Signature électromagnétique sous-marine d'un paquebot de 20 MW à pods - le champ électrique alternatif -

01/09/2017
Publication REE REE 2006-3
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-3:19739
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Signature électromagnétique sous-marine d'un paquebot de 20 MW à pods - le champ électrique alternatif -

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	    <date dateType="Created">Fri 1 Sep 2017</date>
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Dossier ) LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. CONCEPT ET APPLICATIONS NAVIRES Signature électromagnétique m sous-marine d'un paquebot de 20 MW à pods - le champ électrique alternatif - Par Bruno LUCAS', Hugues HENOCQ 1,Corinne RANNOU 1, Thierry ALBERT z, Dominique HARPIN 1, Salvy BOURGUET 1, Patrick GUERIN DGAIDETIGESMA 1, ALSTOM MARINE 2, IREENA3 Mots clés Discrétion électromagnétique sous-manne, POD, NTE, Signature, Champmagnétique, Electrique Les navires à propulsion électrique à pods rayonnent des champs électriques alterna- tifs importants, particulièrement aux fréquences de rotation de la ligne d'arbre, aux fré- quences d'alimentation des pods, ainsi qu'à leurs premiers harmoniques. Ces champs électriques sont mesurables par 100 mètres de fond sur plus d'un kilomètre... 1. Introduction Au sein du Ministère de la Défense, le Groupe d'Etudes Sous-Marines de l'Atlantique (GESMA), entité brestoise de la Délégation Générale pour l'Armement (DGA), est chargé des études relatives à la discrétion électromagnéti- que sous-marine des bâtiments de la Marine Nationale. Les signatures magnétostatiques des bâtiments mili- taires sont étudiées et traitées depuis de nombreuses années. Toutefois, d'autres indiscrétions électromagnéti- ques [1] [2] subsistent ou émergent à l'occasion de la mise en oeuvre de nouveaux concepts de bâtiments. Ainsi les nouveaux navires à propulsion électrique, interne ou en pod (navires tout électriques " NTE ") intègrent des équipements de forte puissance (propulsion électrique, systèmes d'armes...). Leur alimentation réclame un accroissement considérable de la puissance électrique à produire et à distribuer, favorisant ainsi la circulation de courants très importants dans les équipements électriques et le réseau de bord, susceptibles de générer dans l'eau une signature électromagnétique compromettante. Afin de mieux appréhender les phénomènes et les grandeurs des indiscrétions générées, le GESMA utilise une antenne multi-influences AMI capable de mesurer les différents champs sous-marins magnétiques et électri- ques, alternatifs et statiques. Cette mesure est vectorielle (X, Y, Z). Cette antenne peut être déployée par grand fond jusqu'à 150 mètres par le bateau-support du GESMA : l'Aventurière II. ESSENTIEL SYNOPSIS De nos jours, de nombreux bâtiments utilisent une propulsion électrique à pods. De forts courants,à bassefréquence, circulent sur le réseau électrique, dans les équipements et les pods. Cescourantsalternatifspeuventgénérerun champélectromagné- tique sous-marin.Le GESMAquantifie ces champset établit son impact sur la signaturedu bâtiment. Le GESMAa utilisé son antennemulti-influence(AMI), autonome et immergeable afin de mesurer le rayonnementélectromagnéti- que, statique et alternatif, d'un paquebot de 20 MW à pods. AMI était placé sur sa route par 100 mètres de fond. Un champ électrique rayonné alternatif a été particulièrement observé... Today,electric podded propulsion is used for many ships, cruise liners and Navy vessels. This propulsion uses high currents in extremely low frequencies(ELFE); currents flow through electri- cal network, equipmentandpods.Thesealternativecurrentscould generate important underwater electromagnetic field. GESMA has to quantify the level of this field and its impact on the signa- ture of this kind of ship. Then,GESMAcarriedout electromagneticmeasurementsusinga multisensors underwater and autonomous facility named AMI. It was placedon the route of a 20 MW podded ship, at one hun- dred meters depth from the surface. Especially, AMIobservedan alternative radiated electric field... REE No 3 Mars2006 Signature électromagnétique sous-marine d'un paquebot de 20 MW à pods m i ,j 3 Iiri 1 rt k, . 