Brevet FR3061986A1 — publié le 20180720

- 1 - L'invention concerne, de façon générale, le domaine technique des systèmes d'alimentation en énergie de traction électrique sous « 2x25kV » pour des véhicules de traction ferroviaire. Dans le domaine technique des systèmes d'alimentation, il est connu de l'art antérieur, le système très répandu du « 2x25kV », aussi nommé 25-0-25kV ou « Autotransformer feeder system » et peut aussi être sujet à d'autres dénominations selon les pays. Ce système d'alimentation de la traction vise à fournir des courants électriques suffisamment puissants pour alimenter de manière la plus performante possible des véhicules de traction ferroviaire quel que soit leurs positions vis-à-vis des sous-stations de traction sous leur secteur d'alimentation et ce, à partir d'un transformateur de puissance. Plus précisément, l'invention se rapporte à ce transformateur d'alimentation du système d'alimentation sous « 2x25kV », en améliorant les performances du système en utilisant les 3 phases primaires, c'est-à-dire en utilisant un transformateur triphasé objet de l'invention, ayant un câblage particulier des enroulements primaires et secondaires, et dont l'objectif est, d'une part et en premier de réduire le déséquilibre sur le réseau haute tension amont, et d'autre part destiné à alimenter des véhicules de traction ferroviaire pourvus d'un pantographe sans aucunement modifier les caractéristiques du « 2x25kV » en termes d'alimentation. Pour répondre à cette problématique, il est connu de l'état de la technique le système « 2x25kV » d'alimentation spécialement destiné à former un circuit électrique d'alimentation capable d'alimenter un véhicule de traction ferroviaire (12) pourvu d'un pantographe (14) à partir d'un courant électrique alternatif, et comportant au moins un secteur d'alimentation (2) comprenant, sur au moins une zone linéaire de distribution : - un ou des autotransformateurs 2x25kV (10) ; - une artère dite positive (13), la caténaire, constituée essentiellement d'un fil de contact apte à transporter le courant électrique alternatif et à transmettre ce courant électrique alternatif au véhicule de traction (12) par contact avec le pantographe du véhicule (14). Cette artère positive est raccordée aux points hauts (5a) du transformateur, des autotransformateurs en ligne (10), et éventuellement des autotransformateurs (16) de la sous-station suivant les schémas des figures 3, 4 et 5. 3061986 - 2 - - une artère négative (15), le feeder négatif, est raccordée aux points Bas (5b) du transformateur, des autotransformateurs de ligne (10), et éventuellement des autotransformateurs de la sous-station (19) suivant les schémas des figures 3, 4 et 5. 5 - une artère de retour du courant de traction (11) est constituée des éléments suivants interconnectés : les rails, le circuit de terre, le conducteur aérien de protection et éventuellement du conducteur de protection de terre enterré. Cette artère de retour traction est connectée aux points milieux (4) du transformateur, des autotransformateurs de ligne (10), et éventuellement des autotransformateurs (16) 10 de la sous-station des secteurs d'alimentation. Les lignes d'alimentation sont qualifiées de « positive » (13) et « négative » (15) car leurs tensions respectives sont en opposition de phase l'une par rapport à l'autre et référencées par rapport au potentiel de la terre, le retour traction (11). 15 Dans la technologie du « 2x25 kV » connue, l'alimentation est assurée par une sous-station de traction électrique dotée d'un transformateur généralement monophasé avec un point milieu, ou encore avec des montages spécifiques de type « Scott » ou « Le Blanc » raccordé, coté primaire, au réseau haute tension amont 20 et, côté secondaire, à un ou plusieurs secteurs d'alimentation (2) du réseau ferroviaire. Une des bornes, le point haut, du secondaire alimente l'artère positive tandis que l'autre borne, le point bas, du secondaire alimente l'artère négative, en opposition de phase par rapport à l'artère positive. Le point milieu du secondaire du transformateur est, lorsqu'il existe, en outre, raccordé à l'artère du retour traction. 25 Dans le cas de montages particuliers, tels que par exemple celui avec des transformateurs de Scott, le transformateur alimente en 50kV les autotransformateurs de la sous-station, le transformateur n'a pas de point milieu mais ce denier est reconstitué par les points milieux des autotransformateurs de la sous-station, ces derniers étant raccordés au rail. 30 Mais la technologie du « 2x25 kV » présente des inconvénients, et un en particulier : celui du déséquilibre du réseau haute tension amont, car n'utilisant qu'un transformateur monophasé. Les évolutions des réseaux ferroviaires et des réseaux haute tension amont soulèvent aujourd'hui des problématiques non 35 résolues sur cet aspect de déséquilibre. Plus particulièrement, les gestionnaires des réseaux de transport d'électricité sont contraints