Schaltschränke und Abzweigdosen für den Tunnelbau

Armoires et boîtiers étanches pour le nouveau tunnel ferroviaire de Gothard.

Les contraintes d’aspiration et de pression élevées dans les tunnels ferroviaires représentent un énorme défi pour l'installation électronique.

Ouvrage gigantesque

Plus que quelques mois avant l’inauguration du nouveau tunnel ferroviaire passant sous le massif du St Gothard, qui va faire de l'ombre à tous les ouvrages européens construits jusqu'à présent. Mesurant 57 km de long, il passe à travers les Alpes suisses (Fig. 1). Il est ainsi le plus long tunnel ferroviaire du monde et compte plus de 154 km de galeries au total. Les trains d’essai roulent actuellement jusqu'à 275 km/h dans les deux tubes du tunnel. À partir du 1er juin 2016 - soit plus tôt que prévu - les trains pourront rouler jusqu'à 250 km/h dans le nouveau tunnel. Le temps de trajet entre Milan et Zurich diminue ainsi à moins de 3 heures, tandis que la capacité de transport sur l’axe Nord-Sud sera quasi doublé avec 40 millions de tonnes de marchandises. Avec un coût de 12 milliards CHF, c’est le plus grand ouvrage d'une nouvelle ligne Nord-Sud pour trains à grande vitesse dans les Alpes.

Concept de sécurité perfectionné lors de la planification

Dans ces dimensions, rien n’est laissé au hasard. La sécurité est une priorité absolue. Le concept du nouveau tunnel de base de Gothard prévoit ainsi deux tubes séparés d’environ 40 m et reliés par des galeries transversales à environ 325 m de distance. Grâce à deux changements de voies doubles, tous les trains

peuvent passer d'un tube à l’autre en fonction des travaux de maintenance ou des événements. Ces points de changement de voie sont situés dans deux postes multifonctions qui abritent également les équipements des installations de ventilation et postes d’arrêt d'urgence. Ils sont conçus pour un arrêt d'urgence d’un train et servent de lieu d’évacuation pour les voyageurs, qui peuvent alors quitter le tunnel avec un train d’évacuation. Il est interdit de traverser les voies ou d'utiliser les escaliers ou ascenseurs au niveau de l’issue de secours qui mène aux autres tubes de tunnel. Les postes d’arrêt d'urgence et leurs galeries sont alimentés en air frais en cas d'incident. Lorsque la fumée est aspirée dans les tubes spéciaux, une faible surpression dans le poste d’arrêt d'urgence suffit pour maintenir l'issue de secours sans fumées. Outre les postes d’arrêt d'urgence, les galeries transversales servent d'issue de secours.

Normes de sécurité élevées pour les produits

Les exigences relatives aux produits utilisés qui dépassent de loin ce que l’on connaissait jusqu'à présent, sont à la hauteur du projet de construction et de son concept de sécurité. La Deutsche Bahn a ainsi défini, pour les tunnels ferroviaires situés en Allemagne, des études de stabilité qui concernent tous les détails techniques de l'installation et des effets à attendre. Les grandeurs d'influence particulièrement fortes ici sont l’aspiration et la pression qui sont exercées sur tous les composants montés dans le tunnel. Les exigences définies portent sur la question de savoir si les composants résistent, sans dommages, aux forces aérodynamiques d’aspiration et de pression, restent en place et continuent de fonctionner. Et cependant tout aussi importante la question de savoir si le produit reste réellement étanche eu égard aux forces élevées ou si le couvercle du boîtier se soulève de sorte que les particules de poussière et l’humidité peuvent pénétrer à l’intérieur et provoquer des dommages des composants d'installation. Chaque panne et chaque entretien entraîneraient alors un arrêt de fonctionnement dans un tube, ce qui, eu égard à la fréquentation attendue de la ligne, provoquerait des retards douloureux et donc des pertes financières. Le maître d'œuvre « AlpTransit Gotthard AG » a défini des normes plus strictes et a des exigences très élevées concernant la durabilité de tous les produits utilisés. Même si en Allemagne les tunnels n'ont pas ces dimensions extrêmes, des conditions similaires sont présentes et doivent être considérées lors de l’étude. Pour ces conditions extrêmes, il n’existe pas de normes ou directives, c’est pourquoi un cahier des charges applicable dans tous les projets de tunnel est né à partir des connaissances des projets de tunnels existants en Europe. 

