RESEAU D’ENERGIE ET EQUIPEMENTS DE TRACTION · problématique de la traction électrique...

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FORUM EPFL-INDUSTRIE Réseaux d'énergie et équipements de traction 1 RESEAU D’ENERGIE ET EQUIPEMENTS DE TRACTION Mes coordonn Mes coordonn é é es: es: 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 : [email protected] LAUSANNE 14 Octobre 2004

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RESEAU D’ENERGIE ET EQUIPEMENTS DE TRACTION

Mes coordonnMes coordonnéées:es:

Christian COURTOIS

SNCF - Direction de l'IngénierieDépartement des Installations fixes de traction électrique6, Avenue François Mitterrand93574 LA PLAINE SAINT DENIS

Tél : (33) 1 01.41.62.06.59Fax : (33) 1 01.41.62.48.91 courriel : [email protected]

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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 Avantages de la traction éélectrique :lectrique :

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 Avantages de la traction éélectrique (suite) :lectrique (suite) :

Locomotives Coût kilométrique Nombre d’incidentstraction / 106 km train

Electrique(BB 15000)

0,278 €uro /kmou 0,42 FS /km

1,8

Diesel(BB 72000)

1,161 €uro /kmou 1,74 FS /km

12,5

coût kilométrique 4 fois inférieur

nombre d ’incidents 7 fois inférieur

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\LL ’é’électrification en Europelectrification en Europe

750 V dc1,5 kV dc15 kV 16,7 Hz 3 kV dc25 kV 50 Hz

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EVOLUTION DE L’ELECTROTECHNIQUEL ’EXEMPLE FRANÇAIS

Année 1920

Electrification à courant continu 1500V

Le réseau P.O-Midi créé

• ses barrages

• 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.

LAU NE 14 Octobre 2004SAN

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OGIVE CATENAIRE MIDI

SOUS-STATION A COURANT CONTINU

Barrage de CaillaouasSHEM-SNCF

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FORTE INFLUENCE DE L ’INDUSTRIE SUISSE SUR LE DEVELOPPEMENT DU CHEMIN DE FER

ELECTRIQUE EN FRANCEBB 9002

2 D 2

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Puissances : Sous-station 2MW tous les 25kmtechnologie = machines tournantes

Fort courant, tension faible, pertes importantes dans le circuit de tractionLimitation de la tension due aux isolants.

Utilisation maximale aujourd’hui

Sous-station de 14MW tous les 10kmtechnologie = 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

BB 36000LAUSANNE 14 Octobre 2004

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LA TRACTION ELECTRIQUE CÔTĒ INSTALLATIONS FIXES

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Puissances appelées

Espacement moyen surligne classique

des sous-stations

Section caténaire enmm² Cu (neuve)

Puissance transitéepar la caténaire

1,5 kV 10 à 15 Km 400 2,7 MW

25 kV 40 à 50 Km 150 16 MW

2x25 kVLGV

50 à 55 Km LGV Nord-Europe etMéditerranée(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’)

Caténaire : 200

Feeder : 150

En 50 kVtransport 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 kVAUtilisation 4h / jour → 120h / moisEn = 720 kWh / mois

Consommation mensuelle LGV A équivalenteà la consommation d’une ville de 40000 foyers(environ 120000 habitants)

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LIGNES ELECTRIFIEESau 31/12/2000

Département IGTE

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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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Consommation annuelle (en Millions de kWh)

2500

18003150

LGV25 kV1500 V

Les sous-stations :

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LA PROBLĒMATIQUE DE LA TRACTION ĒLECTRIQUE CÔTĒINSTALLATIONS 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 clientraccordé.

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.

Niveaux d’Engagements pris par RTE aux Points de Livraison des utilisateurs du RPT(consommateurs et distributeurs)

Déséquilibre Taux moyen = 2%Rang 5 et 7 11 et 13 17 et 19 23 et 25Impaires non

multiples de 3 Taux (%) = 4 3 2 1,5Rang 3 9 15 et 21Impaires

multiples de 3 Taux (%) = 4 2 1Rang 2 4 6 à 24PairesTaux (%) = 3 2 1

Tensionsharmoniques

Taux global (1) (%) = 6

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. En 1,5kV continu ⇒ harmoniques

. En alternatif ⇒ déséquilibre (50Hz)⇒ harmoniques (16,7Hz et 50Hz)

Vd1

Système inverse

+Vi2

Vi1

Vi3

Système réel Système direct

=

En application de la méthode des composantes symétriquesVd3

Vd2

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

ph0

ph4

ph8

= +-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30 ph0ph4

ph8

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

ph0

ph4

ph8

Autre méthode de présentation

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4.1 Voltage

The characteristics of the main voltage systems (overvoltages excluded) are specified in Table 1below.

Table 1 - Nominal voltages and their permissible limits in values and duration

Electrificationsystem

Lowestnon-permanent

voltageUmin2

V

Lowestpermanent

voltageUmin1

V

Nominal voltage

UnV

Highestpermanent

voltageUmax1

V

HighestNon-permanent

voltageUmax2

V

d.c(mean values)

400500

1 0002 000

400500

1 0002 000

600 a750

1 5003 000

720900

1 8003 600

8001 00019503 900

a.c(r.m.s values)

11 00017 500

12 00019 000

15 00025 000

17 25027500

18 00029 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

V o lta ge an d freq u en cyTrain se rv ices n eed stand ard isa tion o f the v o ltage an d freq uenc y v alu es as s tipu la ted fo rin tero perab ility.

T ab le 4 .1

V o ltages and frequen cies

L in e ca tego ryV o ltag e an d frequ en c y

C onn ectin g lines U p grad ed lines H igh -sp eed lines

A C 25 k V 50 H z X X X

A C 15 k V 16 ,7 H z X X (1 )

D C 3 kV X X (2 )

D C 1 ,5 kV X X —

(1 ) In co un tries w ith ne tw ork s e lectrified a t A C 15 kV 16 ,7 H z , it is p erm iss ib le fo r th issystem to be u sed fo r new h igh -speed lin es. It is perm issib le fo r the sam e system to beap p lied in ad jacen t co un tries w hen it can be econ om ically ju s tified b y the M em ber S tate .N o assessm en t is requ ired b y th e N o B o in th is case .

(2 ) It is p erm issib le fo r th e D C 3 kV su pp ly to b e u sed in Ita ly, S pain an d P o land fo rex isting lin es and n ew h igh -speed lin e sectio ns o pera ted a t 25 0 k m /h w hen elec trifica tionw ith A C 2 5 kV 5 0 H z w ou ld create a risk o f d is tu rb ing g roun d and on -bo ard s ignallingeq u ipm en t on an ex isting line loca ted near the n ew 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 bypantographs 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 andthe lateral deflection of the contact wire under the action of a cross wind all govern theinteroperability 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 Upgradedlines

High-speed lines

1 Nominal contact wire height(mm)

Between 5 000and 5 750

(1), (2), (3)

Between5 000 and5 500

(1), (2), (3)

Between 5 080and 5 300

(3), (4)

2 Permissible contact wiregradient in relation to thetrack and variation of gradient

EN 50119, version 2001, clause5.2.8.2

No plannedgradientsacceptable

3 Permissible lateral deflectionof the contact wire underaction of cross wind (mm)1

= 400

(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 inclauses 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/orcurved track this value shall be reduced in accordance with EN 50367, version 2004, Annex A.3.

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

• améliorer les rendements (déjà élevés aujourd’hui)

Excitation generator

Magnetic supportRotating rectifier

Main machine

Flywheel

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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

- générer du soutien de tension en ligne

(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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