Transcript D5554

Transports électriques urbains
Distribution d’énergie. Automatismes de contrôle
par
Jean-Paul PERRIN
Ingénieur Civil de l’Aéronautique
Master of Sciences
Ingénieur en Chef
Conseiller Scientifique et Technique
Département du Développement
de la Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP)
et
Charles VENARD
Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité
Ingénieur Chef de Division
Groupe de Soutien Coordination et Études Techniques
Département des Équipements et des Systèmes Électriques
de la Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP)
1.
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
Conception du réseau de transformation et de distribution
d’énergie.....................................................................................................
Raccordement au réseau fournisseur d’énergie .......................................
Sous-station de redressement....................................................................
Distribution du courant de traction aux trains ..........................................
Alimentation des voies. Protections ..........................................................
Commande et contrôle de l’alimentation de la distribution du courant
de traction ....................................................................................................
Contrôle et automatisation du mouvement des trains .................
Différents niveaux de contrôle ...................................................................
Pilotage automatique ..................................................................................
Automatisation intégrale du mouvement des trains................................
Transmission d’informations ......................................................................
Technologie ..................................................................................................
Pour en savoir plus...........................................................................................
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22
Doc. D 5 554
D 5 554
6 - 1991
L
’article Transports électriques urbains fait l’objet de plusieurs articles :
— Conception du matériel roulant [D 5 551] ;
— Équipements électriques du matériel roulant [D 5 552] ;
— Équipements de traction [D 5 553] ;
— Distribution d’énergie. Automatismes de contrôle [D 5 554] ;
et les sujets traités ne sont pas indépendants les uns des autres. Le lecteur
devra assez souvent se reporter aux autres articles.
Cet article a pour but de décrire deux aspects fondamentaux de l’environnement direct du matériel roulant :
— la distribution d’énergie – on se limitera ici au courant continu – qui permet
d’alimenter les moteurs au travers d’un captage, par frotteur ou pantographe, sur
rail ou lignes aériennes de contact ;
— les automatismes de conduite qui contrôlent (avec un certain niveau de
sécurité) ou commandent le comportement du train en ligne et, à ce titre, agissent
sur les organes de freinage ou sur les moteurs ; ces dispositifs sont en général
reliés aux installations fixes par des systèmes de transmission plus ou moins
élaborés.
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TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
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En ce qui concerne la distribution d’énergie, on s’est efforcé de faire ressortir
les spécificités propres aux installations fixes d’alimentation et de distribution
du courant de traction pour un système de transport urbain de type ferroviaire,
domaine allant du tramway ou du métro léger au train de grande banlieue
[D 5 551].
1. Conception du réseau
de transformation
et de distribution d’énergie
Nous nous limiterons, dans cette étude, au système de transport
utilisant la traction électrique à courant continu, qui est le plus
fréquemment utilisé pour un réseau urbain de grande capacité.
L’alternatif est plutôt réservé à la desserte de grande banlieue où
les mêmes infrastructures sont communes à la banlieue et aux
liaisons interurbaines à grande distance.
La philosophie qui a présidé au choix du courant continu provient
de la nécessité pour le métro d’avoir un parc important de matériels
roulants pour un réseau peu étendu desservi avec un faible intervalle
(de l’ordre de 1 à 2 min) ; par contre, un système interurbain se caractérise par peu de matériel pour un kilométrage de lignes beaucoup
plus important, ce qui fait que, sur les grandes lignes, le matériel
moteur est complexe et les équipements fixes simples.
Ces diverses contraintes (fort impact de charge, grande disponibilité et niveau de perturbation acceptable sur le réseau source)
doivent donc être prises en considération pour le choix du niveau
de tension et du point de raccordement au réseau fournisseur. Outre
celles-ci, d’autres facteurs interviennent tels que la localisation et les
disponibilités en puissance des postes sources. La structure du
système de transport est également à prendre en compte ; le
problème peut être traité différemment suivant qu’il s’agit d’une
ligne ou, au contraire, d’un ensemble de lignes constituant un réseau.
L’énergie appelée à un instant donné est fonction des caractéristiques intrinsèques du matériel roulant (type de matériel : fer ou
pneu, courant maximal au démarrage, charge et composition des
rames), de la ligne (profil, distance entre stations, vitesses limites)
et de l’intervalle entre rames.
La puissance totale moyenne horaire (en wattheures), appelée
sur une ligne, est donnée par la formule :
3 600
P moy = C s × M × 2L × ---------------i
avec
1.1 Raccordement au réseau
fournisseur d’énergie
1.1.1 Évaluation des besoins
La fonction principale d’un système de transport est d’offrir aux
voyageurs des voitures-kilomètres (kilomètres parcourus par
l’ensemble du système de transport) et non pas de fabriquer des
kilowattheures, l’énergie électrique nécessaire au mouvement des
trains étant produite par un fournisseur d’énergie externe.
Les besoins énergétiques d’un système de transport urbain ou
suburbain représentent une demande énergétique importante,
pouvant atteindre jusqu’à 10 % de la consommation d’une ville [1].
Le raccordement au réseau local d’énergie doit être effectué à un
niveau de tension tel qu’il soit capable d’absorber les variations de
charge dues aux appels de courant des matériels roulants. Il faut,
en effet, préciser que, par suite du mouvement des trains, les appels
de courant constituent une charge très fluctuante dans le temps
suivant que l’on se trouve en phase traction, sur l’erre ou en phase
freinage ; ils varient aussi selon la disposition des trains le long de
la ligne.
Nota : la pointe de courant a une durée de quelques secondes sur le temps de parcours
(de l’ordre de la minute) d’une interstation.
Par ailleurs, le caractère de service public dévolu aux systèmes
de transport en commun et la circulation des trains qui s’effectue
fréquemment en souterrain nécessitent une alimentation présentant
une grande disponibilité.
Enfin, l’énergie étant livrée en courant alternatif, celle-ci doit être
transformée et convertie en courant continu à un niveau de tension
acceptable pour le matériel roulant ; cette conversion s’effectue au
moyen de redresseurs à semi-conducteurs dans des sous-stations
(ou postes de redressement). Le fonctionnement de ces redresseurs
est, par essence, non linéaire et se traduit par des distorsions de
la forme d’onde et la génération de courants harmoniques sur le
réseau source.
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C s (Wh/t · km) consommation spécifique,
i (s)
intervalle entre trains,
M (t)
masse totale en charge d’un train,
L (km)
longueur de la ligne, de terminus à terminus.
La figure 1 donne, à titre indicatif, quelques valeurs de la
consommation spécifique C s en fonction du type de matériel, du roulement, du gabarit, de la motorisation et du mode de commande
[à combinateur ou électronique, hacheur (article Équipements de
traction [D 5 553])], etc.
Le tableau 1 donne, de plus, quelques caractéristiques des capacités des différents types de matériels roulants utilisés à la RATP.
L’intervalle entre trains étant fonction de la capacité de transport
offerte, le réseau d’énergie doit être conçu et dimensionné pour la
période de trafic la plus chargée, c’est-à-dire correspondant à l’intervalle minimal.
1.1.2 Schémas de raccordement
Lorsqu’il s’agit d’un système de transport de faible capacité (2 000
à 5 000 voyageurs par heure) ou d’une ligne de métro (10 000 à
40 000 voyageurs par heure), l’énergie peut être fournie par des
raccordements en différents points du réseau à moyenne tension
(MT) de la compagnie locale de distribution d’électricité, tant que
la puissance moyenne horaire ne dépasse pas 20 à 25 MW.
1.1.2.1 Système tramway
Dans le cas d’un système tramway où les sous-stations de
conversion sont de faible puissance unitaire (inférieure au
mégawatt), il peut être envisagé de créer un réseau MT spécifique,
constitué d’une artère à deux câbles pouvant être alimentée à
chacune de ses extrémités par des postes sources différents. Cette
artère, déroulée le long du site propre réservé au tramway, alimente
en double dérivation chaque sous-station (figure 2).
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Figure 1 – Exemples de consommation spécifique pour différents types de matériel roulant
(0)
Tableau 1 – Caractéristiques des capacités pour quelques types de matériels roulants RATP
Type de matériel
MF 67 D (2)
MF 67 E
MF 67 F
Nombre
de
voitures
5
5
5
Capacité à 4/4
de la charge
Trafic
(2 voies)
(voyageurs/heure)
Interstation
moyenne
(m)
3
2
7
7
13
10
50 000
47 000
58 000
58 000
53 000
37 000
485
513
554
554
627
576
JH
1
4
6
66 000
70 000
50 000
665
425
505
JH
Hacheur
A
B
84 000
2 300
1 690
Mode
de commande (1)
806 places
806 places
806 places
JH
JHR bimoteur
JHR monomoteur
MF 77
5
800 places
Hacheur
articulé
6
737 places
JH
MP 59
6
982 places
JH
MP 73
5
806 places
MS 61 3 éléments
MS 79 2 éléments
9
8
571 places
1 686 places
(1) JH commande à combinateur.
JHR commande à combinateur avec récupération d’énergie.
Lignes
utilisées
(2) D, E, F lettres caractérisant des séries de matériel.
1.1.2.2 Ligne de métro
1.1.2.3 Réseau de lignes
Dans le cas d’une ligne de métro où les puissances des sousstations sont plus élevées (jusqu’à 3 MW, voire 4 MW), il peut être
nécessaire, en raison des impacts de charges et des perturbations
harmoniques, d’avoir recours à des branchements MT directs,
particuliers pour chaque sous-station (figure 3).
Pour des questions de disponibilité, les raccordements devront
être effectués sur des postes sources diversifiés électriquement et
géographiquement, de telle sorte que la défaillance de l’un d’eux
ne se traduise pas, le long d’une ligne, par la mise à l’arrêt de plus
d’une sous-station dans tout groupe de trois consécutives.
Dans le cas d’un réseau de transport dense et étendu, pour limiter
les phénomènes de flicker (papillotement des éclairages dû aux
impacts de charge) et les perturbations harmoniques (article Qualité
de la tension dans les réseaux électriques. Creux de tension, flicker
et harmoniques [D 4 260] dans ce traité), il est nécessaire de se
raccorder à des postes sources disposant d’une puissance de
court-circuit plus élevée, donc sur des niveaux à haute tension (HT :
63 ou 90 kV) voire à très haute tension (THT : 225 kV ou 380 kV). Ce
mode de branchement peut également être imposé par le fournisseur d’énergie pour des sous-stations d’une puissance nominale
supérieure à 4 MW.
