Un pas de plus sur la voie de l`évolution technologique de l

te.com/products/VESA-breaker
LIVRE BLANC
Introduction
L’ecience est le moteur de l’avenir pour le transport public. La
croissance continue des centres urbains augmente les temps
de déplacement et la durée des trajets, ce qui engendre un
besoin accru de solutions ferroviaires de conception plus
eciente. L’électrification des trains de passagers aidera
l’industrie du transport à atteindre un nouveau degré d’ecience
en orant un transport plus léger, qui consomme moins d’énergie.
Les trains électriques gagnent en importance au sein des
infrastructures nationales de réseaux de transport. Les pays
émergents vont investir dans de nouvelles infrastructures
ferroviaires optimisées. Les pays industrialisés chercheront
sans doute des solutions en vue de mettre à niveau ou de
remettre à neuf leurs réseaux ferroviaires existants. Sur le
plan de l’ingénierie, les nouvelles technologies de disjonction
électriques joueront un rôle crucial dans l’électrification
ferroviaire.
TE Connectivity (TE) participe à l’établissement d’un porte-
feuille de technologies ferroviaires modernes grâce à son
disjoncteur sous vide (VCB) VESA, un produit novateur destiné
aux véhicules à 25 kV et 15 kV. Le VESA VCB est un disjoncteur
principal situé sur le toit du train, près des pantographes.
Contrairement aux technologies de disjoncteur existantes,
généralement fondées sur une commande pneumatique, la
solution de TE est un système à commande électromagnétique.
Puisque l’air comprimé n’est plus requis pour activer le
disjoncteur, la complexité de l’infrastructure du train s’en trouve
réduite, grâce à un équipement plus léger et à des gains
d’espace. L’activation électromagnétique ore des avantages
de performance, dont une disponibilité immédiate, un temps
de réponse court, une réduction des rebonds de contact et
un fonctionnement écoénergétique. Sur le toit, le profil mince
du produit VESA réduit la traînée aérodynamique, ce qui
contribue à réduire la consommation d’énergie et, en conséquence,
l’empreinte carbone, sur toute la durée de vie du train.
TE, le chef de file de l’évolution technologique des disjoncteurs
sous vide, est actuellement l’unique fournisseur orant une
importante quantité de VCB à commande électromagnétique
dans le secteur ferroviaire. Le premier disjoncteur a été installé
il y a plus de cinq ans, et aujourd’hui, plus de 800 disjoncteurs
sont en exploitation sur quatre continents.
En remplaçant la commande pneumatique par une commande
électromagnétique, le fabricant du train dispose d’une solution
à moindre coût, car ce produit réduit ou élimine le besoin de
systèmes pneumatiques. Pour l’exploitant du train, le VESA
VCB à commande électromagnétique est plus économique à
exploiter, puisqu’il réduit les besoins d’entretien et minimise
la consommation d’énergie du train. La réduction ou le retrait
des systèmes pneumatiques du train contribue à accroitre
la profitabilité de l’exploitation du train en augmentant le
nombre de places disponibles, procurant ainsi un avantage
économique supplémentaire à l’exploitant.
Un pas de plus sur la voie de l’évolution
technologique de l’électrification ferroviaire
SWINDON, RU | DÉCEMBRE 2011

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1. Principe de fonctionnement du disjoncteur électrique
Les disjoncteurs électriques sont essentiels pour assurer la
sécurité et une exploitation sans heurts respectant les horaires.
Le pantographe sert à capter le courant par frottement sur la
caténaire. Le disjoncteur électrique est généralement situé sur
le toit du train, au sein de la ligne d’alimentation électrique, entre
le pantographe et le transformateur principal de traction. Sa
fonction est d’interrompre l’entrée du courant vers le train en
cas de besoin. Essentiellement, le disjoncteur agit comme un
interrupteur de sécurité du circuit principal afin d’accomplir
les fonctions suivantes :
•Procéder à l’exploitation de routine dans les sections neutres.
