La maîtrise des émissions électromagnétiques par la - i

Impact des émissions
électromagnétiques générées par les
systèmes de transport ferroviaire sur
l’environnement externe
Tarik HAMMI
INRETS – Institut National de Recherche sur les Transports et leur
Sécurité
Conférence ii-Trans
Trans SIFER - 27 mai 2009,
2009 Lille
1
Plan de la présentation
IIntroduction
t d ti
„ Les modes de perturbations
p
„ Exposition des personnes
„ Caractérisation de l’environnement
l environnement
extérieur
„ Le
L projet
j t CEMRAIL
„
2
„
„
CEM : généralités
„
„
„
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
L’objectif
L’
bj tif d
de lla compatibilité
tibilité él
électromagnétique
t
éti
(CEM) estt d
de permettre
tt lle ffonctionnement
ti
t correctt
d’un système électrique ou électronique en présence d’autres systèmes dans son environnement.
1. L’émission:
autre
t
système
Le système ne doit pas générer de
perturbations conduites ou rayonnées
vers son environnement
autre
système
système
d’étude
autre
système
système
tè
d’étude
autre
t
système
2. L’immunité:
Le système ne doit pas être susceptible
aux perturbations conduites ou rayonnées
provenant de son environnement
3
„
CEM dans le ferroviaire
„
„
„
„
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
1 Le système ferroviaire nécessite des puissances électriques très élevées
1.
pour fonctionner. L’alimentation doit être adaptée en tension et en courant.
Des convertisseurs situés soit dans les sous-stations d’alimentation soit dans les matériels
roulants assurent cette fonction.
2. La tendance est à l’augmentation de l’utilisation des systèmes électroniques
de puissance.
Ces systèmes de conversion de puissance utilisent des semi-conducteurs et sont fortement
non-linéaires.
CONSEQUENCES: tous ces systèmes produisent des harmoniques à
l’ i i de
l’origine
d nombreuses
b
perturbations
t b ti
ett imposent
i
t une prise
i en
charge de leur compatibilité électromagnétique.
4
Perturbations conduites et
couplages basse fréquence
„
„
„
„
„
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
1 Le problème CEM majeur dans le domaine ferroviaire est constitué par les
1.
perturbations conduites dans le circuit d’alimentation (caténaire+rails)
La sécurité
L
é
ité de
d la
l circulation
i
l ti
des
d trains
t i estt assurée
é par la
l signalisation
i
li ti
ferroviaire
f
i i utilisant
tili
t les
l
rails comme conducteurs et appelés « circuits de voie ».
f < 20 kHz
2. Les lignes de télécommunication présentes le long des voies sont soumises
à un couplage par champ magnétique intense
On détermine une grandeur appelée « courant psophométrique » pour caractériser l’intensité
de ce couplage. La limite de ce courant est définie par le client.
f < 5 kHz
5
„
„
Perturbations rayonnées
„
„
„
Rayonnement HF
de la caténaire
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
Rayonnement HF contact
pantographe/caténaire
Résonance de ligne
„
Le courant dans la caténaire est riche en harmoniques provenant principalement des
convertisseurs statiques des sous-stations
sous stations d’alimentation
d alimentation : la caténaire se comporte
comme une antenne.
„
Le contact glissant pantographe/caténaire : les arcs électriques générés sont une
source de pollution, on a affaire à un rayonnement radiofréquence.
„
Les rails servent de conducteurs de retour réalisant avec la caténaire une ligne de
transmission: des résonances de ligne peuvent alors apparaître.
6
„
EN 50500
„
„
„
„
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
La prise en compte de l’exposition des personnes aux champs électromagnétiques dans le domaine
ferroviaire se fait par l’application de la norme EN 50500 pour démontrer la conformité des appareils
électriques et électroniques.
CONDITIONS :
„
„
„
„
S’applique pour les travailleurs et le public
Fréquences couvertes : 0 Hz – 300 GHz
Les mesures sont faites à l’intérieur et à l’extérieur des matériels roulants
L’évaluation des risques pour les personnes équipées de dispositifs
médicaux implantables actifs n’est
n est pas couverte
¾ Cette norme ne sert qu’à déterminer les procédures de mesure et de calcul des
niveaux de champ
p en vue d’une conformité avec les recommandations du Conseil
1999/519/CE et de la Directive 2004/40/CE
¾ Compte tenu des émissions détectables du domaine ferroviaire les mesures sont
f it depuis
faites
d
i le
l courantt continu
ti
jusque
j
20 kHz.
kH Le
L champ
h
magnétique
éti
étant
ét t
dominant, on néglige le champ électrique
7
„
„
Impact sur l’extérieur
l extérieur
„
„
„
Rayonnement HF
de la caténaire
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
Rayonnement HF
contact
t t
pantographe/caténaire
Courant
large spectre
Perturbations
conduites
produites par
les courants
de fuite dans
le sol
Perturbations
rayonnées à
basse
fréquence
sous station
Rayonnement local de la
sous-station
Rayonnement local des
convertisseurs de puissance
8
„
„
EN 50121
„
„
„
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
EN 50121 – 1
Applications ferroviaires – Compatibilité électromagnétique
Partie 1 : Généralités
EN 50121 – 2
Applications ferroviaires – Compatibilité électromagnétique
Partie 2 : Emission du système ferroviaire dans son ensemble vers le monde extérieur
EN 50121 – 3
EN 50121 – 3 – 1
Applications ferroviaires – Compatibilité électromagnétique
Partie 3 – 1 : Matériel roulant – Trains et véhicules complets
EN 50121 – 3 – 2
Applications ferroviaires – Compatibilité électromagnétique
Partie 3 – 2 : Matériel roulant – Appareils
Applications ferroviaires
– Compatibilité
p
électromagnétique
g
q
Partie 3 : Matériel roulant
EN 50121 – 4
Applications
A
li ti
fferroviaires
i i
– Compatibilité
C
tibilité él
électromagnétique
t
éti
Partie 4 : Emission et immunité des équipements de signalisation et de télécommunication
EN 50121 – 5
Applications ferroviaires – Compatibilité électromagnétique
Partie 5 : Emission et immunité des installations fixes d’alimentation de puissance et des
équipements associés
9
„
„
EN 50121 – 2
„
„
„
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
Fixe
Fi
e la méthode de mesure
mes re ainsi q
que
e les limites d’émission de l’ensemble d
du ssystème
stème ferro
ferroviaire
iaire
(matériel roulant, lignes, sous-station).