11 fi s dG l 8 6,6,v y A A A A AÀ A 1 1 r, = z : T q rt PE.1 2 Stbd PEli 1 M Stbd PEBA 2 PortPEPL1 m Po Figaire 1. L'antenne sous-iiiariiie iiiiilti-inflitences AMI. Figure 2. Propulsion électrique. 2. Le contexte En collaboration avec les Chantiers de l'Atlantique, Alstom, le GESMA a mesuré les signatures électroma- gnétiques d'un paquebot à pods par 100 mètres environ de profondeur au large de Belle-Ile, lors des essais à la mer du bâtiment [3]. Ce paquebot possède 2 pods d'environ 10 MW chacun. Un pod est constitué de deux demi-moteurs synchrones à 7 paires de pôles. Une structure synthétique de propulsion électrique à pods est présentée en figure 2. 3. Les mesures Le paquebot a effectué 6 passages au-dessus de l'AMI. Le tableau de la figure 3 résume ces passages. Pour un passage rectiligne, le CPA (closest point of approach) est défini comme la distance horizontale mini- male entre le bâtiment mesuré et PAML Les enregistrements suivants (AMI) sont présentés dans le repère bateau. Les notations sont : X longitudi- nal, Y transversal, Z vertical. . Les champs magnétiques statiques H,, Hy et Hz (0 Hz) w Les champs magnétiques alternatifs Hx, Hy et Hz (1,5 à 50 Hz) . Les champs électriques alternatifs E, Ey et Ez (1,5 à 50 Hz) Par contre, les voies Ey et Ez statiques (0 Hz) étaient ino- Passage Vitesse Capsuivi DistanceauCPA n° 1 12noeuds 248, 5 m no 2 21noeuds 084° 15 m no 3 12noeuds 276° 90m no 4 10noeuds 72° 75 m no 5 13noeuds 3310 100 m no 6 17 noeuds 1180 160 m f pérantes durant cette mesure, . Le champ électrique statique Ex (0 Hz) est donc repré- senté dans le repère AMI L'analyse relative aux champs électriques alternatifs est principalement développée. 4. Résultats et analyse Pour les champs statiques, les unités sont exprimées en valeur crête-à-crête. La notation utilisée est pp (peak to peak). Pour les champs alternatifs, les unités sont expri- mées en valeur crête. La notation utilisée est p (peak). 4.1. Le champ magnétique statique La mesure du champ magnétique statique du paquebot est donnée à titre d'exemple pour le passage n° 1 (figure 4). 4.2. Le champ magnétique alternatif Le champ magnétique alternatif n'a pas pu être exploité, car la sensibilité des capteurs était insuffisante. Les capteurs de l'AMI sont à technologie Fluxgate. A 100 mètres de profondeur, la signature n'est plus mesurable à 7Tz,ztl'; Pnsscn'1 12 Noeuds smducpa 1 "' H- ttnT i i' : il : .' ! JLL ' .. .u, IOUJ - li. 34) fA) 41 è'*-'.''t ; t <'! n f<' i 1: 1 - li) i Figure 3. Les passages. Figure 4. Champ magnétique statique. REE NO 3 Mars2006 Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. CONCEPT ET APPLICATIONS NAVIRES t 1x 10000 Passen'4 10 Noeuds j'5 induCl'A t nt, J . 1 ... "!) Figure 5. Champ électrique statique. l'aide de ce type de capteur. AMI est généralement utili. sée à 20 mètres. 4.3. Le champ électrique statique La mesure du champ électrique statique du paquebot est présentée pour le passage n'4 (figure 5). 4.4. Le champ électrique alternatif La mesure du champ électrique alternatif du paquebot est traitée ci-après au travers des passages 3, 1, 4 et 2. 4.4.1. Passage n&3 Paquebot à 12 noeuds, marche sur un seul pod, et pas- sage à 90 mètres du CPA. Les raies fréquentielles F(I) et F(2I) correspondent respectivement à la fréquence du courant I qui alimente le pod et à son harmonique 2. Le champ électrique alternatif Ex est ici modulé en fréquence autour de sa porteuse. L'excursion en fré- quence est de 2 Hz pour F(I). L'excursion est naturelle- ment doublée (4 Hz) pour 2xF (I) comme le montre la figure 6. Le temps et la mer étaient très mauvais durant les mesures ; aussi cette variation est probablement due à la variation de couple que reçoit l'hélice en fonction de la position du paquebot et de la houle. La période de 9 secondes peut parfaitement correspondre à celle de la houle (cf. figure 7). A bord du paquebot, le laboratoire IREENA étudiait " la circulation de courants basses fréquences sur le réseau et dans le système de propulsion " [4]. Il mesurait le cou- rant d'alimentation d'un pod (cf. figure 8). Passcn 3 1 POD 12Noeuds 9-0 mdu CFA t' ( 2xl'i-1) \ .).., \ ;.''