par le « déséquilibre » engendré par la ponction généralement monophasée de la puissance nécessaire aux 3061986 - 3 - circulations ferroviaires, même lors de l'utilisation de transformateurs de traction particuliers comme le montage Scott par exemple, le déséquilibre sur le réseau haute tension amont reste encore présent. Cette contrainte de « déséquilibre » est identifiée dans les documents de référence généraux ou 5 spécifiques aux projets des gestionnaires de réseau HT. Les gérants des réseaux haute tension amont HT font face à des contraintes économiques et environnementales qui réduisent considérablement la possibilité de créer des ouvrages capables de fournir d'importantes puissances d'entrée aux 10 réseaux ferroviaires. Parallèlement, les besoins en énergie de ces réseaux ferroviaires augmentent avec la nécessité de tracter des engins plus lourds dans le cadre des activités FRET, d'augmenter l'accélération des trains urbains pour améliorer leur circulation et d'accroître la vitesse des trains à grande vitesse afin de réduire les durées de voyage. Il découle de cette situation que les sous-stations de 15 traction électrique ont tendance à être de plus en plus puissantes de sorte que la technologie traditionnelle du « 2x25 kV » arrive aux limites des contraintes exigibles du déséquilibre fixées par le gestionnaire de réseau HT. Dans ce contexte, le transformateur triphasé (1) selon invention a pour but de 20 proposer une adaptation du ou des transformateurs de puissance du système d'alimentation de type « 2x25kV », pour réduire significativement le déséquilibre et permettant ainsi soit d'augmenter la puissance demandée sur un point de raccordement au réseau haute tension amont, soit de réduire lors du raccordement les exigences du réseau haute tension amont, sans dépasser les limites des textes 25 de référence des gestionnaires de réseau HT relatif au déséquilibre des phases. Les transformateurs monophasés, triphasés, etc., ont des enroulements primaires et secondaires et chaque enroulement est affecté d'un sens, correspondant au sens du flux dans la colonne magnétique et repéré par un point 30 d'entrée (9) de l'enroulement par convention et précisant ainsi le sens de chaque enroulement. Le transformateur triphasé (1) selon la présente invention est raccordé au primaire aux trois phases du réseau haute tension amont (3), il doit avoir un 35 couplage primaire (1a) en triangle et au moins un ensemble de 3 enroulements secondaires (1 b) ; dont chacun est associé à une phase primaire ; chacun ayant une valeur nominale à savoir 25kV, pour être raccordé à un système « 2x25 kV » 3061986 - 4 - (2), le couplage des 3 enroulements secondaires s'avère être particulier et décrit ci-après. Pour un ensemble de 3 enroulements secondaires associés à chacune des 3 5 phases primaires (1 b) ainsi construit, ces 3 enroulements secondaires (1 b) doivent être connectés en série, avec la particularité suivante : sachant que chacun des enroulements secondaires est repéré par un point (9) déterminant son sens, deux des enroulements secondaires contigus doivent avoir le même sens (7) et forment un ensemble mis en série avec l'enroulement secondaire restant (8), ayant un sens 10 inversé et placé soit devant, soit après de telle façon qu'il existe un point haut (5a), un point bas (5b), et un point milieu (4). La figure 2 représente 12 possibilités de couplage des trois enroulements secondaires. Le point haut (5a) et le point bas (5b) sont indifféremment les raccordements 15 de l'extrémité libre de l'ensemble des enroulements de même sens (7) et l'extrémité libre restante de l'enroulement (8). Le point milieu (4) est le point de connexion entre les deux enroulements de même sens (7) et l'enroulement seul (8). Il existe un autre point (6) la liaison entre les deux enroulements secondaires de même sens (7) mais non connecté. 20 Par cet agencement particulier, les enroulements secondaires (1 b) du transformateur triphasé (1) ainsi câblés permettent d'agir sur les trois phases primaires associées aux enroulement primaires (1a), certes de façon inégale mais cet agencement réduit significativement le déséquilibre primaire dû à la charge de 25 traction électrique d'alimentation sur le réseau haute tension amont (3) en comparaison avec un montage avec un transformateur monophasé standard 2x25kV et/ou 50kV (i.e. avec ou sans point milieu). Dans le cas où, le transformateur aurait plusieurs ensembles de 3 30 enroulements secondaires (1 b), alors il est possible de réduire encore le déséquilibre amont en combinant les possibilités de couplages de chaque ensemble de secondaires, chacun de ces ensembles alimentant un secteur d'alimentation différent (2). 35 La mise en oeuvre de l'invention est associée à tout transformateur triphasé (1) selon les revendications, de sous-station de traction, sur des installations nouvelles, modifiées ou upgradées, alimentant sous « 2x25 kV ». 