Le rail de contact est tout aussi essentiel pour les métros et les tramways que le fil aérien pour les trains à grande distance et à grande vitesse, car tous deux fournissent de l’électricité aux trains électrifiés. Les dispositifs de collecte de courant numériques peuvent fournir une surveillance en temps réel de la force de contact entre la chaussure et le rail électrique.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat numérique exclusif avec les Systèmes Énergétiques de Bodo.
Le rail de contact est tout aussi essentiel pour les métros et les tramways que le fil aérien pour les trains à grande distance et à grande vitesse, car tous deux fournissent de l’électricité aux trains électrifiés. Courant le long de la voie ferrée, le rail de contact transporte le courant tandis que le collecteur de courant le recueille en glissant le long du rail électrique. Le courant extrait est transféré au véhicule ferroviaire par une chaussure de collecteur, généralement en graphite imprégné de cuivre. Deux ressorts en spirale robustes fixés sur le collecteur de courant garantissent un contact constant de la chaussure contre le rail électrique.
Ce contact physique, combiné à une tension de 750 V, à la vitesse souvent considérable des trains et aux irrégularités de la surface de contact du rail de contact, est responsable de l’usure significative subie par les chaussures de collecteur équipant chaque train.
Les chaussures sont généralement remplacées tous les six à douze mois. La chaussure représente 70 % du coût total de possession de l’ensemble du dispositif de collecte de courant (DCC) pendant sa durée de vie.
Le dispositif de collecte de courant numérique (D-CCD) de Mersen. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Dispositif de collecte de courant numérique
“Après près de quatre ans de travail acharné, notre équipe de projet a maintenant conçu une solution qui améliorera considérablement la compréhension des performances du DCC en service,” a déclaré l’ingénieur en mécatronique Bilal Naim. La solution de Mersen au problème est le D-CCD, le dispositif de collecte de courant numérique. Cet appareil est utilisé pour la surveillance en temps réel de la force de contact entre la chaussure et le rail électrique.
La partie clairement visible du D-CCD est une boîte noire attachée au bras du collecteur de courant et contenant le module dit MAT (Module d’Acquisition et de Transmission). Le MAT comprend l’enregistreur de mesures (capteur de déformation et capteur de température) et un système électronique responsable du traitement des signaux, du stockage des données et de la communication sans fil. Les variables mesurées sont :
- élévation de la température dans le collecteur de courant (si un collecteur du véhicule est hors service)
- force appliquée sur le rail de contact par la chaussure (N)
- chocs et vibrations appliqués au collecteur de courant pendant son parcours
- capteurs optiques
Les capteurs optiques servent à la détection d’arc, où l’on peut détecter les pics de lumière générés par les arcs au point de contact chaussure vs. rail électrique.
Le dispositif de collecte de courant numérique permet la surveillance en temps réel de la force de contact entre la chaussure et le rail électrique. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Ces données indiquent l’état de la chaussure de collecteur, l’ensemble du collecteur et, indirectement, le rail de contact.
“Ces informations nous permettent de savoir si la chaussure est toujours opérationnelle ou si elle devra être remplacée sous peu. Cela donne un aperçu clair de la qualité du rail de contact,” a révélé Olivier Dosda, responsable du département R&D.
Défis de développement
Le développement de la technologie de mesure MAT a constitué un défi immense pour les ingénieurs de Mersen.
“L’objectif de mesurer la force de contact avec la plus grande précision possible nous a obligés à nous rapprocher au maximum du point de contact, mais la tension de 750 V a également rendu nécessaire de fournir une isolation fiable,” a expliqué Dosda. “Deux objectifs difficiles à combiner.”
De même, le développement d’un module électronique capable de fonctionner de manière fiable dans un environnement difficile marqué par une haute tension, des niveaux élevés de chocs et de vibrations, et des effets électromagnétiques était un défi complexe.
La solution de l’équipe d’ingénierie comprend une technologie de capteur de déformation spécialement conçue utilisant des jauges de contrainte à film épais. Brevetée en 2018, cette technologie avancée détecte les déformations dans le bras du collecteur de courant pendant son fonctionnement. Grâce à ses propriétés d’isolation électrique, elle peut être appliquée en toute sécurité aux collecteurs de courant électrifiés, permettant une caractérisation précise des impacts se produisant entre la chaussure du collecteur de courant et le rail de contact électrifié pendant le fonctionnement.
Le module MAT est alimenté par batterie et conçu avec son propre stockage de données. Ces caractéristiques en font une unité autonome sans aucune connexion ni interférence avec le train, et sa capacité de fourniture d’alimentation et de données est suffisante pour une journée de fonctionnement. Les clients souhaitant tester le système pendant une journée et vérifier l’état de leur rail de contact/collecteurs de courant recevront une solution fonctionnelle facilement intégrée aux collecteurs de courant de Mersen via un système plug-and-play.
Le D-CCD dans une simulation de surveillance en direct. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Analyse du comportement d’usure
Ceux qui souhaitent surveiller en continu leurs collecteurs de courant doivent connecter le réseau ferroviaire au MAT via un câble Ethernet et une tension d’alimentation de 24 V. L’interface du calculateur MAT transférera les données directement au système ferroviaire et étendra la mesure en temps réel selon les besoins.
“Cette fonctionnalité de surveillance à long terme, en particulier, crée les meilleures conditions pour analyser le comportement d’usure des collecteurs de courant et tirer les conclusions appropriées,” a déclaré Dosda. “Nous visons éventuellement à arriver à une maintenance prédictive, incluant des intervalles de maintenance planifiables, qui permettront à nos clients d’exploiter leurs trains avec une fiabilité améliorée et de réduire le coût total de possession.”
En ce qui concerne les avantages pour eux-mêmes, Mersen espère que les données collectées par les D-CCD les aideront à optimiser la conception de leurs collecteurs de courant.
Le service de Mersen propose une maintenance préventive et un coût total de possession réduit. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems []
Haute Efficacité
En tant qu’expert mondial en énergie électrique et matériaux avancés dans les industries de haute technologie, Mersen figure parmi les principaux fournisseurs mondiaux de collecteurs de courant destinés aux métros et tramways. Le D-CCD offre une solution haute efficacité avec un aperçu de ce qui se passe entre le 3ème rail et la chaussure en carbone—le point de départ pour une durée de vie plus longue des chaussures.
La première commande client de Mersen provenait d’un fabricant coréen qui intégrera le D-CCD dans des trains opérant dans le système de métro de Singapour.
Cet article est initialement apparu dans Bodo’s Power Systems [] magazine.