Les Installations Fixes Électriques

Les engins moteurs électriques contrairement à la traction à vapeur ou thermique ne sont pas autonome.
Là où la traction vapeur ou thermique embarquent leurs combustibles et se trouvent de ce fait autonome, la traction électrique a besoin d’une source d’alimentation électrique extérieure pour pouvoir fonctionner.

Au début de l’ère électrique deux tendances apparaissent :
• Le courant continu basse tension (750 à 3000v),
• Le courant monophasé haute tension (15000 v) à fréquence basse (16⅔ ou 25hz).

Le système à courant continu

Le système à courant continu avait l’avantage de permettre d’utiliser le moteur de traction type série continu, mais nécessitait l’alimentation et le transport d’un courant directement assimilable par le moteur de traction.

Les tensions d’alimentation devaient être égales ou multiples avec la tension de fonctionnement des moteurs de traction. Le changement de couplage permet ensuite d'adapter la tension aux bornes des moteurs.

Voir couplage des moteurs de traction

Du fait de la « faible tension d’alimentation » et de la nécessité d’alimenter les moteurs par de fortes intensités (1000 à 1400A) il était nécessaire de :
• Utiliser une caténaire de forte section pour véhiculer de fortes intensités,
• D'avoir recours à de nombreux points d’injection de courant dans la caténaire, «sous-station» afin de limiter les chutes de tension en ligne à une valeur acceptable.

Le système à courant monophasé

A l’origine il était envisagé d’utiliser le moteur monophasé série à collecteur à la fréquence de 50 Hz.
Mais on ne parvient pas à maîtriser les difficultés de commutation du moteur croissant avec l'augmentation de la fréquence.
De ce fait on essaye d’utiliser une fréquence la plus basse possible (16⅔), pour permettre l’emploi de moteurs directs (moteur monophasé à collecteur), mais les problèmes demeurent.

En contrepartie, le système à courant monophasé, favorise le transport du courant puisque l’alimentation des caténaires se fait grâce à des alternateurs particuliers 16⅔ dans les centrales d’alimentation. Elles alimentent des lignes de traction distinct du réseau général électrique.
Des transformateurs abaisseurs alimentent ensuite les caténaires sous une tension de 15 Kv.
(Ce système permet de ne pas nécessiter de conversion d’énergie à bord des engins)

Les avantages :
• Une ligne de contact allégée parcourue par de faibles intensités,
• Un espacement important des points d’alimentation de la ligne (sous-stations).

Choix d'un système

Comme on ne savait pas transformer de façon simple compacte et d'un coût acceptable, le courant à bord des engins moteurs, les caténaires devaient être alimentées avec un courant directement assimilable par le moteur.

De plus le système choisi devait permettre d’utiliser le moteur série à collecteur en supprimant les problèmes de commutation.

Le choix se porte sur : Le courant continu.

Lors du choix de la tension d’alimentation (750 à 3000v), l’étude sur l’électrification prend en compte :
• Le Trafic,
• Les puissances des locomotives,
• Et la technologie de l’époque.

Ainsi en 1920 la France décide d’utiliser le courant continu 1500 volts qui est considéré comme le meilleur possible.

Dès 1950, il devient possible de réaliser la conversion d'énergie à bord des engins moteurs et cela autorise l'utilisation du courant monophasé de fréquence industrielle 50 Hz.

La France à ce moment fait le choix du courant monophasé 25 Kv 50 Hz.

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ALIMENTATION des SOUS-STATIONS

La production de courant

Le courant produit par l’EDF est un courant alternatif triphasé à 50 Hz.

Les alternateurs produisent une tension d'environ 10000 à 20000 volts.

Le transport du courant

Des transformateurs élèvent la tension produite par les centrales pour alimenter le réseau général à très haute tension (de 63 Kv à 400Kv).

Pendant le transport du courant entre le point de production et le point de livraison, il en résulte des pertes en ligne dû :
• A la valeur de la tension de départ,
• A la distance entre la centrale de production et le point de livraison,
• Aux caractéristiques des matériaux conducteurs qui transportent l'électricité.

La principale cause des pertes en ligne est due à l'effet joule (l'énergie est dissipée sous forme de chaleur) qui agit dès qu'un courant circule dans un câble électrique.