3061986 - 5 - D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : 5 - La figure 1 associée à l'abrégé, représente le transformateur triphasé (1) seul, avec un des 12 couplages secondaires présentés ; - La figure 2 représente 12 couplages possibles des enroulements secondaires (7) et (8) dans laquelle les flèches épaisses avec leur sens représentent la phase de la tension dans chaque enroulement par rapport au référentiel des phases 10 primaires, et dans laquelle les flèches fines horizontales représentent de haut en bas successivement les trois points de connexion haut, milieu et bas définis respectivement suivant la convention l'artère positive, l'artère de retour et l'artère négative la direction de la flèche vers la droite représentant le départ vers le secteur d'alimentation « 2x25kV ». 15 - Les figures 3, 4 et 5 sont les représentations schématiques du système d'alimentation de l'invention selon les 3 systèmes plus ou moins équivalents utilisés dans le monde ferroviaire comportant une sous-station de traction électrique avec un transformateur triphasé (1) objet de la présente invention et un secteur d'alimentation (2), ces figures ne montrent que le premier 20 autotransformateur de ligne distant (10) : - Figure 3: Schéma d'alimentation avec un transformateur (1) selon l'invention avec son point milieu (4) raccordé au retour traction (11) et sans autotransformateur dans la sous-station ; - Figure 4: Schéma d'alimentation avec un transformateur (1) selon 25 l'invention avec son point milieu (4) raccordé au retour traction (11) et avec un ou des autotransformateurs (16) dans la sous-station ; - Figure 5 : Schéma d'alimentation avec un transformateur (1) selon l'invention sans point milieu (4) donc non raccordé au retour traction (11) et avec des autotransformateurs (16) dans la sous-station. 30 Le système d'alimentation découlant de la mise en oeuvre d'un transformateur triphasé (1) selon l'invention ne s'applique pas que dans le cadre de l'alimentation d'un secteur d'alimentation (2) et peut être mise en oeuvre avec toute autre tension 35 et/ou toute autre fréquence d'alimentation, utilisant un des schémas connus des figure 3, 4 et 5 avec des postes à autotransformateurs (10) à titre exemplatif et nullement limitatif la mise en oeuvre pourrait être employé avec un schéma de type 3061986 -6- 2 x 20 kV comme au Japon, et avec des fréquences autres que le 50hz et le 60hz etc. Le système d'alimentation découlant de la mise en oeuvre d'un transformateur 5 triphasé (1) selon l'invention peut également être mise en oeuvre avec un schéma non symétrique en tensions secondaires, toujours utilisant un schéma avec des postes à autotransformateurs eux aussi dissymétriques. A titre exemplatif et nullement limitatif la mise en oeuvre pourrait être employée avec un schéma déséquilibré de type 20 kV, 40 kV. 10 Le système d'alimentation découlant de la mise en oeuvre d'un transformateur triphasé (1) selon l'invention est une amélioration de la technologie du « 2x25 kV » au regard du réseau haute tension amont (3) qui reprend les principes de bases de cette technologie côté ferroviaire, et peut être mise en oeuvre dans tous les 15 schémas existants du « 2x25kV » , notamment avec un transformateur triphasé de puissance doté d'un point milieu ou sans point milieu et dans ce dernier cas avec des autotransformateurs (16) dans la sous-station de traction électrique. Le système d'alimentation de la traction comporte une ou plusieurs sous- 20 stations de traction électrique réparties le long du réseau ferroviaire, chacune pouvant être équipée ou pas, d'un ou de plusieurs transformateurs (1) suivant l'invention. Les sous-stations de traction électrique sont dotées de transformateurs (1) 25 reliés, au primaire (1a), au réseau haute tension amont (3) et, au secondaire (1 b), à un secteur d'alimentation (2) de manière à former un circuit électrique d'alimentation permettant de fournir l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement du véhicule de traction (12). L'alimentation 2x25 kV s'étend le long d'une voie ferroviaire, sur un secteur d'alimentation (2). Ce dernier peut d'ailleurs s'étendre jusqu'à plus de 40 30 kilomètres sur des lignes ferroviaires avec des autotransformateurs de ligne (10) agencés régulièrement le long du secteur d'alimentation (2). Les postes autotransformateurs sont reliés à l'artère positive (13) en leur point haut, à la ligne d'alimentation négative (15) en leur point bas, et à l'artère retour 35 traction (11) en leur point milieu de manière à distribuer régulièrement la puissance à l'artère positive et à l'artère retour traction (11). Ces autotransformateurs (10) sont généralement disposés tous les 6 à 15 km, le long du secteur d'alimentation (2) et il 3061986 - 7 - peut ainsi, par exemple, y avoir 7 autotransformateurs de ligne (10) par secteur d'alimentation (2). REVENDICATIONS1) Transformateur triphasé (1) alimentant un système d'alimentation spécialement destiné à former un circuit électrique d'alimentation