CONDITIONS :
„
„
Les mesures se font à 10m de la voie et 3 m de la sous-station
Fréquences couvertes : 9 kHz – 1 GHz
„
„
„
„
9 kHz – 30 MHz : mesure du champ H (dBµA/m) – antenne cadre
30 MHz – 300 MHz : mesure du champ E (dBµV/m) – dipôle biconique
300 MHz – 1 GHz : mesure du champ E (dBµV/m) – antenne log-périodique
Les mesures sont faites lorsque les véhicules ferroviaires se déplacent sur le
réseau (véhicule à ll’arrêt
arrêt ou lent couvert par EN 50121
50121-3-1)
3 1)
9 kHz - 1GHz
10 m
Les émissions ne doivent pas dépasser un certain gabarit défini dans
cette norme
10
„
EN 50121 – 2
„
„
„
„
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
11
„
CEMRAIL : présentation
„
„
„
„
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
MODÉLISATION DE LA SIGNATURE ÉLECTROMAGNÉTIQUE DU SYSTÈME FERROVIAIRE
COLLABORATIONS :
„
„
„
„
„
Alstom transport
Centre d’Essais Ferroviaire (CEF)
Réseau Ferré de France (RFF)
Le groupe TELICE de l’Institut
l Institut d’Electronique
d Electronique
de Microélectronique et de Nanotechnologie
(IEMN)
Polytechnico di Torino
FINANCEMENT :
„
ANR labellisé i-Trans
12
„
Objectifs
„
„
„
„
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
Proposer une méthode de caractérisation fiable du comportement électromagnétique des systèmes
d’alimentation ferroviaire et mettre au point une méthode de modélisation de l’infrastructure
d’alimentation
d
alimentation dans la bande de fréquence allant de 10 kHz à 30 MHz.
BUTS :
„
Assurer lla compatibilité
A
ibili é él
électromagnétique
éi
entre l’i
l’infrastructure
f
d’alimentation ferroviaire et les systèmes de communication solbord sécuritaires.
„
Etre capable de discriminer les interférences provenant du matériel
roulant de celles dues à l’infrastructure d’alimentation
„
Déterminer par simulation numérique la contribution de
l’infrastructure d’alimentation ferroviaire à la mesure d’émission
rayonnée d’un matériel roulant et du système ferroviaire dans son
p des solutions adaptées
p
en vue de la
ensemble et d’anticiper
conformité aux normes.
13
„
„
Situation actuelle
„
„
„
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
Une première étude sur le
comportement en fréquence de la ligne
d’alimentation ferroviaire (caténaire/3e
rail – rails) a été réalisée
„
„
Modèle basé sur la théorie des lignes
Un outil de simulation numérique a
été développé
„
complexité de la contribution Haute Fréquence de la sous-station
„ difficulté de la mise en œuvre des mesures effectuées au niveau d’une sousstation d’alimentation
„
14
„
Verrous technologiques
„
„
„
„
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
¾ Manque de données expérimentales relatives au monde ferroviaire en terme de
compatibilité
p
électromagnétique
g
q de l’infrastructure d’alimentation dans la bande de
fréquence étudiée (10kHz – 30MHz)
¾ Compréhension des phénomènes EM dus aux éléments qui composent la sousstation dans ses différentes configurations technologiques (continu, monophasés)
¾ Définition des mesures pertinentes permettant de caractériser les phénomènes EM
de la sous-station
¾ Définition de capteurs spécifiques
¾ Développement de l’outil de simulation
15
„
Stratégie
„
„
„
„
Introduction
Les modes de perturbations
Exposition des personnes
Caractérisation d’environnement extérieur
Le projet CEMRAIL
¾ Compréhension des phénomènes EM d’une sous-station
„
Une thèse est en cours sur le sujet, elle vise principalement la
modélisation HF du transformateur (depuis 18 mois)
mois).
¾ Déterminer une méthode de caractérisation d’une sous-station
„
Plusieurs campagnes de mesure ont été réalisées et d’autres
d autres sont prévues
dans les prochains mois.
„
Le choix et la caractérisation des capteurs adaptés pour de telles mesures
sont faits en parallèle.
p
¾ Développer le modèle numérique HF d’une sous-station
„
L’étape suivante de la modélisation de la sous-station sera de développer
un outil
til numérique
éi
pour lla simulation.
i l ti
¾ Développer le modèle numérique HF de l’infrastructure d’alimentation ferroviaire
„
L outil numérique final devra intégrer la modélisation de la ligne basée sur
L’outil
la théorie des lignes avec le modèle de la sous-station.
16
MERCI
17