Comment augmenter l’efficacité de la traction électrique sous 2x25kV avec feeder positif, à iso arrangement caténaire, sans coûts supplémentaires ? Tel est l’objectif de ce propos. Dans cette perspective, nous allons d’abord démontrer que le choix de l’arrangement des constituants de la caténaire et de leur polarités a un impact direct sur la qualité de la traction électrique en 2x25 kV avec feeder positif à iso équipements. Nous déterminerons ensuite que les gains en « qualité » d’alimentation se situent dans un intervalle de 5 % à 15 %. Un tel gain ne peut être ignoré aujourd’hui pour une exploitation des circulations ferroviaires performante.
Définitions préalables et objectifs
« Arrangement » de caténaires
Un « arrangement » de caténaires présente les différents conducteurs électriques d’un dispositif de caténaires sous une forme ordonnée dans l’espace. La description de l’occupation physique des différents conducteurs en est donnée par une coupe transversale par rapport à l’axe de la voie. Par exemple, pour un système 2x25kV avec feeder positif, il convient de positionner pour chaque voie ferroviaire les différents conducteurs électriques : un porteur, un fil de contact, un feeder dit « négatif », un feeder dit « positif », un conducteur de protection aérien (CdPa) et les rails. Certains de ces conducteurs sont déjà et naturellement positionnés physiquement comme les rails, le porteur et le fil de contact caténaire. Les trois autres, à savoir les deux feeders et le CdPa peuvent être positionnés au gré des besoins et nécessités,mais aussi en tenant compte des distances d’isolement électrique. Lorsque le positionnement et leur polarité électrique de chacun des conducteurs est établi, l’ensemble forme un « arrangement ».
« Iso équipements »
Pour pouvoir comparer les arrangements, il est aussi nécessaire de disposer d’un ensemble de données communes. Ces différentes données sont celles utilisées le plus couramment dans une électrification de ce type (Nombre, sections et nature des conducteurs).
« Qualité » de l’alimentation de traction
La « qualité » de l’alimentation de traction se caractérise sous un système d’alimentation 2x25kV, soit en autorisant un espacement plus grand des points d’injection ; les sous-stations, soit en permettant un accroissement de la charge électrique (puissance disponible) des convois ferroviaires, voire même, un mixte des deux précédentes possibilités. Ainsi la mesure de cette qualité de l’alimentation de traction permet de fait, de déterminer les améliorations possibles en performance du système d’alimentation de la traction.
Objectifs
Depuis l’origine des électrifications en 2x25 kV, comme l’étoile d’Angers, puis de la ligne nouvelle Paris-Lyon, cette dernière étant équipée pour partie d’un feeder positif, les arrangements des caténaires ont toujours été définis en tenant compte de considérations d’ordre environnemental ou de facilité de montage par exemple, mais en aucun cas pour améliorer le système électrique d’alimentation de la traction en 2x25 kV.
En utilisant différents logiciels (Excel et Simulink), dont l’un est un simulateur d’équipements électriques, nous pouvons ainsi comparer différents « arrangements » et prouver que le choix d’un type d’arrangements n’est pas sans conséquence.
Le processus d’analyse
Tous les résultats présentés pour les simulations ont été obtenues à partir du processus suivant :
- Etablir la liste des caractéristiques de chaque conducteur afin que chaque simulation s’appuie sur les mêmes bases
- Définir le calcul des impédances propres et mutuelles sur la base des formules de Carson Clem précisées dans le document du CCITT volume IV en annexe I
- Etablir la réduction de la matrice de dimension 14x14 en une matrice de nombres complexes de dimension 10x10 sous excel (xls)en utilisant les prescriptions du CCITT volume IV en Annexe I (Proximité d’éléments de même polarité)
- Etablir la réduction de la matrice de dimension 10x10 en une matrice de nombres complexes de dimesnion 5x5 sous excel (xls) en utilisant les méthodes mathématiques conventionnelles (entre éléments de même polarité)
- Réaliser sous Matlab/Simulink une simulation dont le schéma est présenté dans le paragraphe suivant en considérant que l’impédance caténaire entre deux points et modéliser par une éléments de 5 éléments ayant une impédance complexe.
La valeur électrique permettant une comparaison
Pour pouvoir comparer les performances électriques des différents arrangements caténaires, il est nécessaire de définir une valeur électrique représentative de l’efficacité des solutions envisagées.
La valeur électrique retenue et usuellement utilisée pour déterminer les performances d’une source d’énergie est sa puissance électrique en court-circuit qui dans le cas présent se caractérise par le courant de court-circuit en chaque point de la zone alimentée sous le système d’alimentation de la traction 2x25 kV avec feeder positif.