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Figure 2 – Alimentation d’un tramway
en artère à deux câbles : principe
■ Le schéma à sous-stations multigroupes permet un plus grand
espacement entre sous-stations, mais exige une plus grande disponibilité de chaque sous-station. Il nécessite, de ce fait, au moins deux
points de raccordement, différenciés géographiquement et électriquement, avec le réseau local d’énergie, de telle sorte que la mise
à l’arrêt de l’ensemble de la sous-station soit impossible.
Cette solution est plutôt utilisée pour les lignes de banlieue
desservies avec un grand intervalle de temps.
■ Le schéma à sous-stations monogroupes nécessite un plus grand
nombre de sous-stations (dans un rapport compris entre 1,7 et 1,8),
mais autorise la perte de l’une quelconque d’entre elles.
Pour un système de transport de type métro, compte tenu des
faibles intervalles entre trains qui n’autorisent aucune interruption
de la fourniture d’énergie, cette solution est plus appropriée et
offre une meilleure disponibilité.
Figure 3 – Alimentation d’une ligne de métro
par raccordements directs : principe
Cette disposition offre l’avantage d’une meilleure disponibilité des
sources, mais nécessite la création d’un ou plusieurs postes de transformation HT/MT, à partir desquels s’effectue la distribution MT. Ces
postes peuvent être spécifiques et gérés directement par l’exploitant
du système de transport, ce qui lui garantit un plus haut degré d’indépendance et de maîtrise de son propre réseau.
La figure 4 illustre le cas du réseau de Paris, alimenté en énergie
électrique à haute et très haute tensions.
Au niveau 15 kV, un panachage des sources MT est assuré de
manière que la défaillance de l’une d’elles ne provoque pas de mise
à l’arrêt de plus d’un poste (ou sous-station de redressement), dans
tout groupe de trois consécutifs le long d’une même ligne (figure 5).
1.2 Sous-station de redressement
1.2.1 Fonction à réaliser
1.2.2 Conception d’une sous-station monogroupe
L’avantage d’un poste monogroupe est sa simplicité de conception
et donc de mise en œuvre. Un poste de redressement monogroupe
est alimenté en antenne à partir d’une seule arrivée MT (figure 5).
Il est constitué d’un bloc sectionneur, d’un bloc transformateur de
puissance et d’un bloc redresseur (figure 6) ; ces deux derniers
peuvent être ventilés comme le montre la figure 7 qui donne de plus
la disposition relative des différents blocs représentés sur la figure 6.
1.2.3 Critères d’implantation et de dimensionnement
Précisons tout d’abord que, pour éviter la généralisation, à
l’ensemble d’un réseau, d’un incident se produisant sur une ligne,
chacune dispose de sa propre alimentation de traction : c’est le principe de l’indépendance électrique de chaque ligne. Au niveau d’une
ligne, les postes de redressement débitent en parallèle sur celle-ci.
Ces postes sont implantés de telle sorte qu’ils soient capables de
fournir la puissance appelée par les trains et de délivrer une tension
permettant de garantir les performances du matériel roulant.
Les sous-stations (ou postes de redressement) assurent la transformation, le redressement et la distribution du courant de traction.
Deux structures sont possibles.
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Figure 4 – Alimentation du réseau ferré RATP en énergie électrique HT
La puissance appelée dépend du nombre de trains en ligne dans
l’interposte considéré, donc de l’intervalle entre trains (§ 1.1.1), et
de leurs caractéristiques, ainsi que du profil et du tracé de la ligne.
À titre d’exemple :
— pour un tramway (1 élément de 2 voitures, alimentées sous
750 V), les courants appelés varient entre 800 et 1 200 A ;
— sur le réseau de Paris, les courants varient de 2 000 à 4 000 A
pour le métro (matériel à adhérence partielle, composé de 5 à 6
voitures, alimentées sous 750 V, vitesse maximale limitée à 80 km/h
voire 100 km/h) et de 4 500 à 5 500 A pour le RER (adhérence partielle
et 8 à 9 voitures suivant les types de matériel, alimentées sous 1 500 V,
vitesse maximale 100 km/h).
Les variations maximales de tension admissibles par le matériel
roulant sont fixées par la norme CEI 850 :
— de 900 à 500 V si la tension nominale est de 750 V ;
— de 1 800 à 1 000 V si la tension nominale est de 1 500 V ;
— de 3 600 à 2 000 V si la tension nominale est de 3 000 V.
La puissance nominale d’un poste et sa localisation doivent être
déterminées de telle sorte que la première défaillance, c’est-à-dire
la mise à l’arrêt d’un poste sur un groupe de trois consécutifs,
n’entraîne aucune perturbation du mouvement des trains (principe
de la réserve active) ; cela signifie que, même avec l’arrêt d’un
poste, les contraintes de puissance et de tension sont respectées.
Outre ces contraintes électriques, d’autres paramètres peuvent
être pris en compte, par exemple insertion dans un site urbain très
dense entraînant une localisation là où les expropriations sont
possibles, à proximité d’un poste source ou d’une station, en
souterrain ou en aérien, cela afin de limiter les coûts de génie civil
et de raccordement qui sont les plus élevés.
Pour satisfaire les divers paramètres énoncés précédemment
(contraintes de puissance, de tension et d’implantation), il existe des
programmes de calcul sur ordinateur qui permettent, pour une
implantation donnée, de procéder par des calculs sur les grandeurs
électriques à la vérification du respect des diverses contraintes électriques et de réitérer les calculs jusqu’à ce qu’une solution satisfaisante soit trouvée. Ces programmes reposent sur des simulations
sur ordinateur de différents scénarios concernant le mouvement des
trains, la localisation des postes de redressement et leurs caractéristiques électriques, les divers constituants des circuits de distribution
(caténaire, rails, équipotentielles ...) du courant de traction et les
calculs de réseaux électriques correspondants [4].
1.2.4 Cycle de charge d’un poste de redressement
Les postes de redressement débitent des courants essentiellement
variables : à une charge de fond se superposent de nombreuses
pointes de courte durée correspondant aux démarrages ou aux
passages simultanés dans un même interposte de plusieurs rames,
comme le montre le diagramme de la figure 8 qui donne l’évolution
du courant appelé sur un poste pendant la durée d’un intervalle (qui
correspond à la périodicité du phénomène, soit 140 s dans ce cas).
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Figure 5 – Principe de panachage des postes sources, à la RATP
Figure 6 – Poste de redressement
monogroupe : disposition schématique
des blocs
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Figure 7 – Poste de redressement
monogroupe : disposition des blocs
et ventilation
Figure 8 – Évolution du courant continu instantané appelé sur un poste de redressement en fonction du temps
Au cours de la journée, la puissance évolue en fonction de l’intervalle entre trains (§ 1.1.1). À titre indicatif, la figure 9 donne
l’évolution de la puissance instantanée appelée un jour ouvrable sur
l’ensemble du réseau parisien. Sur ce graphique sont représentées
trois courbes de puissance en fonction des heures de la journée :
— la puissance éclairage force (courbe III) correspond à la puissance dissipée dans les installations fixes (éclairage, ventilation,
appareils élévateurs, systèmes, etc.) ;
— la puissance traction (courbe II) correspond aux mouvements
des trains ;
— la puissance totale (courbe I) résulte de la superposition des
deux courbes précédentes.
La publication 146 de la CEI (tableau III, classe de service VI pour
les sous-stations de grande traction) fixe le cycle type des surcharges
non cumulatives qui est de 50 % pendant deux heures et de 200 %
pendant une minute :
— la surcharge de deux heures conditionne le dimensionnement
du transformateur de puissance et des câblages ;
— la surcharge d’une minute conditionne le dimensionnement
des diodes.
Toutefois, dans certains cas, en fonction de la durée de pointe du
trafic ou des caractéristiques des matériels roulants, des cycles plus
contraignants doivent être adoptés. C’est ainsi sur le réseau
RER-RATP où, compte tenu de l’intervalle minimal et des appels de
courant des trains, il est imposé une surcharge en courant de 350 %
pendant une minute.
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dispositif de réglage de la tension en fonction du courant débité, que
ce soit par inductance autosaturable (pas de compoundage) ou, a
fortiori, par thyristors, la tension redressée varie linéairement en
fonction du courant débité dans la zone de fonctionnement utilisée
(article Composants semi-conducteurs de puissance : caractères
propres [D 3 100] dans ce traité). Le coefficient de proportionnalité
entre la tension et le courant est la pente du redresseur ; elle dépend
des caractéristiques dimensionnelles du transformateur-redresseur
mais également de la puissance de court-circuit du réseau source et
des caractéristiques du câble de liaison entre la source et le poste.
La chute de tension due à la pente s’ajoute à celle due à la résistance électrique des circuits de distribution alimentant les trains
[résistance du troisième rail ou de la caténaire et des rails de
roulement (§ 1.3)]. Pour limiter cette chute de tension, on a intérêt
à disposer de groupes redresseurs ayant une faible pente, mais la
contrepartie est le risque de courant de court-circuit élevé qui
conditionne le choix des diodes. Il faut donc trouver le bon
compromis.
À titre d’exemple, à la RATP, la pente des groupes à 750 V est de
l’ordre de 10 V/kA et celle des groupes à 1 500 V de 30 V/kA.
Ces valeurs peuvent être doublées par suite des impédances de
la source et du câble de liaison.
Figure 9 – Évolution de la puissance appelée sur le réseau RATP
pour un jour ouvrable
1.2.5 Considérations sur le dimensionnement
des installations fixes d’alimentation
de traction
Avec l’utilisation des matériels roulants modernes à récupération
d’énergie, il paraît nécessaire de disposer de capacités de surcharge
d’une minute supérieures à 200 % (§ 1.2.4). Ces matériels appellent
ou renvoient des courants élevés pendant de brefs instants, mais,
grâce à la récupération d’énergie entre trains, la puissance moyenne
est plus faible (de l’ordre de 25 à 30 % pour un matériel à adhérence
partielle comportant 2 motrices pour une remorque), d’où un facteur
de forme (rapport du courant efficace au courant moyen) plus élevé.
