Sept secondes avant l'explosion : la ferrorésonance

Publié le septembre 21, 2026

Série « Le réseau que l'on dessine et le réseau que l'on exploite »

La ferrorésonance, et le régime stable dont personne n'a prévu qu'il existe

Article 08 · Extrait de la Vérité 19

Un transformateur de tension capacitif, posé sur un jeu de barres HTA, ne fait rien d'autre que mesurer. Il ne coupe rien, il ne protège rien, il informe. Et pourtant, certains d'entre eux explosent — sans défaut d'isolement, sans surtension venue du réseau, sans qu'aucun relais n'ait vu quoi que ce soit d'anormal passer.

Une question de vocabulaire, avant d'aller plus loin Ce texte parle de transformateur de tension (TT). Sur des schémas plus anciens, sur certains catalogues constructeurs, ou dans l'usage nord-américain, on trouve transformateur de potentiel (TP), ou en anglais voltage transformer (VT) et potential transformer (PT). Les quatre sigles désignent le même appareil — seul le référentiel change. Précision utile : un TT peut être livré sous forme de trois appareils monophasés séparés, ou dans un seul boîtier « triphasé » — qui, magnétiquement, cache le plus souvent trois circuits indépendants, ou un noyau à cinq colonnes conçu pour laisser passer le flux homopolaire. Le circuit équivalent décrit dans cet article, qui ne concerne qu'une seule phase isolée, reste valable dans les deux cas.

Et cette physique n'est pas nouvelle. C'est celle du circuit RLC série du programme de prépa et de terminale — la même résistance, la même capacité, la même inductance, montées en série face à une source alternative. Une seule différence, mais elle change tout ce qui suit.

Comparaison entre le circuit RLC classique à inductance constante, à la résonance à un seul pic, et le circuit ferrorésonant à inductance saturable, dont la courbe de résonance se replie en trois solutions

Fig. 1 — À gauche, le circuit du cours : L constante, une résonance à un seul pic, une amplitude par fréquence. À droite, le même circuit, la même équation — sauf que L(λ) sature. La courbe de résonance se replie sur elle-même, et une même excitation croise alors la courbe en trois points.

Dans le circuit du cours, l'amplitude à la résonance est unique et prévisible : elle vaut E₀/R, point final. C'est parce que L reste constante quelle que soit l'intensité du courant qui la traverse. Dans un transformateur de tension, ce n'est plus vrai au-delà d'un certain flux : le noyau de fer sature, et l'inductance n'est plus une constante mais une fonction du courant qui la parcourt. La courbe de résonance, qui était un pic symétrique, se penche et se replie — et c'est ce repli, seul, qui ouvre la possibilité de trois solutions pour une même fréquence d'excitation.

Ce qui les détruit porte un nom que la formation initiale mentionne rarement : la ferrorésonance. Et la première chose à comprendre, c'est qu'elle n'est pas une panne. C'est un second état stable que le même circuit peut adopter, avec les mêmes composants, sans qu'aucune pièce ne cède.

Un siècle d'avance sur le vocabulaire Le terme « ferrorésonance » n'est pas récent. Il a été proposé en 1920 par l'ingénieur français Paul Boucherot, dans un article qui analysait déjà — c'est son titre — l'« existence de deux régimes en ferrorésonance ». La bistabilité qui structure cet article n'est donc pas un angle pédagogique choisi après coup : c'est la découverte qui a donné son nom au phénomène. Le sujet a fini par recevoir un cadre normatif propre, un siècle plus tard : le rapport technique IEC/TR 61869-102, publié en 2014, qui rassemble modèles, critères de risque et mesures de mitigation pour les transformateurs de tension inductifs — c'est la référence à consulter pour aller au-delà de cet article.

Le circuit le plus simple qui puisse mal se comporter

Un transformateur de tension a une inductance magnétisante, et cette inductance sature — c'est la définition même du fer. Sur un réseau à neutre isolé ou compensé, ce même transformateur se retrouve couplé à une capacité de réseau — celle d'un câble long resté sous tension d'un seul côté, une phase ouverte.

Suivons le courant, nœud par nœud, exactement comme il circule sur le terrain. La phase ouverte n'a plus de liaison galvanique avec la source — mais elle chemine sur toute sa longueur à côté des deux phases restées fermées, avec lesquelles elle partage une capacité répartie : c'est Cs, le couplage qui l'alimente malgré la coupure. Une fois ce courant capacitif arrivé sur le conducteur isolé, il se partage en deux : une part s'évacue directement à la terre via la capacité du câble à la terre — Cc — et l'autre part continue jusqu'au transformateur de tension, en bout de ligne, où elle redescend à la terre en traversant son inductance.