Ainsi pour un arrangement, la courbe constituée des valeurs du courant de court-circuit en fonction de sa distance au point d’injection est une représentation des valeurs électriques permettant de caractériser la performance en termes de qualité d’alimentation.
Les simulations seront établies sur la base d’un schéma classique d’alimentation en traction électrique sous 2x25kV en double voie. Ce schéma est constitué des éléments suivants :
- d’une sous station équipée d’un transformateur de 60 MVA et raccordée au réseau de transport d’énergie sous 220kV monophasé et ayant une Pcc de 4850 MVA
- puis de 6 pas de 10 km de long, chacun étant constitué de 10 km de caténaire et ayant un AT (Autotransformateur) de 12 MVA raccordé en extrémité.
Le schéma Matlab/Simulink proposé ci-dessous concrétise cette description.
Les simulations sont réalisées sur la base d’une matrice 5/5 qui est présenté au § 1.5.
En court-circuitant le système devant la sous station puis après chaque pas d’AT, nous obtiendrons, 7 valeurs du courant en court-circuit (Icc) pour chaque arrangement. Ces 7 valeurs du courant en court-circuit, seront présentées sous la forme d’une courbe (dont un exemple est présenté dans la figure suivante), les valeurs intermédiaires entre deux points ne représentent rien, seule la courbe dans sa globalité est comparable à une autre associée à un autre arrangement.
Les courbes sont notées Icc = f(d) soit le courant de court-circuit en fonction de la distance au point d’alimentation et dans le cas étudié du présent document jusqu’à 60 km (6 pas d’AT de 10 km).
Courbe en exemple, établie à partir des 7 points d’évaluation.
Lors des études ayant amené au brevet d’Egis Rail, le logiciel Simalim d’Egis Rail et le logiciel de simulation de l’Université de Birmingham avaient aussi précisé les courants de court-circuit le long du secteur d’alimentation. Les valeurs et la forme des courbes trouvés permettent de confortés les résultats des présentes simulations.
Ce qui est remarquable dans cette valeur associée aux courants de court-circuit, c’est qu’elle est liée à la distance d’alimentation car elle représente l’impédance de la source tout au long du secteur d’alimentation, donc à Icc identiques performances identiques en termes de chutes de tension.
Le point de départ de la courbe en haut à gauche est le courant maximal du transformateur de la sous-station, l’impédance interne de la source et du transformateur limite ce courant à 14 000A (Pour mémoire cette valeur limite est donnée par la Spécification Technique d’Interopérabilité (STI). Puis plus on s’éloigne de la sous-station et plus le courant de court-circuit décroit puisque l’impédance croit en fonction de la longueur de la caténaire rajoutée et des impédances des AT.
Pour permettre une lecture rapide, plus cette courbe est haute dans le graphique, plus les valeurs des courants en court-circuit sont importantes et plus la qualité de l’alimentation de traction électrique sera optimale.
Lors des comparaisons des résultats de simulations des différents arrangements, tous les autres éléments sont identiques, comme la section et la matière des différents conducteurs, les caractéristiques électriques de la source des transformateurs et des autotransformateurs, etc.. Ainsi cette comparaison permet d’établir la différence de performance de traction électrique entre les arrangements 1 & 3 d’une part, puis 2 & 4 d’autre part, en modifiant ainsi les influences électromagnétiques des conducteurs caténaires.
L’analyse des différentes situations
Les arrangements caténaires pris en référence
La comparaison s’établie à partir de :
- des deux arrangements 1 & 2 de référence où le feeder positif est au plus près de la caténaire
- puis les deux arrangements 3 & 4 avec inversion par rapport aux deux arrangements 1 1 2 des polarités entre les feeders positif et négatif.
Ainsi dans ces deux arrangements 3 & 4 sont strictement identiques aux arrangements 1 & 2 sur le plan physique, seules les polarités des conducteurs sont différentes et le feeder négatif est donc au plus près de la caténaire.
L’arrangement 1 est la configuration standard en France lorsque la voie est équipée avec feeder positif, l’arrangement 2 est la configuration standard en Espagne avec un feeder positif.
Bien entendu d’autres arrangements en 2X25kV avec feeder positif sont possibles et peuvent être simulés et certains d’entre eux l’ont été. Dans un souci de simplification ils ne sont pas présentés dans ce document, car l’objectif de cet article est de démontrer que le choix d’un arrangement n’est pas sans conséquence sur les performances électriques et engage le long terme puisque ces installations ont des durées de vie de l’ordre du siècle.
Les possibilités des systèmes de simulation
Le processus de calcul des des impédances a été évoqués dans le paragraphe 1.5 La souplesse de ces logiciels à savoir Excel et Matlab/Simulink permet de tester tous les arrangements tels que définis dans ce document mais aussi toutes les autres configurations (telle que l’utilisation de transformateurs Scott ou d’autotransformateurs de puissance différente par exemple).
