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1 - DYNAMIQUE FERROVIAIRE

2 - ALIMENTATION DU RÉSEAU DE TRACTION ÉLECTRIQUE

Article de référence | Réf : D5501 v2

Alimentation du réseau de traction électrique
Traction électrique ferroviaire - Dynamique ferroviaire et sous-stations

Auteur(s) : Christian COURTOIS, Jean COUMEL

Date de publication : 10 août 2009

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RÉSUMÉ

La traction électrique ferroviaire, dont un des aspects est de couvrir et la très grande vitesse et les trafics urbains et sururbains, possède une dynamique qui lui est spécifique. La définition de ses performances englobe notamment le calcul des efforts nécessaires en marche, la notion d’adhérence, la caractéristique effort/vitesse. Cet article contient les caractéristiques des engins moteurs électriques, qui permettent le bon dimensionnement des installations fixes de traction, soumises à des charges mobiles et très fluctuantes. Il comporte également les principes respectifs des alimentations de traction électrique à courant continu 1,5 kV et des alimentations de traction 25 kV-50 Hz.

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ABSTRACT

The electric railway traction, one aspect of which is to comprise both very high speed and urban and suburban traffic, has a particular dynamic. The definition of its performances encompasses, in particular, the calculation of the necessary effort in operation, the notion of adhesion, the tractive effort/speed characteristic. This article presents the particularities of electric traction units which allow for the appropriate dimensioning of fixed traction installations subjected to mobile and extremely fluctuating loads. It also includes the respective principles of the 1.5kV direct current electric traction supply and 25kV-50Hz traction supplies.

Auteur(s)

  • Christian COURTOIS : SNCF – Direction de l'Ingénierie - Département des installations fixes de traction électrique - Chef de la Division IGTE-ZU1 Équipements d'alimentation des lignes électrifiées

  • Jean COUMEL : Ingénieur de l'École nationale supérieure des arts et métiers et de SUPELEC - Cadre supérieur honoraire SNCF -

INTRODUCTION

A ce jour, en France, 54 % des lignes du réseau ferré national, soit 15 350 km (dont 9 380 km électrifiés en 25 kV-50 Hz) sur 28 500 km, sont électrifiés et assurent plus de 90 % du trafic ferroviaire national.

La traction électrique ferroviaire est actuellement caractérisée par les aspects suivants :

  • compte tenu des puissances nécessaires pour des trains de capacité unitaire de plusieurs centaines de voyageurs, elle est le vecteur unique tant de la très grande vitesse ferroviaire que des trafics urbains et suburbains. Les trains à grande vitesse utilisent, au-delà ou en amont des lignes à grande vitesse, les lignes classiques électrifiées pour desservir de nombreuses villes ;

  • la prééminence de l'électrification monophasée sur l'électrification à courant continu (coût, capacité), fait que les nouvelles électrifications sont presque toujours en 25 kV-50 Hz, sauf quelques prolongements courts du réseau 1,5 kV. La conversion au monophasé 25 kV de lignes électrifiées en 1,5 kV, avec l'exigence de durées réduites d'interruption du service, constitue un challenge d'actualité ;

  • les grandes innovations en matière de chaînes de traction, en particulier au niveau des convertisseurs d'énergie et des moteurs de traction triphasés associés. Les puissances massiques accrues permettent de réaliser des engins moteurs « polycourants ». Grâce à l'obtention d'un facteur de puissance très proche de 1 dans tous les régimes de fonctionnement et des spectres harmoniques réduits, ils permettent désormais une meilleure utilisation des installations fixes de traction monophasées. Les développements des convertisseurs de puissance concernent aussi les installations fixes de traction (compensation de déséquilibre, amélioration de l'alimentation en ligne par injection pilotée d'énergie réactive) ;

  • sa forte implication dans le processus d'interopérabilité ferroviaire engagé au niveau de l'Europe, dans le cadre de la mise au point des « spécifications techniques d'interopérabilité » du domaine « Énergie ». Cette démarche concerne tant le réseau à grande vitesse que celui du rail dit conventionnel ou lignes classiques. Le sous-système Énergie présente des interfaces majeures avec le sous-système Matériel roulant, dans le domaine de la traction électrique.

Ce dossier comporte :

  • des rappels relatifs à la dynamique ferroviaire et aux caractéristiques des engins moteurs électriques, éléments qui sont fondamentaux pour le dimensionnement des installations fixes de traction, soumises à des charges mobiles et très fluctuantes ;

  • les principes respectifs des alimentations de traction électrique à courant continu 1,5 kV et des alimentations de traction 25 kV-50 Hz, dont la variante dite 2 × 25 kV, qui fut initiée en France au début des années 1980, à l'occasion de l'électrification de la première ligne à grande vitesse, Paris-Lyon.

