Installations électriques du Tunnel sous la Manche

17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 055 − 1
Installations électriques du Tunnel
sous la Manche
par Gilles de KERSABIEC
Responsable du Service énergie électrique UK-France, Maintenance et travaux neufs,
à Eurotunnel
ormant une véritable usine souterraine, les équipements (ferroviaires et
auxiliaires) du Tunnel sous la Manche se doivent d’être alimentés électrique-
ment par un réseau fiable, redondant et doivent faire l’objet d’une maintenance
de haute qualité. Il en va de la sécurité des passagers, du personnel et des biens.
Cet article consacré à la distribution de l’énergie nécessaire à l’alimentation
des installations du Tunnel sous la Manche, aurait pu être rédigé dès 1802, mais
il aurait été plus court si le projet initial conçu par l’ingénieur des mines français
Albert Mathieu-Favier avait été réalisé. À la lecture de ce projet, on découvre que
l’énergie de traction était essentiellement développée par les chevaux tractant
les malles-poste à la lueur des torches à huile en guise d’éclairage, les centrales
de ventilation étaient réduites à des cheminées ouvertes placées à intervalles
réguliers au-dessus du niveau de la mer. Quelle économie d’énergie électrique
pour un trajet qui, en revanche, aurait duré 5 heures, contre 35 minutes
aujourd’hui !
1. Système de transport du tunnel sous la Manche ........................... D 5 055 - 2
1.1 Charges à alimenter .................................................................................... — 2
1.2 Impératifs d’exploitation. Critères fondamentaux.................................... — 3
2. Sources extérieures d’alimentation.................................................... — 4
2.1 Raccordement au réseau britannique........................................................ — 4
2.2 Raccordement au réseau français.............................................................. — 5
2.3 Valeurs utilisées par les réseaux nationaux .............................................. — 5
3. Critères d’exploitation. Conception en tunnel................................ — 5
3.1 Exploitation .................................................................................................. — 5
3.2 Critères de conception propres aux tunnels ferroviaires et de service... — 6
4. Descriptif.................................................................................................... — 6
4.1 Stations principales britannique et française............................................ — 6
4.2 Réseau de traction 25 kV............................................................................. — 8
4.3 Distribution 21 kV ........................................................................................ — 9
4.4 Tunnels ......................................................................................................... — 10
4.5 Éclairage en tunnels ferroviaires................................................................ — 12
4.6 Alimentation des terminaux ....................................................................... — 12
4.7 Éclairage des terminaux.............................................................................. — 13
4.8 Réseau de terre............................................................................................ — 13
5. Exploitation ............................................................................................... — 13
6. Maintenance et qualité........................................................................... — 14
7. Conclusion ................................................................................................. — 14
Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. D 5 055
F

17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES DU TUNNEL SOUS LA MANCHE __________________________________________________________________________________
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
D 5 055 − 2© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
Inauguré le 6 mai 1994, le Tunnel sous la Manche est devenu un choix naturel
pour les dizaines de millions de passagers qui l’ont déjà emprunté en traversant
la Manche, à 140 km/h au moins, et en toute sécurité. Pour exploiter ce système,
une véritable usine souterraine a été construite, alimentée par deux stations
électriques de puissance installée de 400 MVA chacune, près de 5 000 km de
câbles ont été posés, connectant entre elles environ 250 salles électriques.
Cet article se propose de donner les critères de conception des systèmes de
distribution de l’énergie électrique, une description des installations et l’organi-
sation de l’exploitation qui ont contribué à la réussite de ce grand projet. La
sécurité a été un souci constant pendant la phase des études. Celle-ci toujours
présente à l’esprit des opérateurs, est primordiale pour assurer l’alimentation
24 heures sur 24 des installations vitales pour la sécurité des passagers et celle
des équipements de l’ensemble du système.
Le lecteur consultera utilement les articles suivants :
— Traction électrique ferroviaire. Dynamique ferroviaire et sous-stations [D 5 051] ;
— Traction électrique ferroviaire. Convertisseurs et moteurs [D 5 052] ;
du même traité.
