DOSSIER Mots-clés : Ferroviaire, Traction alimentation des lignes à grande vitesse en par Daniel NYSSENS, La mise vitesse de en en place Belgique la tension à la traction des Lignes à grande vitesse. Belgique TUC RAIL (Tractebel) lignes a imposé d'alimentation électrique, Alimentation, à grande la révision destinée électrique. L'importante puissance électrique nécessaire à la traction des trains TGV en Belgique et la densité du trafic ont nécessité le remplacement de l'alimentation 3 kV DC par du 25 kV AC. La caténaire est alimentée en 25kV AC par rap- INTRODUCTION Le présent article a pour objet de décrire de façon succincte les principales caractéristiques des installations fixes de traction de la ligne à grande vitesse (LGV) belge 300 kmlh. L'électrification de la ligne construite en site neuf se caractérise par une technologie particulière et profondément différente de celle utilisée jusqu'à présent par la SNCB pour ses lignes classiques. Il s'agit en effet de la mise en place d'un système d'alimentation sous 25 kV alternatif par opposition au système 3 kV en courant continu habituellement utilisé en Belgique. PRINCIPES Choix du système 25 kV La puissance importante installée dans les rames TGV (rame Eurostar : 12 MW- double rame Thalys : 17,6 MW) et le trafic intense sur la ligne, nécessitaient une autre distribution de l'énergie de traction que le 3 kV-DC. Depuis la deuxième guerre mondiale, deux systèmes à courant alternatif introduisant la " moyenne haute tension " dans la traction électrique, se sont développés en Europe, le 15 kV 16 111 Hz, et le 25 kV/50 Hz. L'évolution des techniques de commande et de motorisation dans le domaine de la traction ferroviaire a conduit ce dernier système à une utilisation plus universelle que le premier. Le choix de la tension de 25 kV/50 Hz était donc tout indiqué pour le TGV en Belgique. Toutefois, compte tenu du développement important du réseau belge en 3 kV-DC, le fait d'opter pour un système incompatible avec le réseau actuel ne paraissait pas évident tant pour des raisons de standardisation que pour des problèmes techniques dus à l'influence du courant alternatif sur les équipements de signalisation et de télécommunication. port au rail ; une alimentation de câble en 25 kV AC en opposition de phase avec la caténaire, parcourt toute la ligne. Des postes autotransformateurs sont installés tous les 10 km. La caténaire développée est conçue avec des éléments spécifiques adaptés aux vitesses élevées. Because of increased power consumption by highspeed trains and high traffic density on the Belgian network, the former 3 kV DC systems have been replaced by a new 25 kV AC supply. The catenary voltage is at 25 kV AC with reference to the rail and a second line fed with 25 kV AC in antiphase with the catenary voltage runs alongside the track. Autotransformers are fitted every 10 km. The catenary system includes special components to withstand the high-speed traffic. En outre, le fournisseur de courant est peu disposé à alimenter en monophasé les puissances importantes imposées par le trafic TGV très dense. Principe de l'alimentation 2 x 25 kV/50 Hz Schéma cle principe La distribution de l'énergie de traction sur la ligne se fait par un réseau 2 x 25kV (fig. 1) : - la caténaire est alimentée en 25 kV par rapport au rail ; - une alimentation de câble, alimentée en 25 kV, en opposition de phase avec la caténaire, parcourt toute la ligne. Des postes autotransformateurs sont répartis le long de la ligne et à des interdistances régulières de +/- 10 km, pour assurer la distribution 2x25 kV. REE N'9 Ot.b,c 1998. 39 L'ÉLECTRICITÉ DANS LE FERROVIAIRE SECTEUR SECTEUR 1 Ic=I caténaire 1. Distribution de l'énergie de traction. 2 caténaire 1 25 kV [T I=courant machine 50 kV : TL 50 k] V Rail 25 kV If=I feeder Feeder autotransfo transformateur autotransfo 1 Dans ce schéma le rail sert de troisième conducteur. Il joue toujours le rôle de circuit de retour, mais n'en a plus l'exclusivité comme indiqué ci-après. En effet ce schéma réalise une distribution de l'énergie sous 50 kV sur une grande partie du trajet. 