Cc et le TT sont donc connectés entre les deux mêmes nœuds — le conducteur isolé et la terre. Ils sont en parallèle entre eux. Cs, en revanche, est la seule voie entre la source et ce nœud isolé : elle est en série avec l'ensemble. Le circuit n'est ni purement série ni purement parallèle — les deux, à des endroits différents.

Réseau triphasé à neutre isolé, défaut sur la phase 1, fusible fondu, et le transformateur de tension isolé à la cellule de comptage du poste client, seul face aux capacités Cs et Cc

Fig. 2 — Un défaut sur la phase 1, un fusible qui fond : la phase se coupe côté source, mais reste physiquement présente jusqu'au poste client. Au bout, dans la cellule de comptage, le TT ne voit plus que Cs et Cc — le couplage capacitif avec les phases saines, et la capacité du câble à la terre.

Un second cas, purement série, existe aussi Le cas décrit ici — câble long, capacité répartie — donne un montage série-parallèle. Il existe un second cas, plus localisé : les condensateurs de répartition d'un disjoncteur, montés directement aux bornes du contact ouvert. Là, la capacité du câble entre le disjoncteur et le TT est négligeable devant ce condensateur, et le montage redevient une boucle série pure — celle, plus simple, que ce même article présentait dans une version antérieure. Les deux cas produisent le même phénomène qualitatif ; seule l'équation change.

Une inductance non linéaire, deux capacités disposées en série puis en parallèle, une source alternative. Il suffit d'écrire les lois de Kirchhoff au nœud isolé pour que le phénomène connu depuis un siècle réapparaisse : la bistabilité.

En notant λ le flux du transformateur (tel que sa tension à ses bornes vaut dλ/dt), le bilan de courant au nœud isolé donne, après élimination de la variable intermédiaire :

(Cs+Cc)·λ'' + f(λ) = Cs·E₀ω·cos(ωt)

C'est encore une équation de Duffing forcée — la même famille que le cas série pur, avec deux différences : la capacité qui compte n'est plus Cs seule mais Cs + Cc, et l'excitation qui atteint réellement le TT est atténuée par le rapport Cs/(Cs+Cc) — le nœud isolé agit comme un diviseur capacitif entre la source et la terre. La résolution par balance harmonique donne, comme dans le cas série, une équation cubique en amplitude, qui peut admettre trois solutions réelles pour un seul et même jeu de paramètres.

Trois solutions, une seule réalité observable

Courbe d'amplitude du circuit ferrorésonant série-parallèle avec les trois intersections : deux régimes stables et un seuil instable

Fig. 3 — Les trois racines de l'équation d'amplitude, pour le circuit série-parallèle dont la fréquence propre est inférieure à 50 Hz. Deux sont stables, une ne l'est pas.

Sur le cas construit ci-dessus, la courbe croise la droite d'excitation en trois points.

Régime A — stable2,56 × la tension crête nominale

Seuil — instable, jamais observé1,90 × la tension crête nominale

Régime B — stable, destructeur6,05 × la tension crête nominale

Le point du milieu n'est pas un régime possible : la moindre perturbation l'en écarte, vers le haut ou vers le bas. Ce qui reste, ce sont deux régimes également légitimes du point de vue des équations. Rien dans les paramètres du circuit ne dit lequel le système va choisir. Ce choix se fait à l'instant où la phase s'ouvre, et il dépend de l'état exact du système à cet instant précis : la phase de la tension, la charge résiduelle du câble, la valeur du flux au moment de la bascule.

Deux ouvertures identiques, à quelques millisecondes de phase près, peuvent aboutir à deux régimes permanents différents. C'est la définition même d'un système bistable, et c'est ce qui rend la ferrorésonance si difficile à reproduire en laboratoire sur commande : le même essai, refait deux fois, ne retombe pas toujours du même côté.

Domaine de validité Le modèle ci-dessus est réduit sans pertes : c'est ce qui rend la bistabilité démontrable par le calcul plutôt que cherchée par tâtonnement. Les pertes fer et cuivre réelles amortissent le système et déplacent légèrement les seuils, mais elles ne suppriment pas le phénomène — c'est un résultat établi de la théorie des oscillateurs non linéaires forcés. La courbe de saturation retenue est une approximation cubique : la courbe réelle d'un transformateur donné n'est pas publique, et si le phénomène qualitatif est robuste, l'amplitude exacte ne l'est pas. Le circuit reste réduit à un équivalent d'une seule phase, celle qui s'ouvre ; les deux autres, restées fermées, n'apparaissent que comme la source de Cs. Un seul harmonique est retenu dans le calcul d'amplitude, alors que le régime réel en contient davantage.

