Circuit de voie - Définition

Un circuit de voie est un circuit électrique, empruntant les rails d'une voie ferrée, utilisé pour détecter la présence d'un train dans la section de voie considérée (qui constitue un canton) et commander automatiquement les signaux de protection.

Principe

Principe du circuit de voie.

Un circuit de voie est formé par l'application d'une tension électrique à chaque file de rail d'un canton donné (les rails étant isolés de ceux des cantons adjacents) et inclut un relais à bobine. En l'absence de véhicule ferroviaire (cas 1 ci-contre), le relais est sous tension et les contacts sont collés. En présence d'un véhicule (cas 2 ci-contre), il se produit une espèce de court-circuit que l'on appelle shuntage ; une partie du courant est dérivé par les roues et l'essieu, métalliques donc conducteurs, ce qui provoque l'ouverture des contacts du relais. Ce relais commande à son tour un circuit alimentant le signal à l'entrée du canton.

Les circuits de voie supposent que les traverses soient isolantes, et une haute résistance du ballast. Les traverses en bois sont bien adaptées, cependant les circuits de voie peuvent aussi fonctionner avec des traverses métalliques, souvent préférées dans les pays tropicaux où les traverses en bois peuvent être attaquées par les termites. Certaines sections de voie trop humides ou boueuses, par exemple dans des tunnels, peuvent se révéler problématiques.

Dans le cas des lignes électrifiées, les rails sont très souvent utilisés pour assurer le retour du courant de traction vers les sous-stations. Des courants de traction, de l'ordre de 1000 A, doivent alors coexister avec des courants de circuits de voie de 1 A.

On a recours, dans le cas de ligne électrifiées en courant continu, à des courants alternatifs pour les circuits de voie et dans le cas d'alimentation en courant alternatif pour la traction, à des fréquences différentes pour les circuits de voie. Dans ce cas, l'isolation des circuits de voie entre eux est réalisée à l'aide de connexions inductives qui laissent passer le retour du courant de traction.

Le courant des circuits de voie peut être modulé à différentes fréquences, qui peuvent être détectées par des équipements à bord des trains pour donner aux conducteurs toutes les indications de signalisation sur le poste de conduite, dans la cabine. C'est le principe de la transmission voie-machine qui permet de réaliser la signalisation en cabine des TGV.

Il y a deux types de circuits de voie :

• ceux à joints isolants. Le rail peut être interrompu de deux manières :
  • le rail est interrompu dans sa nature par une matière isolante collée, auquel cas il n'y a pas de discontinuité mécanique (barres de 300 m à plusieurs centaines de kilomètres), sauf si en cas de froid intense, le JIC ne supporte pas les 700 kN (70 tonnes) d'effort et se voit l'objet d'une rupture, notamment avec la présence des anciennes soudures au champignon du rail ;
  • le rail est interrompu par un joint mécanique ordinaire (barres de 36 m maximum) auquel cas un assemblage est réalisé avec un profil isolant. Dans ce cas, les connexions inductives, à transformateur à enroulements séparés pour injecter les courants de signalisation, ou ordinaire pour séparer le courant de traction (en circuit fantôme) du courant de signalisation, sont de gros boîtiers à la voie capables de supporter les fortes valeurs du courant de traction. On a recours à des circuits de voie à 50 Hz avec la traction continue (métro de Paris pour la plupart des lignes, PLM, etc.) ou à impulsions de tension (RER RATP, ligne Paris-Strasbourg, etc.) où la dissymétrie des deux ondes permet de les différencier du courant de traction aussi bien en continu qu'en alternatif.

• ceux à joints électriques de séparation pour lesquels le rail n'est pas interrompu électriquement mais où des circuits résonnants séries et parallèles protègent le circuit de voie en question de ceux qui ont la même fréquence et vice versa. Un circuit de voie d'une autre fréquence (donc insensible à lui-même) est toujours intercalé entre les deux autres (F₁, F₃, F₁, F₃,...). F₁ perturberait F₁, F₃ perturberait F₃ mais pas F₁ (ligne 12 du métro de Paris, ligne Tours-Bordeaux, etc.).

La modulation de fréquence permet l'insensibilité aux perturbations harmoniques du courant de traction mêmes très élevées avec les engins modernes (300 Hz pour le courant continu ou multiples de 50 Hz en monophasé). Cette modulation permet également d'émettre, vers le mobile, des informations analogiques (TVM 300 → 18) ou numériques (TVM 430 → 2¹¹). La modulation d'amplitude, en fréquences inférieures au 50 Hz, sur des porteuses à 300 ou 850 Hz, ne permettait pas d'équiper tous les cas de figures et obligeait au panachage avec d'autres systèmes, trop sensibles aux engins modernes.

Sécurité

Par définition, toute défaillance dans un système sécuritaire doit conduire le système dans un état ou le niveau de sécurité est au moins égal au niveau de l'état où il était avant sa défaillance. L'état sécuritaire choisi dans le cadre des circuit de train est l'état correspondant à l'occupation du canton défectueux.

La conception sécuritaire d'un circuit de voie signifie qu'en cas de dysfonctionnement, comme l'absence de tension dans le circuit, le système doit se traduire par l'indication de canton occupé pour interdire toute autorisation d'entrée dans le canton à un autre train. Ainsi, à titre d'exemple, un rail cassé interrompt le circuit et provoque la fermeture du signal.

Des défaillances peuvent se produire lorsque le champignon du rail (contact roue-rail) est devenu mauvais conducteur, par exemple s'il y a des feuilles, du sable ou de la rouille sur le rail. De même, certains véhicules peuvent poser problème si leurs essieux sont isolés ou si le contact roue-rail est insuffisant (véhicules trop légers).

Le relais de voie doit être réalisé de manière aussi sécuritaire que possible, de façon par exemple qu'une surtension ne risque pas de maintenir les contacts du relais collés, ce qui risquerait de maintenir un signal en position ouverte (vert).

Histoire

Le circuit de voie a été inventé par William Robinson ce qui permit la mise en œuvre du signal de bloc automatique. Ce système fut d'abord expérimenté en modèle réduit en 1870, puis installé à Kinzua (Pennsylvanie) sur la ligne du Philadelphia and Erie Railroad. Il comprenait des disques commandés électriquement placés au sommet de petites cabanes de signalisation, et fonctionnait sur le principe de de circuits de voie ouverts. Son concepteur l'améliora par la suite en utilisant des circuits de voie fermés et modifia l'installation en 1872.

Le terme de circuit " ouvert " pour la première installation signifiait que c'était la fermeture du circuit au passage d'un train qui mettait le signal à l'arrêt. Cela n'était pas sécuritaire, car un dérangement quelconque dans l'alimentation pouvait remettre le signal à l'ouverture. Le principe fut donc rapidement inversé.