• Couper l’alimentation électrique en cas d’urgence (en cas de
défaillance de l’alimentation).
• Assurer que l’alimentation électrique principale du train est
isolée et mise à la terre pendant l’entretien grâce au section-
neur de mise à la terre intégré, fonction essentielle pour proté-
ger des vies.
L’importance de la technologie du disjoncteur
électrique
Traditionnellement, les disjoncteurs sont actionnés par de l’air
comprimé, fourni par un système de compresseur et de réservoir.
L’infrastructure pneumatique du disjoncteur est indépendante du
système pneumatique principal, qui alimente les freins du train.
L’ajout d’un système pneumatique additionnel pour les disjoncteurs
est considéré comme une technologie éprouvée depuis des
années, mais les systèmes pneumatiques tendent à être considérés
d’un œil plus critique aujourd’hui, en raison de l’encombrement
et du poids, d’une relative complexité, de problèmes de fiabilité
et des besoins d’entretien connexes.
Un système pneumatique se compose d’un compresseur
électrique, de conduites transportant l’air comprimé à l’actionneur,
de valves contrôlant le débit et la pression d’air et de l’actionneur
lui-même. L’air doit être sec et exempt de particules en tout
temps pour éviter la contamination, ainsi que la condensation,
qui pourrait bloquer les valves, p. ex. en cas de gel. Malgré les
filtres à particules et les déshydrateurs, il demeure dicile
d’exploiter un système pneumatique propre. La complexité du
système et le nombre de défaillances possibles exigent des
eorts d’entretien considérables et augmentent la possibilité
de tâches non planifiées.
L’activation pneumatique ne constitue pas un système à
démarrage rapide. Au démarrage du train, un temps d’attente
est requis pour atteindre la pression d’air requise afin d’exploiter
le système. De plus, si une défaillance se produit sur une voie,
un système pneumatique est long à recharger tandis qu’un
système électrique est prêt instantanément. Cet avantage
est particulièrement important en environnement à basse
température, où les systèmes d’air comprimé peuvent prendre
plus longtemps pour atteindre de nouveau la pression requise.
En outre, les systèmes pneumatiques sont moins économes en
énergie, et ce à cause du principe de la thermodynamique.
L’air doit être comprimé et l’énergie se disperse sous forme de
perte de chaleur. L’activation du disjoncteur par électricité en
une seule étape élimine la phase de compression de l’air (et les
pertes d’énergie qu’elle entraîne).
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L’application ci-dessus illustre une partie d’un train à grande vitesse moderne.
Deux disjoncteurs électriques sont installés sur le toit du train, au centre, entre
deux pantographes dont les câbles électriques courent vers les disjoncteurs. Tant
que les contacts des disjoncteurs sont en position fermée, l’énergie électrique
alimente le train.
Test comparatif de performance entre le VESA VCB à
contrôle électromagnétique de TE et un disjoncteur
traditionnel à activation pneumatique
-0,5 0
0
5
20
25
Voltage (kV)
1 1,5
Temps (ms)

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2. Principe de fonctionnement du disjoncteur sous
vide VESA à commande électromagnétique
Le nouveau VESA VCB à commande électromagnétique de
TE utilise le bloc d’alimentation basse tension du train et le
stockage d’énergie intégré pour changer l’état de l’actionneur
magnétique. Pour ouvrir ou fermer le disjoncteur, un signal
de commande est appliqué au circuit de contrôle de basse
tension du VCB, qui fournit ensuite la puissance à l’actionneur
électromagnétique. Lorsque l’actionneur change d’état, il
déplace les contacts dans l’interrupteur à vide (aussi appelé
ampoule à vide) au moyen d’une tige d’actionnement
externe.
Après que l’actionneur ait changé d’état, des aimants
permanents fournissent la force nécessaire pour tenir
ensemble les contacts internes de l’interrupteur à vide contre
la précharge constante d’un ressort sur l’activateur. Le
mouvement d’ouverture pour passer à la position « ouverte »
est aidé par la force de ce ressort d’ouverture. L’unité
s’interface avec le système électronique de contrôle du
train, et la logique de contrôle peut être adaptée à des
applications individuelles.
