• La machine de Gramme, point de départ de l’essor de l’électricité.

    L’invention et l’industrialisation de la dynamo électrique est le point de départ de l’essor de l’électricité.

    L’énergie mécanique est transformée en énergie électrique.

    Le belge Zénobe GRAMME  a inventé cette machine en 1869.

    Son invention sera commercialisée par l’ingénieur dijonnais Hippolyte FONTAINE (1833-1910).

    Présentée à l’Académie des Sciences en 1871, la dynamo de Zénobe Gramme est considérée comme la première génératrice moderne de courant continu.

    Elle inaugure une nouvelle ère, dominée par l’électricité qui, petit à petit, va bouleverser le travail et la vie quotidienne des habitants des pays industrialisés.

     Le mot dynamo est l’abréviation de “machine dynamoélectrique”. La dynamo désigne une machine électrique, à courant continu, qui fonctionne en générateur électrique. Elle convertit l’énergie mécanique en énergie électrique en utilisant l’induction électromagnétique de façon similaire à une magnéto.

    Hippolyte FONTAINE est donc à l’origine de la construction électrique, nouvelle branche industrielle, et du métier d’électricien.

    La vidéo attachée à cet article présente, d’une part, la machine de GRAMME et son fonctionnement et d’autre part, les applications de l’électricité au travers des appareils présents au sein du Musée de l’Électricité de Bourgogne Hippolyte FONTAINE et mis en valeur par les nombreux bénévoles de l’association.

    Vidéo Machine de GRAMME : https://www.musee-electricite.fr/wp-content/uploads/2021/05/vts-01-1_iIoRcK9N.mp4

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  • CONNECTIQUE

    LES TENSIONS

    LES TENSIONS, EN FRANCE, SELON LES DÉCRETS DE 1988 et 1995

    TBT : tension inférieure ou égal à 50 volts

    BT : de 50 à 1000 volts (EN 1988 BTA et BTB : U comprise respectivement entre 50 et 500 volts et entre 500 et 1000 volts).

    HTA 1000 : tension U inférieure ou égale à 50 KV

    HTB : tension U supérieure à 50 KV

    LES RÉSEAUX

    Nus BT (trolley cuivre)

    Nus HTA : protégés pour les pêcheurs et ponts d’ancrages

    Isolés BT préassemblés : 3 Ph + 1N + Éclairage Public

    Isolés souterrains BT et HTA (épaisseur d’isolant = niveau de tension).

    LES MATIÈRES COMPOSANTS LES CÂBLES

    BT aérien nu : CUIVRE TROLLEY

    BT aérien isolé : PHASE ALUMINIUM 1050

    NEUTRE PORTEUR : AGS Aluminium Magnésium Silicium EX 3×70 + 1×54,6

    BT souterrain : CU + papier imprégné (anciens câbles)

    BT souterrain : Aluminium + isolation

    HTA nu : ALMELEC (AGS) ALU ou AGS ACIER

    HTA souterrain isolé : Aluminium et cuivre

    DENSITÉ – MASSE VOLUMIQUE

    Aluminium : 2,7

    Cuivre : 8,9

    CONDUCTIBILITÉ ÉLECTRIQUE

    Aluminium : 60% de celle du cuivre

    PRÉPARATION DES ÂMES DES CÂBLES

    Les âmes des câbles doivent être brossées sous graisse neutre préalablement à leur introduction dans les fûts des contacts.

    ALU = ALUMINE (AL2O3) CUIVRE = Oxyde de cuivre CuO

    MONO MÉTALLICITÉ

    Cuivre/Cuivre ou alliage (laiton)

    Aluminium/Aluminium ou alliage d’aluminium

    LES GRAISSES DE CONTACT

    GRAISSE NEUTRE : Brossage âmes aluminium et cuivre

    GRAISSE DE TRACTION : Graisse neutre + poudre ALUNDON ou CORINDON

    GRAISSE DE CONTACT : Graisse neutre + particules de métaux conducteurs

    LES OUTILS DE DÉNUDAGE ET PRÉPARATION DES CÂBLES BT ET HTA

    SERTISSAGE DES CONTACTS

    BT réseaux isolés : RETEINT HEXAGONAL

    HTA aérien nu : RETEINT HEXAGONAL (Indentation ou Compression)

    BT et HTA souterrain : Poinçonnage profond – Étage en matrice fermée ((PPE)

    SYSTÈMES A VIS

    Cosses et manchons : vis à couple de rupture calibré à la fabrication

    OUTILS DE SERTISSAGE

    Générateurs de pression : manuel, à pied, à moteur électrique ou thermique.