Défi pour l’installation électrique

Les composants de l’installation électrique sont principalement situés dans les 176 galeries transversales au total (Fig. 2) entre les deux rails de guidage. Les conditions ne pouvaient pas être plus complexes, car à l’entrée du train dans le tunnel à des vitesses supérieures à 160 km/h, l’air est comprimé et la pression d’air augmente en conséquence. Le flux d’air du train entrant est certes en grande partie arrêté par les portes des galeries transversales, mais la surpression/dépression liée à la compression de l’air pénètre cependant dans la galerie et exerce sur les surfaces des corps creux montés une charge jusqu'à +/- 1 t/m². Il fallait également garantir que tous les appareils résisteraient mécaniquement à ce changement de pression et que l’indice de protection élevé IP 67 (résistant à la poussière et à l’eau) serait maintenu. Comme déjà pour le tunnel de base de Lötschberg mis en service en 2007, deux partenaires de longue durée se sont réunis pour le tunnel de base de Gothard. Le spécialiste des armoires de distribution Swibox AG de Balterswil (Suisse) pour le concept d’armoires et la direction du projet ainsi que l’entreprise Pfannenberg GmbH de Hambourg, spécialisée dans les systèmes de refroidissement, pour la construction de la climatisation des armoires conformément aux exigences. Pour le tunnel de base de Lötschberg, l’entreprise Swibox AG a développé en 2003 un tout nouveau système d’armoires avec une interface de câbles extrêmement étanche dans le socle de l’armoire, qui était conçu pour une pression de +/- 5 kPa ou 500 kg/ m². Comme pour le tunnel de base de Gotthard, les exigences ont été relevées à +/-10 kPa ou 1 t/m², le système complet devait être révisé et vérifié. La solution résidait dans un entretoisement d’armoire intérieur sophistiqué, qui a fait l’objet d'une demande de brevet. 2880 de ces armoires ont depuis été développées par Swibox pour le tunnel de Gothard, planifiées et mises en service dans les galeries. 

Armoires climatisées

Mais ce n’était pas suffisant car l’air ambiant représente un autre défi dans les tunnels. Les différences de température élevées de - 20° C à + 40° C, l’humidité de l’air maximale de 100 % et l’abrasion ferreuse des freins et rails, ainsi que le cuivre de la caténaire dans l’air ambiant augmentent considérablement le risque de corrosion. Un concept de climatisation spécial devait également être développé. C’était la mission de l’entreprise Pfannenberg. On a également laissé ici l’état de la technique derrière soi et développé un nouveau concept spécialement pour le tunnel de Gothard. Celui-ci a fait l'objet de tests approfondis comme système complet avec l’armoire de commande de Swibox dans le laboratoire de contrôle développé en plus pour ces projets, et a subi avec succès 200 000 changements de pression à +/- 10kPa. La procédure de contrôle totale a été effectuée par un organisme de contrôle neutre et surveillée par l'organisme d’accréditation suisse pour les normes (SAS). Outre les appareils de refroidissement de Pfannenberg, qui ont été surtout utilisés au cœur de la montagne (températures ambiantes jusqu'à + 40° C), des chauffages du même fabricant ont dû être installés dans les zones de portail (températures ambiantes jusqu'à – 20 °C). Ces chauffages garantissent que la température dans l’armoire de distribution ne chute pas au-dessous du point de rosée. Le point de rosée décrit la température de l'air humide qui ne doit pas être atteinte en cas de changement de pression pour que la quantité d’eau dissoute dans l’air se désagrège sous forme de condensat. Au point de rosée, l’humidité relative de l’air est de 100 %, l’air est ainsi saturé en vapeur eau. 

