Méthodes de Mise à la Terre Neutre pour les Systèmes d'Alimentation des Chemins de Fer à Vitesse Conventionnelle
Les systèmes électriques ferroviaires se composent principalement de lignes de signalisation automatique par blocs, de lignes d'alimentation en traversée, de postes de transformation et de distribution ferroviaires, ainsi que de lignes d'alimentation entrantes. Ils fournissent de l'électricité aux opérations ferroviaires critiques, y compris la signalisation, les communications, les systèmes de matériel roulant, la gestion des passagers dans les gares et les installations de maintenance. En tant que partie intégrante du réseau électrique national, les systèmes électriques ferroviaires présentent des caractéristiques distinctes à la fois de la génie électrique et de l'infrastructure ferroviaire.
Renforcer la recherche sur les méthodes de mise à la terre neutre pour les systèmes électriques ferroviaires à vitesse conventionnelle — et prendre en compte de manière globale ces méthodes lors de la conception, de la construction et de l'exploitation — est d'une grande importance pour améliorer la sécurité et la fiabilité de l'alimentation électrique ferroviaire.
1. Aperçu des méthodes de mise à la terre neutre dans les systèmes électriques ferroviaires
La méthode de mise à la terre neutre dans les systèmes électriques ferroviaires fait généralement référence à la configuration de mise à la terre des transformateurs — une forme de mise à la terre fonctionnelle (de travail) étroitement liée au niveau de tension, au courant de défaut monophasé à la terre, aux niveaux de surtension et aux schémas de protection relais. Il s'agit d'un problème technique complexe qui peut être largement catégorisé comme suit :
Systèmes non solidement mis à la terre : incluant les systèmes non mis à la terre, mis à la terre par bobine d'extinction d'arc (bobine Petersen) et mis à la terre à haute résistance ;
Systèmes solidement mis à la terre : incluant la mise à la terre directe et la mise à la terre à basse résistance.
L'alimentation électrique fournie par le réseau national aux chemins de fer adopte universellement une configuration de neutre non mis à la terre. Les circuits de dérivation provenant des postes de transformation et de distribution ferroviaires sont généralement branchés directement sur le bus secondaire (situé après le bus d'entrée mais avant le régulateur de tension), utilisant ainsi également un système de neutre non mis à la terre. Pour les lignes en traversée, la méthode de mise à la terre du transformateur de réglage de tension peut être choisie en fonction des besoins réels.
Contrairement aux systèmes électriques des lignes à grande vitesse, qui utilisent généralement une mise à la terre à basse résistance, les systèmes ferroviaires à vitesse conventionnelle emploient principalement des configurations de neutre non mis à la terre. Bien que cette approche offre certains avantages, l'évolution des normes de sécurité et des mises à niveau techniques en cours justifient une réévaluation des stratégies de mise à la terre dans le contexte opérationnel actuel.
2. Avantages et limites des systèmes de neutre non mis à la terre
Selon le Code de conception de l'alimentation électrique ferroviaire (TB 10008–2015), la configuration des lignes en traversée doit être déterminée en fonction de la fiabilité de l'alimentation électrique et des conditions spécifiques du projet, en utilisant soit des lignes hybrides câble-aérien, soit des lignes entièrement souterraines.
En raison des contraintes budgétaires et de faisabilité technique, la plupart des lignes en traversée des chemins de fer à vitesse conventionnelle en exploitation reposent actuellement principalement sur des conducteurs aériens ou des configurations hybrides dominées par les conducteurs aériens. Par conséquent, leurs schémas de mise à la terre neutre adoptent généralement des systèmes de neutre isolé (non mis à la terre) ou des systèmes de mise à la terre à faible courant. Conformément à l'article 69 des Règles de gestion de l'alimentation électrique ferroviaire, les défauts monophasés à la terre dans ces systèmes doivent être traités rapidement, avec un temps de fonctionnement de défaut généralement ne dépassant pas 2 heures.
Les données opérationnelles d'un segment spécifique de l'administration ferroviaire entre janvier et octobre 2023 ont enregistré 152 interruptions de courant, dont 15 étaient dues à des pannes d'équipement (2 attribuables à une responsabilité interne, 13 à des facteurs externes). Notamment, les dangers environnementaux, en particulier l'encroûtement végétal, représentent la menace principale pour la stabilité des lignes aériennes. Dans un incident, des branches d'arbre se sont introduites dans la zone de dégagement, causant une connexion partielle phase-terre sur un conducteur latéral. Le défaut a été identifié et résolu dans la fenêtre de 2 heures, évitant tout impact sur les opérations ferroviaires et évitant les défaillances en cascade. Cela démontre que, dans les conditions techniques existantes, les systèmes de neutre non mis à la terre offrent des avantages pratiques.
Cependant, les lignes de câbles posent des défis différents. Comparativement aux lignes aériennes, les câbles d'alimentation ont des marges d'isolement plus faibles et une tolérance limitée aux surtensions. Lors d'un défaut monophasé à la terre dans un système non mis à la terre, les tensions des phases saines augmentent au-delà des niveaux normaux phase-terre — atteignant potentiellement la tension phase-phase — augmentant le risque de rupture d'isolement multipoint dans les phases non défectueuses. De plus, les courants de défaut capacitifs dans les systèmes de câbles sont relativement importants, entraînant une dégradation rapide de l'isolement au point de défaut et une forte probabilité d'évolution vers des courts-circuits phase-phase.
