Le système ferroviaire et la SNCF

Le système électrique ferroviaire est composé d’un ensemble de conducteurs métalliques de différentes natures et ayant, pour la plupart d’entre eux, la particularité d’avoir une longueur très importante par rapport aux dimensions transversales. Cet ensemble de conducteurs est inséré dans un environnement complexe composé de plusieurs autres éléments, tel que le réseau de transport d’énergie à haute tension, le réseau de gaz, le réseau des télécommunications, ainsi que des habitations, des passagers, des rivières, des fermes, etc. Pour assurer sa bonne compatibilité électromagnétique avec l’environnement, il est important de limiter les niveaux d’émissions électromagnétiques provenant du système ferroviaire qui pourraient perturber les éléments extérieurs ou mettre en danger des personnes. En même temps, il est important que le système ferroviaire soit suffisamment immunisé contre des éventuelles perturbations externes, de façon à assurer le bon fonctionnement des installations ferroviaires et la sécurité des passagers et du personnel. Parmi les types de perturbations électromagnétiques existant, les Élévations de Potentiel de Sol (EPS) méritent une attention particulière. Le sol naturel est un milieu conducteur de très grande taille. Il est souvent utilisé pour drainer des excès de charges électriques d’un système quelconque, ainsi comme un milieu d’échange de courant électrique entre des systèmes qui sont à des potentiels électriques différents. En particulier, dans le cas d’un court-circuit phase-terre dans une ligne à haute tension, une part important du courant de défaut s’écoule dans le sol, ce qui engendre une EPS dans une zone d’influence autour de la région du court-circuit. Puisque la tension au départ est très élevée, il s’avère que le potentiel au niveau du sol risque de dépasser les tensions limites de sécurité autorisées par les normes en vigueur, notamment celles par rapport au potentiel en proximité de la surface du sol (tension de pas, tension de toucher et tension de claquage). Des protections sont alors systématiquement installées de sorte à limiter l’impact des EPS sur les éléments voisins. Ces protections ont souvent un coût d’installation et de maintenance très élevé ; elles doivent être optimisées au cas par cas, de façon à garantir la sécurité des personnes et le bon fonctionnement des équipements, et en même temps rester financièrement accessibles. La modélisation du sol est une étape essentielle dans cette démarche d’optimisation. Le sol, qui est composé de plusieurs matériaux différents, est le milieu par lequel les échanges électriques s’effectuent. Ses constituants ont des caractéristiques électriques variées, qui dépendent non seulement de leur composition moléculaire mais aussi, entre autres, de leur salinité et de leur teneur en eau.

État de l’art 

Le système électrique ferroviaire est composé de plusieurs conducteurs de différentes natures. Certains d’entre eux sont en contact avec les sol alors que d’autres sont isolés du sol. Ces conducteurs ont en général une longueur d’au moins quelques centaines de mètres et présentent un fort parallélisme. Aussi, une proximité importante existe entre le réseau ferroviaire et le réseau de transport d’énergie à haute tension. Ce dernier, dû aux tensions élevées qu’il met en jeu, est une source potentielle de fortes perturbations vis-à-vis des installations ferroviaires. Ces caractéristiques font la particularité du système ferroviaire par rapport à d’autres systèmes électriques. Par conséquent, les méthodes courantes de calcul électromagnétique ne peuvent pas y être directement appliquées, elles doivent être adaptées à telles circonstances. Les perturbations auxquelles les conducteurs ferroviaires sont soumis peuvent être divisées en deux grands groupes : inductives et conductives via le sol. En particulier, la prise en compte de la perturbation conductive est souvent difficile, et cela principalement à cause d’une méconnaissance des propriétés du sol. Dans un premier temps, on présentera les propriétés du système électrique ferroviaire. On décrira les conducteurs principaux ainsi que leurs fonctions. Dans un deuxième temps, on discutera des Élévations de Potentiel de Sol (EPS), qui sont une conséquence directe des perturbations conductives. On définira à ce moment des concepts essentiels qui seront utilisés par la suite, lors des chapitres prochains. De même, on présentera les méthodes existantes pour modéliser les EPS. Enfin, une discussion sur les dangers de l’EPS vis-à-vis du système ferroviaire sera présentée.