■ Le coût des équipements électriques d’une ligne dépend plus du
nombre de postes que de leur puissance unitaire. En conséquence,
si rien ne s’y oppose par ailleurs [contrainte de tension délivrée au
train et tension entre rail et sol restant à un niveau tel qu’il permet
de garantir la sécurité des personnes (§ 1.3.1)], il y a intérêt à
implanter des sous-stations dont la puissance unitaire est la plus
élevée possible.
À titre d’exemple, en 750 V :
— pour les lignes avec matériel sur pneumatiques, équipées de
barres de guidage servant également à capter le courant et de pistes
de roulement métalliques permettant d’avoir une faible résistance électrique linéique (moitié de celle d’une ligne à roulement sur fer § 1.3.1
et 1.3.2), on peut installer des groupes de 4 000 kW ;
— dans le cas de lignes à roulement sur fer, les contraintes de
tension n’autorisent, suivant les cas, que l’implantation de groupes de
2 000 à 3 000 kW.
Sur le réseau RER-RATP, les puissances unitaires des groupes
peuvent atteindre 4 500 kW, voire 6 000 kW en certains endroits
(tronçon central de la ligne A).
■ Outre leurs caractéristiques principales (puissance nominale et
cycles de charge), les postes de redressement se caractérisent par
l’évolution de la tension moyenne redressée en fonction du
courant débité. Pour un chemin de fer métropolitain, les postes de
redressement sont maintenant constitués uniquement de diodes au
silicium montées en pont de Graetz avec un redressement triphasé
double alternance. Ce type de redresseur ne possédant pas de
D 5 554 − 8
■ Des prises de réglage de la tension secondaire délivrée par le
transformateur permettent d’ajuster la tension redressée en
fonction de la tension alternative d’alimentation. Dans le cas d’un
redressement triphasé double alternance, la tension redressée à
vide U d0 est liée à la tension alternative secondaire entre phases U v0
par la relation
Uv
π
----------0- = ---------------U d0
3 2
1.2.6 Incidence de la régénération
sur le choix des groupes redresseurs
Avec l’utilisation de matériels roulants équipés de systèmes de
régénération d’énergie lors de freinages, tels les hacheurs de courant
notamment qui ont tendance à se généraliser, il y a intérêt à ne pas
choisir un niveau de tension trop élevé pour le fonctionnement des
redresseurs (choix de U d0 ), de manière à maintenir une marge
suffisante avec la tension maximale admissible par les trains. L’expérience nous conduit à préconiser au moins 10 %. Dans ces conditions,
sur le métro de Paris, la réceptivité naturelle de la ligne atteint des
taux voisins de 100 % aux heures d’affluence et supérieurs à 80 %
en moyenne sur la journée.
Nota : le taux de réceptivité ou réceptivité d’une ligne est le rapport de l’énergie électrique effectivement régénérée par les matériels roulants en phase de freinage à celle
régénérable.
L’utilisation de sous-stations réversibles (pouvant fonctionner en
onduleur sur le réseau MT) s’avère de ce fait sans intérêt sur le plan
énergétique (articles de la rubrique Électronique de puissance dans
ce traité). Néanmoins, dans des cas très particuliers, tels que lignes
à forte dénivellation et à faible trafic, et pour limiter les sollicitations
des freins mécaniques et les charges d’entretien sur les matériels
roulants, on peut avoir recours à des sous-stations réversibles, mais
il faut étudier avec soin les répercussions sur le réseau source alternatif en raison des tensions harmoniques importantes qui peuvent
en résulter.
Enfin, il faut souligner que l’adoption de la régénération d’énergie
se traduit par une augmentation du facteur de forme des courants
circulant dans les circuits de traction, qui pondère quelque peu les
gains auxquels on pourrait s’attendre sur le dimensionnement des
installations fixes. Ainsi, dans le cas d’une ligne nouvelle, si l’utilisation de matériels roulants à régénération à adhérence partielle
permet une économie de l’ordre de 25 à 30 % sur la facture de
consommation d’énergie, l’économie sur les frais d’investissement
relatifs aux équipements fixes n’est que de l’ordre de 10 %.
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1.3 Distribution du courant de traction
aux trains
La distribution du courant de traction aux trains s’effectue au
moyen :
— soit d’un troisième rail sur les lignes exploitées avec du matériel
fer ;
— soit de barres de guidage sur les lignes exploitées avec du
matériel sur pneumatiques ;
— soit de lignes aériennes de contact sur les lignes équipées de
caténaires.
Dans tous les cas, le retour du courant aux sous-stations est
assuré par les rails de roulement (et les pistes métalliques avec les
matériels sur pneumatiques).
1.3.1 Contraintes électriques
liées au choix des rails de roulement
Outre les aspects mécaniques liés au guidage et au roulement
des trains, les rails de roulement assurent le retour du courant
appelé par les trains vers les sous-stations ou entre trains en cas
de régénération. De ce fait, il existe des tensions entre rail et sol
qui peuvent engendrer des courants vagabonds, aux endroits où
l’isolement est défectueux.
En France, la réglementation (arrêté du 26 mai 1978 [Doc. D 5 554])
interdit pour les lignes électrifiées en courant continu d’utiliser la
terre comme conducteur actif, ce qui suppose une pose de voie
parfaitement isolée. En réalité, il est loin d’en être ainsi ; néanmoins,
on peut tendre vers cet objectif en utilisant des rails de roulement
présentant une bonne conductance (rail lourd, longs rails soudés),
en ne reliant pas en permanence la voie aux structures métalliques
avoisinantes (tels pont, gare ...), en plaçant la voie sur une infrastructure de faible conductivité (drainage hydraulique, ballast
propre, traverse saine, contact entre rail et ballast évité), enfin en
ayant le meilleur isolement possible vis-à-vis des canalisations ou
structures métalliques souterraines avoisinantes.
La contrepartie d’un isolement parfait est la possibilité de tension
élevée entre rail et sol. Les caisses des matériels roulants étant
généralement au même potentiel que les rails de roulement, il en
résulte pour les voyageurs, en particulier aux points d’arrêt, des
tensions de contact entre une masse quelconque reliée à la terre et
les caisses. Ce paramètre doit être pris en compte dans l’espacement
des sous-stations et la limitation de leur puissance unitaire. Toute
tension de contact permanent est considérée comme non dangereuse si elle est inférieure à 120 V en courant continu (NF C 15-100).
Néanmoins, lorsqu’il existe à proximité d’une voie une structure
métallique moins résistante que celle-ci, une partie du courant de
retour emprunte le chemin le moins impédant et, à l’endroit où le
courant I (en ampères) quitte la structure, il se produit une électrolyse et, en conséquence, la détérioration d’une certaine quantité de
métal M (en grammes) donnée par la loi de Faraday :
1
A
M = -------------------- ------ It
96 500 n
avec
A (g) masse atomique du métal,
n
t (s)
valence du métal,
temps.
Nota : ainsi, un courant de 1 A circulant pendant 1 an électrolyse environ 10 kg de fer ou
de cuivre et 30 kg de plomb.
Ces phénomènes d’électrolyse ne peuvent être constatés qu’après
la mise en service de la ligne et évoluent en fonction de l’importance
du trafic. Ils se rencontrent fréquemment à proximité des zones
d’atelier et de garage où, étant donné la juxtaposition de plusieurs
voies en parallèle, leur isolement est plus ou moins bien assuré.
Pour limiter ces phénomènes d’électrolyse, des postes de drainage peuvent être installés qui obligent le courant à revenir par
des circuits privilégiés.
En France, l’arrêté technique du 26 mai 1978 [Doc. D 5 554] fixe
les modalités et procédures à suivre en cas de pollution d’un riverain par une voie ferrée.
En ce qui concerne les tensions entre rail et sol, il est nécessaire,
pour limiter leur effet sur les voyageurs, de recouvrir les quais et
les murs de station d’un revêtement isolant. L’interposition de
moyens physiques ou l’éloignement permettent d’éviter que les
voyageurs puissent entrer en contact simultané entre les masses
métalliques reliées au circuit de terre de la station et les caisses
métalliques du matériel roulant. Dans les ateliers, des dispositions
particulières sont à prévoir pour permettre la maintenance du
matériel roulant.
Une autre solution plus onéreuse consiste à mettre en parallèle,
sur les files de rail, des feeders en cuivre ou en aluminium pour
diminuer la résistance des circuits de retour ; mais il faut s’assurer
que ces dispositions sont compatibles avec le fonctionnement des
circuits de signalisation ferroviaire qui utilisent également les rails
comme support de transmission : détection du rail cassé, création
de circuits fantômes (circuits supplémentaires constitués à l’aide
de deux circuits ayant le même parcours et associés de manière
que les conducteurs du premier, pris en parallèle, servent de
conducteur d’aller et les conducteurs du second, pris en parallèle,
de conducteur de retour).
Une autre disposition consiste à relier momentanément la voie
au circuit de terre de la station où se produisent des tensions entre
rail et sol supérieures au seuil de sécurité (cas d’un court-circuit en
ligne par exemple). Cela peut être réalisé par des contacteurs à
ouverture temporisée et commandée par un relais de tension. De
tels dispositifs nécessitent une surveillance permanente de manière
à garantir leur fonctionnement dont dépendent, d’une part, la sécurité des personnes et, d’autre part, une stricte limitation des courants
vagabonds supplémentaires. À ce sujet, il y a lieu de préciser l’intérêt
des sous-stations monogroupes par rapport aux sous-stations multigroupes. En effet, la chute de tension maximale se produit approximativement au milieu de l’interposte, mais elle est rencontrée
systématiquement avec des postes multigroupes alors qu’avec des
postes monogroupes la chute de tension n’est rencontrée qu’en cas
de défaillance du groupe et au droit de ce dernier.
Le tableau 2 donne, à titre indicatif, quelques valeurs usuelles de
résistance linéique à 20 oC de divers rails de roulement en fonction
de leur masse linéique. Ce seul paramètre n’est pas suffisant pour
caractériser un rail, il faut tenir compte du pourcentage d’impuretés.
(0)
Tableau 2 – Résistance linéique R à 20 oC
en fonction de la masse linéique m de quelques rails
m
(kg/m)
Type
Rail à gorge NP4 ..............