1. Système de transport
du Tunnel sous la Manche
Le système de transport du Tunnel sous la Manche se compose de
deux tunnels ferroviaires (nord et sud), d’une longueur de 50 km
dont 37 km sous la mer, et d’un tunnel de service. Celui-ci permet
d’accéder aux tunnels ferroviaires (pour les opérations de secours et
de maintenance), d’assurer le passage de l’air ventilé et l’évacuation
des passagers à l’abri des fumées. Les tunnels sont empruntés par
les trains nationaux : Eurostar et Fret, et les navettes Eurotunnel
transportant les poids lourds et les véhicules de tourisme (figure 1).
À l’interface, entre les réseaux routiers et ferrés nationaux, et les
tunnels, deux terminaux situés en France et au Royaume-Uni, assu-
rent les entrées et sorties des véhicules routiers, le chargement des
navettes, leur rotation et l’insertion des trains nationaux. Ils
accueillent également les installations de contrôle et d’entretien du
matériel roulant et des équipements fixes électromécaniques.
Le système de transport est composé de plusieurs sous systèmes
en interaction les uns par rapport aux autres. Il s’agit en particulier
(figure 2) :
— du matériel roulant (navettes poids lourds et navettes
tourisme) ;
— des voies ferrées ;
— des caténaires ;
— des auxiliaires nécessaires au fonctionnement de l’ensemble
du système de transport :
• drainage et pompage des eaux en tunnel et sur les terminaux,
• ventilation des tunnels et des salles auxiliaires,
• usine de refroidissement des tunnels ferroviaires,
• installation de détection et de lutte contre l’incendie,
• équipements de contrôle et communication,
• équipements de signalisation ferroviaires,
• systèmes d’éclairage des tunnels et terminaux.
La commande et le contrôle de l’ensemble du système sont assu-
rés par deux centres de contrôles (Standby railway control center –
SRCC et Railway control center – RCC) implantés l’un sur le site fran-
çais (F), l’autre sur le site britannique (UK). Ce dernier assure norma-
lement l’ensemble des opérations relatives à l’exploitation du
système, le centre de contrôle France (SRCC) est en réserve (« back
up ») prêt à prendre la relève à tout moment.
Le système d’alimentation électrique a été conçu pour alimenter
l’ensemble des installations décrites ci-avant. La puissance installée
est au total de 800 MVA (400 MVA par site, France ou UK).
1.1 Charges à alimenter
Celles-ci se répartissent principalement de la manière suivante :
— dans les tunnels :
• éclairage,
• signalisation ferroviaire (cross passages),
• contrôle et communication,
• manœuvre des portes d’accès aux tunnels ferroviaires,
• caténaire 25 000 V, 2 500 A,
• drainage et pompage des eaux,
• rameaux de pistonnement,
• portes des traversées-jonctions (cross over),
• ventilation des sous-stations électriques ;
— sur les rives françaises et britanniques (puits de Sangatte et
Shakespeare Cliff), des installations situées de part et d’autre
de la Manche sont destinées à assurer chacune :
• la ventilation normale des tunnels (puissance installée de
2 MVA pour chaque installation UK et F),
• la ventilation des tunnels ferroviaires pour permettre le con-
trôle des fumées en cas d’incendie (soit une puissance instal-
lée égale à 4 MVA par installation),
• le refroidissement des tunnels par un réseau de tuyauterie
véhiculant de l’eau glacée ce qui représente une puissance
installée de 2 x 12 MVA par usine,
• la distribution d’eau pour alimenter les réseaux incendie en
tunnel. Ceci représente quatre stations capables de débiter
chacune 120 m3/h ;
— sur les terminaux :
• éclairage, chauffage des bâtiments administratifs et ateliers de
maintenance,
• éclairage du réseau routier et voies ferrées, parking, réser-
voirs...,
• ateliers et zones de maintenance du matériel roulant,
• signalisation ferroviaire,
• contrôle et communication,

17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
_________________________________________________________________________________ INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES DU TUNNEL SOUS LA MANCHE
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 055 − 3
• traversées-jonction,
• caténaires,
• stations de pompage de relevage des eaux,
• systèmes de contrôle d’accès,
• péages,
• bâtiments de contrôles frontaliers,
• bâtiments d’accueil des clients.