Interrupteur à vide
Tige d’actionnement
Actionneur
Principe de fonctionnement VESA VCB
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Tableau 1 : Données et valeurs principales du VESA VCB à commande
électromagnétique. Le tableau ci-dessus indique les valeurs nominales types pour
le disjoncteur sous vide VESA de 25 kV. Les valeurs nominales pour le disjoncteur
sous vide VESA de 15 kV sont disponibles sur demande.
Caractéristique Valeur
Tension d’alimentation nominale
(Un)25 kV
Tension de fonctionnement
nominale (Ue)30 kV
Fréquence de fonctionnement
nominale (f) 50 Hz
Tenue diélectrique nominale (U50) 75 kV ecace
Tension nominale de tenue aux
impulsions (Uimp)170 kV
Courant de service nominal 1000 A ecace
Pouvoir de fermeture/coupure
nominal 50 / 20 kA
Courant de courte durée admissible 25kA / 1s
Temps de fermeture 42 ms (standard)
Temps de séparation des contacts 18 ms (standard)
Alimentation du circuit basse
tension
24, 48, 72, 110
-30/+25 % V c.c.
Plage de température de
fonctionnement -50 à +70 °C
Hauteur
• Au-dessus de la ligne de
toiture : 490 mm
• Sous la ligne de toiture :
140 mm
Dimensions de la plaque de base 940 x 430 mm
Poids - avec sectionneur de terre
- sans sectionneur de terre
105 kg
95 kg
Modèle du VESA VCB
Le VESA VCB à commande électromagnétique est conforme
aux principales spécifications de l’industrie ferroviaire, dont les
normes suivantes :
•IEC 60077-4
•EN 50121-3-2
•EN 61373
•EN 60529
•EN 62217 Ed 2/CDV
•EN 50124-1
Des conceptions personnalisées pour des applications
particulières sont également disponibles sur demande.

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3. Avantages du système
FIABILITÉ
Ce qui a d’abord motivé la création d’une solution de rechange
aux disjoncteurs à commande pneumatique était la réalisation
d’un système plus fiable, requérant moins d’entretien.
GAINS D’ESPACE
Les conduites, les valves, les déshydrateurs et les filtres de
l’alimentation en air comprimé ainsi que le besoin de services
secondaires pour suppléer à l’alimentation principale en air en
cas de défaillance, tous ces éléments peuvent être éliminés
en passant à une solution électrique. Il est possible d’utiliser
l’alimentation en air d’un VCB de plus petite taille avec un
compresseur pour l’activation du pantographe. Désormais,
la tuyauterie pneumatique n’est plus nécessaire. De plus, en
remplaçant l’activation pneumatique du pantographe par une
activation électrique, vous obtenez une alimentation en air
auxiliaire redondante.
RÉDUCTION DE POIDS
Le VESA VCB à commande électromagnétique de TE figure
parmi les plus légers de sa catégorie. Son poids correspond à
moins de la moitié de celui de certains produits pneumatiques
oerts sur le marché.
RÉTROCOMPATIBILITÉ
Le VESA VCB peut être installé pendant les remises à neuf, les
réaménagements ou les principaux cycles d’entretien. Le
produit est oert en modèle compact conforme aux normes
industrielles et rétro-compatibles avec la plupart des systèmes
de ligne de toit de train utilisés couramment. Ainsi, le VESA VCB
peut être installé, moyennant un eort minime, sur les trains
conçus au départ pour les systèmes pneumatiques. Il peut être
connecté directement au système de contrôle électronique
pour en réduire la complexité, en plus d’aider à accroître la
portée et la précision du sous-système de contrôle.