W = R.I².t (W en joules, R en Ω, I en A et t en s)
Exemple :
Soit à transporter 400000 W par un réseau offrant une résistance de 10Ω.

Transport du courant sous une tension de 4000 v :
P = UI.
I = P/U = 400000 / 4000 = 100 A

Perte par effet joule :

W = R.I².t
W = 10*(100²)*1 = 100000 W

Transport du courant sous une tension de 400000 v :
P = UI.
I = P/U = 400000 / 400000 = 1 A

Perte par effet joule :

W = R.I².t
W = 10*(1²)*1 = 10 W

On voit là tout l'intérêt du transport à haute tension pour réduire les pertes et alléger les installations.

Les lignes aériennes viennent alimenter des postes hautes tension (poste HT) placés au voisinage des zones d'utilisation intense.

Les postes HT du réseau général abaissent la tension qu'ils reçoivent à une tension comprise entre 15000 à 90000 volts et alimentent des postes HT chargés eux-mêmes d'alimenter les utilisateurs par l'intermédiaire de postes de transformation, ce sont ces postes HT qui alimentent les sous-stations de la SNCF.

Pour garantir l'alimentation des sous-stations, les lignes d'alimentation peuvent être doublées ou alors être alimentées par plusieurs points. Les risques de défaut d'alimentation des lignes électriques sont ainsi considérablement réduits.

Alimentation des postes HT

Alimentation des sous-stations

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Les SOUS-STATIONS

Sous courant continu

Chaque sous-station est raccordée à la ligne triphasée du réseau EDF.
elle est constituée par :
• Un transformateur abaisseur de la tension d'alimentation à la valeur choisie pour la distribution aux lignes de contact,
• Un ensemble de redresseur chargé de redresser la tension alternative pour obtenir une tension continue,

Cet ensemble débite dans une «barre 1500 v» sur laquelle sont branchés, par l'intermédiaire de disjoncteurs, les «départs» vers les lignes de contacts (caténaires).

Sous courant monophasé

En courant monophasé le rôle de la sous-station se résume à abaisser la tension du réseau EDF à la tension d'utilisation, la fréquence restant la même.
Elle se réduit donc à un "simple" transformateur.

ALIMENTATION des LIGNES de CONTACT en 1500V CONTINU

Les intensités appelées par les engins moteurs à la caténaire sont élevées puisque la tension d'alimentation est faible :
Exemple pour un engin moteur type BB22200 :
• Puissance : 4400 Kw,
• Tension d'alimentation : 1500 V,
• Valeur de l'intensité ≈ 2933 A.

A l'origine pour limiter les chutes de tension en ligne à une valeur acceptable, l'espacement entre les sous-stations était de 20 km environ. Par la suite l'augmentation du trafic et de la vitesse on conduit à diminuer cet intervalle pour limiter au maximum les chutes de tension en ligne. Sur certaines lignes le nombre de sous-station a dû être doublée.

Calcul de la chute de tension en ligne.
Les éléments intervenant dans le calcul des chutes de tension en ligne sont :
• La résistance du circuit d'alimentation et retour :
• Caténaire et rail,
• Les courants absorbés (I1, I2, ...) par les divers engins à l'instant considéré et situés à des distances (x1, x2,...) de la sous-station.

Bien que la caténaire et le rail conduisent facilement le courant, plus une locomotive sera éloignée de la sous-station plus cette résistance finira par ne plus être négligeable.

En courant continu 1500v la caténaire et le rail ont une résistance moyenne de 0,07Ω au kilomètre.
Ainsi pour une locomotive située à 10 km de la sous-station et absorbant une intensité de 500 ampères, la caténaire et le rail offrant une résistance de 0,07*10 = 0,70Ω, la chute de tension en ligne sera égale à :
U = RI = 0,70 * 500 = 350 volts (chute de tension en ligne).

La valeur de la tension ligne lue par le conducteur au voltmètre ligne sera égale à : 1500 - 350 = 1150 volts.

Chute de tension caténaire en fonction de la distance de la sous-station

Actuellement les caténaires sont alimentées avec une tension de 1800 volts pour maintenir une tension ligne suffisante au fur et à mesure de l'éloignement de la caténaire.
Bien évidemment les installations fixes ou embarquées à bord des locomotives sont dimensionnées pour supporter cette tension (Isolement moteur,...).