Comme les câbles sont généralement installés par enfouissement, conduit ou tray, la localisation des défauts est difficile. Combinée aux contraintes des techniques de jonction de câbles, de la logistique de réparation et des fenêtres d'exploitation ferroviaire, ces défauts ne peuvent souvent pas être résolus rapidement. En pratique, les pannes de câbles sont principalement dues à des ruptures d'isolement permanentes — les matériaux d'isolation organiques ne peuvent pas se auto-régénérer. Dans un système non mis à la terre, l'absence de déclenchement immédiat permet aux courants de défaut de se prolonger, causant des dommages graves à l'isolation, élargissant la zone de défaut et potentiellement déclenchant des problèmes secondaires tels que des alarmes d'écran de puissance ou même des pannes de signal "en bande rouge" perturbant les services ferroviaires — parfois entraînant des interruptions prolongées et des risques significatifs de sécurité ou de relations publiques.
3. Sélection des méthodes de mise à la terre neutre pour les systèmes électriques ferroviaires à vitesse conventionnelle
La sélection de la méthode de mise à la terre neutre appropriée est cruciale pour une opération stable de l'alimentation électrique ferroviaire. Le défi central réside dans l'équilibre entre :
La minimisation des déclenchements inutiles causés par les perturbations externes,
L'assurance d'une alimentation ininterrompue aux charges critiques,
La mise en œuvre d'une protection efficace des défauts,
Le contrôle de la propagation des défauts, et
Le maintien de l'intégrité électrique et d'isolement des équipements sains pendant les défauts.
Selon le Code de conception de l'alimentation électrique ferroviaire (TB 10008–2015), pour les lignes en traversée de 10(20) kV alimentées via des régulateurs de tension, les directives de mise à la terre suivantes s'appliquent :
Si le courant de défaut à la terre d'une phase unique ≤ 10 A, un système non mis à la terre doit être utilisé.
Si le courant ≤ 150 A, on peut adopter soit un raccordement à basse résistance, soit un raccordement par bobine d'extinction d'arc ; si > 150 A, il est recommandé d'utiliser un raccordement à basse résistance.
Les lignes entièrement câblées doivent préférablement utiliser un raccordement à basse résistance.
Pour le raccordement à basse résistance, la résistance de mise à la terre doit être choisie de manière à produire un courant de défaut monophasé de 200–400 A, avec un déclenchement instantané en cas de détection d'un défaut.
En revanche, le Code de conception des lignes ferroviaires à grande vitesse (TB 10621–2014) permet l'utilisation de systèmes neutres non mis à la terre lorsque le courant capacitif de défaut à la terre ≤ 30 A, avec une compensation fournie via un réacteur connecté à la terre.
Sur la base des calculs provenant des manuels standard d'ingénierie électrique ferroviaire, les longueurs maximales de câbles autorisées pour les câbles en aluminium courants (sections de 70 mm² et 95 mm²) correspondant aux courants de défaut monophasés capacitifs de 10 A, 30 A, 60 A, 100 A et 150 A sont résumées dans le Tableau 1. Ces valeurs peuvent guider le choix d'une méthode de mise à la terre appropriée en fonction de la longueur réelle du câble.
Numéro de série Courant capacitif monophasé à la terre d'un câble triphasé (A) Courant capacitif moyen du câble triphasé de section 70 mm² (A/km) Longueur correspondante du câble (km) Courant capacitif moyen du câble triphasé de section 95 mm² (A/km) Longueur correspondante du câble (km) 1 10 0,9 11,11 1,0 10,00 2 30 0,9 33,33 1,0 30,00 3 60 0,9 66,67 1,0 60,00 4 100 0,9 111,11 1,0 100,00 5 150 0,9 166,67 1,0 150,00 La mise à la terre via le point neutre permet une élimination rapide des défauts. La protection par séquence zéro peut fonctionner en 0,2 à 2,0 secondes pour isoler le défaut, réduisant ainsi la probabilité d'incidents électriques permanents secondaires et protégeant la fiabilité de l'isolation et la durée de vie des équipements électriques.
4. Comparaison des méthodes de mise à la terre du neutre les plus courantes
4.1 Système non mis à la terre
La méthode du neutre non mis à la terre offre l'avantage d'une alimentation continue pendant 1 à 2 heures en cas de défaut de phase unique sur les lignes dominées par des conducteurs aériens. Cependant, sur les lignes dominées par des câbles, cette méthode tend à provoquer une escalade des défauts.
