Compatibilité électromagnétique pour les systèmes - Nouvelle méthode et solutions appliquées au Métro Val de Lille

10/10/2017
Publication REE REE 2005-10
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2005-10:20212
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Compatibilité électromagnétique pour les systèmes - Nouvelle méthode et solutions appliquées au Métro Val de Lille

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	    <date dateType="Created">Tue 10 Oct 2017</date>
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TÉLÉMESURES : DOMAINE TECHNIQUE ESSENTIEL DES ESSAIS EN VOL Compatibilité électromagnétique pour les systèmes Nouvelle méthode et solutions appliquées au Métro Val de Lille Mots clés VAL, Compatibilité électromagnétique dessystèmes, Méthode dezéro, Modecommun et différentiel Par Daniel SDLEIL', Jean-Marc DESTAILLEUR', Alan ALCARAS Bureau detudes CEMS 1, Transpole 1, Thales Communications 1 1. Métro VAL de Lille Le VAL est un véhicule compact et sophistiqué, dans lequel se côtoient : . l'électronique de puissance de la motorisation à vitesse variable et les alimentations auxiliaires de puissance, . les circuits d'automatismes concernant le traitement des informations de commande, de sécurité et de transmission. Les rames 64 et 65 présentaient fréquemment des anomalies passagères de fonctionnement qu'il faut corriger par des logiciels adaptés. Leur manque de sûreté opéra- tionnelle les rendait inaptes à l'exploitation. Par de nombreuses expériences, il est reconnu que la majorité de ces anomalies est due aux parasitages des informations émises ou reçues dans les processeurs [1]. L'objectif de l'étude-CEM Système est d'atteindre " zéro défaut " et de définir les procédures de maintenance afin d'assurer la pérennité de la solution. 1.1. Normes françaises sur la protection des moyens et des personnes [2] . la NFC 15-100 s'applique à la conception des ins- tallations basse tension et traite en particulier des aspects CEM, de l'équipotentialité des réseaux de masse et de terre, . la réalisation pratique du réseau de masse est trai- tée par la NFC 15- 100 et la NFC 13- 100. Le réseau équipotentiel doit permettre d'assurer simultanément : . la sécurité électrique des personnes, . la protection des installations de puissance, . la protection des équipements sensibles. 1.2. Protection des équipements sensibles Les documents disponibles sont les guides, règles et c c normes françaises : EN 50 121, EZ 5000 (RATP), CEI-801 (Immunité). La protection est atteinte essentiellement en maintenant une bonne " référence de masse". Le but visé lors des études réalisées était d'appliquer les différentes techniques indiquées dans ces documents, en préservant spécifiquement la qualité de cette référence de masse. 1.3. État de l'art sur la CEM des systèmes [4] Au niveau international, le domaine de la CEM des systèmes est encore au stade de recherche et de projet de ESSENTI SYNOPSIS Cet article présente des considérations sur l'application d'un nouveauconceptCEM,en ce qui concerne l'étude et laprotection des systèmes. Ce concept particulièrementadapté aux systèmes complexes et de grandedimension est la " Méthodede zéro". Cette méthode a permis à la société TRANSPOLEde trouver rapidementdes solu- tions économiquement et techniquement efficaces contre les interférences électromagnétiques localiséesdans le métro VAL de Lille. This paper presents some considerations made about the application of a new EMC concept on the electromagnetic compatibility studies and protections. This concept specifically adapted for large and complex systems is called the "zero method". This method allows TRANSPOLE to find quickly econo- mic and technical good solutionsagainste ectromagnetic interfé- rences localized inside the VAL-Lille subway. REE NO 1 () Novembre 2005 TÉLÉMESURES : DOMAINE TECHNIQUE ESSENTIEL DES ESSAIS EN VOL normes. Ces recherches sont fondées sur des tests, la métrologie et les calculs complexes de couplages. Parmi les systèmes étudiés, les systèmes aéronau- tiques, les systèmes d'armes et les centrales nucléaires sont essentiellement concernés, en particulier dans le domaine de la protection contre la foudre. 