Les INSTALLATIONS FIXES ÉLECTRIQUES







Mon texte simple
INTRODUCTION
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. 

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.
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 ne justifie pas la 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). 

Comme on ne savait pas transformer de façon simple compacte et d'un coût acceptable, le courant à bord des engins moteurs, les caténaires doivent être alimentées en un courant directement assimilable par le moteur. 
 
De plus le système choisi doit 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
 
ALIMENTATION des SOUS-STATIONS en 1500V CONTINU
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 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 réseaux locaux chargés eux-mêmes d'alimenter les utilisateurs par l'intermédiaire de postes de transformation, ce sont ces réseaux locaux qui alimentent les sous-stations de la SNCF.

Pour garantir le fonctionnement des sous-stations, les lignes des réseaux locaux peuvent être doublées ou bien ces réseaux peuvent bénéficier d’alimentation diverses, soit par interconnexion, soit par des moyens de secours, ainsi les risques de défaut d'alimentation des lignes électrifiées sont-ils considérablement réduits.

Alimentation des sous-stations.
Sous courant 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.

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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.


figure 1

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.


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C'est pourquoi les caténaires actuellement son plutôt alimentées avec une tension de 1800 v 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 interval 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 a-coup de puissance importants sans avoir d'impact génants pour les autres usagers.

En France le réseau national étant suffisament 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.

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Les centrales EDFsont reliées à des postes hautes 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 eux-mêmes réunis entre eux par d'autres lignes aériennes. 
 
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les différents poste HT du réseau général abaissent la tension qu'ils reçoivent à une tension comprise entre 15000 à 90000 volts, pour alimenter des réseaux locaux chargés d'alimenter les sous-stations de la SNCF par l'intermédiaire de postes de transformation.
Pour garantir le fonctionnement des sous-stations, les lignes des réseaux locaux peuvent être doublées ou bien ces réseaux peuvent bénéficier d’alimentation diverses, soit par interconnexion, soit par des moyens de secours, ainsi les risques de défaut d'alimentation des lignes électrifiées de la sncf sont-ils considérablement réduits.

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Les sous-stations sont alimentées par des postes HT : 
• Soit en dérivation, par l'une ou l'autre des lignes, elles sont du type D,
• Soit en antenne, par l'un ou l'autre des lignes, elles sont du type S c'est à dire qu'elles sectionnent les 2 réseaux locaux, en cas de besoin un pontage peut être assuré pour alimenter toutes les sous-stations par le même poste HT. 
 


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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).


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Annexe a Rapport electrique dreux
Les LIGNES de CONTACT
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), 
• Être suffisamment solide par rapport à la captation du courant par le pantographe, pression au panto
 

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

Il est également nécessaire de réduire l'échauffement provoqué par le passage du courant et limiter les chutes de tension résultant d'un transport lointain, (multiplier les point de contact, le nombre de panto)

D'un point de vue électrique.
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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 verglas, 
• Elles doivent permettrent une captation correcte de la tension par l'engin moteur en assurant la régularité du contact par nivellement du fil de contact et assurer une souplesse dans la captation du courant.

Le câble porteur présente une flèche intentionnelle, le fil de contact est suspendu au porteur par des pendules, (un point dur est présent au droit des supports caténaires), 
Ce type de caténaire est utilisé sur certaines voies principales à vitesse limitée, certaines voies d'évitement ou sur des voies de circulation dans les établissements importants.

Elles sont identiques au caténaire légères mais avec un 2ième fil de contact, des pendules supportent, alternativement, un fil de contact puis l'autre.
Utilisation : 
Identiques avec avant mais dans les lieux ou les intensités appelées sont élevées (démarrage, circulation en rampe) 
 

LES DIFFÉRENTS TYPES de CATÉNAIRE
La caténaire légère.
Dans la figure précédente 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.
 