2 sont ainsi de 50 % inférieures à celles obtenues avec une distribution 25 kV. Le rayon d'action des sous-stations de traction peut donc être augmenté. - Les pertes dans les lignes sont quatre fois plus faibles que celles enrégistrées avec une distribution 25 kV/50 Hz. - Le courant dans le rail est nul dans les secteurs non par- Répartition des courants La figure 1, qui représente un train au milieu du deuxième secteur de la ligne, permet de mieux appréhender le fait que le transport de l'énergie se fait (partiellement) 50 kV. sous La répartition des courants peut être obtenue en remplaçant les autotransformateurs par des transformateurs enroulements séparés (théorie des transformateurs). à On obtient alors le schéma de la figure 2, dans lequel les circuits de retour associés à chaque transformateur sont courus, ce qui permet d'éviter Toutefois dans la pratique, il est évident que l'effet de ces avantages dépend directement du nombre de postes avec autotransformateurs en ligne. Si l'interdistance entre eux devient trop grande, la distribution 50 kV ne s'appliquera qu'à une fraction de l'énergie totale transportée. Il faut souligner que la présence de l'alimentation représentés séparément. La répartition des courants s'en déduit aisément. L'impédance des connexions longitudinales (caténaire, feeder, rail) étant supposée négligeable, et les autotransformateurs étant supposés parfaits, on obtient la répartition des courants telle que l'indique la figure 3. Les points importants à noter sont les suivants : - Dans les secteurs situés entre la source et le train, le transport de l'énergie se fait entre caténaire et alimentation de câble, c'est-à-dire sous 50 kV. Les chutes de tension APPLICATION À LA LGV, BRANCHE OUEST Schéma simplifié de la ligne La branche ouest a une longueur de 71 km en site propre entre la frontière française et Lembeek (Hal). C '/2 1 125 kV'/4 1 111 Vl Ë 50 kV 25 kV'/4 1 l VII de câble en opposition de phase avec la caténaire produit un affaiblissement du champ électromagnétique par rapport à la distribution 1 x 25 kV monophasée. CATENAIRE '/4 1 REE N°9 Octob,c 1998 la présence de courants vagabonds et de limiter les perturbations dans les circuits de voie. FEEDER 2. Répartition des courants avec circuits de retour associés à chaque transformateur représentés séparément. L'otimentotion des 3/41 <-- 1/4 1 CATENAIRE 1/21- lignes à grande vitesse en Belgique 3. Répartition des courants. Il ]25 25 '/4 1 3 1 VII 2f 1 rail = 0 il vi If= V21 V2 1 SECTEUR Le raccordement de la sous-station sur une ligne Electrabel de 150 kV située à mi-distance de la ligne LGV, à Huissignies-Chièvres, permet d'alimenter toute la ligne au départ de ce seul point d'injection. En examinant le schéma de principe qui est donné en figure 4, on peut faire les remarques suivantes : - Une zone de transition est prévue à Lembeek, entre le De part et d'autre de cette zone on procède au changement de pantographe (25 kV/50 Hz par 3 kV-DC ou inversément). - A noter que le changement de type de caténaire n'entraîne pas de modification de la hauteur du fil de contact. - Lazone de transition comprend un tronçon de caténaire 2 La sous-station de Chièvres La sous-station de Chièvres étant l'unique point d'alimentation de la ligne, celle-ci a été conçue de manière à assurer un maximum de fiabilité du système. Le schéma unifilaire est donné en figure 5. A la partie supérieure de ce schéma figurent les transformateurs dont les disjoncteurs de protection sont installés dans le poste 150 kV du fournisseur. Deux (ONAN) transformateurs de 60 MVA 150/2 x 25 kV - 75 MVA par ventilation forcée (ONAF) - sur- chargeables, alimentent respectivement les deux demitronçons de caténaires, Chièvres - frontière française, et Chièvres - Lembeek. Un troisième transformateur -identique- sert de réserve. (+/- 100 m) mise à la terre, appelée zone neutre. - Lespostes AT se trouvent à une interdistance de +/- 10 km. - Une zone de séparation de phases est située au droit de la