Pourquoi 50 Hz ne suffit pas à trancher

La condition qui ouvre la porte à la bistabilité est simple à énoncer : il faut que la fréquence propre du circuit à vide soit inférieure à 50 Hz. Autrement dit, que le point de fonctionnement linéaire du circuit se trouve déjà au-delà de la résonance, côté capacitif.

Cette condition dépend de grandeurs que personne ne surveille en exploitation courante : la longueur du câble resté sous tension d'un seul côté, le nombre de condensateurs de répartition en jeu, la configuration du moment. Le même poste peut être à l'abri un jour et vulnérable le lendemain, sans qu'aucun équipement n'ait changé.

Une seconde condition, tout aussi nécessaire, tient à l'appareil de coupure plutôt qu'au câble : l'ouverture doit être monophasée. Si les trois phases s'ouvrent ensemble — ce que fait un disjoncteur triphasé classique sur défaut polyphasé — aucune ne reste sous tension pour alimenter les autres par couplage capacitif, et Cs n'existe simplement pas. C'est pour cela que les incidents documentés impliquent presque toujours un appareil capable de couper une seule phase indépendamment des deux autres : un fusible HTA, qui ne fond que sur la phase en défaut, ou un sectionneur manœuvré pôle par pôle.

Ce que le schéma ne dit pas

Sur un plan d'exploitation, un transformateur de tension est un petit rectangle relié à une phase. Rien n'indique sa courbe de saturation. Rien n'indique la longueur du câble resté sous tension ce jour-là. Rien n'indique surtout qu'un régime alternatif, stable et destructeur, coexiste mathématiquement avec le régime normal pour les mêmes valeurs de tout le reste.

Le symptôme, sur le terrain, est déroutant précisément parce qu'il ne ressemble à aucun défaut catalogué. Une surtension soutenue, parfois à une fréquence qui n'est ni 50 Hz ni un multiple simple. Un bourdonnement audible du transformateur, signe de saturation magnétique franche. Et, au bout d'un temps qui dépend de la masse thermique de l'appareil — l'image des « sept secondes » n'est qu'une image, le temps réel se compte parfois en minutes — la destruction du transformateur de tension par échauffement, sans qu'aucune protection n'ait eu de raison de déclencher avant.

La ferrorésonance ne signale pas un composant défaillant. Elle signale qu'un circuit linéaire en apparence ne l'est plus, et qu'il a le choix entre deux existences parfaitement stables — dont une seule est compatible avec la survie du matériel.

Ce qui déclenche l'incident, et ce qui le prévient

Quatre circonstances reviennent le plus souvent dans les retours d'expérience publiés sur le sujet : une manœuvre d'aiguillage monophasée, un défaut à la terre sur un réseau à neutre isolé ou compensé, la fusion d'un fusible sur une seule phase — qui crée exactement la même interruption monophasée qu'une manœuvre volontaire, sans qu'aucun agent n'ait rien manœuvré — et la combinaison longs câbles souterrains plus faible charge, exactement la configuration qui fait chuter la fréquence propre du circuit sous 50 Hz. Aucune de ces quatre circonstances n'est rare ; c'est précisément ce qui rend le phénomène sous-estimé.

Sur l'amplitude des surtensions réelles La norme distingue trois régimes possibles — fondamental, sous-harmonique, harmonique supérieure — sans donner de règle simple pour prédire lequel s'installera. La littérature documente deux ordres de grandeur, selon la phase du régime fondamental. En phase saturée, les courants développés peuvent détruire l'appareil par échauffement. En phase non saturée, la tension peut atteindre cinq à six fois la tension de ligne — de quoi faire fondre des fusibles ou claquer des parafoudres voisins qui n'ont rien à voir avec le défaut d'origine, et de quoi perturber au passage les protections et les équipements de mesure raccordés au même TT, par la distorsion harmonique qui accompagne la surtension. Le régime B calculé plus haut, à 6,05×, se situe exactement dans la fourchette documentée pour le régime fondamental — une concordance qui n'était pas garantie d'avance, puisque le cas construit ici est illustratif, pas calé sur un incident réel.

Trois familles de mesures répondent à ces causes, à des moments différents de la vie de l'ouvrage.

À la conception

Le levier le plus efficace reste la résistance de charge au secondaire : elle referme la fenêtre de bistabilité en déplaçant la courbe d'amplitude. Sur les réseaux à câbles souterrains longs, certains transformateurs sont spécifiquement conçus contre ce risque — noyau à entrefer, enroulement amortisseur chargé sur une résistance — plutôt que de compter sur un amortissement ajouté après coup.

Le triangle ouvert n'est pas qu'un détecteur de défaut Sur un TT triphasé ou un groupe de trois TT monophasés, l'enroulement secondaire résiduel — le couplage triangle ouvert utilisé pour détecter un défaut à la terre — ne doit jamais rester ouvert sans résistance de charge. Un enroulement résiduel non chargé favorise fortement la ferrorésonance ; c'est une exigence explicite de la norme IEC/TR 61869-102, pas une simple bonne pratique optionnelle.