Pour l'alimentation des sous-stations le branchement à intervalle régulier (20 km) sur le réseau national haute tension est en général difficile.
En effet le point d'alimentation doit pouvoir supporter des variations de charge importantes et des à-coups de puissance importants sans avoir d'impact gênants pour les autres usagers.

En France le réseau national étant suffisamment bien maillé, il est possible de trouver de tels branchements tous les 60 à 80 km. Ce maillage assez serré permet de palier les défauts d'alimentation par l'un des côtés d'une maille, en cas d'incident ou de coupure pour entretien, on dit que les postes sont interconnectés.

Les centrales EDF sont reliées à des postes haute tension (poste HT) par l'intermédiaire du réseau national haute tension qui eux-mêmes sont placés au voisinage des zones d'utilisation intense. Tous les postes HT sont réunis entre eux par d'autres lignes aériennes.

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ALIMENTATION des LIGNES de CONTACT en 25kV MONOPHASÉ

Les intensités appelées par les engins moteurs à la caténaire sont plus faibles puisque la tension d'alimentation est plus élevée,
Exemple pour un engin moteur type BB22200 :
• Puissance : 4400 Kw,
• Tension d'alimentation : 25 Kv,
• Valeur de l'intensité = 176 A.

Le dimensionnement doit prendre en compte ces différents facteurs pour déterminer l'armement de la caténaire.

Cependant la valeur de l'intensité à véhiculer et capter étant beaucoup plus « faible » quelques points d 'alimentation suffisent pour maintenir une tension en ligne acceptable, les sous-stations sont échelonnées tous les 50 à 70 km.

Calcul de la chute de tension en ligne.
Les éléments intervenant dans le calcul des chutes de tension en ligne sous courant monophasé sont différents de ceux du courant continu :
• L'impédance du circuit Z (résistance R et réactance Lω) du circuit total,
• Le facteur de puissance (λ) des engins moteurs. (L'engin moteur du fait de ses caractéristiques provoque un déphasage (courant / tension) appelé cos φ.

Sans rentrer dans des détails sans grands intérêts, l'impédance (résistance en alternatif) est d'environ : 0,30Ω au kilomètre (voie et caténaire).

Les engins moteurs actuels travaillant avec un facteur de puissance proche de l'unité, rendent les chutes de tension en ligne extrêmement limitées.
De plus les TGV A à faible charge, fonctionnent avec un déphasage avant (appelé cos φ avant) ce qui permet même d'avoir une tension au pantographe supérieure à la tension aux bornes de la sous-station.

Les LIGNES de CONTACT

D'un point de vue électrique.

Les lignes de contact permettent aux engins moteurs de capter le courant délivré par les sous-stations elles doivent :
• Être dimensionnées en fonction de la tension d'alimentation et du courant transporté :
• 2933 A sous 1500 volts continu pour une BB22200,
• 176 A sous 25Kv monophasé pour une BB22200.

Compte tenu des chutes de tension en ligne et des échauffements admissibles la section des conducteurs de la caténaire doivent correspondre à une section "équivalente" de cuivre étalon de :
• 100 à 150 mm² sous courant monophasé 25Kv 50 Hertz,
• 400 à 480 mm² sous courant continu 1500 volts.

Il est également nécessaire de réduire l'échauffement provoqué par le passage du courant :
• Par le nombre de pantographe levé (dans certains cas),
• Par le nombre d'archet sur le pantographe,
• Par la multiplication des points de contact entre la caténaire et le pantographe,
• Par le nombre de fil de contact.

Limiter les chutes de tension en ligne par la multiplication des sous-stations le long de la ligne.

D’un point de vue mécanique.

Les installations doivent être suffisamment lourdes pour :
• Résister aux vents,
• Supporter les surcharges provoquées par les dépôts de neige ou de givre,
• Pour permettre une captation correcte de la tension par l'engin moteur il faut :
• Assurer la régularité du contact par nivellement du fil de contact,
• Assurer une souplesse dans la captation du courant,
• Supporter la pression du ou des pantographes.

Le dimensionnement doit prendre en compte ces différents facteurs pour déterminer l'armement de la caténaire.