capable d'alimenter un ou plusieurs véhicules de traction (12) ferroviaire pourvu d'un pantographe (14) à partir d'un courant électrique alternatif, comportant un ou plusieurs secteurs d'alimentation (2) sous « 2x25 kV » : - un fil de contact (13) et un porteur, non représenté dans les figures 3, 4 et 5, permettant via la structure de pendulage à transporter le courant électrique alternatif et à transmettre ce courant électrique alternatif au véhicule de traction (12) par contact avec le pantographe (14) sur le fil de contact (13) raccordé au point haut (5a) du transformateur triphasé (1) - une ligne d'alimentation négative (15) agencée dans le circuit électrique d'alimentation de manière à présenter un potentiel électrique en opposition de phase au potentiel électrique du fil de contact (14) raccordé au point bas du transformateur (5b) ; - du retour traction (11) constitué électriquement par les rails la terre et le conducteur de protection aérien et raccordé au point milieu (4) des autotransformateurs et éventuellement celui du transformateur triphasé (1). et caractérisé en ce que le couplage des trois enroulements secondaires correspondant à chacune des trois phases du transformateur triphasé (1) comporte deux des enroulements secondaires contigus avec le même sens (7) et formant un ensemble mis en série avec l'enroulement secondaire restant (8), ayant un sens inversé et placé soit devant, soit après. Les enroulements primaires du transformateur triphasé ont un couplage triangle. 2) Un transformateur triphasé (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un ou plusieurs enroulements secondaires par phase, chacun d'eux constituant un enroulement secondaire (7) ou (8) par phase. 3) Un transformateur triphasé (1) selon les revendications 1 ou la revendication 2, caractérisé par le fait qu'un transformateur triphasé (1) serait l'assemblage de plusieurs transformateurs comme par exemple 3 transformateurs monophasés distincts ou non. 3061986 - 9 - 4) Un transformateur triphasé (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le couplage des enroulements des primaires serait autre que « triangle ». 5 5) Un transformateur triphasé (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que la tension d'alimentation des enroulements secondaires serait 25kV ou une autre valeur. 6) Un transformateur triphasé (1) selon l'une quelconque des revendications 10 précédentes, caractérisé par le fait que la fréquence des tensions primaires ou secondaires serait 50Hz ou une autre valeur. 7) Un transformateur triphasé (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il existerait un ou plus d'un ensemble de 3 15 enroulements secondaires (1 b) couplés suivant l'invention. 8) Un transformateur triphasé (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait qu'il existerait éventuellement d'autres enroulements secondaires servant par exemple aux services auxiliaires de la sous- 20 station, voire des enroulements couplés à des compensateurs d'harmoniques, de déséquilibre, de réactif, ou autres. 9) Un transformateur triphasé (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les tensions secondaires soient éventuellement 25 différentes : systèmes dits déséquilibrés ou non symétriques, et dans le cas d'un déséquilibre pour au moins une des 3 phases. 10) Un transformateur triphasé (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le couplage des enroulements secondaires soit 30 conforme à la description suivant un des 4 schémas d'alimentation à savoir un transformateur triphasé selon l'invention : - avec son point milieu (4) raccordé au retour traction (11) et sans autotransformateur dans la sous-station, voir figure 3 ; - avec son point milieu (4) raccordé au retour traction (11) et avec un ou des 35 autotransformateurs dans la sous-station, voir la figure 4 ; - avec son point milieu (4) non raccordé au retour traction et avec des autotransformateurs dans la sous-station, voir figure 5 ; 3061986 - 1 0 - - avec son point milieu (4) raccordé au retour traction (11) et avec un ou des autotransformateurs à proximité de la sous-station, schéma non représenté mais équivalent à la figure 4 ; - avec son point milieu (4) non raccordé au retour traction et avec un ou des 5 autotransformateurs à proximité de la sous-station, schéma non représenté mais équivalent à la figure 5. 11) Un transformateur triphasé (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le schéma d'alimentation soit constitué d'une ou 10 plusieurs voie(s) ferroviaire(s) équipées d'une caténaire, d'un ou de plusieurs secteurs d'alimentation, avec un ou plusieurs autotransformateurs dans la sous-station et /ou en ligne, et ou avec un ou plusieurs transformateurs dans la sous-station. 15 12) Un transformateur triphasé (1) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la mise en oeuvre de ce transformateur triphasé (1) selon l'invention puisse se faire sur des installations à construire ou existantes à modifier. 20