De la centrale électrique au rail de traction

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Les rames du métro de Paris utilisent le courant de traction 750 V continu fourni par le rail de traction : "troisième rail" (sur les lignes fer) ou barres de guidage (sur les lignes pneu). Comment ce courant de traction est-il amené jusqu’au rail de traction ? C’est ce que nous allons découvrir dans cet article.

Les besoins

L’alimentation en courant de traction d’un réseau de transport urbain comme le métro de Paris [1] répond à plusieurs exigences. La première est la sécurité - le système retenu doit permettre la coupure immédiate et sûre du courant en cas de court-circuit (pour minimiser les risques d’incendie et les blessures par électrocution), de surcharge (pour minimiser les risques de dommages aux équipements) ou de commande de l’exploitant ou des usagers en cas d’urgence [2]. La deuxième exigence est la fiabilité, c’est-à-dire que le courant fourni doit l’être de façon quasi-continue, 24 heures sur 24. Enfin la troisième exigence majeure est la flexibilité, elle-même liée à la sécurité : le système doit permettre de couper l’alimentation de façon suffisamment sélective pour autoriser la continuité de l’exploitation sur les tronçons de ligne où cela est possible par ailleurs.

Collectivement, ces exigences conduisent à mettre en oeuvre :
 de nombreuses redondances et des modes dégradés, permettant d’assurer l’exploitation quasiment sans interruption dûe à des pannes d’équipement ou à l’arrêt d’une source d’énergie particulière,
 le principe du sectionnement, que nous allons étudier ci-dessous [3],
 plusieurs dispositifs de sécurité interconnectés, qui font l’objet d’une deuxième partie de cet article et que nous ne traiterons donc que brièvement dans cette partie-ci.

Les Postes Haute Tension

La région parisienne est entourée de deux "ceintures" électriques (en 400 kV et 225 kV) exploitées par RTE (le transporteur d’électricité) et alimentées par les centrales électriques d’EDF (le producteur d’électricité). Ces ceintures permettent d’alimenter la capitale avec une grande fiabilité. Le réseau électrique d’alimentation traction de la RATP est alimenté à partir de 7 points de livraison en haute tension (3 en 225 kV et 4 en 63 kV), au moyen de 12 liaisons de raccordement au réseau public de transport. Les sept points de livraison RTE sont :
 pour le 63 kV : Denfert, Père Lachaise AB, Lamarck et Monttessuy ;
 pour le 225 kV : Père Lachaise C, Ney et René Coty.

Poste Haute Tension

Schéma d’architecture (simplifié) d’un Poste Haute Tension 63 kV

Côté RATP, les douze extrémités des liaisons de raccordement sont les unités suivantes des postes Haute Tension (PHT) : Père Lachaise A, B, et C, Lamarck A et B, Ney A, Denfert A et B, René Coty A et B, Monttessuy A et B [4].

Regroupés dans sept lieux géographiques, les postes Haute Tension (PHT) transforment le 63 kV ou le 225 kV livrés par RTE en 15 kV triphasé. Les PHT situés de chaque côté de la Seine sont reliés entre eux en 15 kV de façon à permettre un partage de charge ou un secours en cas de faiblesse ou de défaillance de l’un des points de livraison RTE. Les PHT alimentent en 15 kV les Postes de Redressement (PR) et les Postes Eclairage Force (PEF), décrits ci-après.

Les deux transformateurs (A et B) d’un même PHT sont en général alimentés par deux arrivées RTE indépendantes. Le PHT est structuré de telle sorte qu’il soit possible de basculer d’une arrivée à l’autre en cas de panne d’un élément quelconque du PHT (arrivée, transformateur ou autre). Chaque transformateur alimente deux "ponts éclairage" vers les PEF, et quatre "ponts traction" vers les PR. Chaque pont peut être alimenté soit par le transformateur A soit par le transformateur B, par l’intermédiaire des Disjoncteurs Pont Eclairage (DPE) ou Disjoncteurs Pont Traction (DPT) à chaque extrémité de pont. Chaque départ depuis un pont vers un PR ou un PEF est protégé de tout court-circuit ou surcharge en aval par un disjoncteur haute tension (DHT).

Les Postes Eclairage-Force

Sortons un instant du cadre strict du courant de traction pour parler des postes éclairage-force. Ces 523 unités de transformation 15 kV / 380-220 V alimentent les installations et équipements électriques des tunnels et stations (éclairage mais aussi escaliers mécaniques, pompes, signalisation, etc...) ainsi que divers bâtiments administratifs, dépôts et ateliers. Des groupes électrogènes situés dans chaque PHT assurent cette alimentation en cas de défaillance majeure du réseau EDF. Des batteries d’accumulateurs installées localement dans les stations assurent par ailleurs un éclairage de jalonnement en cas de coupure totale du courant.