2. " Méthode de zéro ", une approche expérimentale pour la CEM-système 2.1. Domaine de recherche La méthode de zéro est un axe de recherche sur la CEM système relié aux autres recherches de sujet commun [5]. Pratique et économique, elle est supportée par une métrologie de terrain facilement accessible, par une me réservée aux structures industrielles. Elle est particulière- ment adaptée aux non-spécialistes des théories de l'élec- tromagnétisme, qui n'ont pas la possibilité d'utiliser des moyens lourds en termes de mesure et de calcul. La méthode de zéro ne nécessite pas d'injection de signaux sur les circuits du système. Pour caractériser la vulnérabilité du système et qualifier la protection, elle utilise l'environnement électromagnétique existant. Cette méthode a fait l'objet de plusieurs articles et de communications internationales [6]. 2.2. Concept de la "méthode de zéro " (figure 1) Ce concept est fondé sur le principe clair que. quoi qu'il advienne, un potentiel de référence reste une réfé- rence à condition qu'aucun courant HF ne circule sur ses conducteurs (classiquement de 10 kHz à 10 MHz), et à condition qu'aucune tension HF n'apparaisse entre de dif- férents potentiels de référence. Ce concept peut être étendu à des fréquences supé- rieures dans d'autres applications. Les potentiels de référence peuvent être les suivants : masse, terre, neutre, 0 électronique, puissance en courant DC ou AC, liaisons de communication. Structut-'e r c-. u r-n- i :c : s-J'- - "' "...... Il i = 0 " ',,'= ri 1 .'- n_ :ir-_uit_ v, ".l= CI,1 - 1. 1.... = Il . l, - ., i 5 jifiiafn.3' i!f j c Î I ,,. = ri "i = U 1 '-, rri ri t---lassc-, terre 2.3. Retour d'expérience sur des sites représentatifs En pratique, il est admis que le " zéro " est idéal et pas essentiel pour les sous-systèmes informatiques ou de communication à l'intérieur d'installations sensibles de technologies anciennes (meilleure tolérance du rapport signal-à-bruit). Le graphe de la figure 2 montre les situations expéri- mentales rencontrées le plus fréquemment. 1 t ''..'ntt'= : ,'ntH For-te po !!utiûn 'l Ci - - - - - - R i : r : -, cl i-i p E 11.11 - - - - - - - - - - 7.5 -------Dëbut des risques CEH - - - - - - - D >P. i i-it i-1 e t'i' : ; fi LJ e E til - - ,,-.-t'I-t--'I--r-t Figi (re 1. Lci iiiéthode de -.éi-o iiiilo,çe i = 0 & v = 0. Figure 2. La teiisioii "éro " de mode commun en pratique, Lorsqu'un niveau de tension HF de 1 Vc est mesuré entre des références, c'est très correct. La limite de courant correspondante peut être évaluée facilement en faisant l'approximation d'une inductance de 1 pH pai- mètre de conducteur de référence. Par exemple, 1 V c donne quelques centaines de inA, pour un conducteur de quelques dizaines de mètres de longueur, dans les fréquences HF usuelles. Il faut noter que pour les niveaux très faibles (vers 0), les fréquences et formes d'ondes ne sont pas des para- mètres sianificatifs. Tandis que pour les forts niveaux, ces paramètres deviennent importants et nécessitent des analyses particulières. La méthode de zéro amène à des solutions compa- tibles des exigences induites à la fois par les normes CEM d'équipement et de sous-système, et par les normes de sécurité des personnes et des moyens. Elle permet ainsi de réaliser des solutions efficaces dans les cas usuels où les méthodes standards amènent à des solutions incompatibles. De façon naturelle, l'application de la méthode de zéro implique le " zéro défaut " pour l'exploitation du systèmes. Ce nouveau concept a été expérimenté avec succès dans d'autres applications critiques (systèmes REE W 10 Novcmbre 2005 Compatibilité électromagnétique pour les systèmes fortement perturbés) et en protection foudre : centrales nucléaires et hydrauliques, raffineries et sites pétrolifères, laboratoires, hôpitaux... Cette méthode est particulièrement bénéfique aux électriciens qui sont souvent demandeurs, cela leur permettant de résoudre les problèmes courants. 