    Outils mécaniques : flexibles et tête de sertissage de 8 à 40 tonnes (6 à 1600 mm²).

    Par Jean-Claude THIARD

    Le Musée se tient à la disposition des lecteurs pour répondre à leurs éventuelles questions.

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  • LE CONDENSATEUR ÉLECTRIQUE

    Ce composant a pour fonction de stocker et concentrer de l’électricité d’où son nom : « condensateur électrique ». La pile et la batterie sont une forme de condensateur électrique qui restitue de l’électricité.

    Le condensateur électrique (symbole C) est utilisé pour des applications électriques et électroniques en association avec d’autres composants tels que des résistances électriques (R), des inductances ou selfs (L), des semi-conducteurs (SC). Le condensateur inclut un isolant diélectrique, des électrodes, des connexions de sortie, un enrobage étanche.

    Généralement, les composants se présentent sous la forme la plus courante : d’un tube cylindrique pour la résistance (R) ;  d’un ressort de fils métallique  pour l’inductance (L) ; d’un tube cylindrique ou d’une section ovale pour les condensateurs. La gamme des semi-conducteurs (SC) débute par la diode (le courant passe dans un seul sens), le transistor (amplification, commutation), le thyristor (le courant passe ou non selon la commande de la gâchette), le bloc multi pattes. La tension électrique (V) de service des condensateurs électriques va du volt à des centaines de KV (ligne EDF) quand celle des semi-conducteurs de l’électronique grand public est de quelques volts.

    Fonctions, applications, technologies des condensateurs électriques

    Voici quelques fonctions du condensateur électrique dans des circuits électroniques en association à d’autres composants électriques : antiparasitage entre matériels (C est inclus dans le cordon entre ordinateur et périphérique) ; détection de la fréquence de l’émetteur sur un poste radio à l’aide d’un condensateur variable à air ; transformateur faisant passer du 220 Volt alternatif en 5 Volt continu pour des batteries de portables (association de condensateurs, diodes redresseuses et écrêteuses) ; multiplicateur de tension pour la radiographie X à 70KV et pour les TV à tube cathodique à 15 KV (idem) ; redressement de la tension de 1500 V des caténaires de TGV pour alimenter le moteur de la motrice (C est associé à des semi-conducteurs de puissance dans le hacheur) ; démarrage du moteur de machine à laver le linge ; décharge dans un composant laser pour la télémétrie ; limitation par le ballast du courant dans un tube fluorescent ; répéteur dans les câbles sous-marins…

    Les deux principales applications des condensateurs électriques sont le filtrage et sa stabilisation, la décharge électrique incluant la commutation. Les utilisations sont multiples dans les circuits électroniques car le condensateur bloque le courant continu et est traversé par le courant alternatif dès l’application de la tension. Les dipôles diélectriques des molécules doivent s’orienter dans le champ électrique pour obtenir la tension maxi entre les deux électrodes. Ainsi, la tension est en retard sur le courant d’un quart d’alternance sinusoïdale, soit un déphasage de 90 degrés. Un petit décalage par rapport à 90 degrés est mesuré par la Tgδ. Pour la résistance électrique, courant et tension évoluent en même temps, soit en phase.

