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

LIVRE BLANC
Un pas de plus sur la voie de l’évolution
technologique de l’électrification ferroviaire
SWINDON, RU | DÉCEMBRE 2011
Introduction
L’efficience 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
efficiente. L’électrification des trains de passagers aidera
l’industrie du transport à atteindre un nouveau degré d’efficience
en offrant 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 portefeuille 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 offre 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 offrant 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.
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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 :
est considéré comme une technologie éprouvée depuis des
• Procéder à l’exploitation de routine dans les sections neutres.
temps pour éviter la contamination, ainsi que la condensation,
• Couper l’alimentation électrique en cas d’urgence (en cas de
qui pourrait bloquer les valves, p. ex. en cas de gel. Malgré les
défaillance de l’alimentation).
• Assurer que l’alimentation électrique principale du train est
isolée et mise à la terre pendant l’entretien grâce au sectionneur de mise à la terre intégré, fonction essentielle pour protéger des vies.
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
filtres à particules et les déshydrateurs, il demeure difficile
d’exploiter un système pneumatique propre. La complexité du
système et le nombre de défaillances possibles exigent des
efforts 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).
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
Test comparatif de performance entre le VESA VCB à
contrôle électromagnétique de TE et un disjoncteur
traditionnel à activation pneumatique
25
20
Voltage (kV)
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.
5
0
-0,5
0
Temps (ms)
1
1,5
2
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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.
Le VESA VCB à commande électromagnétique est conforme
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.
Des conceptions personnalisées pour des applications
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 efficace
Tension nominale de tenue aux
impulsions (Uimp)
170 kV
Courant de service nominal
1000 A efficace
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
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
particulières sont également disponibles sur demande.
Principe de fonctionnement VESA VCB
Interrupteur à vide
Tige d’actionnement
Actionneur
Modèle du VESA VCB
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.
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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
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.
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
offerts sur le marché.
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.
RÉTROCOMPATIBILITÉ
Le VESA VCB peut être installé pendant les remises à neuf, les
réaménagements ou les principaux cycles d’entretien. Le
Fréquence
d’entretien
Disjoncteur
pneumatique*
Disjoncteur sous
vide à commande électromagnétique
Hebdomadaire
0,5 heure
0 heure
Nettoyage de la
céramique
Nature de
l’entretien
produit est offert 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 effort minime, sur les trains
Annuel
10 heures
2 heures
Nettoyage
des filtres
pneumatiques,
des pièges à
humidité, etc.
Tous les 4 ans
24 heures
10 heures
Travaux périphériques et
entretien de
l’unité
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
Tableau 2 : Exemples de données sur l’entretien
*Y compris l’entretien du système pneumatique
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.
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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.
NOTES D’INGÉNIERIE :
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 offre une grande résistance aux impacts, même
dans les environnements les plus hostiles, tout en étant léger.
Simultanément, ce matériau présente un effet 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 offrant une solution
des plus robustes.
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 offre une excellente performance,
même dans les conditions les plus difficiles.
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CONCEPTION ANTIDÉFLAGRANTE : TLa conception du VESA
VCB élimine le risque d’arcs électriques sur la tige d’actionnement
interne dans les isolateurs creux en utilisant une approche de
tige d’actionnement externe.
Les arcs électriques internes dans les isolateurs creux en
porcelaine surviennent lorsque :
• la surface de la tige d’actionnement interne est contaminée par
de la saleté au fil du temps;
• des dépôts ou de l’humidité provoquent un embrasement éclair
dû à la pollution, engendrant un arc électrique interne;
• la pression monte dans l’espace confiné et finit par provoquer
une défaillance explosive du revêtement en porcelaine, entraînant
une dispersion de fragments de porcelaine sur une vaste superficie.
Dans le produit conçu par TE, les pièces conductrices sont
isolées du reste de la machine dans les isolateurs à base de
polymère de TE. L’actionnement provient de la commande à
la base de l’assemblage de l’ampoule à vide, au moyen d’une
tige d’actionnement externe. Cette solide tige d’actionnement
externe est recouverte de polymère autonettoyant résistant
aux embrasements éclair dus à la pollution. Même si elle est
utilisée dans des conditions extrêmes, la tige d’actionnement
externe reste visible, et peut donc être inspectée pour
s’assurer qu’elle ne présente pas d’accumulation de pollution.
