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 i-trans SIFER - 27 mai 2009, Lille 1
Plan de la présentation Introduction ti Caractérisation de l environnement extérieur 2
CEM : généralités Exposition des personnes L objectif de la compatibilité électromagnétique éti (CEM) est de permettre le fonctionnement t correct d un système électrique ou électronique en présence d autres systèmes dans son environnement. 1. L émission: Le système ne doit pas générer de perturbations conduites ou rayonnées vers son environnement autre système système d étude autre système autre système système d étude autre 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 Exposition des personnes 1. Le système ferroviaire nécessite des puissances électriques très élevées 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 origine i de nombreuses perturbations ti et imposent une prise en charge de leur compatibilité électromagnétique. 4
Perturbations conduites et couplages basse fréquence Introduction 1. Le problème CEM majeur dans le domaine ferroviaire est constitué par les perturbations conduites dans le circuit d alimentation (caténaire+rails) La sécurité de la circulation des trains est assurée par la signalisation ferroviaire i utilisant t les 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<5khz 5
Perturbations rayonnées Exposition des personnes Rayonnement HF de la caténaire 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 stations 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 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 nest pas couverte Cette norme ne sert qu à déterminer les procédures de mesure et de calcul des niveaux de champ en vue d une conformité avec les recommandations du Conseil 1999/519/CE et de la Directive 2004/40/CE Compte tenu des émissions détectables du domaine ferroviaire les mesures sont faites depuis le courant continu jusque 20 khz. Le champ magnétique étant t dominant, on néglige le champ électrique 7
Impact sur l extérieur Rayonnement HF de la caténaire Rayonnement HF contact t pantographe/caténaire Courant large spectre sous station Perturbations conduites produites par les courants de fuite dans le sol Perturbations rayonnées à basse fréquence Rayonnement local des convertisseurs de puissance Rayonnement local de la sous-station 8
EN 50121 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 Applications ferroviaires Compatibilité électromagnétique Partie 3 : Matériel roulant EN 50121 3 1 EN 50121 3 2 Applications ferroviaires Compatibilité électromagnétique Partie 3 1 : Matériel roulant Trains et véhicules complets Applications ferroviaires Compatibilité électromagnétique Partie 3 2 : Matériel roulant Appareils EN 50121 4 Applications ferroviaires i Compatibilité électromagnétique 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 Fixe la méthode de mesure ainsi que les limites d émission de l ensemble du système stème ferroviaire (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 l arrêt ou lent couvert par EN 50121-3-1) 1) 9kHz - 1GHz 10 m Les émissions ne doivent pas dépasser un certain gabarit défini dans cette norme 10
EN 50121 2 11
CEMRAIL : présentation 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 d Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN) Polytechnico di Torino FINANCEMENT : ANR labellisé i-trans 12
Objectifs 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 dans la bande de fréquence allant de 10 khz à 30 MHz. BUTS : Assurer la compatibilité électromagnétique é entre l infrastructure 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 ensemble et d anticiper des solutions adaptées en vue de la conformité aux normes. 13
Situation actuelle 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 Manque de données expérimentales relatives au monde ferroviaire en terme de compatibilité électromagnétique de l infrastructure d alimentation dans la bande de fréquence étudiée (10kHz 30MHz) Compréhension des phénomènes EM dus aux éléments qui composent la sousstation dans ses différentes configurations technologiques (continu, monophasés) Définition des mesures pertinentes permettant de caractériser les phénomènes EM de la sous-station Définition de capteurs spécifiques Développement de l outil de simulation 15
Stratégie 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). Déterminer une méthode de caractérisation d une sous-station Plusieurs campagnes de mesure ont été réalisées et d autres sont prévues dans les prochains mois. Le choix et la caractérisation des capteurs adaptés pour de telles mesures sont faits en parallèle. Développer le modèle numérique HF d une sous-station L étape suivante de la modélisation de la sous-station sera de développer un outil numérique pour la simulation. Développer le modèle numérique HF de l infrastructure d alimentation ferroviaire L outil numérique final devra intégrer la modélisation de la ligne basée sur la théorie des lignes avec le modèle de la sous-station. 16
MERCI 17