réseaux d'energie et equipement de traction - LME - EPFL

RESEAU D’ENERGIE ET
EQUIPEMENTS DE TRACTION
Mes coordonnées:
Christian COURTOIS
SNCF - Direction de l'Ingénierie
Département des Installations fixes de
traction électrique
6, Avenue François Mitterrand
93574 LA PLAINE SAINT DENIS
Tél : (33) 1 01.41.62.06.59
Fax : (33) 1 01.41.62.48.91
courriel : christian.courtois@sncf.fr
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LE CHEMIN DE FER
Grâce au frottement roue-rail, il est
possible de transporter de lourdes charges
avec la plus grande vitesse possible et la
plus faible consommation d ’énergie
L’utilisation de l’électricité n’a fait que
renforcer cette affirmation.
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• Le moteur électrique présente le meilleur
rendement et une grande souplesse
d ’utilisation,
• Les pays possédant un grand potentiel de
houille blanche ont électrifié leurs chemins
de fer,
• L ’évolution de l ’électrotechnique a
toujours profité au chemin de fer.
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Avantages de la traction électrique :
Puissance massique supérieure :
- locomotives électriques : 50 à 70 kW/t
- locomotives diesel : 25 kW/t
. Permet le franchissement des très fortes pentes
(> 20 ‰)
. Permet le franchissement des longs tunnels
. Réduction remarquable des nuisances sonores et
de la pollution atmosphérique.
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Avantages de la traction électrique (suite) :
Locomotives
Electrique
(BB 15000)
Diesel
(BB 72000)
Coût kilométrique
0,278 €uro /km
ou 0,42 FS /km
1,161 €uro /km
ou 1,74 FS /km
Nombre d’incidents
traction / 10 6 km train
1,8
12,5
coût kilométrique 4 fois inférieur
nombre d ’incidents 7 fois inférieur
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\
L ’électrification en Europe
25 kV 50 Hz
15 kV 16,7 Hz 3 kV dc
1,5 kV dc
750 V dc
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EVOLUTION DE L’ELECTROTECHNIQUE
L ’EXEMPLE FRANÇAIS
Année 1920
Electrification à courant continu 1500V
• ses barrages
Le réseau P.O-Midi créé
• son réseau 150kV-90kV 3~
• ses sous-stations 90kV 3~ - 1,5kVcc
• ses caténaires
• ses locomotives
Choix du gouvernement entre 12kV 16 2/3 Hz et
1,5kVcc pour ce dernier système.
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SOUS-STATION A COURANT
CONTINU
OGIVE CATENAIRE
MIDI
Barrage de Caillaouas
SHEM-SNCF
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FORTE INFLUENCE DE L ’INDUSTRIE SUISSE SUR
LE DEVELOPPEMENT DU CHEMIN DE FER
ELECTRIQUE EN FRANCE
BB 9002
2 D 2
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Puissances : Sous-station 2MW tous les 25km
technologie = machines tournantes
Fort courant, tension faible, pertes importantes dans le
circuit de traction
Limitation de la tension due aux isolants.
Utilisation maximale aujourd’hui
Sous-station de 14MW tous les 10km
technologie = redresseurs au silicium
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Après la guerre ⇒ évolution :
→ du matériel
→ des isolants en particulier
→ possibilité de redresser à bord des engins
Utilisation de la fréquence industrielle 50Hz et d ’une tension élevée
20 puis 25kV
CC 20001
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BB 36000
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LA TRACTION ELECTRIQUE CÔTĒ INSTALLATIONS FIXES
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Puissances appelées
Espacement moyen sur
ligne classique
des sous-stations
Section caténaire en
mm² Cu (neuve)
Puissance transitée
par la caténaire
1,5 kV 10 à 15 Km 400 2,7 MW
25 kV 40 à 50 Km 150 16 MW
2x25 kV
LGV
50 à 55 Km LGV Nord-Europe et
Méditerranée(trains à 300 km/h
espacés de 3’)
60 à 70km LGV Est (trains à
320km espacé de 3’
Ajout de dispositifs pour 350km/h)
70 à 80km LGV Atlantique
(trains à 300km/h espacés de 4’)
80 à 90 km LGV Sud-Est
(trains à 270km/h espacés de 5’)
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Caténaire : 200
Feeder : 150
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En 50 kV
transport énergie
45 MW
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Notion des puissances mises en jeu :
Consommation mensuelle sur la LGV A
(Paris - Le Mans - Tours)
En = 30 000 000 kWh / mois
Consommation moyenne par foyer :
Compteur de 6 kVA
Utilisation 4h / jour → 120h / mois
En = 720 kWh / mois
Consommation mensuelle LGV A équivalente
à la consommation d’une ville de 40000 foyers
(environ 120000 habitants)
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Département IGTE
LIGNES ELECTRIFIEES
au 31/12/2000
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STATISTIQUES
Longueur des lignes électrifiées :
14220 km soit 45 % du réseau ferré dont :
- 5850 km en 1500 V =
- 8286 km en 25 kV - 50 Hz (y compris 2 x 25 kV)
88 % du trafic s ’effectue sur lignes électrifiées
551 sous-stations :
- 384 en courant continu 1500 V de 5 à 20MW
- 152 en courant alternatif 25 kV - 50 Hz de 10 à 60 MVA
- 15 autres tensions
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Les sous-stations :
Consommation annuelle (en Millions de kWh)
3150
1800
2500
LGV
25 kV
1500 V
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LA PROBLĒMATIQUE DE LA TRACTION ĒLECTRIQUE CÔTĒ
INSTALLATIONS FIXES
• Prendre l ’énergie au réseau primaire
• distribuer l ’énergie aux trains avec la meilleure tension
possible (éviter les chutes de tension)
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- Prendre l ’énergie au réseau primaire
Les contraintes de raccordement du
réseau fournisseur sont fortes
- limitation du déséquilibre admis
- limitation de la génération de
courants harmoniques par le client
raccordé.