1.2 Impératifs d’exploitation. Critères
fondamentaux
Le système électrique a été conçu de manière à assurer la sécurité
inconditionnelle des passagers, du personnel et des équipements
vitaux pour le fonctionnement du système de transport. Ce système
est régi par trois critères de conception fondamentaux :
— la sécurité des sources d’alimentation extérieures ;
— la redondance des circuits d’alimentation ;
— la protection du personnel.
1.2.1 Sécurité des sources d’alimentation
extérieures
L’alimentation du système est réalisée à partir des réseaux natio-
naux (non-synchrones) français et britannique. Chaque réseau, en
cas de disparition de l’un est capable d’alimenter les charges vitales
de l’ensemble du système. En cas, très improbable, de disparition
simultanée des deux réseaux, des groupes électrogènes (correspon-
dant à une puissance installée de 6 MVA) situés de part et d’autre de
la Manche, permettent d’assurer l’évacuation des passagers en
garantissant l’alimentation des systèmes d’éclairage, de ventilation,
de pompage minima et de lutte contre l’incendie.
1.2.2 Redondance des circuits d’alimentation
La redondance des circuits d’alimentation permet des reconfigu-
rations rapides (télécommandées ou automatiques) en cas de per-
tes accidentelles d’éléments du réseau, ou de consignation pour des
opérations d’entretien.
Figure 1 – Configuration du Tunnel sous la Manche
10 1817161514131211 423029282726252423222120
19 4140393837363534333231 545352515049484746454443 59 6058575655
Terminal UK
Tunnel 2 (RTN)
Tunnel 1 (RTS)
Tunnel 2 (RTN)
Tunnel 1 (RTS)
Portail UK
(Castlehill)
Portail France
Holywell Sangatte
Intervalle 2 Intervalle 4 Intervalle 6
Intervalle 1 Intervalle 3 Intervalle 5
Station
de pompage
PS 2496N
PS 2497S
Station
de pompage
PS 3522N
PS 3523S
Station
de pompage
PS 4850N
PS 4849S
Frontière
anglaise Frontière française
Frontières internationales
Terminal
France
B
D
E
A
C
D
D
K
F
C
D
B
A
D
E
K
F
D
B
D
E
A
C
D
D
K
F
C
D
B
A
D
E
K
F
D
Eurotunnel
Tunnel ferroviaire (N) Tunnel ferroviaire (S)
EuroStar
Rameau
de pistonnement
Salle électrique Rameau
de communication
Tunnel de service
STTS (Service Tunnel Transport System)
Tunnel de service pour les services d'urgence et la maintenance
a
b coupe
plan du tunnel
Shakespeare
cliff
Adit A2
 4 800 mm
 7 600 mm
Tunnel 2 (RTD)
Tunnel 1 (RTS)

17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES DU TUNNEL SOUS LA MANCHE __________________________________________________________________________________
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
D 5 055 − 4© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
1.2.3 Protection du personnel
La conception des ouvrages en tunnel a pris en compte les ten-
sions de « pas » et de « contact » à ne pas dépasser en milieu
humide (cf. article Installations électriques. Caractéristiques géné-
rales des installations [D 5 030] dans ce traité).
Conforme à la courbe (figure 3) basée sur les recommandations de la
norme CEI MR2 60479-1 de 1994 et relative aux conditions des locaux
humides, cette tension est de 25 V pour des durées supérieures à 5 s.
Ceci se traduit par un réseau de terre équipotentiel extrêmement
important en maillage et interconnexions au niveau de l’ensemble
de l’installation et en particulier des tunnels ferroviaires.
2. Sources extérieures
d’alimentation
Le système a été conçu pour alimenter les charges prévues à
l’ouverture du système de transport et pour faire face aux charges
supplémentaires engendrées par l’augmentation du trafic ferro-
viaire (figure 4).
