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

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Conférence i-Trans SIFER - 27 mai 2009, Lille

Plan de la présentationPlan de la présentation

I t d tiIntroductionLes modes de perturbationspExposition des personnesCaractérisation de l’environnementCaractérisation de l environnement extérieurL j t CEMRAILLe projet CEMRAIL

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IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesCEM : généralités Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

CEM : généralités

L’ bj tif d l tibilité él t éti (CEM) t d tt l f ti t tL’objectif de la compatibilité électromagnétique (CEM) est de permettre le fonctionnement correctd’un système électrique ou électronique en présence d’autres systèmes dans son environnement.

1. L’émission: tèt tsystème

d’étudeautre

systèmeautre

systèmeLe système ne doit pas générer de perturbations conduites ou rayonnées

vers son environnement

2. L’immunité:

Le système ne doit pas être susceptible aux perturbations conduites ou rayonnées

systèmed’étude

autre système

autresystème

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aux perturbations conduites ou rayonnées provenant de son environnement

IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesCEM dans le ferroviaire Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

1 Le système ferroviaire nécessite des puissances électriques très élevées

CEM dans le ferroviaire

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 matérielsroulants 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 fortementnon-linéaires.

CONSEQUENCES: tous ces systèmes produisent des harmoniques à l’ i i d b t b ti t i t i

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l’origine de nombreuses perturbations et imposent une prise en charge de leur compatibilité électromagnétique.

IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnes

Perturbations conduites et Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAILcouplages basse fréquence

1 Le problème CEM majeur dans le domaine ferroviaire est constitué par les

L é ité d l i l ti d t i t é l i li ti f i i tili t l

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 utilisant 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’intensitéde ce couplage. La limite de ce courant est définie par le client.

f < 5 kHzf < 5 kHz

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IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesPerturbations rayonnées Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

Perturbations rayonnées

Rayonnement HF Rayonnement HF contactRayonnement 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 d’alimentation : la caténaire se comporte

Résonance de ligne

convertisseurs statiques des sous-stations d alimentation : la caténaire se comporte comme une antenne.

Le contact glissant pantographe/caténaire : les arcs électriques générés sont uneLe 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

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Les rails servent de conducteurs de retour réalisant avec la caténaire une ligne de transmission: des résonances de ligne peuvent alors apparaître.

IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesEN 50500 Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

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 appareilsélectriques et électroniques.électriques et électroniques.

S’applique pour les travailleurs et le publicCONDITIONS :

Fréquences couvertes : 0 Hz – 300 GHzLes mesures sont faites à l’intérieur et à l’extérieur des matériels roulantsL’évaluation des risques pour les personnes équipées de dispositifs médicaux implantables actifs n’est pas couvertemédicaux implantables actifs n est 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 p1999/519/CE et de la Directive 2004/40/CE

Compte tenu des émissions détectables du domaine ferroviaire les mesures sont f it d i l t ti j 20 kH L h éti ét t

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faites depuis le courant continu jusque 20 kHz. Le champ magnétique étant dominant, on néglige le champ électrique

IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesImpact sur l’extérieur Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

Impact sur l extérieur

Rayonnement HF Rayonnement HFt tde la caténaire contact

pantographe/caténaire

Courant large spectre sous station

Rayonnement local de la PerturbationsPerturbations rayonnées à sous-stationPerturbations

conduitesproduites par les courants

rayonnées à basse

fréquence

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Rayonnement local des convertisseurs de puissance

les courants de fuite dans

le sol

IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesEN 50121 Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

EN 50121

EN 50121 – 1 Applications ferroviaires – Compatibilité électromagnétiquePartie 1 : Généralités

EN 50121 – 2 Applications ferroviaires – Compatibilité électromagnétiquePartie 2 : Emission du système ferroviaire dans son ensemble vers le monde extérieur

EN 50121 – 3 – 1 Applications ferroviaires – Compatibilité électromagnétiquePartie 3 – 1 : Matériel roulant – Trains et véhicules complets