. t.. - làmümt MÉMMUOI&MU Figure 6. Passage 3 - FFT du champ électrique alternatif Passeti'j 1 12 Nmiils 90 Ili du ('I) A F (HZ) H,,z T - 9 sec (,hadt) ;rie Figure 7. Passage 3 - champ électrique alternatif. La fréquence fondamentale du courant varie de 2 Hz au- tour de la consigne d'alimentation (17 Hz) selon une période de variation de 9 secondes.Le champ électrique sous-marin est donc bien l'image du courant alimentant le pod. 4.4.2. Passage 1 Paquebot à 12 noeuds, passage à 5 mètres du CPA, et marche sur 2 pods : . pod Tribord : vitesse stable . pod Bâbord : montée en vitesse On observe clairement, sur la figure 10, une raie élec- trique à la fréquence de rotation FR du ou des pods. Ici, 2 pods fonctionnent. C'est une situation très particu- lière : le pod tribord est à fréquence constante d'environ 17 Hz alors que le pod bâbord monte en régime. L'évolution REE No 3 Mars2006 Signature électromagnétique sous-marine d'un paquebot de 20 MW à pods frequency (Hz) 9s time (s)GV 10 20 Figure 8. évolution de la,fi-éqiteiic'e du coil-ant d'iiii pod. il 1 2 P ( :) D 12 N (etids 5 Ili du CFA Ti I ti. 2xF (l) F (I) _Bd 'jfiJÎ 1 enqs1 (tiq's \ft°uudt"\ ! Figiii-e 9. Passage 1 - chatiip élec,tritltie alternatii.' est régulière de 12 à 17 Hz. On note également aisément les différents harmoniques 2 et 3. Le signal émerge du bruit sur une durée d'au moins 2 minutes. 4.4.3. Passage n'4 Paquebot à 10 noeuds, passage à 75 mètres du CPA, fonctionnement sur 1 seul pod. Nous visualisons aisément sur la figure 11, à 175 m du pod, un test de décrochage du pod : le pod s'arrête et repart immédiatement. On distingue nettement le décro- chage puis la reprise de la commande sur le pod. Les raies F (I), 2xF (I) et 3xF (I) sont clairement identifiables. 4.4.4. Passage n'2 Paquebot à 21 noeuds, passage à 15 mètres du CPA, et fonctionnement sur 2 pods. Ici, les raies FR à 6xFR sont visibles. La raie à F (l) est prépondérante. Celle à 2xF (I) est également visible. Pit%%e fil'1 2 P (-) r) 12''teiith 5 let (111 ('PA Tenimps (second «) 2s F (I) _Td Observadon F (l) 2 lubmies oit 00 m 3x F (I) _Bd lx F (I) -Bd F (Hz) Figure 10. Passage 1 - c>haiiip électi-iqlie allei@iiatif 2*F (l) F (l) 13 IH, 116 Hz I'1 I déaochâte 50 s ..,,... '.,. P'igiii-e Il. Pas,age 4 - test de déci-ochage. Passe n 2 2 111 () 1) 21 Noeiicli 15 lit (hi K !) 2x Fl. ,/ .i i-À 1 & e - - A - 1 Figure 12. Passage 2 - chciiip électriqite allei,jialf.' REE No'-1 Mars 2006 Dossier LE NAVIRE TOUT ÉLECTRIQUE. CONCEPT ET APPLICATIONS NAVIRES Chaque demi-moteur utilise un moteur synchrone constitué de 7 paires de pôles. F R F ( !)/P FR (hertz) F (I) (hertz) p sans unité FR est la vitesse de rotation de l'hélice. F/ est la fré- quence du courant d'alimentation des pods ; p est le nombre (7) de paires de pôles du moteur. 4.4.5. Les autres fréquences rayonnées .[I 1:1'1'iLI'1- b 4I"I'.t,t I ti c7 Fi_J i '_U iLl.'f S.l'P'8. : 9iT j.L 7xF ()) 5xF (t) 3xF1) 2xF1) 91 65 60 39 Ï 6 Figure 13. Passage n'4 - les autres fréqîietices. La figure précédente présente les fréquences supé- rieures à F, ici 13 Hz, lors du passage n° 4. F (i) et ses harmoniques 2, 3, 5 et 7 valent respectivement 268, 70, 44, 80, 37 nV/m. Nous visualisons également une faible raie à 60 Hz, fréquence du bord, mais pas ses harmoniques. 5. Distances d'observation Nous considèrerons la limite d'observation, pour cette analyse, de 2 nV/m en alternatif. Pour une fréquence don- née, la signature est considérée (visible) dès et jusqu'à ce qu'une, au moins, de ses composantes (X, Y ou Z) soit visible. E_FR et E_F (l) sont respectivement les champs électri- ques E aux fréquences FR et F (l). Passage Qp) E_F E_Fn) E statique H statique vitesse RUN 1 5 1min 40 s 2 min 8 2min 0 s 2 min 20 s 12 nd 600 m 768 m 720 m 840 m RUN 2 15 50 s 1 min 35s 45 s 2mii) 30 s 21 nd 525 m 998 m 472 m 1.575 m RUN 3 90 20 s 2 min 10s 1min 0 s 3 min 20 s 12 nd 120 m 780 m 360 m 1 200 m RUN 4 75 4min 51s4 min 7 2min 40 s 5 min 0 s 10 nd 1.455 m 1.235 m 800 m 1.500 m RUN 5 100 1 min 52 s1 min 50 s 2min 0 s 2 min 40 s 13 d 728 m 715 m 780 m 1.040 m 1 RUN 6 160 2 min 0 s 1 min 42 s'2 min 40 s 2 min 30 s 17 1.020 m 867 m 1.360m 1.275 m 17 nd Nous pouvons donc visualiser, à chaque passage, les contributions principales (EFR, E_F (I), E statique, H sta- tique) sur plusieurs centaines de mètres. 6. Synthèse des mesures Le tableau de la figure 15 propose une comparaison entre les indiscrétions les plus fortes, H statique et E sta- tique, EJR et E_FI). CPA H (pp) Ex (pp) UR UI passage statique statique (p)