Les courbes résultat sont les suivantes:
Constats & Discussions
Constats
Les courbes résultats montrent entre elles une similitude et c’était attendu. Du fait de l’étalement de ces courbes selon l’axe des ordonnées, il est possible de classer ces arrangements en fonction de leur efficacité croissante d’ordre électrique. Cet ordre est 1,3,2 et 4. Et à Iso équipement l’ordre est 1, 3 et 2 , 4.
Ainsi il est prouvé que l’efficacité d’ordre électrique d’un arrangement est directement liée à sa constitution physique et la détermination des polarités électrique.
Le 2x25 kV standard français (Historique) avec feeder positif (cf. arrangement n°1) est électriquement le moins performant au regard des autres arrangements proposés ; ce constat n’était pas attendu mais il est bien réel.
Pour pouvoir quantifier la performance, nous avons choisi de définir une valeur d’extension de la distance de l’alimentation de traction à performance égale à 30 km. Pour mémoire, cette dernière distance est la distance moyenne des secteurs d’alimentation de traction sous 2x25kV en France.
L’arrangement n°3 (équivalent à l’arrangement n°1 avec inversion des polarités) apporte une amélioration significative de l’ordre de 5 km à 30km. Cette valorisation est présentée par le rectangle bleu, sur la figure présentée précédemment, puisque à performance électrique identique la distance d’alimentation croit de 5 km.
L’arrangement n°4 (équivalent à l’arrangement n°2 avec inversion des polarités) apporte une amélioration significative de l’ordre de 2.5 km à 30km. Cette valorisation est présentée par le rectangle rose sur la figure présentée précédemment.
Rappelons ici que l’inversion de polarités d’un arrangement, fait l’objet d’un Brevet détenu par Egis Rail, ce brevet montre à nouveau sa pertinence. Et les gains attendus sont bien présents et dépendent bien de l’arrangement choisi.
Discussions
Sur ces bases, mais aussi, sur les autres simulations réalisées des autres arrangements et non présentées dans ce document, l’inversion de polarités des feeders apporte systématiquement un gain, ce sont les conséquences du Brevet évoqué précédemment.
Ce gain est significatif si l’arrangement initial est le n°1, il est de l’ordre de 5 km à 30km soit une possibilité d’alimentation de la traction de 5 km au-delà de 30km avec la même qualité d’alimentation soit une possibilité d’upgrader la charge en termes de trafic de la ligne ferroviaire.
Le fait de prendre en compte l’efficacité de traction électrique en 2x25kV avec un feeder positif lors des choix de définition de l’arrangement caténaire peut permettre d’apporter un gain substantiel de l’ordre de 15% (5/30). Ce gain est apporté soit en distance d’alimentation à charge constante soit en augmentation de charge à distance constante, ce qui est somme toute non négligeable.
Conclusions
L’inversion de polarité des feeders à iso arrangement d’une caténaire et ce par rapport à ce qui est connu (à savoir la polarité plus au plus près de la caténaire), améliore le courant de court-circuit et donc améliore la puissance électrique disponible. Ainsi du point de vue exploitation, nous pourrions imaginer améliorer la vitesse ou augmenter la capacité du trafic sur la ligne.
Autre avantage éventuel, nous pourrions envisager de diminuer les chutes de tension en ligne et donc d’augmenter l’espacement entre sous-stations et ainsi optimiser l’architecture traction électrique.
Nous rappelons, que les propositions avancées ne remettent pas en cause les fondamentaux du système d’alimentation des caténaires alimentées en 2x25 kV avec feeder positif , et cela même dans le cas d’une simple inversion de polarité (comme l’arrangement 1 vers 3 ou de 2 vers 4) ; puisqu’en effet, toutes les autres données techniques restent identiques. A ce titre, il importe notamment de remarquer que l’homologation de la caténaire (pour son aspect captation, et interaction dynamique pantographe/caténaire) n’est pas impactée, et que les performances FDMS restent strictement identiques.
En définitif, même si la définition d’un type d’arrangement des caténaires dans un projet d’électrification ou de ré-électrification n’est certes pas un choix essentiel, il n’en reste pas moins que les gains constatés sont réels suivant l’arrangement choisi, et ce, sans aucunes dépenses d’infrastructures supplémentaires.
Les résultats obtenus encouragent ainsi les maîtres d’ouvrage à avoir un regard particulier sur leur choix d’arrangement caténaire en 2x25 kV avec feeder positif dont l’opportunité de gains en performance électriques est significative et reste à coûts identiques.