Rail à gorge ......................
Rail Vignole ......................
Rail UIC .............................
Rail ....................................
58
56
52
60
40
57,5
R
(mΩ/ km)
29,04
29,08
32,1
27,8
41,8
29
En première approximation, la formule ci-après donne, pour une
ligne à roulement sur fer, la résistance linéique R (en mΩ/km) en
fonction de la masse linéique m (en kg/m) du rail :
1 670
R = ---------------m
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D 5 554 − 9
TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
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L’utilisation de pistes métalliques pour le roulement sur pneumatiques permet de diminuer la résistance longitudinale du rail ; on
obtient, pour une piste métallique :
— de masse linéique de 68 kg/m :
R = 22,8 mΩ /km
— de masse linéique de 44 kg/m :
R = 21,2 mΩ /km
1.3.2 Contraintes électriques
liées au choix du troisième rail
■ Le troisième rail participe également aux chutes de tension dans
les circuits de distribution par le rapport des résistances entre circuit
positif et circuit négatif. Le troisième rail (circuit positif) ne doit pas
présenter une résistance trop faible (utilisation de rail sandwich,
c’est-à-dire rail composite constitué de différents matériaux
conducteurs, en fer-aluminium par exemple) par rapport à celle du
circuit négatif. En effet, la chute de tension globale maximale étant
imposée par le matériel roulant, il en résulte, pour les lignes équipées
d’un troisième rail sandwich, une chute de tension, dans les rails de
roulement, plus élevée que pour les lignes équipées d’un troisième
rail en fer, avec les divers problèmes exposés au paragraphe
(§ 1.3.1) ; il peut être nécessaire, dans certains cas, d’ajouter des
feeders négatifs.
Aussi, un bon compromis semble d’avoir une résistance du circuit
positif double de celle du circuit négatif.
Les contraintes mécaniques étant moindres que sur les rails de
roulement, on utilise un acier doux, ce qui conduit à des valeurs de
résistance linéique plus faibles, à masse linéique identique, que
celles des rails de roulement, comme l’indique le tableau de valeurs
ci-après :
— rail de courant T52 de masse linéique de 52 kg/m :
R = 18,6 mΩ /km
— rail de courant T75 de masse linéique de 75 kg/m :
R = 12,9 mΩ /km
■ Dans le cas de roulement sur pneumatiques, les deux barres de
guidage, faisant fonction de troisième rail, assurent également la
distribution du courant de traction ; cela donne :
— avec une masse linéique de 44,2 kg/m :
R = 21,9 mΩ /km
De plus, les courants transitant dans la ligne aérienne provoquent,
par effet Joule, son échauffement. La température atteinte par les
conducteurs constituant la ligne résulte de la température ambiante,
du degré d’ensoleillement, de l’échauffement par effet Joule et des
effets des vents. Cette température ne doit pas dépasser une certaine
limite (de l’ordre de 80 oC), faute de quoi cela se traduirait par une
dégradation de la résistance mécanique des conducteurs, qui
diminue avec la température atteinte, et entraînerait la rupture de
fils de contact compte tenu de la tension mécanique qui leur est
imposée pour assurer un bon captage [6]. La densité de courant
efficace transitant dans la ligne aérienne est donc limitée. L’expérience a conduit à ne pas dépasser, en situation dégradée d’alimentation correspondant à l’arrêt d’un poste de redressement dans tout
groupe de trois et compte tenu de la faible inertie thermique des
lignes (quelques minutes), une densité du courant efficace de
4 A / mm2 de section équivalente cuivre (c’est-à-dire section d’un
conducteur en cuivre présentant la même résistance électrique qu’un
conducteur constitué par l’alliage de différents métaux), de façon à
limiter la température maximale atteinte par les conducteurs à 80 oC.
Si la section totale équivalente cuivre est trop faible, on ajoute à la
ligne aérienne de contact un ou plusieurs feeders qui ne servent qu’à
véhiculer du courant.
■ Considérations mécaniques
Le passage du pantographe sur le fil de contact doit s’effectuer
sans discontinuité et sans produire de déformation excessive de la
ligne de contact. Sous la pression du pantographe, la ligne de contact
est soulevée et ce soulèvement varie suivant la flexibilité de la ligne.
Le soulèvement maximal se produit au milieu de deux suspensions
consécutives et décroît en allant vers celles-ci. Le pantographe est
sujet à des mouvements verticaux alternatifs qui, se combinant à
l’oscillation propre de la ligne, peuvent provoquer des décollements
de celui-ci par rapport au fil de contact, entraînant des flashs sur les
collecteurs des moteurs du matériel roulant.
La ligne aérienne de contact doit donc être telle que son
comportement lors du passage du ou des pantographes permette
d’assurer un captage satisfaisant pour une vitesse imposée. Par
ailleurs, elle doit assurer une bonne prise de courant sans qu’il y
ait une usure anormale des fils de contact. La trajectoire du pantographe doit être aussi rectiligne que possible : le plan de contact ne
doit présenter ni dénivellation importante ni point dur qui
provoqueraient des aigrettes (petits arcs) et qui détérioreraient les
lignes de contact. Celles-ci doivent être suffisamment tendues, sans
toutefois atteindre le seuil entraînant la rupture. La réglementation
(arrêté technique du 26 mai 1978, [Doc. D 5 554]) impose un coefficient de sécurité de l’ordre de 2,5 à 3.
— avec une masse linéique de 40,3 kg/m :
R = 24 mΩ /km
— avec une masse linéique de 38 kg/m :
Toutefois, la résistance à la rupture décroît lorsque la température du conducteur augmente. Il doit donc exister un compromis entre les contraintes électriques et mécaniques.
R = 25,8 mΩ /km
1.3.3.2 Modalités de réalisation
1.3.3 Lignes aériennes de contact
L’arrêté interministériel (26 mai 1978) impose le double isolement.
1.3.3.1 Critères de dimensionnement
Le dimensionnement et l’armement d’une ligne aérienne de
contact résultent de considérations électriques et mécaniques.
■ Considérations électriques
La section de la ligne aérienne de contact doit être telle que la
tension captée reste dans la plage de fonctionnement du matériel
roulant (norme CEI 850, § 1.2.3), même en cas d’arrêt d’un poste
dans tout groupe de trois consécutifs.
La section est donc calculée en fonction de l’implantation des
postes de redressement, des conditions d’exploitation, du trafic, du
profil de la ligne et des performances cinématique et électrique des
trains, cela pour l’intervalle minimal durant la période de trafic la
plus chargée.
D 5 554 − 10
1.4 Alimentation des voies. Protections
1.4.1 Schémas d’alimentation du courant
de traction des voies
Le circuit positif (3e rail ou ligne aérienne de contact) est divisé
en plusieurs zones qui peuvent être isolées les unes des autres par
des sectionnements. Ces derniers sont implantés pour permettre une
exploitation partielle de la ligne en cas d’incident ou pour la maintenance (article Équipements électriques du matériel roulant
[D 5 552]).
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_____________________________________________________________________________________________________ TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
Le circuit positif est mis sous tension par les postes de redressement qui débitent en parallèle le long de la ligne. Suivant leur
mode de raccordement à la ligne, on distingue deux types de
postes de redressement :
— le poste de redressement en sectionnement (ou en Π) alimente
la ligne de part et d’autre du sectionnement (figures 10a et b ) : la
continuité de la ligne est assurée soit par un contacteur de sectionnement CS (figure 10 a ), soit par les disjoncteurs de voie DV
(figure 10b ) ;
— le poste en T (figure 10c ), lorsque l’alimentation ne s’effectue
pas de part et d’autre d’un sectionnement.
Une ligne étant généralement constituée de deux voies, leur
alimentation peut être assurée au travers d’un même disjoncteur
de voie et, de ce fait, elles sont indissociables électriquement ; dans
ce cas, on a une alimentation en parallèle des voies (figure 11). Au
contraire, lorsque chaque voie dispose de ses propres disjoncteurs
et que leur alimentation peut être découplée, on a une alimentation
séparée des voies (figure 12).
Sur les lignes alimentées par un troisième rail, les sectionnements sont équipés de coupons de protection qui ont pour objet,
en cas de nécessité d’isolement électrique, d’éviter le pontage des
deux sections contiguës par les lignes de frotteurs d’une voiture. En
situation normale d’alimentation, l’alimentation du coupon est
assurée au moyen d’un contacteur auxiliaire asservi à l’état de
l’alimentation des deux secteurs encadrant le coupon (figure 13).
La figure 14 donne le schéma de principe de l’alimentation en
courant de traction d’une section élémentaire de protection équipée
de barreaux isolants [7]. Sur les lignes à suspension caténaire, les
sectionnements sont réalisés au moyen de lames d’air (figure 15),
d’isolateurs de section ou de barreaux isolants (figure 16).
Figure 10 – Principe de raccordement d’un poste de redressement
à la ligne continue
1.4.2 Protection contre les courts-circuits
1.4.2.1 Importance des courants de défaut
en cas de court-circuit
Des courts-circuits entre circuit positif et circuit négatif peuvent
se produire en ligne par suite d’avaries sur les matériels roulants
ou de défauts d’isolement sur les circuits de distribution.
La valeur atteinte par le courant de défaut dépend des caractéristiques internes des postes de redressement, de l’impédance des
circuits de distribution qui, pour deux voies en parallèle, a, dans le
cas d’une ligne RATP, une valeur de :
• 13 m Ω/km pour des voies pneumatique, équipées de pistes
métalliques ;
• 20 m Ω/km pour des voies fer ;
• 23 m Ω/km pour des voies équipées de lignes aériennes de
contact.
Au droit d’un poste de redressement :
— dans le cas d’un défaut franc, le courant de court-circuit peut
atteindre 80 000 A ;
— dans le cas d’un court-circuit éloigné, sa valeur se trouve limitée
par l’impédance de la ligne et, également, par la résistance du défaut
s’il n’est pas franc ; dans ces derniers cas, le courant peut être inférieur à 5 000 A.
Compte tenu de l’importance des courants de défaut qui peuvent
être à l’origine d’incendie, il importe que, dans un délai inférieur à
la seconde, toutes dispositions soient prises au niveau des postes
de redressement pour déconnecter la (ou les) source alimentant le
défaut [5].