Chaque PEF est alimenté en 15 kV par une artère comportant deux câbles qui courent de station en station, reliant deux PHT entre eux et alimentant jusqu’à une vingtaine de PEF. Chacun des deux câbles composant une artère peut être alimenté par l’une ou l’autre de ses deux extrémités. En cas de défaut, il peut également être divisé en sections grâce à des interrupteurs télécommandés situés dans chaque PEF.

Les Postes de Redressement

Sous-station Necker

Cette ancienne sous-station abrite maintenant le PR Necker qui alimente les sous-sections 2 et 3 de la ligne 12.

Les postes de redressement (PR) transforment le 15 kV triphasé en provenance des PHT en 750 V continu à destination des sections de ligne. Ils sont au nombre de 125 pour le métro (138 en comptant ceux du RER en 1500 V), et sont souvent implantés dans les anciennes sous-stations qui abritaient autrefois des commutatrices autrement plus encombrantes (et nettement moins efficaces !) pour remplir une fonction similaire. Quelques PR, dont les PR Etoile, sont implantés en souterrain. En raison de leur éloignement par rapport aux PHT, 19 postes de redressement sont directement alimentés par RTE en courant 20 kV.

Chaque PR comprend un transformateur et une cellule redresseur, et alimente une section de ligne différente. Depuis l’arrivée haute tension en provenance du PHT, on trouve l’interrupteur arrivée qui permet d’isoler la ligne PHT/PR, lui-même relié à l’interrupteur départ et l’interrupteur de protection, qui permettent d’isoler de la haute tension le groupe transfo/redresseur et le transformateur des auxiliaires (15 kV triphasé / 400 V continu) respectivement.

En aval de l’interrupteur départ se trouvent le bloc transformateur (15 kV triphasé / 750 V triphasé) puis le bloc redresseur au silicium de moyenne puissance (1750 à 4500 kW), qui laisse passer les pics de courant au bon moment pour transformer le 750 V triphasé en 750 V continu. Afin d’assurer la sécurité des personnels de maintenance, le transformateur et le redresseur se trouvent dans une cellule grillagée et verrouillée. Grâce à un jeu sophistiqué de clés et de serrures, la porte de cette cellule ne peut être ouverte par le personnel de maintenance que lorsque la cellule est isolée à la fois de la haute tension et de la ligne.

Viennent ensuite le disjoncteur ultra-rapide (DUR), qui coupe très rapidement le courant en cas de surcharge, de court-circuit, de commande de l’exploitant, ou de déclenchement du circuit des avertisseurs d’alarmes (voir 2ème partie), puis le sectionneur d’isolement (SI), qui permet (uniquement lorsque l’installation est à vide, comme tous les sectionneurs) d’isoler la ligne de la cellule. Enfin des câbles de grosse section, supportant des intensités de plusieurs milliers d’ampères, partent du sectionneur d’isolement vers les chambres de sectionnement, via de petits tunnels obscurs reliant le PR à la ligne.

Poste de Redressement

Schéma d’architecture (simplifié) d’un Poste de Redressement

Le sectionnement

Afin de permettre l’exploitation d’une ligne par tronçons séparés en cas de problème électrique ou nécessitant une coupure de courant en un point donné de la ligne, chaque ligne de métro est divisée en sections, elles-mêmes divisées en sous-sections, elles-mêmes divisées en sections élémentaires [5]. Ces subdivisions électriques permettent en principe à l’exploitant de couper le courant sur une seule section élémentaire, en poursuivant l’exploitation (grâce aux communications de service provisoire) sur les deux tronçons de ligne adjacents ainsi formés. A chaque changement de subdivision électrique correspond une interruption du rail de traction.

Section élémentaire

A gauche, le sectionneur d’isolement de section élémentaire 156. On aperçoit la coupure correspondante du rail de traction en bas à droite de l’image.

Chaque section élémentaire appartenant à une même sous-section peut être isolée de ses voisines par un sectionneur manuel [6], et chaque sous-section appartenant à une même section peut être isolée de ses voisines par un sectionneur d’isolement télécommandé (SIT). Un sectionneur ne pouvant être ouvert qu’à vide [7], ces opérations nécessitent de couper le courant sur toute la section, d’ouvrir les sectionneurs concernés, puis de remettre le courant sur la section.

Pour parer à toute défaillance d’un PR ou d’un PHT, chaque section d’une même ligne est alimentée par au moins deux PR différents, chacun alimenté par un PHT différent. Les PR sont de deux types :
 Les PR "en T" alimentent une seule section.
 Les PR "en sectionnement" alimentent simultanément deux sections adjacentes, dont l’une au travers du contacteur de sectionnement (CS) qui les relie. Au contraire d’un sectionneur, un contacteur peut être commandé en charge, et l’on peut donc couper le courant sur une section en ouvrant simultanément (a) le disjoncteur ultra-rapide du PR en T qui l’alimente, (b) le disjoncteur ultra-rapide du PR en sectionnement qui l’alimente directement, et (c) le contacteur de sectionnement du PR en sectionnement qui l’alimente au travers de ce contacteur.