Le système ferroviaire et la SNCF

La Société Nationale des Chemins de fer Français est l’entreprise publique française qui gère le système ferroviaire français. Cependant, plus qu’une simple entreprise ferroviaire, la SNCF présente un large éventail d’activités, se définissant comme une entreprise qui propose une offre complète de solutions de mobilité. L’expertise acquise par ses années d’expérience, ainsi qu’une politique d’ouverture à l’étranger, ont permis à la SNCF d’être présente dans plus de 120 pays dans le monde. Aujourd’hui, avec plus de 250 000 employés et transportant quotidiennement plus de 4 millions de voyageurs, la SNCF est une des plus grandes entreprises ferroviaires au monde. La maintenance du réseau ferré est l’une des principales activités de la SNCF, la sureté et fiabilité du réseau ferroviaire en dépendent. Les domaines de travail concernés sont nombreux. La maintenance doit traiter principalement des problèmes d’origine mécanique, liés par exemple à la liaison du ballast et des rails, et des problèmes électriques, liés par exemple à la conception des sous-stations électriques ainsi qu’à la compatibilité électromagnétique du réseau. Cependant, d’autres domaines sont aussi concernés, comme la chimie, en rapport avec la corrosion des matériaux, la géophysique, en rapport avec la stabilisation du sol, la propagation de chaleur, la propagation d’ondes acoustiques, etc. La problématique de cette thèse est en rapport direct avec les problèmes de compatibilité électromagnétique du système ferroviaire, et cela en interface avec l’étude des propriétés physiques du sol. Cette dernière partie est liée principalement à l’investigation de la constitution du terrain environnant la voie ferrée. Les deux prochaines sections ont donc pour but d’introduire les aspects électriques et géophysiques du système ferroviaire, aspects que nous exploiterons par la suite.

Les composants conducteurs du système ferroviaire

Les conducteurs du système ferroviaire peuvent être divisés en deux grands groupes en fonction de leur rapport avec le sol : les conducteurs aériens et les conducteurs à terre. Les conducteurs aériens sont des câbles qui sont tenus écartés du sol par le support des poteaux caténaire. Ils ne sont pourtant pas tous forcément maintenus isolés du sol sur toute leur longueur. Certains servent à l’alimentation électrique des trains ainsi que d’autres servent à la mise en équipotentialité du réseau. Contrairement aux conducteurs aériens, les conducteurs à terre sont posés directement sur le sol ou bien enterrés. Certains conducteurs à terre participent à l’alimentation électrique et à la mise en équipotentialité du réseau, alors que d’autres sont utilisés pour la signalisation des trains et pour les télécommunications. De ce fait, certains d’entre eux sont en contact direct avec le sol et sont donc capables à tout moment d’échanger du courant électrique avec ce dernier sur toute leur longueur, alors que d’autres en sont isolés par l’intermédiaire d’une gaine plastique ou d’un caniveau isolant.

Conducteurs aériens 

Les conducteurs aériens sont ceux qui sont maintenus à l’écart du sol par le support des poteaux caténaires. Ce groupe est composé par l’ensemble de conducteurs appelé caténaire (pour plus d’informations, voir le document [3]) ainsi que par le câble de protection aérien, appelé « cdpa » dans le jargon ferroviaire. La caténaire, pour sa part, est composée de plusieurs autres conducteurs, dont les principaux sont: le fil de contact, le fil porteur (relié au fil de contact par des « pendules ») et le feeder (Fig. 1.1.3). Leurs fonctions sont les suivantes :