1.4.2.2 Détection des courts-circuits
La protection est assurée au niveau de chaque poste de redressement par les disjoncteurs ultra-rapides (durée d’ouverture inférieure à 20 ms) équipés de dispositifs de détection et de
déclenchement. Au disjoncteur est associé un détecteur qui, par
analyse de la forme du courant transitant dans le disjoncteur, est
Figure 11 – Alimentation en parallèle des voies
capable de discriminer un appel de courant normal d’un train (ou
la superposition de plusieurs appels) d’un courant de court-circuit ;
la figure 17 montre une analyse de l’accroissement de courant I.
1.4.2.3 Asservissements entre sous-stations
Des asservissements complètent la détection en liant les disjoncteurs alimentant une même section, de façon à ne pas maintenir
l’alimentation du court-circuit et à provoquer l’ouverture de tous les
disjoncteurs correspondant à cette section dès que l’un d’eux a
détecté un défaut et à la découpler du reste de la ligne
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D 5 554 − 11
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Figure 12 – Alimentation séparée des voies
Figure 13 – Sectionnement automatique : schéma de principe pour le matériel sur pneumatiques du métro urbain de Paris
D 5 554 − 12
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Figure 14 – Alimentation en courant de traction d’une section élémentaire de protection sur une ligne aérienne de contact
Figure 15 – Barreau isolant
(déclenchement en moins de 0,5 s ; figure 18). Un dispositif
temporisé permet de remettre la ligne sous tension au bout de 5 s.
Si le défaut n’est pas éliminé, une ou deux refermetures automatiques sont tentées. Si le défaut persiste, les disjoncteurs sont maintenus ouverts sur la section en cause jusqu’à localisation et
élimination du défaut par le personnel d’exploitation.
1.4.3 Protection contre les mises en charge
accidentelles
Contrairement aux réseaux électrifiés en courants alternatifs, la
seule mise à la terre des masses métalliques n’est pas suffisante pour
faire déclencher les disjoncteurs ultra-rapides, en raison de la valeur
choisie pour leur seuil de déclenchement et de la faible résistance
des prises de terre. Pour affranchir le défaut entre le circuit de
distribution positif et la terre, il faut, temporairement à cause des
problèmes d’électrolyse, relier la masse métallique aux rails de
roulement, de manière à transformer le défaut entre circuit positif
et la terre en liaison entre circuit positif et circuit négatif, de façon
que les disjoncteurs détectent le défaut. Cette liaison entre circuit
négatif et circuit de terre peut être réalisée au moyen d’intervalles
de décharge ou de contacteurs actionnés par un relais de terre à
faible impédance. Cette disposition n’est à prendre que là où il y a
des risques potentiels [ligne à suspension de caténaire, zone fortement fréquentée (quai), pont métallique...].
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D 5 554 − 13
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Figure 16 – Sectionnement à lame d’air
Figure 17 – Allure des courants débités par un poste de redressement
1.5 Commande et contrôle
de l’alimentation de la distribution
du courant de traction
P o u r a c c r o î t r e l a d i s p o n i b i l i t é d e s é q u i p e m e n t s fi x e s
précédemment décrits, il est largement fait appel aux automatismes
qui permettent d’avoir rapidement connaissance d’un certain
nombre d’informations sur la position des appareillages et leurs états
de charge, et donc de diminuer les temps d’intervention et de résolution des incidents. Des systèmes de télécommande-télécontrôle
permettant les interventions à distance sont utilisés. Suivant le degré
de sécurité attaché à ces informations, celles-ci sont transmises en
fil à fil ou par télétransmission.
Pour un chemin de fer métropolitain, l’expérience acquise a
conduit à dissocier les fonctions alimentation et distribution, la frontière se situant au niveau de la ligne en amont des disjoncteurs de
voie. La figure 19 illustre le cas du métro de Paris.
La fonction alimentation est sous la responsabilité de l’exploitant
du réseau d’énergie ; la fonction distribution, étroitement liée au
mouvement des trains, est sous la responsabilité de l’exploitant du
système de transport qui gère le trafic.
D 5 554 − 14
Cette dissociation permet à ce dernier de se décharger des
problèmes de fourniture d’énergie et de pouvoir couper ou rétablir
le courant quand il le désire.
Le PCE (Poste de Commande Énergie) télécommande et télécontrôle les postes HT, le réseau MT, les postes de redressement et la
distribution BT. En revanche le PCC (Poste de Commande Centralisé)
gère l’énergie de traction en télécommandant et télécontrôlant les
appareils d’interruption qui permettent directement l’alimentation
des voies. Dans le cas du RER, il existe un échelon intermédiaire
constitué par les PCT (Poste de Commande Traction) où sont regroupés tous les asservissements entre les appareillages de distribution
et qui peuvent être commandés, en cas de défaillance de la télétransmission, par les exploitants trafic.
Grâce à l’évolution de la technologie, les systèmes à relayage sont
progressivement remplacés par des automates ; l’informatique est
également utilisée pour la gestion des télétransmissions et l’organe
central de supervision. Toutefois, toutes les fonctions de sécurité
sont réalisées auprès de l’appareil proprement dit.
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Figure 18 – Alimentation de traction du réseau ferré RATP et du RER
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D 5 554 − 15
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Figure 19 – Alimentation de traction pour le réseau ferré RATP : schéma simplifié
2. Contrôle et automatisation
du mouvement des trains
2.1 Différents niveaux de contrôle
2.1.1 Généralités
Traditionnellement, les matériels roulants sont conduits par un
agent de conduite (ou conducteur ou mécanicien ) qui a, à sa
disposition, les commandes de traction et de freinage et un certain
nombre de voyants ou d’appareils de contrôle lui permettant de
connaître l’état des organes du train (article Équipements électriques
du matériel roulant [D 5 552]).
Compte tenu de la gravité que peut présenter un déraillement ou
une collision entre des trains assurant le transport de nombreux
D 5 554 − 16
voyageurs, plus particulièrement dans un tunnel (cas des métros et
des transports ferrés urbains en général), des précautions sont
prises pour éviter les situations dangereuses. Les événements
contre lesquels on cherche une parade sont :
— le rattrapage de trains ;
— le dépassement de vitesse autorisée ;
— la convergence au droit d’un aiguillage ;
— le nez à nez en cas de voie unique.
Les signalisations de vitesse (panneaux indicateurs permanents
ou commutables), d’espacement (signaux à indications lumineuses)
et de protection d’itinéraires (aiguillages et signaux associés), qui
équipent systématiquement les lignes de transports lourds (métros
urbains, RER) et souvent celles de métros légers ou de tramways
modernes, donnent au conducteur les informations nécessaires et
suffisantes pour que la conduite s’effectue sans risque. Rappelons
ici que la signalisation peut aussi être présentée dans la cabine de
conduite.
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Des marches dégradées (vitesse inférieure, marche à vue ) peuvent
être mises en œuvre en cas de défaillance de la signalisation.
■ Si l’on veut assurer un contrôle plus strict, il faut procéder à des
contrôles cinématiques.
L’agent de conduite peut néanmoins être l’objet d’une défaillance
(erreur fugitive, malaise, etc.) ; historiquement, il est apparu très vite
nécessaire de se prémunir contre les mouvements inopinés de trains.
— Le contrôle de la décélération se fait dans une phase de
ralentissement ou d’approche d’un point d’arrêt.
— Le contrôle de la vitesse est pratiqué sous différentes formes
dans un grand nombre de réseaux.
Pour protéger une zone critique, on peut mettre en œuvre le
système d’arrêt automatique cité précédemment (figure 20), en
simulant au sol un signal fermé si le train franchit à une vitesse excessive une base de mesure de vitesse définie par deux repères
(figure 21).
Les contrôles qui sont couramment exercés concernent :
— l’état de veille du conducteur ;
— le respect des points d’arrêt de sécurité ;
— le respect de la vitesse.
Ils sont mis en œuvre soit dans le cadre d’une surveillance ou d’une
aide à la conduite manuelle (conduite manuelle contrôlée), soit dans
le cadre d’automatismes se substituant partiellement ou totalement
à l’homme dans la conduite des trains (aides à la conduite, pilotage
automatique, automatisation intégrale).
Le tableau 3 ci-dessous résume les dispositifs de contrôle (de
sécurité) et de commande (fonctionnel) en usage, classés par ordre
croissant d’efficacité et de complexité.
(0)
Tableau 3 – Dispositifs de contrôle et de commande
des matériels roulants
Contrôle (de sécurité)
État de veille du conducteur
Signalisation
Homme mort
Contrôle de franchissement
Contrôle de vigilance
VACMA
Contrôle de décélération
Commande (fonctionnel)
Conduite manuelle
Vitesse imposée (VI)
Arrêt au but
Conduite optimalisée
Pilotage automatique
Régulation automatique
Automatisation intégrale
■ Un niveau supérieur de protection est obtenu par le contrôle
continu de la vitesse (figures 22, 23 et 24). Plusieurs degrés
d’élaboration sont également possibles selon la richesse des
informations transmises au train depuis le sol.
Le contrôle de vitesse par paliers (figure 22) est le plus répandu ;
les seuils de vitesse auxquels la vitesse réelle du train est
comparée en permanence sont en général associés à des cantons
de signalisation (c’est-à-dire à des circuits de voie). On constate
qu’à condition de neutraliser un canton-tampon en aval du point
d’arrêt à respecter, un train est toujours arrêté automatiquement
avant de rejoindre le train précédent, même si la conduite est
défectueuse ; on complète parfois ce type de système par un
contrôle de décélération.
