventuelles défaillances et sera d’une grande aide à la prévention de coupure générale d’alimentation. De plus, des incertitudes de mesure donnent plus de fiabilité aux expertises judiciaires effectuées pour évaluer des responsabilités en cas de dysfonctionnement d’installations ou d’appareils électriques.

Le projet européen (JRP) est coordonné par l’INRIM (Italie) et réunit 11 partenaires :

• INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica), Italie
• CMI (Cesky Metrologicky Institut), République tchèque
• LNE, France
• PTB (Technische Universitaet Braunschweig), Allemagne
• TUBITAK (Turkiye Bilimsel ve Teknolojik Arastirma Kurumu), Turquie
• VSL, Pays-Bas
• RSE (Ricerca sul Sistema Energetico), Italie
• SUN (Università degli studi della Campania Luigi Vanvitelli), Italie
• TUD (Technische Universität Dresden), Allemagne
• UNIBO (Alma mater studiorum Università di Bologna), Italie
• SASO-NMCC (Saudi Standards, Metrology and Quality Organization), Arabie Saoudite

L’organisme de normalisation CEI, et particulièrement le comité technique TC38 “Instrument transformers”, est le bénéficiaire principal de ce JRP.