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Hauteur des fils de contact

La hauteur des fils de contact est de (d'une manière générale):
• Au minimum : 4,38 m au niveau des passages supérieurs,
• Hauteur normale : 5,50 m en pleine voie,
• Hauteur maxi : 6,50 m au franchissement des passages à niveau.

CONSTITUTION de la CATÉNAIRE

La caténaire est constituée d'un certain nombre d'éléments nécessaires pour assurer le transport et faciliter la captation du courant..
Les caténaires suivant qu'elles transportent du courant 1,5Kv ou 25Kv se différencient par leurs aspects et leurs complexités.

Le support

Le support permet de maintenir :
• Les conducteurs dans une position précise par rapport à l'axe de la voie ou du pantographe,
• Les consoles pour le fil porteur,
• Les bras de rappel pour les fils de contact.

Support

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Le hauban et la console

• Le hauban permet de régler l'inclinaison de la console.

• La console supporte le fil porteur principal et le ou les fils de contact.

Hauban et console

Les isolateurs

Les isolateurs empêchent le support d’être au potentiel électrique.

Isolateur

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L'antibalançant et le rappel d'antibalançant

• L'antibalançant : Il permet de régler la position du fil porteur auxiliaire, notamment son désaxement par rapport à la voie et empêche le balancement de la ligne sous l'effet du vent.

• Le rappel d'antibalançant : Il fixe la position du fil de contact dans les courbes, dans les lignes droites, aux points de changement de direction, de manière à utiliser toute la largeur de l'archet et user de manière uniforme les bandes d'usure. Les rappels d'antibalançant sont disposés de telle sorte qu'ils travaillent toujours en tension et non en compression.

Antibalançant et rappel d'antibalançant

Les pendules

Ils s'intercalent entre le fil porteur et le fil de contact et permettent de le régulariser (25Kv). Pour cela les pendules (ronds) sont de longueur variable et coulissants.
Pour les caténaires 1500V des pendules supplémentaires situés entre le fil porteur auxiliaire et les fils de contact (plats) permettent de supporter les fils de contact alternativement et de les régulariser.

Les pendules

Le fil de contact

Le ou les fils de contact sont les éléments qui permettent de distribuer le courant aux engins moteurs. Ils sont en contact avec le pantographe de la locomotive.

Fil de contact

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Les appareils tendeurs

Sous l'effet de la température les conducteurs se dilatent, leurs longueurs augmentent et leurs tensions mécaniques diminuent. La caténaire présente une flèche plus ou moins importante qui est néfaste pour une bonne captation du courant.
Pour contrer ses phénomènes il est nécessaire d'exercer une tension mécanique sur ces conducteurs.
Cela est réalisé au moyen d'appareils tendeurs (AT).
Les conducteurs sont tendus à l’aide de dispositifs à contrepoids situés à une ou aux deux extrémités du canton de pose.

La tension mécanique réalisée est constante pour des températures comprises entre :
• En 1500 V : + 2,5°C et + 47,5°C,
• En 25000 V : - 20°C et + 50°C.

Appareil tendeur

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La CATÉNAIRE en COURANT MONOPHASÉ

Constitution de la caténaire 25 Kv avec suspension en Y.

Constitution de la caténaire 25 Kv

Caténaire 25 KV

Chaîne d'alimentation des moteurs de traction

La CATÉNAIRE en COURANT CONTINU

Constitution de la caténaire 1,5 Kv avec double fil de contact.

Constitution de la caténaire 1500 V

Caténaire 1500 V

Chaîne d'alimentation des moteurs de traction

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La SUSPENSION des LIGNES de CONTACT

La suspension ordinaire

Cette suspension consiste simplement à tendre le fil de contact entre deux supports fixes.

Malgré la tension exercée sur le fil de contact pour le tendre, il persiste une flèche au milieu de la portée entre les supports. Cette flèche a pour inconvénients :
• Un défaut de nivellement de la ligne de contact,
• Une souplesse importante au milieu de la portée qui permet un soulèvement néfaste de la ligne de contact par le pantographe,
• Un point dur pour le pantographe au droit des supports caténaires,

Ces inconvénients limites l'utilisation de cette suspension caténaire sur les lignes à faible vitesse :
• Sur les voies de service,
• Sur les voies de dépôts ou d'ateliers.