Quand le système permet de transmettre un nombre suffisant
d’informations, on peut différencier la vitesse de contrôle
(provoquant l’arrêt automatique si elle n’est pas respectée) de la
vitesse de consigne (permettant d’informer à temps le conducteur
ou les automatismes de conduite) ; le système du métro de Marseille
est un exemple du genre (figure 23).
 ponctuel

Contrôles de vitesse  à paliers

 continu
2.1.2 Dispositifs de sécurité
■ Les dispositifs de contrôle les plus élémentaires (tableau 3)
concernent :
— l’état de veille du conducteur : il doit actionner en permanence
une manette ou une pédale, faute de quoi il y a application automatique du freinage d’urgence ; le dispositif de ce type, appelé
homme mort, est un organe purement embarqué ;
— le franchissement des signaux fermés : une liaison ponctuelle
entre voie et machine est alors nécessaire pour que le train connaisse
l’état de la signalisation ; le freinage d’urgence (figure 20) est
déclenché si le signal est fermé (rouge, dans les conceptions
françaises au moins) ; ce contrôle est mis en œuvre sur la plupart
des lignes de métro ;
— la vigilance des états de signalisation, en particulier ceux qui
sont restrictifs (c’est-à-dire qui imposent une vitesse inférieure, voire
l’arrêt) ; comme précédemment, les équipements du train doivent
connaître l’état de la signalisation et l’agent de conduite doit
manifester sa perception du signal (vigiler ) en agissant sur un organe
ad hoc.
■ La VACMA, veille automatique avec contrôle du maintien
d’appui, en vigueur en particulier sur les trains de banlieue de la
SNCF, le RER et le métro parisien, associe ces différents contrôles, la
veille étant assortie d’une nécessité de relâchement périodique du
dispositif (périodicité de l’ordre de la minute), pour empêcher qu’un
blocage ou une crispation ne rendent le système inopérant.
La VACMA permet de vérifier que le conducteur est bien
conscient de l’état de la signalisation.
Figure 20 – Arrêt automatique au franchissement d’un signal fermé
Figure 21 – Contrôle de vitesse ponctuel
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D 5 554 − 17
TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
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Enfin, pour obtenir l’efficacité maximale, on peut procéder à un
contrôle continûment variable de la vitesse en fournissant une
enveloppe de vitesse en tout point qui peut être :
— soit transmise depuis le sol au moyen d’un programme inscrit
dans la voie (§ 2.2.3) comme dans les métros de Paris, Mexico,
etc. ;
— soit calculée à bord en fonction des éléments fixes (limitation
de vitesse, profil de la voie, etc.) et variables (état de la signalisation) ;
c’est le cas du système SACEM de la ligne A du RER (§ 2.1.3).
Le contrôle suit alors au plus près la limite de sécurité (figure 24),
et les dépassements possibles du point d’arrêt par suite d’anomalies
de conduite et de freinage automatique d’urgence sont faibles ; les
trains peuvent donc se succéder au plus près. Une signalisation en
cabine adaptée doit alors être mise en œuvre, à moins que la marche
soit automatisée.
Le système d’aide à la conduite, à l’exploitation et à la maintenance (SACEM) en service à Paris sur la ligne A du RER depuis la
fin 1988 consiste à renforcer la sécurité des circulations pour permettre une réduction de l’intervalle entre les trains. L’élément principal est le contrôle continu de la vitesse (figure 25) qui s’effectue
sur la base d’un calcul cyclique (300 ms environ) de la distance de
sécurité disponible en aval du train.
2.1.3 Exemple de contrôle de vitesse
Nota : le lecteur pourra se reporter à la référence [14] de la fiche documentaire
[Doc. D 5 554].
Figure 23 – Vitesse de consigne et vitesse de contrôle
Figure 22 – Contrôle de vitesse par paliers
Figure 24 – Contrôle de vitesse continu
Figure 25 – Contrôle de vitesse du système
d’aide à la conduite, à l’exploitation
et à la maintenance (SACEM)
D 5 554 − 18
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Le dispositif embarqué comporte un microprocesseur, qui traite
des informations codées de telle sorte que le niveau de sécurité soit
élevé (§ 2.5.3) ; il reçoit du sol les informations nécessaires au calcul
sous forme d’invariants (profil de la ligne, points d’arrêt, etc.) et de
variants (état des signaux, position des appareils de voie, etc.). Ces
informations également codées, élaborées par un dispositif au sol
analogue au dispositif embarqué, sont transmises sous forme numérique par une liaison entre voie et machine (§ 2.4.1) : les rails servent
d’émetteur (ils sont, selon le cas, utilisés en parallèle ou en
différentiel) ; des capteurs sont placés à l’avant du train au droit de
chaque rail.
La mesure de vitesse et d’espace parcouru s’effectue à bord au
moyen d’une roue phonique fixée sur un essieu porteur défreiné
(roulement sans patinage ni enrayage) ; pour éviter néanmoins des
dérives trop importantes de la mesure, des recalages sont effectués
périodiquement sur des balises téléalimentées et lues par des
capteurs particuliers situés sous le train. Enfin, le calculateur
embarqué a besoin de connaître les caractéristiques du train
(dynamique, longueur, etc.).
L’action en sortie du système est l’inhibition d’une commande de
freinage d’urgence : dès que la vitesse limite calculée se trouve
inférieure à la vitesse réelle (avec une certaine tolérance : 2 km/h
par exemple) ou dès que le système lui-même se trouve en défaut,
cette inhibition cesse et il y a arrêt automatique.
Le système est complété par des dispositions concernant la
signalisation (aide à la conduite).
La réduction de l’intervalle entre les trains est obtenue grâce à
un découpage fin des circuits de voie à l’entrée des gares permettant
au train de s’avancer peu après que le train aval se soit mis en
mouvement après son stationnement à quai. La progression des
trains est alors assurée en sécurité sous le contrôle du SACEM, mais
n’est plus compatible avec la signalisation latérale (§ 2.1.1) qui est
plus contraignante ; c’est pourquoi un processus d’annulation de la
signalisation latérale en aval d’un train sous contrôle SACEM a été
mis en œuvre qui permet de lui substituer une signalisation en cabine
(figure 26), qui affiche des consignes pour le conducteur : vitesse
autorisée, annonce d’un point d’arrêt, arrêt, alarme.
Le M (maintenance) de SACEM correspond au souci d’offrir aux
agents d’entretien les diagnostics sur le fonctionnement du système
permettant d’obtenir une disponibilité optimale en indiquant les
éléments défectueux. Une conception modulaire autorise alors un
échange (standard) rapide de l’élément incriminé.
Figure 26 – Signalisation en cabine du matériel roulant
de la ligne A du RER (SACEM)
2.1.4 Dispositifs de commande (aspect fonctionnel)
Certains dispositifs d’aide à la conduite peuvent être mis en
œuvre sous la responsabilité du conducteur ou sous la dépendance de systèmes de contrôle, tels que définis au
paragraphe (§ 2.1.3).
Dans la première catégorie, on trouve les dispositifs qui suivent
(tableau 3).
■ Les dispositifs de vitesse imposée (VI), assez répandus sur les
trains de la SNCF, réalisent un asservissement entre la vitesse du
train et une vitesse de consigne affichée par le conducteur (ou
éventuellement transmise depuis le sol) ; le dispositif attaque
directement l’appareillage de commande des organes de traction et
de freinage.
■ Les dispositifs d’arrêt au but réalisent, pendant la phase d’arrêt,
un asservissement entre la vitesse réelle du train et la vitesse
théorique obtenue à partir d’une courbe (parabole) de décélération
mémorisée dans l’automatisme ; des balises de recalage servent à
obtenir un arrêt précis.
■ Les dispositifs de conduite optimalisée, en plus des précédents,
comportent une logique interne qui commande la marche du train
en fonction d’un horaire enregistré (régulation).
Nota : ces systèmes sont très fiables, mais le conducteur conserve la charge de la surveillance de la marche et du respect de la signalisation.
La combinaison des automatismes précédents avec un contrôle
continu de vitesse aboutit au pilotage automatique (PA) : la sécurité (hors la surveillance de la voie et des voyageurs) est assurée
par le système (§ 2.2). L’intégration d’un pilotage automatique très
disponible dans un système de commande et de surveillance
globale conduit (§ 2.3) à l’automatisation intégrale du mouvement
des trains (AIMT).
2.2 Pilotage automatique
2.2.1 Intérêt
Le pilotage automatique (PA) d’un train (ou d’une rame de
métro) consiste à assurer sans intervention humaine la circulation
d’une station à la station suivante.
Le rôle du personnel à bord peut alors être dévolu à :
— la surveillance des échanges de voyageurs pendant l’arrêt en
station ;
— la commande et la surveillance de la fermeture des portes,
qui, dès qu’elle est réalisée, provoque automatiquement le départ ;
— la surveillance de l’espace situé devant le train, pour intervenir
en cas de présence inopinée d’obstacles ;
— la mise en œuvre de procédures, voire la reprise en conduite
manuelle, en cas de fonctionnement anormal du système.
Cette circulation s’effectue dans le respect des limitations de
vitesse et des conditions de sécurité (signalisation d’espacement
ou de protection d’itinéraires) ; le pilotage automatique comprend
donc (ou s’ajoute à) un contrôle de vitesse (§ 2.1.2).
Le personnel à bord est alors déchargé des actions sur les
commandes de traction, d’erre et de freinage qui, dans les exploitations urbaines et suburbaines, ont un caractère extrêmement
répétitif (arrêts fréquents).
Le niveau général de sécurité est accru.
Les marches des trains sont régulières et reproductibles.
Ces deux facteurs permettent d’augmenter le débit des lignes
exploitées en pilotage automatique en diminuant l’intervalle entre
les trains (des intervalles de l’ordre de 90 secondes sont ainsi possibles, même avec des trafics importants de voyageurs).
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D 5 554 − 19
TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
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Enfin, il est fréquemment possible d’agir sur la vitesse de consigne
du système et donc d’obtenir une régulation automatique par
commande d’allures différentes selon le décalage par rapport à
l’horaire théorique.
Il faut néanmoins constater que le pilotage automatique dénature l’acte de conduite ; il est donc, en général, peu apprécié par les
conducteurs. C’est pourquoi il est souvent réservé à l’exploitation
aux heures de pointe, c’est-à-dire à intervalle minimal ; la conduite
manuelle contrôlée (qui, par ailleurs, sert de fonctionnement
dégradé en cas de panne du PA) est pratiquée aux heures creuses
(par exemple pour le métro de Paris).
2.2.2 Réalisations
L’essor de l’automatique dans les années soixante a entraîné des
applications ferroviaires significatives ; les premiers systèmes de
pilotage automatique ont été installés sur la ligne 11 du métro de
Paris (un premier prototype avait vu le jour dans les années
cinquante en même temps que la première exploitation de métro
sur pneumatiques), la Victoria Line à Londres, des lignes des métros
de Leningrad et de Philadelphie. Une trentaine de métros dans le
monde exploitent une ou plusieurs lignes en pilotage automatique.