EN 50121 – 3

Applications ferroviaires – Compatibilité électromagnétique

EN 50121 – 3 – 2 Applications ferroviaires – Compatibilité électromagnétiquePartie 3 – 2 : Matériel roulant – Appareils

EN 50121 4 A li ti f i i C tibilité él t éti

p g q

Partie 3 : Matériel roulant

EN 50121 – 4 Applications ferroviaires – Compatibilité électromagnétiquePartie 4 : Emission et immunité des équipements de signalisation et de télécommunication

EN 50121 – 5 Applications ferroviaires – Compatibilité électromagnétique

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Partie 5 : Emission et immunité des installations fixes d’alimentation de puissance et des équipements associés

IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesEN 50121 2 Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

EN 50121 – 2

Fi e la méthode de mes re ainsi q e les limites d’émission de l’ensemble d s stème ferro iaireFixe la méthode de mesure ainsi que les limites d’émission de l’ensemble du système ferroviaire(matériel roulant, lignes, sous-station).

Les mesures se font à 10m de la voie et 3 m de la sous-stationFréquences couvertes : 9 kHz – 1 GHz

9 kHz 30 MHz : mesure du champ H (dBµA/m) antenne cadre

CONDITIONS :

9 kHz – 30 MHz : mesure du champ H (dBµA/m) – antenne cadre30 MHz – 300 MHz : mesure du champ E (dBµV/m) – dipôle biconique300 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)réseau (véhicule à l arrêt ou lent couvert par EN 50121 3 1)

9 kHz 1GHz9 kHz - 1GHz10 m

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Les émissions ne doivent pas dépasser un certain gabarit défini dans cette norme

IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesEN 50121 2 Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

EN 50121 – 2

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IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesCEMRAIL : présentation Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

CEMRAIL : présentation

MODÉLISATION DE LA SIGNATURE ÉLECTROMAGNÉTIQUE DU SYSTÈME FERROVIAIRE

Alstom transport

COLLABORATIONS :

Alstom transportCentre d’Essais Ferroviaire (CEF)Réseau Ferré de France (RFF)Le groupe TELICE de l’Institut d’ElectroniqueLe groupe TELICE de l Institut d Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN)Polytechnico di Torino

FINANCEMENT :

ANR labellisé i-Trans

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IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesObjectifs Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

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’infrastructured’alimentation dans la bande de fréquence allant de 10 kHz à 30 MHz.d alimentation dans la bande de fréquence allant de 10 kHz à 30 MHz.

BUTS :

A l ibili é él é i l’i fAssurer la compatibilité électromagnétique entre l’infrastructure d’alimentation ferroviaire et les systèmes de communication sol-bord 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

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p pconformité aux normes.

IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesSituation actuelle Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

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 aUn outil de simulation numérique a été développé

complexité de la contribution Haute Fréquence de la sous-stationdifficulté de la mise en œuvre des mesures effectuées au niveau d’une sous-

station d’alimentation

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IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesVerrous technologiques Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

Verrous technologiques

Manque de données expérimentales relatives au monde ferroviaire en terme de compatibilité électromagnétique de l’infrastructure d’alimentation dans la bande de p g qfréquence étudiée (10kHz – 30MHz)

Compréhension des phénomènes EM dus aux éléments qui composent la sous-station dans ses différentes configurations technologiques (continu, monophasés)

Définition des mesures pertinentes permettant de caractériser les phénomènes EM

Définition de capteurs spécifiques

de la sous-station

Développement de l’outil de simulation

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IntroductionLes modes de perturbationsExposition des personnesStratégie Exposition des personnesCaractérisation d’environnement extérieurLe projet CEMRAIL

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)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 prévuesPlusieurs 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.p

Développer le modèle numérique HF d’une sous-station

L’étape suivante de la modélisation de la sous-station sera de développer til é i l i l tiun 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

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L outil numérique final devra intégrer la modélisation de la ligne basée sur la théorie des lignes avec le modèle de la sous-station.

MERCI

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