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.
Niveaux d’Engagements pris par RTE aux Points de Livraison des utilisateurs du RPT
(consommateurs et distributeurs)
Tensions
harmoniques
Déséquilibre Taux moyen = 2%
Impaires non
multiples de 3
Impaires
multiples de 3
Paires
Rang 5 et 7 11 et 13 17 et 19 23 et 25
Taux (%) = 4 3 2 1,5
Rang 3 9 15 et 21
Taux (%) = 4 2 1
Rang 2 4 6 à 24
Taux (%) = 3 2 1
Taux global (1) (%) = 6
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80
60
40
20
0
-20
-40
-60
ph8
-80
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
ph0
ph4
30
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
ph0
ph8
ph4
60
50
40
30
20
10
0
-10
-20
ph8
ph0
-30
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
ph4
. En 1,5kV continu ⇒ harmoniques
. En alternatif ⇒ déséquilibre (50Hz)
⇒ harmoniques (16,7Hz et 50Hz)
En application de la méthode des composantes symétriques
Système réel
=
Vd3
Vd2
Système direct
Vd1
+
Vi
3
Vi
2
Système inverse
Vi
1
Autre méthode de présentation
= +
-60
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50
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4.1 Voltage
The characteristics of the main voltage systems (overvoltages excluded) are specified in Table 1
below.
Table 1 - Nominal voltages and their permissible limits in values and duration
Electrification
system
Lowest
non-permanent
voltage
U min2
V
Lowest
permanent
voltage
U min1
V
Nominal voltage
U n
V
Highest
permanent
voltage
U max1
V
Highest
Non-permanent
voltage
U max2
V
d.c
(mean values)
400
500
1 000
2 000
400
500
1 000
2 000
600 a
750
1 500
3 000
720
900
1 800
3 600
800
1 000
1950
3 900
a.c
(r.m.s values)
11 000
17 500
12 000
19 000
15 000
25 000
17 250
27500
18 000
29 000
a
Future d.c traction systems for tramways and local railways should conform with system nominal voltage of 750 V,
1 500 V or 3 000 V.
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Nécessité de trouver des améliorations à la
problématique de la traction électrique ferroviaire
• réduire les pertes dans le circuit (sous-stations, caténaires/rails)
• réduire les contraintes du raccordement au réseau d ’alimentation
• réduire les effets de consommation de pointe.
• Améliorer le rendement des engins
• respect de l ’environnement (bruit, pollution, impact visuel)
• réduire les effets « frontières historiques » entre les réseaux
→ L ’interopérabilité
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Le futur de la traction électrique - côté installations fixes
• en Europe → l ’interopérabilité
• les recherches liées à l ’amélioration de l ’efficacité
énergétique
• Quelques réalisations
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Interopérabilité - les STI -
- créer en Europe un réseau avec les
caractéristiques « cibles » permettant d ’effacer les
frontières techniques et opérationnelles
Voltage and frequency
Train services need standardisation of the voltage and frequency values as stipulated for
interoperability.
Table 4.1
Voltages and frequencies
Voltage and frequency
Line category
Connecting lines Upgraded lines High-speed lines
AC 25 kV 50 Hz X X X
AC 15 kV 16,7 Hz X X (1)
DC 3 kV X X (2)
DC 1,5 kV X X —
(1) In countries with networks electrified at AC 15 kV 16,7 Hz, it is permissible for this
system to be used for new high-speed lines. It is permissible for the same system to be
applied in adjacent countries when it can be economically justified by the M ember State.
No assessment is required by the NoBo in this case.
(2) It is permissible for the DC 3 kV supply to be used in Italy, Spain and Poland for
existing lines and new high-speed line sections operated at 250 km/h when electrification
with AC 25 kV 50 Hz would create a risk of disturbing ground and on-board signalling
equipm ent on an existing line located near the new line.