sous-station de traction, les deux voies vers Bruxelles étant alimentées par des phases différentes de celles vers la France. En effet, afin de répartir les courants sur les phases, la LGV a été divisée en deux tronçons alimentées par deux phases différentes du réseau Electrabel. Au passage de cette zone, il n'y a pas de consigne d'abaissement du pantographe, seul le courant machine doit être coupé, la zone de séparation de phases se trouvant à un potentiel flottant. - Une autre zone de séparation de phases est située près de la frontière française, là où la sous-station SNCF de la Flamengerie prend le relais. -/ I 1 Vd V4 FEEDER SECTEUR 1 25 kV/50 Hz et le 3 kV-DC. v, f de traction Les transformateurs possèdent un système de réglage de tension en charge, et sont conçus pour supporter des courants de court-circuit de 12 kA pendant 1 seconde. Le contrôle de l'ensemble est assuré par un système informatisé comprenant deux automates de manière à assurer la continuité de fonctionnement en cas de défaillance d'un des deux systèmes. Les auxiliaires comprennent deux transformateurs monophasés 25 kV/240 V ainsi qu'une double alimentation 110 VDC et 48 VDC redresseurs-batteries, permettant d'assurer une continuité en cas de défaillance d'un des redresseurs ou d'une des batteries. En outre, une alimentation séparée de l'alimentation buteur. de secours basse tension du poste est prévue par le distri- 4. Schéma de principe de la ligne. utre AT de phase If r--Il --- A-.: -3 kVcc- : ! - 1Lembeek rebecq ç Bruxelles AT = poste auto-transformateur SST = sous-station de traction 25 kV REE N9 Octobr 1998 L'ÉLECTRICITÉ Problème DANS LE FERROVIAIRE du déséquilibre Les transformateurs assurant d'une déséquilibre du réseau d'alimentation. La répartition connexion l'alimentation le principe en V afin des phases a été faite opèrent sur de minimiser le en accord avec le M---y TRANSIC) I ', TR,4NSF01////I --IJJ//- Y DJ/Cr J J DJf1·rJ J distributeur. TRAVSTD : I I', .)).))) DJfCr, Diside «unclm J SA3 SA2' Les postes autotransformateurs Chaque poste autotransformateur comprend 2 unités raccordées en parallèle. Le schéma est donné à la figure 6. Les interrupteurs dent un pouvoir circuit de mise en parallele de coupure supérieur FII) 4SI) 4 1 D, IFI.U.- TA.TIO : Nl SD- SD 1 I des voies possè- au courant de court- DJ 1 DJ4 DJ IDJ2 \I DJ3 DE j CHIEVRES 1\1 Dl- St.4 SI,4 SL3JSL2 SL3si- 1 L JSL? I I DJI os·i.? SLI sccc maximum. Des sectionneurs permettent teurs après élimination voie et en back-up Le chauffage d'isoler du défaut I les autotransforma- par les interrupteurs de J par les départs sous-station. électrique des lames en cas de neige li/ T4 j ou verglas est assuré par des transformateurs alimentés par l'alimentation de câble et situés à proximité des zones concernées. CATENAIRE3 BAMNAIRF 1v `j,.. . fFEOER Commande L'ensemble I,rlerr:"n, ;r- CATENAIREI C·.,-' "sY ", des installations titeur " de la traction d'alimentation en permanence électrique des caté- à partir du " post de la SNCB à Mons. répar- e7 Il- 5. Schéma unifilaire de la sous-station Tableau 1. - Caractéristiques EQUIPEMENT câble porteur nature Fil de contact de câble Câble de terre aérien Armement Fouilles REE .1. 9 Octobre 1998 14 kN 150 mm' mécanique 20 kN hauteur à la suspension 5,08 m Type vertical, nature câble bronze sans suspension section 12 mm' nature cable almelec section 288 mm2 nature câble almelec section 115 mm' type bras pivotants nature aluminium isolateurs fibre de verre+caoutch.silic extrémités Supports CARACTERISTIQUES Cuivre-argent section Pendulage des caténaires. 