Vu le niveau élevé des puissances affectées et les déséquilibres
engendrés par le système de traction, il a été nécessaire d’obtenir
des niveaux de tension de raccordement très élevés. Ceci permet de
bénéficier de puissances de court circuit importantes de façon à
assurer un comportement satisfaisant du système, en évitant
notamment l’apparition de perturbations inacceptables tant en
interne que vis-à-vis des réseaux extérieurs.
2.1 Raccordement au réseau britannique
Le raccordement au réseau britannique (cf. figure 5) est effectué
au niveau 400 kV au poste blindé SF6 de Sellindge (réseau See-
board) par l’intermédiaire de deux autotransformateurs 400 kV/
132 kV de puissance unitaire 240 MVA.
Deux liaisons 132 kV par câbles souterrains (en cuivre à huile
fluide, d’une section de 1 000 mm2) de capacité unitaire nominale
240 MVA permettent d’alimenter la station principale Eurotunnel
(MISS UK) situées à 14 km du poste de Sellindge.
Figure 2 – Système de la liaison fixe
Contrôle et télécommunications
Sous-système (en interaction)
Navettes
(Shuttles)
Terminaux Tunnels Voies
ferrées Caténaires
Objectif : faire transiter :
n véhicules de x catégories
N passagers dans un temps t
Dans des trains nationaux avec :
- sécurité
- sûreté
- confort
Signal
de commande
Consignes
d'exploitation Centre
de
contrôle
Mesures
Contraintes dues à l'environnement :
-géologie ;
- eau ;
-aérodynamisme ;
- température ;
- espace limité ;
- risques : incendie, sûreté ;
confinement, collisions.
Auxiliaires
Drainage - pompage
Ventilation
Refroidissement
Prévention - Détection - Supression incendie
Électricité
Figure 3 – Tension de contact en fonction du temps, maximum admis
pour des périodes courtes
10 2 4 6 8 100 2 4 6 8 1 000
10 000
8 000
6 000
4 000
2 000
1 000
800
600
400
200
100
80
60
40
20
10
Tension de contact (V)
Temps (ms)
Zones mouillZones mouillées Zones sèches
Zones mouillées Zones sèches
Établi à partir de la norme CEI/MR2 60479-1 avec des valeurs
d'impédance du corps humain (ohm) non dépassées pour 5 %
de la population

17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
17/09/2008
Madame, Monsieur
Dossier délivré pour
_________________________________________________________________________________ INSTALLATIONS ÉLECTRIQUES DU TUNNEL SOUS LA MANCHE
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.
© Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 055 − 5
Les deux autotransformateurs 400 kV/132 kV sont équipés de
régleurs en charge permettant une plage de réglage de + 15 % à
− 15 %.
La puissance de court circuit minimale au niveau 400 kV du point
de couplage est de 6 000 MVA.
Chaque liaison 132 kV étant capable d’assurer la totalité des puis-
sances affectées soit 240 MVA, l’alimentation du système est donc
assurée en totalité en cas de défaillance de l’un des équipements
suivants :
—liaison câbles 132 kV ;
—autotransformateur 400 kV/132 kV ;
—un jeu de barres 400 kV au niveau de Sellindge.
Un système de contrôle local ou à distance permet aux opérateurs
du centre de contrôle (RCC) Eurotunnel et de Seeboard au centre de
East Grinstead d’effectuer les manœuvres nécessaires de façon
coordonnée.
2.2 Raccordement au réseau français
Celui-ci est effectué aussi au niveau 400 kV au poste des Manda-
rins EDF situé à quelques kilomètres de la station principale Euro-
tunnel (MISS France).
Nota : MISS : Main intake substation
Deux autotransformateurs 400 kV/225 kV de puissance unitaire
300 MVA permettent d’alimenter, par l’intermédiaire de trois jeux de
barres de 225 kV, la station principale Eurotunnel à l’aide de trois
câbles souterrains de 225 kV (en aluminium, de section 630 mm2 et
avec une isolation XLPE (cross link polyethylene), isolant situé entre
l’âme du câble et l’écran permettant d’augmenter la température
admissible de l’âme) de capacité unitaire de 210 MVA. Un câble est
affecté à l’alimentation de la traction, le second aux auxiliaires et le
troisième reste en secours disponible pour alimenter les réseaux de
traction ou d’auxiliaires.
