DOSSIER alimentation des lignes à grande vitesse en Belgique par

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