Le schéma ci-dessous résume de façon simplifiée les principes de base du sectionnement. Les sectionneurs d’isolement de PR, les sectionneurs têtes de câbles, les sectionneurs d’isolement manuels encadrant les SIT, ainsi que les sectionneurs manuels permettant de supprimer la mise en parallèle des voies ne sont pas représentés.

Sectionnement

Schéma (très simplifié) de l’alimentation traction d’une ligne

Un PR peut fonctionner pendant environ deux heures à une fois et demie sa puissance nominale, ce qui évite qu’une première défaillance sur un PR adjacent n’affecte l’exploitation de la ligne. Au delà de ce délai de grâce, ou en cas de double défaillance sur deux PR adjacents, on procède à des mesures de délestage, et en particulier à une réduction du nombre de trains en circulation sur la ligne affectée.

Sous-sectionnement

La bande mirlitonnée indique l’emplacement d’un coupon de protection séparant deux sous-sections.

Deux sous-sections adjacentes sont séparées non seulement par une interruption du rail de traction, mais aussi par un coupon de protection. Celui-ci évite de réalimenter intempestivement une sous-section sur laquelle le courant a été coupé par les frotteurs reliés entre eux d’une motrice qui chevaucherait les deux sous-sections, la seconde sous-section étant elle toujours alimentée. Grâce au contacteur de coupon de protection, le coupon de protection n’est alimenté que si les deux sous-sections qui l’encadrent le sont. Lorsque le contacteur de coupon de protection est hors service, les conducteurs sont invités par un panneau dans la station qui précède à effectuer un "passage sur l’erre", c’est-à-dire à franchir le coupon de protection non alimenté grâce à l’inertie du train en mouvement.

Les SIT et les contacteurs de coupon de protection résident dans des chambres proches de la ligne, repérées par des bandes mirlitonnées jaunes et noires, portant la mention "sous-sectionnement" pour les SIT, ou "sectionnement automatique" pour les CS.

Sectionneurs

Des sectionneurs Ferraz (à gauche) cotoient des sectionneurs à couteau à Gambetta.

Les interrupteurs d’alimentation télécommandés (IAT) permettent d’alimenter ou d’isoler les voies secondaires telles que voies de garages, d’évitement ou de raccordement. Ce rôle peut également être assuré par un disjoncteur. Les voies de raccordement entre deux lignes sont en général alimentées par un disjoncteur relié à l’une des lignes, mais peuvent également être alimentées en secours par l’autre ligne grâce à la fermeture d’un sectionneur "normalement ouvert".

Conclusion

L’architecture mise en oeuvre pour l’alimentation traction du métro, conçue en 1946 et mise en oeuvre dans le "plan 63000 volts" de 1958 à 1970, atteint pleinement ses objectifs de sécurité, de fiabilité et de flexibilité. En particulier la coupure totale de l’alimentation ne serait-ce que d’un seul tronçon de ligne de métro nécessiterait la coupure simultanée de plusieurs points de livraison RTE ou la mise à l’arrêt de plusieurs PHT, ce qui en pratique n’est possible que par sabotage de grande ampleur [8]. La coupure accidentelle du courant d’éclairage et de signalisation est quant à elle d’une probabilité extrêmement faible.

La commande, le contrôle et les automatismes qui se superposent aux équipements électriques décrits dans cette première partie font l’objet de la deuxième partie de cet article.

 Par...

Metrorama
Metrorama
Passionné depuis tout petit par les aspects techniques du métro.

Dernière mise à jour le
14 juillet 2004.
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 Notes

[1] La RATP consomme au total environ 1,3 milliard de kWh par an. Son réseau de distribution interne décrit ici couvre 80% des besoins, le reste étant fourni directement par EDF aux points d’utilisation.

[2] Une explication des appareils d’établissement et d’interruption des circuits électriques, très pédagogique mais non spécifique au métro, est disponible ici.

[3] Le sectionnement a été mis en oeuvre à Paris suite au terrible accident de Couronnes le 10 août 1903.

[4] On peut consulter un bon diagramme ici.

[5] Les principes du sectionnement décrits ici concernent les lignes de métro à . Ils s’appliquent également, avec des variantes, à la ligne et aux lignes .

[6] ou plus rarement par un interrupteur d’alimentation télécommandé (IAT).

[7] On dit d’un système électrique qu’il est :
 hors tension, lorsque qu’il n’est pas relié à une source de courant,
 sous tension, lorsqu’il est relié à une source de courant,
 à vide, lorsqu’il est sous tension mais pas parcouru par un courant,
 en charge, lorsqu’il est parcouru par un courant

[8] On a malheureusement assisté à un tel sabotage par certains agents EDF ces derniers jours.

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