    Les technologies sont donc adaptées à l’utilisation, en fonction des évolutions des matériaux diélectriques et des tensions électriques ainsi que des environnements (température environnante froid-chaud, spatial et vide, processus de production telle la soudure à la vague en température des composants disposés sur les circuits imprimés CI) et des connexions (fil, borne..). Ainsi, les films plastiques ont remplacé le papier, leurs métallisations de surface (moins de 1 micron) ont remplacé les feuilles d’aluminium de 5 microns et plus, les épaisseurs des diélectriques débutent au micron. Les dimensions finales des condensateurs vont de quelques mm3 à des dizaines de litres et plus pour des applications professionnelles, de même la surface S va de quelques mm² à des dizaines de m².

    En plus des empilements compacts des diélectriques et électrodes, le diélectrique doit être traité et absent de vide, d’humidité… pour des tensions électriques supérieures à 1000 V, afin d’éviter les décharges électriques internes entre électrodes qui peuvent détruire le condensateur et mettre le système électronique hors fonction.

    Les développements visent à diminuer le volume du condensateur donc à trouver le compromis entre l’épaisseur (e) du diélectrique et sa valeur (ε), sa tenue en tension dans la plage de température de service du produit final (la plage professionnelle peut être de -45°C à +125°C et plus limitée pour les produits grand public telle de -25 à +45°C), la Tgδ pour limiter les échauffements internes. Pour les condensateurs chimiques, la surface des électrodes est accrue par gravage des films d’aluminium et la création d’une couche d’alumine qui augmente au fur et à mesure avec la tension appliquée. Il faut aussi tenir compte de la présentation finale du condensateur (forme plate ou ronde, enrobée de résine ou de ruban adhésif, dans un boîtier métallique …) et des connexions électriques extérieures qui sont reliées aux électrodes internes afin de les connecter aux autres composants du circuit électronique tel sur le circuit imprimé (CI).

    Les valeurs capacitives 

    La capacité du condensateur électrique est calculée à l’aide de la formule suivante  C=ε.εo.S/e avec S= surface des électrodes en regard de polarités différentes et e=épaisseur du diélectrique ; εo est une constante ; ε dépend du matériau diélectrique entre les électrodes dont la valeur va de 1 pour le vide, à quelques unités pour des matières organiques (plastique, huile, résine), à des milliers pour la céramique. L’unité de mesure est le FARAD (F) décliné en mF, µF, nF, pF ; le marquage est en lettre-chiffre ou par code couleur pour les petites pièces.

    La valeur de la capacité évolue avec la température de manières différentes selon les matières diélectriques utilisées, le plus souvent la capacité diminue avec la croissance de la température car la matière gonfle ; la valeur de la Tgδ évolue aussi en fonction de la température, de la fréquence de service, de la matière du diélectrique et du processus de fabrication. Dans la plage de température de service, des diélectriques peuvent changer de phase et se solidifier telle des huiles en refroidissant. Le polyester (PETG) présente les plus fortes variations de Tgδ tandis que le polypropylène est très stable. Beaucoup de matières ont été utilisées depuis plus d’un siècle pour satisfaire les utilisations. Une tolérance est associée à la valeur nominale de la capacité qui fluctue selon la fabrication : la tolérance courante est de +-10%.

    Les schémas ci-dessous donnent une idée de la constitution d’un condensateur et présentent différents modèles utilisés dans les industries électriques et électroniques.

    La tangente delta (Tgδ) et l’échauffement thermique du condensateur

    Le courant électrique traverse le condensateur en produisant un échauffement et donc de la chaleur qu’il faut évacuer pour ne pas modifier les caractéristiques du condensateur : la Tgδ caractérise cet échauffement. Dans le diélectrique, les molécules soumises aux variations du champ électrique « bougent » et se « frottent » les unes contre les autres produisant des échauffements : certaines molécules à chaîne longue sont mieux adaptées à la tension continue tandis que des molécules cycliques le sont plus pour la tension alternative.

    L’échauffement interne peut provenir des résistances des conducteurs que sont les électrodes, les soudures, les câbles et connexions de faible résistivité, mais aussi du diélectrique lui-même, ce qui est dénommé résistance série Rs. Chaque élément est choisi en conséquence, telle la section des connexions (câbles) qui peut atteindre 30mm² et plus selon les intensités des courants traversant ; la diminution des épaisseurs des électrodes, donc leur section, accroit la valeur de la résistance électrique série Rs.