Deux leviers agissent à des échelles différentes, et il ne faut pas les confondre. Au niveau du réseau, la norme recommande de passer à un neutre effectivement mis à la terre, ou de régler correctement une bobine de Petersen — une décision de conception qui dépasse largement un seul poste. Au niveau de l'appareil, une pratique documentée par ailleurs consiste à reconfigurer le secondaire d'un TT en triangle plutôt qu'en étoile directement mise à la terre, ce qui augmente l'impédance vue par le réseau — au prix de renoncer à la mesure directe de la tension résiduelle sur ce TT précis. Le premier levier change le comportement de tout le réseau ; le second ne change que celui d'un appareil.

Là où c'est possible, le choix d'un transformateur de tension capacitif (CVT) plutôt qu'inductif retire une bonne partie du problème à la racine : un CVT est structurellement beaucoup moins sujet à la ferrorésonance qu'un TT inductif classique — la norme le mentionne explicitement comme option de conception.

La norme définit aussi un facteur de tension que l'appareil doit supporter en continu et pendant une durée limitée, plus élevé pour les réseaux à neutre isolé sans élimination automatique du défaut que pour les réseaux à neutre efficacement mis à la terre. ⚠️ *Les valeurs précises de ce facteur varient selon l'édition de la norme et la classe de l'appareil : à vérifier sur la fiche technique du TT concerné, pas sur un chiffre générique.*

Sur les traversées HTA en environnement pollué, la ligne de fuite doit être dimensionnée selon la sévérité de pollution du site — un TT correctement spécifié pour un environnement propre peut se retrouver sous-dimensionné une fois installé en bord de mer ou en zone industrielle poussiéreuse.

En exploitation et en maintenance

Là où c'est possible, couper les trois phases ensemble plutôt qu'une seule retire directement la condition nécessaire posée plus haut — sans phase restée sous tension, Cs n'existe pas. C'est tout l'intérêt d'un appareil de coupure triphasé à manœuvre groupée plutôt que d'un sectionnement pôle par pôle, quand l'exploitation le permet.

Un contrôle périodique simple, souvent négligé parce qu'il ne signale rien d'anormal jusqu'au jour où il le fait : résistance d'isolement, facteur de dissipation diélectrique, et décharges partielles si l'équipement de mesure est disponible. Le calibrage des fusibles HTA associés — courant assigné, pouvoir de coupure, courbe temps-courant — mérite la même vigilance : un fusible mal coordonné ne protège pas contre la ferrorésonance elle-même, mais il peut aggraver ou prolonger un incident qu'il aurait pu limiter.

Le nettoyage des traversées en environnement pollué revient au même principe que la ligne de fuite : une pollution accumulée réduit la tenue diélectrique effective bien en dessous de ce que la conception prévoyait.

À la mise à la terre

Une seule prise de terre, de résistance faible, doit desservir à la fois le neutre du TT côté primaire, le secondaire — en un seul point, jamais plusieurs — la masse de l'appareil, et le parafoudre associé lorsqu'il existe. Cette exigence n'est pas propre à la ferrorésonance : c'est la même logique d'équipotentialité que celle développée pour les postes HTA/BT dans un article précédent de cette série. Une terre de mauvaise qualité ne cause pas la ferrorésonance, mais elle aggrave les contraintes diélectriques qui s'ensuivent et favorise le claquage une fois le régime instable installé.

Ce que cette liste ne remplace pas Un TT en résine n'explose rarement « sans raison ». Les incidents réels combinent le plus souvent plusieurs causes à la fois — surtension d'origine externe ou interne, défaut d'isolation progressif, protection mal coordonnée — et la ferrorésonance n'en est qu'une, certes sous-estimée. La documentation technique elle-même le reconnaît : c'est un phénomène rare, dont « aucun modèle complet de la physique sous-jacente n'est connu », et pour lequel fixer des limites de prévention précises reste, dans les mots mêmes de la littérature spécialisée, « frustrant ». Une analyse après incident, remontant à la cause racine plutôt qu'au seul symptôme thermique, reste le seul moyen fiable d'éviter la récidive sur un ouvrage donné.

Le réseau que l'on dessine et le réseau que l'on exploite

Cet article développe pour le web la Vérité 19 de L'Électricité Réelle, un livre qui traite vingt-six écarts de ce genre entre ce que la théorie annonce et ce que le réseau impose. Huitième article de la série, quatorze textes en alternance : les pairs développent une vérité du livre, les impairs traitent un sujet d'exploitation qui n'y figure pas.