D’une façon générale, la commande des équipements du train
s’effectue en fonction de la différence entre la vitesse mesurée à
bord et une vitesse de consigne reçue du sol sous la forme de messages codés ou de signaux électriques repérés géographiquement.
Les lois de pilotage sont en général simples ; elles déterminent,
en fonction de seuils ou proportionnellement à l’écart, la commande
des moteurs (article Équipements de traction [D 5 553]), la mise sur
l’erre, ou le freinage (qui, sur la plupart des matériels modernes, est
électrique, avec une conjugaison pneumatique).
Des dispositions sont également prises pour assurer le confort
[limitation de l’accélération et de sa dérivée (jerk)] et pour régulariser
le freinage (asservissement de décélération). La vitesse de consigne
est souvent donnée par paliers sur des distances assez longues
(circuits de voie par exemple), l’asservissement assurant les
transitions entre paliers et le respect des points d’arrêt (par exemple,
métro de Marseille).
Dans tous les cas, le pilotage automatique est associé à un contrôle
continu de vitesse et peut se présenter simplement comme un
module fonctionnel ; ce module peut, par exemple, être adjoint au
SACEM décrit au paragraphe (§ 2.1.3) (application sur une ligne du
métro de Mexico en 1991).
À titre d’exemple, le système de pilotage automatique mis en
service dans les années 70 sur 12 lignes du métro de Paris est décrit
sommairement au paragraphe (§ 2.2.3) ; les principes de ce système
sont également appliqués à Mexico, Caracas, Rio de Janeiro, Santiago
du Chili et Budapest.
2.2.3 Exemple de pilotage automatique
Nota : le lecteur pourra se reporter à la référence [8] de la fiche documentaire
[Doc. D 5 554].
Le système mis en œuvre pour le métro de Paris à partir de 1974
repose sur un programme inscrit dans la voie ; il s’agit d’un câble
bifilaire parcouru par un courant de fréquence 135 kHz dont les brins
sont croisés de façon à délimiter des segments : les capteurs situés
sous le train détectent le changement de phase du champ électromagnétique à chaque croisement (figure 27c ).
La longueur des segments est directement corrélée au programme
de vitesse, elle correspond à un temps de parcours de référence t 0 :
— si le temps de parcours réel est supérieur, la traction est
commandée ; sur la figure 27, deux crans de traction T 1 et T2
(figure 27a ) et les seuils correspondants (figure 27b ) ont été
D 5 554 − 20
Figure 27 – Pilotage automatique du métro de Paris
indiqués ; une hystérésis est introduite pour éviter des battements
de la commande : une fois qu’un cran est commandé, il est conservé
jusqu’au retour au temps de référence ;
— si le temps de parcours réel est inférieur, le freinage est
commandé selon le même principe ; on a indiqué trois crans de freinage sur la figure 27a.
Si le programme de référence de la phase de freinage est parabolique, de la forme :
x = v 2 /2 γ
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Les avantages possibles, économiques d’une part, de flexibilité
d’exploitation d’autre part, ont poussé les réseaux de métros
conventionnels à s’intéresser à l’automatisation intégrale : des
expérimentations ont été entreprises à Hambourg et Berlin. La
ligne D du métro de Lyon doit être mise en service en 1991/1992
et la ligne METEOR (métro Est-Ouest Rapide), 14e ligne du métro
de Paris, en 1996.
les courbes correspondant à l’appel des différents crans sont de la
forme :
v 2 ti 2
x i = --------- -----2 γ t0
avec
v vitesse,
γ décélération.
On constate (figure 27a ) qu’un freinage d’équilibre s’établit au
voisinage du cran j lorsque, compte tenu des différents temps de
réponse et de l’état de charge du train, la décélération du train
atteint une valeur voisine de γ (t 0 /tj )2.
Une commande continue, fonction de la différence entre le
temps de parcours réel et le temps de référence, est aussi possible.
2.3.2 Particularités de l’automatisation intégrale
En pilotage automatique (§ 2.2.1), le conducteur assure, en
particulier, une surveillance de la voie et des échanges de voyageurs,
et déclenche le départ et la reprise (éventuellement, en conduite
manuelle) en cas d’arrêt intempestif.
En automatisation intégrale, ces fonctions doivent être prises en
charge par le système ; il en résulte :
— des dispositifs de détection ou de prévention d’intrusion sur
la voie dont le plus efficace est l’installation de portes palières en
bord de quai (métro de Lille) ;
— une conception élaborée de la télésurveillance, du télédiagnostic et de la téléreconfiguration depuis un poste central qui
est donc à la fois fonctionnel et technique (exploitation et
maintenance) ;
— une fiabilisation, voire une redondance, permettant une
grande disponibilité.
Un recours possible en cas de panne sérieuse est l’accostage
automatique (disponible à Lille), le dernier recours étant l’intervention humaine.
Disponibilité et possibilité d’intervention nécessitent une organisation adaptée.
Les communications jouent un rôle fondamental entre poste
central, personnel et voyageurs.
L’ensemble doit être cohérent et constitue un SYSTÈME au sens
le plus large du terme.
(0)
2.3 Automatisation intégrale
du mouvement des trains
2.3.1 Situation générale
De nombreux systèmes de transport à petit gabarit (de la famille
des PRT, personal rapid transit ) ont été conçus, expérimentés, mis
en service sur des sites particuliers, dans les années soixante-dix.
Ces développements ont mis en évidence les problèmes principaux
qui se posaient : essentiellement, la disponibilité et le coût. Le
système le plus important de cette génération est celui de l’aéroport
de Dallas.
Dans les années quatre-vingt, on a vu apparaître des applications
ressortant des transports publics urbains, le métro de Lille (VAL véhicule automatique léger [9]) en étant la plus belle illustration, la
plupart des autres réalisations étant répertoriées dans le
tableau 4 [13].
Tableau 4 – Systèmes de transport complètement automatiques, exploités fin 1989
Transports urbains
(métros légers)
Pays
Japon
Implantation
Toronto
Vancouver
ICTS (3)
ICTS (Skytrain)
1985
1986
Miami
Metromover (4)
1986
Detroit
ICTS
1987
Jacksonville
VAL-Matra
1989
Londres
ligne 1
ligne 1 bis
1981 (1)
1981
1983
1989
Canada
Grande-Bretagne
Newtram
Portliner (2)
VAL-Matra
Lille
Autres systèmes
Mise en service
Système
Osaka
Kobe
France
États-Unis
Mise
en service
Docklands LRT (5)
1987 (1)
(1) Un agent subsiste à bord.
(2) Produit par Kawasaki.
(3) ICTS Intermediate Capacity Transit System ; produit par UTDC
(Urban Transportation Development Corporation). Traction à moteur linéaire.
Aéroports (6)
Tampa ...................................
Seattle ...................................
Dallas Fort Worth (Airtrans).
Miami ....................................
Atlanta ...................................
Orlando .................................
Las Vegas ..............................
1971
1973
1974
1980
1981
1981
1985
Grande-Bretagne : Gatwick.............................
Singapour : Changi..........................................
1983
1989
États-Unis









Sites divers
États-Unis : Morgantown (Université) ...........
1975
Japon : Sapporo ..............................................
1988
Allemagne
(4)
(5)
(6)
(7)
Dortmund H. Bahn................
Berlin M. Bahn (7).................
1985
1988
Produit par Westinghouse.
LRT Light Rail Transit ; produit par General Electric Corporation.
(4) sauf indication contraire.
Sustentation magnétique à l’essai.
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D 5 554 − 21
TRANSPORTS ÉLECTRIQUES URBAINS
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2.3.3 Exemple d’automatisme intégral futuriste :
ARAMIS
Dans la classe des véhicules à petit gabarit entièrement automatiques, le système ARAMIS [10], qui a donné lieu, en France, à la
réalisation de prototypes en 1985-1987, est exemplaire sur le plan
technique. L’expérience n’a toutefois pas été menée à son terme pour
des raisons de coût et de rentabilité.
ARAMIS est un système de transport à petits véhicules roulant
sur pneumatiques. Les éléments sont constitués de doublets de deux
véhicules de dix places assises chacun, attelés mécaniquement.
Chaque élément est muni des automatismes lui permettant de
circuler de façon autonome sous le contrôle d’un système de sécurité
d’espacement à canton mobile déformable ; la vitesse d’un élément
est ajustée en fonction de la distance qui le sépare de l’élément
précédent.
Les véhicules circulent normalement en rames (jusqu’à huit
éléments) grâce à un automatisme de proximité (attelage électronique).
L’aiguillage est embarqué ; une roulette de guidage vient
s’appuyer sur une cornière-guide du côté où la destination est
programmée.
Ce système, qui a fonctionné partiellement sur site d’essai en 1987,
fait appel aux techniques d’information en matière de sécurité
(§ 2.1.3, SACEM) et dans un but de télécommande, de télésurveillance et de fonctions particulières (§ 2.4).
2.4 Transmission d’informations
Les relations entre les trains (et leurs conducteurs, voire les
voyageurs) et le sol (installations fixes, personnel chargé du suivi
et de la communication) peuvent affecter des formes variées. Dans
la plupart des cas, on a assisté, avec la modernisation et l’automatisation, à la mise en place de moyens de transmission disparates ; une
tendance se dessine maintenant pour des regroupements d’informations transitant dans des canaux à capacité importante.
Divers procédés se sont développés pour transmettre d’abord
des signaux simples (tout ou rien), puis multiples, des données et
de la phonie, enfin, des images.
Différentes dispositions de câbles sont utilisées ; dans tous les cas,
il y a croisement des circuits aller et retour de place en place pour
limiter la diaphonie, mais aussi pour donner une information
supplémentaire de recalage géographique. Ce type d’utilisation est
à la base du programme inscrit dans la voie du pilotage automatique
du métro de Paris (§ 2.2.3).
Sur des principes analogues, on peut aussi obtenir des balises donnant une information de position au train, qui peuvent être téléalimentées (SACEM, § 2.1.3).