Une alimentation supplémentaire de 225 kV provenant du poste
EDF d’Echinghen/les Attaques est raccordée au jeu de barres des
Mandarins, elle permet d’assurer une alimentation normale des
auxiliaires Eurotunnel en cas de perte d’un autotransformateur.
Le taux de déséquilibre de tension inverse imposé par EDF au
point de couplage commun 400 kV sur base d’une puissance de
court circuit minimum de 11,7 GVA est de 1 % soit une charge
déséquilibrée admissible monophasée de 117 MVA (2 × 117 MVA
pour une alimentation en V entre phases). Ceci a permis d’éviter
l’installation d’un équipement équilibreur de phases.
On notera sur le schéma de principe que, en configuration nor-
male, le point de couplage des charges de traction et des auxiliaires
est situé au niveau 400 kV. Il en est de même pour toute configura-
tion N − 1 (à un défaut).
2.3 Valeurs utilisées par les réseaux
nationaux
2.3.1 Tensions harmoniques maximales au point
de couplage
Les tensions harmoniques (cf. article Présentation générale de la
compatibilité électromagnétique [D 1 300] § 2.4.9) maximales auto-
risées au point de couplage commun sont :
—côté France : 400 kV, puissance de court-circuit de
11 700 MVA :
•harmoniques de rang impairs : taux de distorsion inférieur ou
égal à 1 %,
•harmoniques de rang pairs : taux de distorsion inférieur ou
égal à 0,6 %,
•niveau global de distorsion : taux de distorsion inférieur ou
égal à 1,6 % ;
—côté Grande Bretagne (UK) : 400 kV, puissance de court-circuit
de 6 000 MVA.
(0)
2.3.2 Déséquilibres inverses maxima tolérés
Les déséquilibres inverses maxima tolérés pour ces installations
sont :
—côté France : au point de couplage commun de 400 kV sur base
d’une puissance de court circuit de 11 700 MVA : 1 % continu
maximum ;
—côté Grande-Bretagne (UK) : au point de couplage commun de
400 kV sur la base d’une puissance de court-circuit de 6 000 MVA :
0,5 % continu maximum.
On notera que malgré les différences des valeurs utilisées sur cha-
que réseau, le projet a pu être mené à bien sur le plan électrique.
3. Critères d’exploitation.
Conception en tunnel
3.1 Exploitation
Les méthodes d’exploitation du réseau électrique ont été conçues
pour assurer en priorité la sécurité des passagers et en cas d’inci-
dent, leur évacuation en moins de 90 minutes. Nous avons vu au
paragraphe 1.2 quels étaient les principes fondamentaux qui ont
régi la conception des installations.
■Il existe trois modes d’exploitation :
—mode normal ;
—mode dégradé planifié, par suite d’une coupure planifiée due à
la maintenance ;
—mode dégradé non planifié suite à un défaut ou une interrup-
tion accidentelle des circuits électriques.
■Les charges à alimenter ont été réparties en trois catégories :
—les charges sans coupure. Il s’agit des équipements suivants
pour lesquels toute coupure de l’alimentation électrique est
inacceptable :
•contrôle et commande du réseau électrique,
•alimentation du circuit de contrôle et communication,
•éclairage permanent.
Un réseau de chargeurs batteries en tunnel et sur les terminaux
permet de maintenir l’alimentation de ces installations en cas de
disparition de la tension normale pendant une durée de trois
heures ;
—les charges dites prioritaires. Il s’agit des équipements sui-
vants capables d’accepter d’éventuelles coupures de l’alimentation
d’une durée très limitée :
•stations de pompage,
•stations de lutte contre l’incendie,
•ventilation normale et supplémentaire des tunnels,
•éclairage normal en tunnel.
Rang 2 3 4 5 7 8 9 11 13 17 19 23 25
Taux de
distorsion
maximal 0,3 0,15 0,15 0,3 0,14 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,2 0,2