— Le fil de contact : il assure l’alimentation en courant électrique par contact glissant entre le système caténaire et le pantographe (le bras frotteur articulé situé sur la toiture de l’engin). Le fil de contact est maintenu parallèle au sol, donc parallèle aux rails et à l’axe horizontal du train, par l’utilisation des pendules et du fil porteur. Cela permet d’assurer un contact électrique régulier entre le fil de contact et le pantographe, et donc une continuité électrique optimale ;
— Le fil porteur : sont rôle principal est de positionner et maintenir le fil de contact parfaitement horizontal ;
— Les pendules : c’est un ensemble de conducteurs cylindriques de tailles différentes qui relient le fil porteur au fil de contact. En permettant de supprimer l’effet chainette sur le fil contact, ils garantissent l’uniformité du contact électrique entre ce dernier et le pantographe ;
— Le feeder : ce conducteur joue un rôle important dans le système d’alimentation électrique à 2x25kV. Il permet de transporter l’énergie à 50kV (différence de potentiel électrique entre feeder et le fil porteur), alors que le train consomme de l’énergie à 25kV (différence de potentiel électrique entre le fil porteur et les rails, dans la boucle d’alimentation). Cela permet de réduire l’intensité de courant transporté, et donc de réduire les pertes par effet Joule ;
— Le câble de protection aérien (cdpa) : à la différence des autres conducteurs aériens, le cdpa n’est pas complètement isolé du sol. Il est connecté directement aux poteaux caténaires, qui eux sont connectés au sol. Le cdpa permet d’offrir une protection contre la foudre et contre le défaut caténaire-structure lors d’un contournement d’isolateur. En distribuant le surplus de courant électrique sur plusieurs poteaux, il permet d’éviter une augmentation locale trop importante du potentiel électrique. Sa mise à la terre est représentée par une résistance linéique d’environ 5 Ω · km.

Conducteurs à terre 

Les conducteurs à terre sont ceux qui sont posés directement sur le sol ou bien ceux qui sont enterrés. Ceci prend en compte les rails, les câbles de terre enterrés (cdte), les câbles de signalisation, les câbles de télécommunication, les câbles transversaux de liaison équipotentielle et les grillages métalliques. Le sol est aussi un conducteur en soi, mais à cause de son importance particulière il sera décrit dans le prochain chapitre. Les fonctions des conducteurs à terre sont les suivantes :
— Les rails : ils servent avant tout à supporter le matériel roulant, permettant le roulement et le guidage des roues. En plus, les rails servent de support conducteur pour le système électrique de signalisation, ainsi que pour le retour du courant de traction. Leur rôle dans la boucle de retour de courant demande qu’ils soient suffisamment isolés du sol pour limiter les fuites de courant vers le sol (courants vagabonds). Cette tache est remplie par la plateforme ferroviaire (voir section 1.1.2). Cependant, cet isolement n’est jamais parfait, il est même dégradé volontairement dans un objectif de sécurité. Pour limiter les tensions rail-sol, certaines précautions sont prises, comme par exemple une mise à la terre périodique des rails ;
— Le câble de terre enterré (cdte) : il est enterré parallèlement à la voie et dans certaines zones spécifiques dangereuses, où le potentiel électrique de sol peut atteindre des valeurs élevées. Il est périodiquement relié à tous les autres conducteurs, ce qui assure l’équipotentialité entre eux. En même temps, lors d’un défaut d’isolement il permet de répartir le courant de défaut, ce qui réduit les surtensions au niveau des autres conducteurs ;
— Les câbles de signalisation et de télécommunication : comme son nom l’indique, le câble de signalisation est utilisé dans le système de détection de train et de signalisation. Le câble de télécommunication est, à son tour, utilisé pour la communication entre les gares et les systèmes d’appel d’urgence distribués au long des voies. Il véhicule également des messages de communication entre les automates distants ;
— Les câbles transversaux de liaison équipotentielle (LT) : ils sont enterrés transversalement à la voie et sont directement reliés à un certain nombre de conducteurs à terre. Leur but est d’améliorer l’équipotentialité du réseau ;
— Les grillages métalliques : ils servent avant tout à prévenir l’intrusion de personnes et d’animaux près des voies. Cependant, en étant en contact direct avec le sol, les grillages jouent aussi un rôle important de distribution de courant lors d’une élévation de potentiel électrique de sol ;

Dans certains contextes (proximité des pylônes haute-tension de RTE), les câbles de télécommunication et de signalisation sont placés dans des caniveaux isolants. Cela permet de renforcer l’isolement électrique de ces câbles par rapport au sol. Leur mise à la terre est reportée hors de la zone de contraintes. Dans ces situations, le contact avec le sol n’est alors pas continu.