    La formule de la Tgδ série est Rs.C.ω = Rs.C.2.π.f : f est la fréquence du signal ; C est la valeur de la capacité. Donc lorsque la fréquence augmente, la Tgδ croit et favorise certaines technologies ou diélectriques. La puissance dissipée est P = V.I.Tgδ sachant que la Tgδ s’exprime souvent en quelques 10-4.

    Pour évacuer la chaleur interne, l’épaisseur des condensateurs est souvent limitée pour augmenter la surface extérieure de dissipation. Des systèmes peuvent être installés telle des circuits de liquide refroidisseur circulant à l’intérieur de l’enveloppe du condensateur, à l’extérieur peuvent être disposées des ailettes sur le boîtier ou bien des souffleries pour le refroidir ainsi que les autres composants électroniques (voir les ouïes sur les côtés des locomotives de TGV).

    Composition des empilements diélectrique-électrode.

    Par Alain DERMENJIAN

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  • LA CATÉNAIRE

    DÉFINITION

    Une caténaire est un ensemble de câbles porteurs et de fils conducteurs destinés à l’alimentation des moyens de transport électriques à captage de courant par dispositif aérien.

    Les câbles porteurs sont en bronze ou en aluminium acier, quant à eux, les fils conducteurs sont en cuivre à 98% de conductivité ou en cuivre allié à l’étain ou au magnésium.

    La caténaire permet de faire circuler la plupart des trains, des trams et aussi des trolleybus.

    TYPE DE CATÉNAIRE

    COURANT CONTINU MONOPHASÉ

    Les tensions courantes sont le 600 V et le 750 V pour les tramways, trolleys et métro et le 1500 V (1,5 kV) et 3000 V pour les grands chemins de fer.

    COURANT ALTERNATIF MONOPHASÉ

    25 kV courant alternatif à fréquence industrielle de 50 Hz.

    2×25 kV en courant alternatif à fréquence industrielle de 50 Hz.

    DATES

    1920-1945 : 1500 V

    1945-1960 : expérimentation poussée de la caténaire 25 kV 50Hz

    1950 : 25 kV mise en place à partir des années 1950 quand l’électronique de puissance en courant alternatif a fait suffisamment de progrès.

    1960 : poursuite de 25 kV sous cette tension caténaire plus légère, un seul FC

    NOTA

    Électrification en 25 kV à fréquence industrielle à 50 Hz.

    1950 : Ligne Aix-Les-Bains/Annecy en 20 kV

    1951 : Annecy/La Roche Sur Foron en 20kV

    Deux types de machines : BB 12000 et CC 14000

    BB 12000 : transformateur plus redresseur “IGNITRON” avec moteur à courant continu

    CC 14000 : machine tournante transformant le monophasé en triphasé alimentant 6 moteurs triphasés synchrone à fréquence variable.

    1953 : Passage au 25 kV sur ces 2 lignes et début d’électrification sur le réseau NORD-EST (Lille/Metz, Sedan, Strasbourg).

    1981 : Création du 2×25 kV sur la ligne SUD-EST, espacement des sous-stations de l’ordre de 100 km au lieu de 70 km sous 25 kV classique.

    1985 : Première ligne classique 2×25 kV (Lyon/Grenoble).

    ÉLECTRIFICATION DE LA RIVE DROITE DU RHÔNE (Lyon/Nîmes) CATÉNAIRE ALUMINIUM/CUIVRE.

    Septembre 1977 : Partie SUD de la rive droite (Nîmes/La Voulte Sur Rhône).

    Mai 1979 : Partie NORD de la rive droite (La Voulte Sur Rhône/Chasse Sur Rhône) avec 3 liaisons entre la rive droite et la ligne classique Lyon/Marseille (Saint Rambert d’Albon, La Voulte et Avignon).

    PAYS EUROPÉENS

    BELGIQUE : 3kV CC

    HOLLANDE : 1,5 kV CC

    ITALIE : 3 kV CC

    SUISSE, ALLEMAGNE : 15 kV 16 2/3 Hz (basse fréquence).