Suspension ordinaire

La suspension caténaire

Pour pouvoir faire circuler les trains à une vitesse plus importante, il faut supprimer cette flèche qui est néfaste aux grandes vitesses.

Pour cela on utilise un fil porteur et un fil de contact reliés par des pendules.

Cette façon de faire permet de ne pas relier directement le fil de contact aux supports fixes et permet d'obtenir un fil de contact rectiligne par rapport à la voie.

Selon la nature du courant transporté, plusieurs variantes à la suspension caténaire existent.

LES DIFFÉRENTS TYPES de CATÉNAIRE

SOUS COURANT CONTINU

La caténaire légère

Avec la caténaire légère, le câble porteur présente une flèche intentionnelle. Le fil de contact est suspendu au fil porteur par des pendules de longueur différentes qui permettent d'avoir un fil de contact rectiligne.

Ce type de caténaire est utilisé :
• Sur des voies d'évitement,
• Sur des voies de circulation dans les établissements importants.

Caténaire légère

La caténaire simple

Elle est identique à la précédente mais avec la particularité de posséder un deuxième fil de contact.
Avec la caténaire simple, les pendules sont plus rapprochés et supportent, alternativement, un fil de contact puis l'autre.

Ce type de caténaire est utilisé dans des zones ou les intensités appelées sont élevées : démarrage, circulation en rampe.
• Sur des voies d'évitement,
• Sur des voies de circulation dans les établissements importants.

Caténaire simple

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Caténaire composée (dite normale ou compound)

Avec la caténaire légère, la flexibilité est atténuée au milieu des portées puisque la masse à soulever est plus importante. Par contre, au droit des supports, elle est désormais permise grâce à la déformation des pendules, cependant à grande vitesse, le passage sous un appui constitue encore un point dur.

Pour éviter cela un fil porteur auxiliaire est intercalé entre le fil porteur principal et le ou les fils de contact, on obtient ainsi une souplesse uniforme alliée à un nivellement parfait,

C'est la caténaire utilisée pour les voies principales.

Caténaire composée ou compound

Caténaire composée ou compound

Détails caténaire composée

Pendule et fil de contact

SOUS COURANT MONOPHASÉ

Caténaire simplifiée

Cette solution est utilisée pour électrifier les lignes dont la vitesse ne dépasse pas 100 km/h.

La caténaire ne comporte que le fil de contact, comme dans le cas de la suspension ordinaire,

mais on rajoute un porteur au droit des supports pour éliminer les points durs et permettre un

meilleur nivellement du fil de contact.

Caténaire simplifiée

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Caténaire normale à suspension classique

Elle est identique dans son principe, à la caténaire légère à courant continu, avec ses 2 fils (1 fil porteur et 1 fil contact)

la section offerte au passage du courant est largement suffisante.

Par contre le manque de souplesse lors du passage en vitesse sous les appuis est toujours présent.

L’utilisation de cette caténaire est donc limitée aux voies principales ou voies de circulation sur lesquelles la vitesse maximale ne dépasse pas 120 km/h.

catenaire normale a suspension classique

Caténaire normale à suspension classique

Caténaire normale à suspension en Y

Pour permettre le passage en vitesse on introduit un porteur auxiliaire au droit des supports, sur une longueur de 10 mètres environ, ce montage particulier est appelé « suspension en Y ».

Caténaire normale à suspension en Y

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Le DÉSAXEMENT des LIGNES de CONTACT

Si le fil de contact était placé continuellement dans l'axe de la voie, la captation du courant se ferait toujours au même point du pantographe. Les fils de contact dans ce cas agiraient comme une scie sur les barres de frottements du pantographe et finiraient par couper en deux l'archet du pantographe.

Pour éviter cela les fils de contact sont disposés de telle sorte qu'ils balayent périodiquement le dessus du pantographe. Cela permet un balayage du fil de contact sur l'archet du pantographe en évitant le phénomène de scie sur les bandes de frottement et permet ainsi l'usure régulière sur toute la largeur des bandes d'usure de l'archet du pantographe.

Le désaxement est dit "négatif" lorsque le fil de contact est le plus près du support, dans le cas contraire il est dit "positif".