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VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-d5501


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2. Alimentation du réseau de traction électrique

2.1 Généralités

HAUT DE PAGE

2.1.1 Historique et évolution technique

C'est au début de ce siècle qu'apparaît la traction électrique en France avec la mise en service en 1900 des lignes Orsay-Austerlitz et Invalides-Moulineaux alimentées par une tension continue de 600 V depuis un troisième rail. Parallèlement, le réseau du Midi met en œuvre pour les concessions de lignes pyrénéennes le courant alternatif monophasé 12 kV à 16,7 Hz. Ce dernier ne sera pas étendu au reste du territoire suite au choix gouvernemental d'électrifier les lignes en courant continu 1,5 kV.

  • Le choix des tensions continues de 600 V, 750 V puis 1 500 V était lié à l'origine au choix du moteur de traction et à son mode de commande : moteur à courant continu à excitation série, commandé par l'intermédiaire d'un rhéostat dont la caractéristique effort-vitesse résultante est bien adaptée aux besoins de la traction ferroviaire.

    C'est en 1919 que la Compagnie du Midi décide l'électrification de son réseau en tension continue 1,5 kV. À partir de cette date, elle crée son propre réseau d'énergie avec ses usines hydroélectriques, ses lignes de transport à 150 kV à 50 Hz et une distribution à 63 kV à ses sous-stations par des lignes dont les supports sont souvent communs avec ceux des installations des caténaires.

    Peu après, la Compagnie Paris-Orléans suit cette même voie et, à l'exception de la ligne de la Maurienne électrifiée entre 1925 et 1930, c'est au tour du réseau PLM d'être électrifié en 1 500 V continu après la guerre.

    Les sous-stations « continues » alimentées par le réseau triphasé haute tension 63 kV ou 90 kV à 50 Hz (à l'origine SNCF, puis EDF) convertissent l'énergie par abaissement de la tension et redressement de celle-ci. L'espacement entre les sous-stations varie de 8 à 25 km suivant le trafic et l'équipement des réseaux à haute tension.

  • Simultanément, de grands réseaux européens ont développé le système d'électrification en tension alternative 15 kV...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SABATÉ (V.) -   Traction électrique ferroviaire – Convertisseurs et moteurs.  -  [D 5 502] Réseaux électriques et applications, mai 1998.

  • (2) - MULLER (G.) -   Traction ferroviaire : les tramways – Systèmes, exploitation et conception.  -  [D 5 550] Réseaux électriques et applications, nov. 2007.

  • (3) -   Traction électrique ferroviaire – Le tram-train.  -  [D 5 552] Réseaux électriques et applications, fév. 2008.

  • (4) - CHAPAS (P.), PETIT (J.-M.) -   Dimensionnement du matériel roulant ferroviaire.  -  [D 5 520] Réseaux électriques et applications, nov. 2004.

  • (5) - CHAPAS (P.), DEBRUYNE (M.) -   Composants de l'électrotechnique en traction ferroviaire.  -  [D 5 530] Réseaux électriques et applications, nov. 2004.

  • (6) - ALACOQUE...

1 Sources bibliographiques

TESSIER (M.) - Traction électrique et thermoélectrique. - Éditions Riber (1978).

ALLENBACH (J.M.) - CHAPAS (P.) - COMTE (M.) - KALLER (R.) - Traction Électrique. - Presses Polytechniques et Universitaires Ronandes (2008).

COSSIÉ (A.) - Cours de traction électrique. - Cours CNAM (1983).

CUYNET (J.) - La traction électrique en France 1900-2005. - Les éditions La Vie du Rail (04-2005).

MICHON (J.) - 10 années d'alimentation du TGV SUD-EST. - Revue Générale des Chemins de Fer, France, p. 59-61, oct. 1991.

CHAUVIN (L.) - Les calculs d'horaires, d'énergie et d'échauffements sur ordinateur. - Revue Génerale des Chemins de Fer, mars 1959.

BIED-CHARRETON (D.) - Introduction à la cinématique ferroviaire. - Revue Génerale des Chemins de Fer, juil.-août 2004.

COURTOIS (C.) - Introduction of power electronics in traction power supply fixed installations. - WCRR, Seoul (2008).

BARRET (Ph.) - Régimes transitoires des machines tournantes électriques. - Éditions Eyrolles, p. 37-82 et p. 165-195 (1982).

SEGUIER (G.) - NOTELET (F.) - Électrotechnique industrielle....

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