    CONSTITUTION

    1500 V/1,5 kV caténaire dite lourde

    Feeder de ligne souvent sur la ligne de fret ou fort trafic.

    Porteur principal.

    Porteur auxilliaire.

    Deux fils de contact.

    Pendule coulissant en fil rond diamètre 7** en cuivre entre PP et PA.

    Pendule étrier en plat cuivre de 20×3 entre PA et FC.

    **Remplacé en câble 12 mm².

    25 kV

    Feeder (éventuelle ligne) 2×25 kV (feeder négatif en Al/Ac 288 mm².

    Porteur.

    Fil de contact.

    Pendule en câble d’alliage de cuivre de section 12 mm².

    FILS DE CONTACT

    Cu pur; Cu/Sn; Cu/Cd (plus fabriqué depuis 1998).

    Cu/Mg – section 107, 120, 150 mm²

    ISOLATEURS

    Matière : céramique, verre, composite.

    CONDUCTEURS NUS

    Conducteurs en alliage de Cu pour ligne aérienne selon norme C 34-110-2

    NOTA : Pour les câbles dit BRONZE suivant la norme ci-avant, nous avons des conductivités différentes :

    • 12 mm² pour les pendules 72% de conductivité
    • 65,4 mm² pour le porteur principal 60% de conductivité
    • 116 mm² pour le porteur principal en 1500 V et le porteur principal en 25 kV pour LGV MED et suivantes 72% de conductivité voit tableau des caractéristiques des conducteurs).

    Câbles BRONZE : sections 12, 65.4, 116 mm²

    Aluminium-Acier : sections 93.3, 178, 228, 288 mm²

    Aluminium : sections 228, 288, 375, 475 mm²

    Fils ou Barres rondes : cuivre écroui – sections : 104, 143, 254 mm² Dia 18 – 490 mm² Dia 25.

    Aluminium : section 380 mm² Dia 22; 706 mm² Dia 30.

    Câbles protégés : Bronze 65.4 mm²; 116 mm²

    Cuivre écroui 146 mm²

    Câbles isolés : Cuivre recuit 35; 70; 185; 240; 400 mm²

    Aluminium 240 mm²; 95 mm²

    CONNEXIONS

    ANCRAGES : Mécaniques à coincement conique ou sertis

    DÉRIVATIONS : Boulonnées/Boulonnées serties/Serties

    COSSES D’EXTREMITÉ

    Serrage mécanique (étriers) ou serties

    JONCTIONS

    • uniquement boulonnées sur les FC
    • mécaniques à coincement conique
    • serties

    MATIERES ENTRANT DANS LA COMPOSITION DES RACCORDS

    Aluminium à 99%

    Cu/Al ou Cu/Bl selon l’obtention (étire, matrice, fondu).

    Acier (chapes) ou Inox (boulonneries)

    Laiton

    Cupro-Alu

    TYPE DE SERTISSAGE

    Oval : raccords de dérivation type DPH Cu ou Al

    Hexagonal : manchon d’extrémité, de jonction, manchon de réparation, dérivations boulonnées serties, cosses d’extrémité, dérivation en TÉ

    LES OUTILS

    Têtes de sertissage : 12 T : pendules conducteurs (en “C”)

    22 T : en “U”

    LES SOURCES HYDRAULIQUES

    Manuelles

    Outil hydraulique avec batterie rechargeable

    Groupe hydraulique sur courant

    Groupe hydraulique avec batterie rechargeable

    Groupe hydraulique moteur thermique

    SIMAGRIF outil de montage et de démontage des pendules conducteurs

    LES FABRICANTS FRANCAIS ET EUROPÉENS

    FRANCE : Fonderie DAVERGNE; SIVAL à EU; Fonderies du BELLIER(GALLAND); TYCO; SIMEL.

    EUROPE :

    • PFISTER, Allemagne
    • ARTHUR FLURY, Suisse
    • CEMBRE, BONOMI, Italie

    ANNEXES

    Alimentation électrique

    Pantographe

    Par Jean-Claude THIARD

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