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17/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour Toute reproduction sans autori

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 5 510 − 1 Composantes et applications électriques du système ferroviaire par Pierre CHAPAS Senior Expert (honoraire) ALSTOM Transport e transport ferroviaire participe à la vie économique et industrielle depuis près de deux siècles (encadré A) dans la plupart des pays (cf. tableau 6, page 14). Après avoir été le seul moyen de transport terrestre de masse pendant près d’un siècle, sa physionomie évolue très profondément. L’électricité a été et est toujours l’un des arguments majeurs de ce développement par les atouts déterminants qu’elle procure au chemin de fer : — en termes de rendement énergétique, il se classe au tout premier rang de par sa conception même : l’énergie de frottement au contact roue rail est le plus faible et la traction électrique renforce encore ce bilan ; — par rapport à l’environnement, il respecte – grâce à l’emploi de l’énergie électrique – une parfaite intégration, que ce soit en site urbain ou sur ligne à grande distance. 1. Composantes du système ferroviaire ................................................ D 5 510 - 2 2. Technologie de base « roue – rail » .................................................... — 3 3. Infrastructure............................................................................................ — 3 3.1 Plate-forme et ballast .................................................................................. — 3 3.2 Rail et traverses ........................................................................................... — 3 3.3 Contraintes électriques de la voie.............................................................. — 4 4. Matériel roulant........................................................................................ — 4 4.1 Matériel remorqué....................................................................................... — 4 4.2 Matériel moteur ........................................................................................... — 5 4.3 Conﬁguration des trains.............................................................................. — 5 5. Énergie ........................................................................................................ — 5 5.1 Énergie de traction ...................................................................................... — 5 5.2 Énergie auxiliaire......................................................................................... — 6 6. Traction autonome. Production d’électricité................................... — 6 7. Traction électrique .................................................................................. — 6 7.1 Systèmes d’alimentation de traction ......................................................... — 6 7.2 Distribution d’électricité en ligne ............................................................... — 8 7.2.1 Conducteur aérien – système caténaire............................................ — 8 7.2.2 Conducteur au sol............................................................................... — 11 8. Sécurité et signalisation........................................................................ — 11 8.1 Signalisation par circuits de voie ............................................................... — 11 8.2 Transmission des informations de signalisation ...................................... — 12 8.3 Postes d’aiguillage....................................................................................... — 13 9. Conclusion ................................................................................................. — 13 Références bibliographiques ......................................................................... — 16 L 17/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour COMPOSANTES ET APPLICATIONS ÉLECTRIQUES DU SYSTÈME FERROVIAIRE ______________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. D 5 510 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique Il est intéressant, dans ce cadre, d’analyser les principales composantes – ou vecteurs – de ce qu’il faut appeler le « système ferroviaire ». Cette approche est tout à fait transposable à tout autre système de transport : aérien, maritime ou routier. Chacune de ses composantes utilise les applications de l’électricité ; c’est l’analyse que se propose le présent article, après avoir donné quelques repères historiques. Parallèlement, tous les aspects du chemin de fer bénéﬁcient de l’électricité : la climatisation des voitures, la signalisation lumineuse, la motorisation des aiguillages, etc. L’évolution des transports est telle que la concurrence s’exerce à tous les niveaux. Dans ce cadre les atouts et les handicaps de chacun sont déterminants. Après une situation de monopole pour le transport des passagers comme celui du fret, jusque dans les années 1960, le chemin de fer se place dans les créneaux correspondant à ses points forts : — la grande vitesse s’est développée en Europe, aux États-Unis et est à l’état de projets en Asie et en Australie ; — les transports urbains sous la forme de métros, réseaux suburbains, tram- ways, permettent la décongestion des villes et l’atténuation de la saturation des infrastructures et des pollutions atmosphériques engendrées par l’automobile ; — le transport du fret entre dans la complémentarité des systèmes de trans- port et évite les risques subis par les transports routiers, en termes de saturation, de sécurité et de pollution. Ces trois axes majeurs font appel aux technologies électrotechniques et électroniques ; en effet, les impératifs de rentabilité mettent en jeu les aspects énergétiques et de développement durable. Le lecteur consultera utilement, en particulier, les articles suivants, dans ce traité : — Traction électrique ferroviaire – Dynamique ferroviaire et sous-stations [D 5 501] ; — Installations électriques du Tunnel sous la Manche [D 5 055]. Enﬁn, pour en savoir plus, le lecteur se reportera aux références [1] [2] et [3]. 