65 mm' mécanique nature tension de Chièvres. Bronze section tension (AI-Mg-SiO.5) : AI-Mg-SiO.5 type -- -- -- -- -- H - profil Euronorm nature acier galvanisé interdistance 56 m en type ---- - cylindrique diamètre 0,75 m alignement I I centralisée naires est surveillé Alimentation TZ FEEDER Y L'alimentation ATl i sei des lignes AT2 En sectinnneurs '-1 w ceptible contact. , interrunteurs -1 -1 -------- ^---'1 1 vitesse en Belgique effet chaque point dur rencontré par le pantographe entraîne un décollement de celui-ci, ce qui provoque un arc et donc un échauffement local sus- çectionneurs i _____r d'endommager le fil de Pour les mêmes raisons, la hauteur de la caténaire par rapport au rail doit être la plus constante possible (5,08 m). feeder der caténaires énaires Le dimensionnement est feeder des pendules d'une extrême importance pour la qualité finale de la caténaire ; les calculs comme la réalisation des travaux ne peuvent donc admettre que des tolérances de l'ordre du millimètre. 6. Schéma d'un poste autotransformateur. M à grande La position des pantographes sur les rames a également une grande influence sur la qualité du captage. CATÉNAIRE Conception générale La caténaire porte la désignation R300, caténaire régularisée pour 300 km/h. Elle est composée d'un câble porteur En effet, quand deux rames Thalys sont accouplées, ou avec chaque rame Eurostar, les deux pantographes se succèdent à 200 m ou 400 m de distance ; le deuxième panto- en bronze de 65 mm'et graphe rencontre une caténaire déjà en oscillation après le passage du premier pantographe, et a des difficultés à assurer un captage satisfaisant. d'un fil de contact en cuivre/ argent de 150 mnr'. Une alimentation de câble est déroulée sur des consoles en principe à l'extérieur des poteaux caténaires. Elle est constituée d'un câble en almelec, suspendu au Pour cette raison, on préconise d'augmenter la pression statique du pantographe arrière du train. point supérieur des poteaux ; sa section est électriquement équivalente à la caténaire. La caténaire est composée de sections mécaniquement indépendantes d'environ 1000 m de longueur. Dans chaque section le câble porteur et le fil de contact sont maintenus à une tension mécanique constante -respectivement 14 et 20 kN- par des contrepoids fixés à leurs extrémités. L'armement de la caténaire est constitué de consoles pivotantes, elles-mêmes constituées de tubes, d'aluminium fixés au poteau par l'intermédiaire d'isolateurs en matière composite. Le fil de contact est suspendu au câble porteur par des pendules conducteurs ; au droit de chaque poteau une biellette de rappel fixe le désaxement du fil. Tous les éléments constitutifs de l'armement sont en 1 1 RÉSUMÉ ET CONCLUSIONS La tension d'alimentation de 2 x 25 kV a été choisie pour l'alimentation de la traction électrique sur la LGV parce qu'elle s'inscrit dans une technique standardisée et éprouvée pour la grande vitesse, et qu'elle présente un compromis acceptable du point de vue des perturbations électromagnétiques. Les équipements d'alimentation ont été réalisés de manière à assurer une fiabilité très grande de l'ensemble. La caténaire a été conçue meilleur captage possible. dans le but d'obtenir le L'armement a été étudié de manière à réduire l'entretien en faisant notamment appel à des composants non corrodables. alliage d'aluminium ou en acier inoxydable de façon à éviter tout problème de corrosion et à minimaliser l'intervention des services de maintenance. Pour les mêmes raisons les poteaux sont non seulement galvanisés à chaud, mais aussi peints suivant un procédé spécial. Caractéristiques du matériel Les caractéristiques principales de la caténaire figurent au tableau 1. le captage à grande vitesse La caténaire idéale, permettant un captage parfait, doit être souple, sans points durs, et suffisamment tendue pour limiter le relèvement au passage du pantographe. 11 11 L Daniel NYSSENS,ingénieur industrielenélectricité (UT Charleroi), a commencé sacarrière decheminot comme ingénieur caténaire à la SNCZ(chemins defer zaïrois).Il a ensuite exercélesfonctions d'ingénieur d'étudesspécialisé en transports ferroviaires, à la sociétéTractebel,où il a participédepuis25 ansà de nombreux projets ferroviaires et de métro,notamment les métrosde Bruxelleset deManille(Philippines), la ligneKinshasa-Matadi, la ligneJijel-Ramdane-Djamel etc. Il est actuellement détachéauprèsde la société Tucrail(SNCB+Bureaux étudesprivés)qui assureles études etla réalisation duréseau TGVbelge. REE N'9 Oct,,b, 1998