Cette conception a fait l’objet d’une utilisation opérationnelle
intensive sans qu’aucun embrasement éclair ne soit enregistré;
et même si un arc électrique se produisait, il n’y a aucun
risque d’explosion puisque la tige d’actionnement se trouve
à l’extérieur.
Conceptions de tiges d’actionnement internes
Entrée de
l’alimentation
électrique
Entrée de
l’alimentation
électrique
Sortie de
l’alimentation
électrique
Sortie de
l’alimentation
électrique
Tige d’actionnement interne
Tige d’actionnement interne
• La tige d’alimentation n’est pas visible.
• La tige d’alimentation n’est pas autonettoyante.
• La tige d’alimentation ne peut pas être inspectée facilement.
• Risque d’explosion en cas d’arc électrique (isolateur creux).
• Risques de fragments et de débris projetés.
Conceptions de tige d’actionnement externe
• La tige d’alimentation est visible (et facile à inspecter).
• La tige d’alimentation est autonettoyante grâce au polymère
particulier.
• Le risque d’arc électrique est extrêmement faible.
Test en laboratoire : Démonstration des débris volants d’une explosion à la suite
d’un arc électrique interne dans un isolateur creux.
• Le risque d’explosion est nul si un arc électrique se produit.
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4. Évolution technologique future
Idéalement, le disjoncteur passerait à l’autre cycle de courant
(p. ex. au courant nul) à des moments précis pour minimiser
les perturbations électriques associées à la commutation,
reconnues pour raccourcir la durée de vie de l’équipement
électrique. Ce qu’on appelle la commutation « sur point d’onde »
n’est pas possible avec les disjoncteurs existants. Dans le cas
de l’activation pneumatique, la réaction requise du système
pour une commutation sur point d’onde est irréalisable, car le
temps de réaction est tout simplement trop long, et les contacteurs
sont soumis à des rebonds considérables. Lorsqu’on passe aux
VCB à commande électromagnétique, la commutation à un
moment précis devient une option plus réaliste, et, en principe,
l’activation électrique constitue une technologie habilitante
pour la commutation sur point d’onde. Dans cette perspective,
le VESA VCB à commande électromagnétique est un pas vers
un avenir technologique plus intelligent.
Le VESA VCB offre aussi une foule d’options d’enregistrement de
données et de communications, y compris des caractéristiques
à sécurité intégrée, la communication avec le système de contrôle
et de surveillance du train et diverses options sans fil destinées
à adapter le VCB de TE aux besoins du client.
Pour obtenir de plus amples renseignements sur les
disjoncteurs sous vide VESA de TE
Adresse électronique : [email protected]
Numéro de téléphone : + 44-1793-572154
Sommaire
Après cinq années de développement et d’évolution de la
conception basée sur les données de terrain, le VESA VCB
constitue une solution éprouvée de TE. Les quelque 800
unités déployées et exploitées confirment que le processus
d’amélioration continue a mené cette nouvelle et avantageuse
technologie ferroviaire à sa pleine maturité.
Le VESA VCB fonctionne de façon satisfaisante dans différents
climats, allant des températures froides de l’Europe au climat
chaud et sec de l’Afrique du Sud, en passant par les régions
pluvieuses et humides de la Chine. Dans tous ces climats,
partout dans le monde, la performance du VCB est reconnue
pour les trains à grande vitesse et à vitesse moyenne (métros,
trains de banlieue et trains de marchandises).
Le VESA VCB à commande électromagnétique de TE est plus
léger et facile à installer; il offre une sécurité accrue, et son
exploitation demande moins d’énergie. Dotant le marché
d’une solution à moindre coût total d’installation, qui permet le
retrait des lourds systèmes pneumatiques, la solution novatrice
de TE constitue un produit remarquable et fiable, tant pour les
projets de nouvelles conceptions que pour les programmes de
remise à neuf.
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CENTRES D‘INFORMATION SUR LES PRODUITS TE
Si vous avez besoin d’aide ou pour toute question, n’hésitez pas à communiquer avec
nous. À votre choix, vous pouvez nous appeler, nous envoyer un courrier électronique
ou converser avec nous en ligne. Des experts techniques spécialisés de partout dans le
monde sont là pour vous servir en français et dans douze autres langues. Notre objectif
est de vous fournir l’aide dont vous avez besoin : nous répondons à neuf questions sur
dix immédiatement ou dans un délai de 24 heures.
Centre d’assistance technique TE
Internet :
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Autriche : +43-1-9056-0
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