Connexions robustes pour des systèmes de ligne de toit de train fiables

Les systèmes de ligne de toit des trains sont exploités dans de nombreuses conditions difficiles, qui exposent tout particulièrement aux dommages les composants critiques, tels que l’appareillage de connexion, les isolateurs, les câbles intervoitures, les parafoudres, les bagues et les descentes d’antenne. Ces composants étant positionnés sur le toit et connectés à un transformateur, ils doivent à la fois résister à des conditions difficiles et transmettre de manière fiable une puissance de 25 kV (ou 15 kV), tout en garantissant la sécurité des passagers et la continuité des opérations. En comprenant les risques que présenterait un défaut de protection des systèmes de ligne de toit, et en identifiant les solutions permettant d’optimiser les performances et la conception de ces systèmes, les constructeurs ferroviaires peuvent augmenter le cycle de vie de leurs trains et éviter des interruptions de service inutiles.

La défaillance d’un système de ligne de toit est souvent due à un contournement (arcs électriques). Il existe deux cas de figure : lorsque le champ électrique en trois points (métal, isolation solide, air) dépasse la résistance de l’isolation extérieure à la contrainte (les distances de sécurité ne sont plus respectées), ou lorsque la surface de l’isolation devient conductrice, brisant la ligne de fuite. Dans les deux cas, l’air transporte l’énergie, formant un arc électrique. Cela entraîne un court-circuit, des composants sous tension aux points de mise à la terre ou à la carrosserie du train, et une perte de puissance immédiate. Le risque de contournement augmente dans les conditions environnementales suivantes : lorsqu’un champ électrique est concentré ou lorsque la résistance diélectrique de l’isolation extérieure est compromise. La première condition se produit lorsque les composants du système de ligne de toit sont mal conçus ou mal protégés et la deuxième résulte de l’impact combiné de plusieurs facteurs, tels que la pression ou l’humidité/pollution.  

Avec la croissance rapide à l’échelle mondiale des systèmes ferroviaires électrifiés (à grande vitesse), la protection des composants de la ligne de toit est devenue plus complexe. Par exemple, les lignes traversant des territoires aux climats différents, telles que la ligne en construction qui doit traverser l’Europe, l’Asie et le Moyen-Orient, doivent résister à des changements atmosphériques importants : températures extrêmes, humidité élevée, altitudes élevées, niveaux élevés de pollution ou toute combinaison de ces facteurs. L’exposition simultanée des isolants ou des surfaces des terminaisons à l’humidité et aux polluants peut provoquer des courants de fuite, ce qui augmente le risque de contournement. Ces deux facteurs combinés rendent également les systèmes haute tension plus vulnérables à la perforation interne. À haute altitude, où la pression de l’air est faible, le système est exposé aux espaces créés entre les molécules d’air. Les électrons peuvent donc générer plus d’énergie cinétique. Comme l’indique la loi de Paschen, cela réduit la tension à laquelle le contournement se produit, sur un espace spécifique, exposant davantage le système de ligne de toit aux pannes.

De nombreuses variables compliquent la protection des systèmes de ligne de toit.  Étant donné que chaque ligne ferroviaire est unique et qu’une approche unique n’est ni possible ni économique, les constructeurs ferroviaires doivent privilégier un système d’alimentation fiable compatible avec l’environnement d’exploitation de chaque ligne. Cela a un effet direct sur les performances des composants tout au long de leur cycle de vie. Dans certains cas, des vents forts pourraient voiler les embouts isolants et ainsi affecter leurs performances. Dans d’autres situations, les mouvements relatifs des wagons, qui provoquent une flexion mécanique sur trois axes, peuvent affecter les performances des câbles de puissance haute tension qui transmettent l’énergie électrique d’un wagon à l’autre. S’ils sont ignorés, ces chocs et vibrations peuvent perturber la transmission d’énergie. Ces charges mécaniques cycliques entraînent inévitablement une usure, à la fois au niveau du câble et de l’équipement auquel le câble est connecté, tel que les supports des isolants ou les terminaisons de câble haute tension. Cela affecte à son tour la capacité du système à transmettre le courant de manière fiable et efficace, et à fournir une résistance à la haute tension. Pour éviter cela, il est indispensable de tenir compte de la connectivité entre les composants électriques et mécaniques du système.

La qualité des matériaux utilisés dans un système de ligne de toit peut avoir un impact majeur sur les performances dans des conditions difficiles. Certains connecteurs, tels que les écrous, les boulons, les supports et les connecteurs tressés, sont souvent achetés au prix le plus bas. Il est important de noter que les matériaux utilisés pour les connecteurs à bas prix sont vulnérables à la corrosion, et que cette corrosion peut rapidement se propager sur les surfaces isolantes, endommageant des connecteurs en cuivre de grande valeur. Une fois affectées, les performances électriques et mécaniques de l’ensemble du système sont compromises et réduites. Par exemple, un écrou de mauvaise qualité utilisé sur un conducteur en cuivre, sans l’ajout d’un composant approprié entre les deux pièces, va endommager inutilement la connexion. En utilisant des matériaux isolants de qualité et en les installant correctement, les constructeurs ferroviaires peuvent prévenir les défaillances du système de ligne de toit, notamment des baisses de performances et des dégradations prématurées résultant de l’utilisation de matériaux non développés pour une utilisation à haute tension dans des conditions extrêmes.

Les constructeurs ferroviaires doivent relever un défi de taille : proposer des espaces confortables pour les passagers et assurer à tout moment et en tout lieu une exploitation efficace et fiable des trains à des vitesses plus élevées tout en consommant moins d’énergie. Pour optimiser les performances du système de ligne de toit, ils peuvent adopter l’une de ces approches afin de limiter les risques d’interruption de service.