Boîtes de dérivation étanches

Les composants qui se trouvent directement dans les tubes (Fig. 3) sont exposés à un fort encrassement et à des influences aérodynamiques. Sont montés ici par exemple des éclairages des issues de secours qui doivent être protégés individuellement afin qu'une seule lampe soit défectueuse en cas de sinistre et que toutes les autres continuent d’être alimentées en courant. Pour une longueur de tunnel de 57 km, il y a des câbles, boîtes de dérivation et disjoncteurs, de manière à permettre un montage rapide et sûr lors de la sélection des fournisseurs. Le choix s’est porté sur la Rapid-Box (Fig. 4) du spécialiste allemand Spelsberg. Le système de boîtier a été spécialement développé pour le branchement sécurisé des conducteurs non coupés jusqu'à 50 mm² (Cu). Le branchement sécurisé à lieu soit avec un câble de 2,5 mm² soit avec des prises CEE (3 ou 5 pôles) dans le couvercle du boîtier. Les fusibles et prises sont livrés pré-câblés. Le montage sur le point de branchement a lieu sans séparer le câble principal ou le câble d’alimentation (Fig. 5). Cette technologie permet un montage plus flexible et extensible, même après la mise en service. La borne principale peut également être utilisée comme borne de raccordement de deux conducteurs coupés. Grâce à l’utilisation de prises CEE, les équipements comme les lampes sont particulièrement rapides et efficaces à raccorder et réparer. Pour le montage, il ne faut pas plus de 15 minutes, ce qui permet de réduire considérablement les coûts. Ce temps de montage rapide est également un avantage considérable en termes de délais de maintenance, qui ont des effets directs sur la disponibilité de l’installation. Non seulement les temps et coûts de montage sont réduits mais également les coûts de maintenance cycliques comme par exemple lors du remplacement ou de l’extension des boîtes de dérivation. Outre les tunnels, d’autres objets avec des chemins de câbles longs comme les entrepôts industriels ou immeubles de grande hauteur, sont ainsi des domaines d'utilisation idéaux pour le nouveau système. Pour offrir la solution adaptée pour chaque application possible, le Rapid-Box est de construction modulaire. Il y a deux versions de base : La variante standard selon l’EN 61439-2 (VDE) et les variantes pour l’installation de protection incendie avec maintien du fonctionnement dans E30, E60 ou E90 selon DIN 4102 et EN 1363, comme celles utilisées dans le tunnel de Gothard. Selon la mission concrète, on peut combiner individuellement les différentes composants du Rapid-Box. Des prises dans le couvercle ou des vissages de câbles sont disponibles au choix sur le côté du boîtier. Il existe la possibilité de mise à la terre extérieure et de différents disjoncteurs sécurisés. Toutes les combinaisons d’appareils de commutation sont certifiées VDE et MPA. Même en matière de bornes, on a le choix. Le bornier relevé, sans entretien, peut être équipé de manière variable de 1 à 5 pôles. L’écrou élastique pour le câblage traversant veille également à un fonctionnement sans défaut en cas de fortes vibrations. Le branchement lui-même a lieu à l’aide d'une borne à ressort. Différentes sections et différents courants de référence sont possibles ici, de sorte que l’intérieur du Rapid-Box peut être exactement adapté à la mission. Même l’équipement variable du couvercle tient compte des souhaits du client. Selon le diamètre de câble, sept tailles de joints différentes, entrée de câble incluse, sont disponibles au choix. Le boîtier est extrêmement robuste et résistant aux UV et résiste également sans problème à des contraintes élevées liées aux intempéries ou à la saleté, de sorte que l'installation est également possible dans les zones exposées à la corrosion, comme le tunnel de Gothard. En cas d'incendie, les propriétés low-smoke du matériau garantissent une faible pollution et formation de fumées. Le nouveau Rapid-Box peut être installé au choix au plafond, sur les murs et également sur les chemins de câbles. Les points de fixation sont situés à l’extérieur du boîtier, de sorte que le Rapid-Box peut être monté sans devoir l’ouvrir. Le couvercle et les vis sont imperdables, de sorte que le montage à la main est particulièrement facile - ce qui constitue un grand avantage notamment lors des travaux sur une échelle ou en hauteur. Le Rapid-Box a été certifié dans toute l’Europe : La combinaison d’appareils de commutation est conforme à la norme EN 61439 et le contrôle de résistance au feu à la norme EN 1363. Afin de répondre aux normes de sécurité extrêmement élevées de l’entreprise AlpTransit Gotthard AG, le Rapid-Box a été soumis à d’autres essais avant le montage. L’essentiel était que l’indice de protection soit conservé eu égard aux valeurs de pression et d’aspiration élevées. Un essai pratique en laboratoire en a apporté la preuve : Au bout de 200 000 cycles, au cours desquels une pression de +/-10 kPa est exercée sur le Rapid-Box, le boîtier - joint en silicone inclus, est resté stable et même 30 minutes plus tard, aucune perte de pression n’a pu être observée. Les exigences strictes des constructeurs de tunnels suisses ont ainsi été remplies - le Rapid-Box pouvait être utilisé. Le système décrit des boîtes de dérivation est universel et à usage très variable, pas seulement, comme indiqué dans l’exemple, dans l’éclairage des issues de secours, mais également dans les installations de distribution pour appareils mobiles avec connecteurs normés pour la maintenance ou pour les secours. 

Résumé

Les directives de sécurité pour la construction et l’exploitation de tunnels ferroviaires sont particulièrement strictes. Dans le nouveau tunnel de base de Gothard, tunnel le plus long du monde avec ses 57 km, les exigences ont encore une fois été renforcées. Comme les trains passeront dedans à l’avenir à 250 km/h, tous les composants utilisés sont soumis à des valeurs de traction et d’aspiration énormes. À cela s’ajoute des différences de température énormes, une humidité de l’air élevée et une exposition aux poussières extrême. Pour un maintien du fonctionnement fiable et la protection de tous les composants, des solutions spéciales sont prévues : Les systèmes de climatisation de Pfannenberg dans des armoires très étanches de Swibox et les boîtes de dérivation de Spelsberg ont réussi les essais exigeants et garantissent le bon fonctionnement dans des conditions extrêmes, tout en maintenant une très grande flexibilité.

Armoires et boîtiers étanches pour le nouveau tunnel ferroviaire de Gothard.

Des conditions ambiantes différentes de l’extérieur règnent dans les tunnels. Ces conditions particulières ne sont pas encore définies dans une norme. Afin de garantir le bon fonctionnement et d'offrir un niveau de sécurité élevé, il est nécessaire de connaître et considérer ces conditions extrêmes. La communication décrit ces influences extrêmes sur les installations électrique dans l’exemple du projet de tunnel de Gothard et représente également les expériences acquises jusqu'à présent.