Table des matières

Introduction
1 État de l’art
1.1 Le système ferroviaire et la SNCF
1.1.1 Les composants conducteurs du système ferroviaire
1.1.2 Le sol naturel et la plateforme ferroviaire
1.2 La conduction électrique dans le sol
1.2.1 Les caractéristiques électriques de sol
1.2.2 La prise de terre
1.2.2.1 La résistance de prise de terre d’un hémisphère dans un sol homogène
1.2.2.2 La résistance de prise de terre d’un cylindre
1.2.2.3 La prise de terre dans un sol hétérogène
1.2.3 Le couplage conductif entre conducteurs enterrés
1.2.4 Le couplage inductif entre conducteurs en présence du sol
1.2.5 Le calcul de l’EPS
1.2.5.1 EPS pour conducteurs indépendants
1.2.5.2 EPS avec couplage conductif par le sol
1.2.6 Les dangers de l’EPS pour le système ferroviaire
1.3 Objectifs
2 Modélisation d’un sol hétérogène multicouches
2.1 Les paramètres électriques du sol
2.2 La méthode de Wenner : les résistivités apparentes
2.2.1 Description de la méthode
2.2.2 Résistivités apparentes pour un sol à deux couches
2.2.3 Résistivités apparentes pour un sol à trois couches
2.2.4 Pourquoi utiliser un modèle de sol multicouches
2.3 Les algorithmes d’optimisation
2.3.1 Introduction
2.3.2 Algorithmes Génétiques
2.3.2.1 Le principe des algorithmes génétiques
2.3.3 L’algorithme de recherche par motifs (pattern search)
2.3.4 Démarche de l’application des méthodes d’optimisation pour la reconstruction de sol multicouches
2.3.4.1 Calcul de la forme intégrale du potentiel électrique en surface pour sol homogène et injection ponctuelle
2.3.4.2 Calcul du potentiel en surface pour un sol à deux couches et électrode d’injection ponctuelle
2.3.4.3 Calcul du potentiel en surface pour un sol à trois couches et électrode d’injection ponctuelle
2.3.4.4 Calcul de la résistivité apparente théorique
2.3.4.5 Calcul de la fonction fitness
2.4 Résultats
2.4.1 Reconstruction des couches de sol pour un sol simulé
2.4.1.1 Reconstruction des couches de sol pour un sol simulé à deux couches
2.4.1.2 Reconstruction des couches de sol pour un sol simulé à trois couches
2.4.2 Reconstruction des couches de sol à partir de mesures effectuées à Nîmes-Montpellier
2.4.2.1 Le contexte des mesures
2.4.2.2 Les mesures de Wenner
2.4.2.3 Le calcul des paramètres électriques de sol
2.4.3 Reconstruction des couches de sol à partir de mesures effectuées à Chambéry
2.4.3.1 Le contexte des mesures
2.4.3.2 Les mesures de Wenner et le calcul d’optimisation
2.4.3.3 Validation par calcul-mesure de la résistance de prise de terre d’une électrode
2.5 Conclusion
3 Le calcul des EPS par une méthode hybride
3.1 Introduction
3.2 Le calcul des coefficients de couplage en présence du sol
3.2.1 Introduction
3.2.2 Démarche de calcul
3.2.3 Les coefficients magnétiques : développement théorique
3.2.4 Les coefficients magnétiques : exemples
3.2.5 Les coefficients électriques : développement théorique
3.2.6 Les coefficients électriques : exemples
3.3 La méthode « circuits »
3.3.1 Introduction
3.3.2 Démarche du calcul
3.3.3 Le cas des conducteurs ponctuels
3.4 Le calcul des EPS
3.4.1 La sphère
3.4.2 La plaque horizontale
3.4.3 Les cylindres horizontaux
3.5 Résumé de la méthodologie
3.6 Résultats
3.6.1 Introduction
3.6.2 Les EPS aux Mollettes : mesures et calcul
3.6.2.1 Le contexte des mesures
3.6.2.2 Les mesures de résistivité apparente
3.6.2.3 Les calculs de paramètres de sol multicouches
3.6.2.4 Le calculs des coefficients magnétiques et électriques
3.6.2.5 La méthode circuits
3.6.2.6 Le calcul et les mesures des EPS
3.7 Conclusion
Conclusion générale

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