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traction
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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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\ 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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