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Interopérabilité - caténaire et Archet Panto -
Geometry of overhead contact line for AC systems
The overhead contact lines for all categories of AC lines shall be designed to be used by
pantographs as specified in clause 4.2.13.
The height of contact wire above the rails, the gradient of contact wire in relation to the track and
the lateral deflection of the contact wire under the action of a cross wind all govern the
interoperability of the high-speed network. The permissible data are given in Table 4.2.
Table 4.2
Geometry of overhead contact lines for AC systems
No Description Connectinglines Upgraded
lines
High-speed lines
1 Nominal contact wire height
(mm)
Between 5 000
and 5 750
(1), (2), (3)
Between
5 000 and
5 500
(1), (2), (3)
Between 5 080
and 5 300
(3), (4)
2 Permissible contact wire
gradient in relation to the
track and variation of gradient
EN 50119, version 2001, clause
5.2.8.2
No planned
gradients
acceptable
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3 Permissible lateral deflection = 400
of the contact wire under
action of cross wind (mm) 1 (5)
(1) The contact wire height may be higher on lines with mixed freight and passenger traffic to permit the operation of trailers with
oversized gauge provided that the requirements for the quality of current collection and pantographs are met as detailed in
clauses 4.2.15 and 5.3.2.5 respectively.
(2) At level crossings the contact wire height shall be designed in accordance with national standards.
(3) The contact wire height and wind speed at which unrestricted operation is possible, will be included in the register of
infrastructure.
(4) A variation of contact wire height due to track maintenance is accepted so far as the gauge is not infringed, and other
requirements are complied with, e. g. current collection quality, electrical clearance.
(5) This value is valid for contact wire heights up to 5300 mm and tangent track. For heights greater than 5300 mm and/or
curved track this value shall be reduced in accordance with EN 50367, version 2004, Annex A.3.
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The overhead contact line geometry shall comply with the requirements set in EN 50367, version 2004, clause 5.1 and Table 1.
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Archet de pantographe
1. Corne en matériau isolant
2. Longueur minimale des bandes d ’usure
3. Longueur projetée
4. Débattement de l ’archet
5. Largeur de l ’archet
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Interopérabilité
• Directive 96/48/CE et 2004/50/CE
⇒ pour le trafic à grande vitesse - publiée en 2002 (en cours de révision)
• Directive 2001/16/CE
⇒ pour le trafic rail conventionnel - Travaux en cours
Chaque état membre est responsable de la sécurité sur son territoire.
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Le capital normatif lié à l ’interopérabilité
- CENELEC -
EN 50163 : Applications ferroviaires - Tensions d ’alimentation des réseaux de
traction
EN 50388 : Applications ferroviaires - Alimentation électrique et matériel roulant
- critères techniques pour la coordination entre le système d ’alimentation
(S/STA) et le matériel roulant pour réaliser l ’interopérabilité.
EN 50367 : Applications ferroviaires - Système de captage de courant - critères
techniques pour l ’interaction entre les pantographes et la ligne aérienne de
contact pour assurer le libre accès.
EN 50317 : Applications ferroviaires - Système de captage de courant -
Prescriptions et validation des mesures de l ’interaction dynamique entre le
pantographe et la caténaire
EN 50318 : Applications ferroviaires - Système de captage de courant -
Validation des simulations de l ’interaction dynamique entre le pantographe et la
caténaire
EN 50122-1 : Applications ferroviaires - installations fixes - 1ère partie: mesures
de protection relatives à la sécurité électrique et à la mise à la terre.
EN 50121-2 : Applications ferroviaires - Compatibilité électromagnétique
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L ’efficacité énergétique
• Favoriser le freinage par récupération
• la renvoyer dans le réseau primaire, ou
stocker cette énergie
• écrêter les pointes d ’appel d’énergie très
dimensionnantes
- super capa
- centrale inertielle
Magnetic support
Rotating rectifier
Excitation generator
Main machine
Flywheel
• améliorer les rendements (déjà élevés
aujourd’hui)
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La connexion au réseau primaire d ’alimentation
Les besoins :
• s ’affranchir du problème du déséquilibre
- mise en œuvre de compensateurs
• réduire les émissions de courants harmoniques
- filtrage passif ou actif
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\
Compensateur de déséquilibre et filtrage actif
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\
HIGH VOLTAGE BOOSTER
En ligne :
• pour éloigner les sous-stations ou en tirer
meilleur parti
ligne
- générer du soutien de tension en
(compensation chute de tension)
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Pour le ferroviaire
• une grande fiabilité
• une grande disponibilité
• Sécurité
• des coûts maîtrisés
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Futur du Chemin de Fer
• Au niveau technique
- Innovations technologiques
- Développement durable
Opérateur ferroviaire
Ēcoles Universités
Industrie
Propriétaire de l ’Infrastructure
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MERCI
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