La caténaire simple.
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Caténaire composé (dite normale ou compound).
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ALIMENTATION des SOUS-STATIONS en 25kV MONOPHASÉ
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 de courant.
Des transformateurs élèvent la tension produite par les centrales pour alimenter le réseau général à très haute tension (de 63 Kv à 400Kv).  
 
Le transport à haute tension permet de réduire les pertes et d’alléger les installations, il s'effectue dans des lignes aériennes. 
 
les centrales sont reliés à des postes hautes tension (poste HT) placés au voisinage des zones d'utilisation intense, tous les postes HT sont eux-mêmes réunis entre eux par d'autres lignes aériennes,  
il en résulte que le transport à haute tension se fait, depuis l'ensemble des centrales en service jusqu'aux points d'utilisation, par un réseau maillé analogue à un grillage , cette disposition se rée permet de pallier les défauts d'alimentation par l'un des côtés d'une maille, en cas d'incident ou de coupure pour entretien par exemple, on dit que les postes sont interconnectés,  
 
 
les différents poste HT du réseau général abaissent la tension qu'ils reçoivent à une tension comprise entre 15000 à 90000 volts, pour alimenter des réseaux locaux chargés eux-mêmes d'alimenter les utilisateurs par l'intermédiaire de postes de transformation, ce sont ces réseaux locaux qui alimentent les sous-stations de la SNCF. Pour garantir le fonctionnement des sous-stations, les lignes des réseaux locaux peuvent être doublées ou bien ces réseaux peuvent bénéficier d’alimentation diverses, soit par interconnexion, soit par des moyens de secours, ainsi les risques de défaut d'alimentation des lignes électrifiées de la sncf sont-ils considérablement réduits.
Alimentation des sous-stations.
Sous courant 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.  
 
Il est également nécessaire de réduire l'échauffement provoqué par le passage du courant et limiter les chutes de tension résultant d'un transport lointain, (multiplier les point de contact, le nombre de panto)

Cependant la valeur de l'intensité à véhiculer et captés 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 60 km, 
 
Les sous-station sont alimentées en antenne, 
 
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 SOUS-STATIONS
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,
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, (176 A sous 25Kv monophasé pour une BB22200)
• Être suffisamment solide par rapport à la captation du courant par le pantographe,  pression au panto
 
Le dimensionnement est fonction de la tension d'alimentation et du courant transporté, 
Il est nécessaire de réduire l'échauffement provoqué par le passage du courant et limiter les chutes de tension résultant d'un transport lointain, 
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 verglas, 
• Elles doivent permettrent une captation correcte de la tension par l'engin moteur en assurant la régularité du contact par nivellement du fil de contact et assurer une souplesse dans la captation du courant.

LES DIFFÉRENTS TYPES de CATÉNAIRE
Caténaire normale à suspension classique.
Elle est identique, dans son principe, à la caténaire légère à courant continu, avec ses 2 fils (1 porteur et 1 contact) la section offerte au passage du courant est largement suffisante,  
par contre nous retrouvons le manque de souplesse signalé précédemment lors du passage en vitesse sous les appui.

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.

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 intitulé « suspension en Y », il est analogue au montage des caténaires composées à courant continu (1).

Caténaire simplifiée
Pour permettre l'électrification économique de ligne faible importance, on utilise une solution intermédiaire entre les 2 montages c'est à dire : 
Dans son ensemble la ligne ne comporte que le fil de contact comme dans le cas de la suspension ordinaire (tramway), 
Au droit des supports, pour permettre le passage à une vitesse moyenne (de 70 à 120 km/h), on monte un porteur pour éliminer les points durs et permettre un meilleur nivellement grâce à la régularisation de la tension mécanique (2), 
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Le 2 * 25 Kv
Annexe a Rapport electrique dreux
Le DÉSAXEMENT des LIGNES de CONTACT
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Annexe a Rapport electrique dreux
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Le SECTIONNEMENT des LIGNES de CONTACT
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Annexe a Rapport electrique dreux
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