1. Composantes du système ferroviaire Tous les moyens de transport se composent de différents vec- teurs de sorte que l’approche système s’applique et permet son étude en intégrant l’ensemble des interfaces. Ainsi distingue- rons-nous sept vecteurs fondamentaux du système ferroviaire, représentés en ﬁgure 1. Figure 1 – Les composantes du système ferroviaire Matériel roulant Trafic Clients Matériel remorque Matériel moteur Infrastructures - Plate-forme - Voies - Ouvrages d'art Exploitation - Horaires - Régulation Énergie - Combustible - Énergie Sécurité - Signalisation - Réglementation Frêt Passagers Encadré A – Quelques repères du développement ferroviaire Depuis son invention, la roue crée une ornière sur le terrain dès lors que celui-ci est meuble. Les Romains ont, pour éviter cet inconvénient, empierre leurs « voies ». Au XVIe siècle, dans les mines d’Angleterre et d’Alsace, apparaissent des chemins de rou- lement, en bois puis en fer, facilitant le roulement des wagonnets poussés ou tirés par des hommes ou des chevaux. Les roues se perfectionnèrent à l’aide d’un mentonnet puis d’un « boudin » de guidage : le chemin de fer était né. Il faut attendre la domestication de l’énergie autre qu’humaine ou animale, avec la vapeur, pour voir les premières « locomotives » apparaîtrent avec Trevithick, Stephenson (1804), puis Marc Seguin (1831). La première application de l’électricité au chemin de fer coïncide avec son développement dans les domaines industriel et domestique : éclairage et force motrice. En 1879, Siemens met en œuvre la première « locomotive » mue par un moteur de 4 kW calqué sur le modèle de Gramme. Tandis que la vapeur conquiert le domaine de la « grande traction », l’électricité investit les trans- ports urbains de puissance modeste. La première ligne de métro- politain a été inaugurée le 1er juillet 1900. Très vite, cependant, les puissances permises par le couple électromagnétique montrent leur capacité : en 1903 une automotrice construite par AEG en Allemagne, roule à 203 km/h ! Les grandes électrifications, aux États-Unis et en Europe, étendent leurs mailles. L’après-guerre marque la vraie naissance de la grande vitesse avec des records du monde en 1954 à 243 km/h et 1955 à 331 km/h. Parallèlement l’électrification ferroviaire en fréquence industrielle (50 Hz) voit le jour en France dès 1951. Dès lors la quasi-totalité des nouvelles électrifications dans le monde sera de ce type. Enfin l’extension des lignes à grande vitesse se fera à partir du Japon (Tokaïdo en 1967) et de la France (expérimentation du TGV 001 à turbine à gaz et transmission électrique en 1972 et pre- mière ligne TGV Paris Sud Est en 1981). 17/09/2008 Madame, Monsieur Dossier délivré pour _____________________________________________________________________ COMPOSANTES ET APPLICATIONS ÉLECTRIQUES DU SYSTÈME FERROVIAIRE Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique D 5 510 − 3 2. Technologie de base « roue – rail » Le guidage et le roulement de deux roues à boudin sur deux poutres appelées « rails » est à la base du système ferroviaire, quelle que soit l’énergie de traction. Cette technologie a deux pro- priétés essentielles : — répartition de la charge sur le sol ; — guidage de tous les véhicules associés pour former un train. Un dérivé de cette technologie met en œuvre le pneumatique de roulement associé à des roues latérales de guidage, et est utilisé en transport urbain lourd, du type métro (ﬁgure 2). Notons que les roues à pneumatiques sont associées à des roues classiques à boudins et la voie comporte deux ﬁles de rails en plus des pistes, aﬁn d’assurer la sécurité de roulement en cas de crevaison, tant du point de vue guidage que du point de roule- ment. Le franchissement des appareils de voie est assuré égale- ment par le guidage des roues à boudin. La caractéristique fondamentale du roulement est le coefﬁcient de frottement lors du roulement. Le rapport de l’effort tangentiel maximal résultant du couple à la masse sur la roue est le coefﬁ- cient d’adhérence. Pour les deux types de roulement et différents matériels les coefﬁcients d’adhérence évoluent comme indiqué au tableau 1. 3. Infrastructure Comme tout système de transport, le chemin de fer nécessite une infrastructure au sol. Elle se décompose en trois sous ensembles principaux : — plate-forme et voie ; — ouvrages d’art ; — terminaux et gares. 3.1 Plate-forme et ballast La plate-forme représente l’emprise au sol. En France, la plate- forme occupée par les chemins de fer représente 97 000 ha en 2003. La construction d’une ligne nécessite dans la plupart des cas des aménagements spéciﬁques tels que talus, remblais, déblais, avec apport ou extraction de matériaux. Des précautions particuliè- res permettent le drainage et l’évacuation des eaux pluviales. Sur la uploads/Industriel/ d5510-composantes-et-applications-electriques-du-systeme-ferroviaire.pdf