4.2 Mise à la terre du neutre via bobine d'extinction d'arc
Comparée au système non mis à la terre, cette méthode utilise le courant inductif de la bobine d'extinction d'arc pour compenser le courant capacitif, réduisant le courant de défaut à un niveau qui peut s'éteindre spontanément, minimisant ainsi les surtensions induites par l'arc. Elle permet également une opération continue de 1 à 2 heures en cas de défaut de phase unique et empêche les défauts de phase unique de se développer en défauts interphase. Cependant, cette méthode impose des exigences plus élevées pour la protection contre les défauts de terre, ne peut pas identifier la ligne défectueuse, est sujette aux résonances et ne peut pas décharger efficacement les charges résiduelles sur la ligne.
4.3 Mise à la terre du neutre via résistance faible
Sur les lignes dominées par des câbles, la méthode de mise à la terre à basse résistance contrôle efficacement les surtensions d'arc de terre lors des défauts de phase unique, supprime les surtensions de résonance du système, offre de bons effets de limitation de courant et de réduction de tension, et fournit une performance relativement élevée de protection par surintensité de séquence zéro, facilitant l'élimination opportune des défauts. Cependant, cette méthode a des limites, en particulier dans les sections de lignes aériennes : une fréquence accrue de disjonction affecte le fonctionnement du système d'alimentation, affaiblit la capacité d'alimentation et augmente la difficulté de maintenance des équipements dans une certaine mesure.
5. Discussion sur les méthodes de mise à la terre du neutre pour les systèmes d'alimentation ferroviaires
(1) Améliorer l'utilisation des dispositifs de bobine d'extinction d'arc à suivi automatique. Cette approche a l'avantage d'éliminer automatiquement les défauts de terre transitoires dans le système d'alimentation, réduisant ainsi le nombre de disjonctions. Lorsqu'un signal d'alarme de défaut est émis, la bobine d'extinction d'arc à suivi automatique génère un courant de compensation correspondant, permettant une recomposition de la ligne d'alimentation. Cela réduit l'occurrence de défauts de court-circuit entre les trois phases et assure la stabilité et la sécurité du système. En outre, comme le dispositif d'extinction d'arc a une valeur critique spécifique d'extinction d'arc, si le courant de défaut de terre est inférieur à cette valeur critique, la vitesse de récupération de la tension augmente sous l'action du dispositif d'extinction d'arc, aidant à éteindre l'arc de manière fiable et réduisant la probabilité de re-ignition de l'arc, diminuant ainsi les incidents d'alimentation et soutenant efficacement le fonctionnement de la mise à la terre neutre fiable.
(2) Lors de la rénovation des lignes de distribution existantes à vitesse conventionnelle et des lignes de blocage automatique, si les lignes de câble — après remplacement des lignes aériennes — représentent une proportion importante, il est recommandé de considérer une compensation centralisée ou distribuée en utilisant des réacteurs en boîtier pour compenser la puissance réactive inductive dans des conditions normales de courant capacitif. Selon les résultats de calcul dans le Tableau 2, les valeurs de capacité de fonctionnement sont de 0,22 μF/km pour un câble à noyau d'aluminium de 70 mm² et de 0,24 μF/km pour un câble à noyau d'aluminium de 95 mm². Simultanément, des modifications d'adaptabilité des locaux de distribution devraient être prises en compte, et les méthodes de mise à la terre du neutre des régulateurs de tension dans les locaux de distribution des deux côtés devraient être ajustées en conséquence sur la base des données calculées.
Serial No. Steady-state capacitive current of three-core cable (A) Average steady-state capacitive current of 70 mm² three-core cable (A/km) Corresponding cable length (km) Average steady-state capacitive current of 95 mm² three-core cable (A/km) Corresponding cable length (km) Capacitive reactive power of cable line (kvar) Inductive reactive power required to compensate 75% of steady-state (kvar) 1 3 0.4 7.5 0.44 6.82 51.96 38.97 2 5 0.4 12.5 0.44 11.36 86.6 64.95 3 10 0.4 25 0.44 22.73 173.2 129.9 4 15 0.4 37.5 0.44 34.09 259.3 194.85 5 30 0.4 75 0.44 68.18 519.6 389.7 Dans des cas extrêmes, si le système n'est pas mis à la terre et que des câbles monophasés conformes aux normes des lignes à grande vitesse sont utilisés, une panne de phase unique ne sera pas éliminée dans la fenêtre de temps autorisée de 2 heures. Cela provoque un dommage thermique continu au câble. De plus, après qu'un câble monophasé est endommagé, son impact sur les phases adjacentes est relativement faible, aggravant encore la situation en ne déclenchant pas l'arrêt protecteur, ce qui peut facilement conduire à des pannes systémiques.
6. Conclusion
Dans les systèmes d'alimentation des lignes ferroviaires à vitesse conventionnelle, le choix de la méthode de mise à la terre du neutre affecte directement la sécurité et la stabilité du fonctionnement du système. Un choix inapproprié du schéma de mise à la terre du neutre peut facilement entraîner des pannes secondaires et des incidents en cascade. Par le biais de calculs et d'analyses comparatives, une sélection globale et rationnelle de la méthode de mise à la terre du neutre est d'une grande importance pour éliminer efficacement les pannes, protéger l'isolation des équipements, assurer une alimentation de traction fiable et améliorer la sécurité des opérations des personnels et des trains.