PERSONNALISATION
Pour faciliter la création de solutions adaptées au client, le VESA
VCB à commande électromagnétique peut être personnalisé
de plusieurs façons. Parmi les options, on retrouve des barres
de mise à la terre, un choix de tension de service (15-25 kV),
l’intégration de relais de contrôle et d’interrupteurs de retour
supplémentaires pour convenir à l’interface électrique du
client. La logique de contrôle peut aussi être personnalisée
pour assurer la compatibilité avec le système de contrôle
propre au train.
ÉCONOMIES D’ÉNERGIE
La faible consommation d’électricité du VESA VCB contribue
à réduire la quantité d’électricité demandée au système basse
tension du train, alors que les économies d’énergie liées à la
traction découlent de la réduction considérable du poids
global combiné à une traînée aérodynamique moindre.
•La réduction du poids global du train comparativement à un train
avec disjoncteurs pneumatiques peut atteindre 100 kilogrammes
par disjoncteur, auxquels on ajoutera les économies de poids
entraînées par la réduction de l’équipement pneumatique à bord
du train.
•La réduction de la surface transversale par un facteur de 4, engen-
drant une réduction spectaculaire de la traînée aérodynamique,
peut engendrer jusqu’à 5000 euros d’économies par année par
unité VCB.
•La consommation d’électricité du VESA VCB de TE est inféri-
eure à 10 watts, même dans le cas d’une fréquence d’utilisation
élevée.
POTENTIEL D’ÉCONOMIE DE COÛTS
L’exploitation démontre une réduction du temps d’entretien.
Grâce aux isolateurs autonettoyants et à une dépendance
moindre aux systèmes pneumatiques du train, le temps
d’entretien requis pour maintenir le produit en état de
fonctionnement optimal est considérablement inférieur. Le
tableau ci-dessous illustre, pour une période de quatre ans,
selon les calculs de TE, que les gains de temps potentiels
estimatifs correspondent à 120 heures par unité installée.
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Tableau 2 : Exemples de données sur l’entretien
*Y compris l’entretien du système pneumatique
Fréquence
d’entretien
Disjoncteur
pneumatique*
Disjoncteur sous
vide à comman-
de électromag-
nétique
Nature de
l’entretien
Hebdomadaire 0,5 heure 0 heure Nettoyage de la
céramique
Annuel 10 heures 2 heures
Nettoyage
des filtres
pneumatiques,
des pièges à
humidité, etc.
Tous les 4 ans 24 heures 10 heures
Travaux péri-
phériques et
entretien de
l’unité

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MATÉRIAU ISOLANT
Les lignes électriques doivent être isolées du corps de la
machine et de la structure du train. Divers matériaux sont
disponibles pour envelopper les isolateurs, habituellement
de la porcelaine et du caoutchouc silicone. Chaque matériau
présente des désavantages connus. Le silicone est facilement
déformée par les flux d’air à grande vitesse et susceptible
de subir une décomposition électrochimique dans certains
environnements. La porcelaine, bien que solide, est lourde
et sujette aux dommages par impact, en plus d’exiger un
nettoyage et un entretien réguliers.
Pour l’isolation du VESA VCB à commande électromagnétique,
TE utilise une technologie en polymère novatrice qui améliore
la fiabilité du produit. Les isolateurs de TE sont constitués d’un
polymère très robuste, qui supporte les flux d’air à grande
vitesse et ore une grande résistance aux impacts, même
dans les environnements les plus hostiles, tout en étant léger.
Simultanément, ce matériau présente un eet autonettoyant
unique. Depuis 30 ans, le matériau EVA à haut rendement est
utilisé partout dans le monde dans les systèmes à moyenne
et haute tension, dans tous types d’environnement. C’est un
autre facteur grâce auquel TE a réduit le poids général et les
coûts d’entretien du VESA VCB, tout en orant une solution
des plus robustes.
NOTES D’INGÉNIERIE :
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Les géométries de protection contre les intempéries illustrées ci-dessus peuvent
être fabriquées de façon rentable grâce au modelage direct du polymère. Cette
combinaison de matériaux et de technologie de fabrication permet de former les
plus longues lignes de fuite de l’industrie et ore une excellente performance,
même dans les conditions les plus diciles.