2.4.2 Transmission entre train et sol
Dans cette rubrique, il faut d’abord citer les dispositifs de détection
de présence de train fonctionnant en tout ou rien : pédales (électromécaniques ou électromagnétiques), cellules (photoélectriques par
exemple), circuits de voie (à la fréquence industrielle, à fréquences
plus élevées avec ou sans modulation, à impulsion de tension). On
exploite aussi la modulation de certains de ces circuits de voie dans
le sens sol-train. Des transmissions d’identification sont également
possibles (lecture optique de code, etc.).
En ce qui concerne la transmission de messages du train vers le
sol, un signal à plusieurs dizaines de kilohertz peut facilement être
induit par rayonnement électromagnétique dans une boucle au sol
formée par exemple d’un shunt, accordé entre les rails, des rails et
du premier essieu du véhicule, l’émetteur se trouvant en avant de
ce dernier.
2.4.3 Transmission à double sens
Lorsque l’on monte en fréquence (HF, de l’ordre de 100 kHz, UHF,
de l’ordre de centaines de mégahertz, hyperfréquence, de 1
à 30 GHz), on obtient un débit d’information beaucoup plus élevé,
permettant de transmettre des données, mais aussi la phonie et
des images ; la transmission bilatérale devient naturelle.
Les supports au sol peuvent être :
— les rails de courant (liaison téléphonique entre conducteur et
poste central à courant porteur du métro de Paris) ;
— des câbles rayonnants dans le tunnel, voire des guides
d’ondes en hyperfréquence ;
— des antennes (par exemple, transmissions ponctuelles à haut
débit d’informations destinées à la maintenance).
2.4.1 Transmission entre sol et train
Les dispositifs les plus simples sont mécaniques (trip-stop
américain) ou électriques (crocodile : une brosse portée par le véhicule vient en contact avec un patin fixe ; un circuit s’établit alors qui
peut être exploité, en contrôle de vigilance par exemple).
Les balises électromagnétiques constituent une forme plus
évoluée de transmission ponctuelle. La version de base est à champ
continu [RPS (répétition ponctuelle des signaux) du métro de Paris],
auquel peut être superposé un champ alternatif pour transmettre
d’autres informations (RER) ; il existe également des balises
émettant des télégrammes (messages binaires).
Viennent ensuite les transmissions à caractère continu :
— par les rails : il peut s’agir d’une modulation du signal électrique
à quelques milliers de hertz (métro de Bruxelles et TGV), ou d’impulsions à tension élevée cadencées à quelques hertz (métro de
Marseille) pour transmettre des informations discrètes ou à quelques
dizaines de kilohertz pour transmettre des signaux numérisés
(SACEM du RER) ; la quantité d’informations transmises reste
toutefois assez faible (débit de 200 bauds) ;
— par câble rayonnant dans la voie : des fréquences de quelques
dizaines de kilohertz sont également utilisées : par exemple, le système allemand A 46 qui transmet des messages numériques, le câble
émetteur du pilotage automatique du métro de Paris pour lequel le
signal porteur à 135 kHz est lui-même modulé.
D 5 554 − 22
2.4.4 Conclusion
Le tableau 5 donne un panorama partiel de liaisons utilisées en
France.
(0)
Citons, enfin, des possibilités de liaisons inter-véhicules ultrasonores ou hyperfréquences et l’utilisation du radar à des fins de
mesures d’espace-vitesse.
2.5 Technologie
Les systèmes, de sécurité plus particulièrement, qui interviennent
dans l’automatisation et le contrôle du mouvement des trains font
appel à des technologies variées qui ont suivi les évolutions de la
technique ; ces évolutions ont été mises à profit pour améliorer les
performances (sécurité, disponibilité), les coûts et l’encombrement
des dispositifs ; on est ainsi passé des relais électromécaniques aux
circuits électroniques de plus en plus intégrés et aux microprocesseurs, des agencements de ces différentes approches étant fréquents
et donnant souvent des solutions optimales ; à chaque étape ont été
associées des méthodes et des procédures de conception, de
vérification et de maintenance.
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Tableau 5 – Quelques exemples de fréquences de transmission
Métro
de Paris
VAL
de Lille
SACEM
RER-SNCF
ARAMIS
Métro de Lyon
(Ligne D)
sol - train ..................
135 kHz (1)
33 et 42 kHz (1)
135 kHz (1)
50 kHz (rails)
38 kHz (1)
36 kHz (1)
train - sol ..................
.....................................
69 kHz (1)
80 kHz (1)
140 kHz (2)
(boucles)
60 kHz
60 et 80 kHz
train - train ...............
..................................... ..................................... .....................................
23 GHz
(antennes)
.....................................
Phonie
sol - train ..................
train - sol ..................
90 kHz (rails)
.....................................
135 kHz (1)
100 kHz (1)
bande 450 MHz
(câble ou antennes)
Données
135 kHz (1)
100 kHz (1)
bande 450 MHz
(câble ou antennes)
(1) Par tapis, c’est-à-dire par câble bifilaire croisé ou en boucle inclus dans un tapis en PVC.
(2) En outre, transmission ponctuelle à 10 GHz pour les informations d’aide à la maintenance.
2.5.1 Systèmes à relais
Les systèmes les plus simples relèvent en général du traitement
d’informations tout ou rien dans un processus combinatoire ou
séquentiel ; le relais s’est avéré être un composant fondamental
encore largement utilisé aujourd’hui. Les relais dits de sécurité
présentent toutes les garanties mécaniques et électriques assurant
leur retour à l’état de repos lorsqu’il n’y a plus d’alimentation.
Les circuits à relais ayant un rôle de sécurité font l’objet de
contrôles sévères à tous les niveaux de conception, le principe de
base étant celui de la sécurité intrinsèque : tout défaut doit conduire
à un état plus restrictif du système (par exemple, fermeture d’un
signal, arrêt automatique). Ces principes sont la base de la sécurité
ferroviaire en France. Des principes différents peuvent être utilisés
dans d’autres pays (par exemple, la sécurité contrôlée en
Allemagne).
2.5.2 Systèmes électroniques
L’électronique s’est substituée en partie aux relais dans les années
soixante-dix (circuits de voie électroniques, circuits de pilotage automatique du métro de Paris, etc.).
La conception en sécurité intrinsèque est encore accessible à
condition de connaître les pannes qui peuvent affecter les
composants (coupure ou court-circuit, dérive de caractéristiques
dans un sens privilégié) ; toutefois, plus les circuits sont complexes
(LSI, Large Scale Integrated Circuit ), moins il est possible de
maîtriser leur évolution, d’autant plus que l’expérience de vie est
limitée. En matière de qualité de fonctionnement, la numérisation
de l’information a permis de bien meilleures performances.
2.5.3 Systèmes informatiques
Avec les composants intégrés, on a beaucoup plus recours à la
redondance et la sécurité s’exprime en termes de probabilité. Les
systèmes de sécurité à base de microprocesseurs ont fait l’objet,
dans les années quatre-vingt, de nombreuses recherches, qui ont
conduit à différentes structures à deux ou trois calculateurs dans
lesquels se déroulent des programmes identiques ou différents.
■ En matière d’automatisme de conduite, c’est le système SELTRAC
(expérimenté à l’origine en République fédérale d’Allemagne) qui a
été le plus développé [essais sur le métro de Berlin, équipement des
systèmes automatiques (Urban Transportation Development
Corporation UTDC )] : le dispositif embarqué comprend deux microprocesseurs qui s’intercontrôlent ; le dispositif au sol comprend trois
microprocesseurs dont les sorties sont comparées dans un circuit en
logique câblée.
■ Des dispositions différentes ont été prises dans le SACEM développé en France. Un seul microprocesseur assure les fonctions de
sécurité, mais il exécute des programmes traitant des informations
codées, la redondance se situant au niveau de l’information. À
chaque mot binaire est associée une signature qui évolue en fonction
des opérations réalisées selon un processus prévu à l’avance, au
moment de la conception du programme. À chaque cycle, la signature calculée est comparée à la signature prévue dans un
comparateur en logique câblée.
Ce système a l’avantage de devoir une grande partie de sa sécurité aux principes employés et au logiciel, donc de dépendre peu
de la technologie du microprocesseur utilisé.
■ Il apparaît bien, au travers de ces deux exemples, que les microprocesseurs n’assurent pas seuls les fonctions de sécurité : ils
fonctionnent dans un environnement de logique câblée dont la
conception de sécurité est plus classique soit pour acquérir les
données d’entrée, soit pour comparer les résultats, soit, enfin, pour
transmettre les informations en sortie, éventuellement avec une
puissance plus importante que celle mise en œuvre dans la microélectronique.
Les redondances mises en œuvre permettent d’éliminer la
majeure partie des défauts matériels ; par contre, la sécurité des
logiciels ne peut s’obtenir qu’en appliquant un plan de conception
très strict et en procédant à des validations successives. L’objectif
est un logiciel zéro faute.
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D 5 554 − 23
P
O
U
R
Transports électriques urbains
Distribution d’énergie. Automatismes de contrôle E
par
N
Jean-Paul PERRIN
Ingénieur Civil de l’Aéronautique
Master of Sciences
Ingénieur en Chef
Conseiller Scientifique et Technique
Département du Développement
de la Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP)
Charles VENARD
et
Ingénieur de l’École Supérieure d’Électricité
Ingénieur Chef de Division
Groupe de Soutien Coordination et Études Techniques
Département des Équipements et des Systèmes Électriques
de la Régie Autonome des Transports Parisiens (RATP)
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Afcet 1987. Revue Études-Projets - RATP,
oct.-nov.-déc. 1987.
Revue de l’INRETS Recherche Transport
Sécurité, no 11, sept. 1986 ; no 15, sept.
1987.
SACEM. Numéro spécial de juin 90. RGCF.
Normalisation
Française
NF C 15-100 4-91
Installations électriques à basse tension : Règles.
6 - 1991
Internationale
CEI 146
1973
Convertisseurs à semi-conducteurs.
CEI 850
1988
Tensions d’alimentation des réseaux de traction.
Doc. D 5 554
Texte réglementaire
Arrêté technique du 26 mai 1978 fixant les conditions techniques auxquelles
doivent satisfaire les distributions d’énergie électrique. Titre III Traction électrique. Ministère de l’Industrie – JO du 20 juin 1978.
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est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Génie électrique
Doc. D 5 554 − 1
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