3. Analyse CEM du système 3.1. Electronique de puissance et motorisation Les moteurs sont alimentés par un hacheur 1500 Hz qui délivre un courant continu lissé (figure 3), et qui peut s'inverser pour la récupération d'énergie en freinage. L'énergie motrice est fournie par 2 hacheurs 300 Hz de puissance d'environ 500 kW chacun. , -rci ,, D C DC ci DC .300 H- 200-800 A 1 k "'\, % e 1 ttl1 é bjl2 1 x 120 Kil'ii " \ Figure 3. Alimeiitation des iiiotelirs. 3.2. Alimentations auxiliaires Deux baies d'électronique situées en bout de rame PA et HR contiennent les automatismes géréspar microprocesseurs. D'autres cellules de gestion ou de protection sont disposées dans des coffres répartis dans les 2 voitures. Une grande partie de ces différents circuits est alimentée en tensions auxiliaires 5 V logique, 12 à 15 V analogique etc... Ces tensions auxiliaires (figure 4) sont issues des convertisseurs "Carte " du type à découpage (fonctionnant à une dizaine de kHz). 3.3. Niveaux typiques des perturbations électromagnétiques Des mesures de perturbations entre différents points de masse et les châssis des racks montrent des tensions tou- jours supérieures à 5 V et bien souvent supérieures à 10 V. Ces tensions apparaissent en mode commun dans les câblages sensibles (figure 5). 3.4. Mode commun et mode différentiel La représentation schématique de la figure suivante résume les différentes situations souvent rencontrées. On distingue : i- 1<0) f , Dc.e DC ililil M2 l, e BA T 72 2'l'M,7 / DC F ! u iights GC Fans DC K PA SECUR IRAN S Scnsitilfc systems . -terr Figure 4. Alii ? ieiitatioiis auxiliciires. a Les structures de deux véhicules ("case F'et "case 2") reliées par la liaison de masse . La liaison de motorisation en courant continu ( " M et DC/DC ") 0 Une liaison entre deux systèmes sensibles échangeant de l'information (" sens 1" et " sens 2") C ?tvi Gtvt M M 1 CM- -- 1 1 - > j/+ l - c Plil c tti c rl . 1 1 1 é i HF 1 1 1 Case 1 em, Caze - v HF Case - HF v HF Figure 5. Mode Comiiiuii et Mode Dfféreiitiel. La méthode de zéro indique que pour la sûreté du système, les caractéristiques d'équipotentialité V = 0 seront atteintes seulement si 1 = 0. 4. Transfert du mode commun au mode différentiel 4.1. Spectre haute fréquence (HF) La présence de parasites HF sur une liaison sensible est due de façon prépondérante au couplage de ces para- c sites en mode commun (MC), suivi du transfert de ce MC en mode différentiel (MD). REE W 10 Novembre 2005 m Dossier) ,, TELEMESURES : DOMAINE TECHNIQUE ESSENTIEL DES ESSAIS EN VOL 4.2. Trois façons de réduire la perturbation Ainsi, le niveau des parasites peut être réduit en diminuant : . les tensions de MC (méthode de zéro) . le couplage en MC de la liaison (séparation) . le transfert MC- MD (isolation électrique, blindage). Dans notre cas, ce transfert est caractérisé principale- ment par « l'isolation électrique du MC » qui est généra- lement maîtrisée et efficace en basse fréquence (LF) et aux fréquences de fonctionnement. En revanche, l'isolation du MC en HF est plus difficile à réaliser, car elle est due principalement aux déséquilibres des impédances de MC. 4.3. Transfert MC-MD. Impédances dissymétriques Ces impédances de MC dépendent de nombreux paramètres géométriques et électriques. Les paramètres géométriques sont liés à la position des conducteurs de liaison par rapport aux éléments conducteurs environnants. Les paramètres électriques sont liés aux comportements parasites HF des charges d'extrémité (capacités parasites), ces comportements pouvant être révélés en partie par de faibles fuites (R,C) de courant fonctionnel. Ces paramètres ont naturellement des valeurs diffé- rentes pour les conducteurs de la liaison, ce qui crée les déséquilibres d'impédances. Ces valeurs sont aléatoires et ne sont donc pas maîtrisées. En outre, pour des raisons techniques et pratiques, ces paramètres ne peuvent pas être modifiés efficacement. 5. Solutions 5.1. Solutions pour réduire les tensions de MC Plusieurs solutions ont été étudiées : améliorations des filtres d'alimentation améliorations des filtres signaux . conducteurs supplémentaires pour dévier les courants parasites. Le but est de satisfaire correctement les critères de la Méthode de Zéro V=O et 1=0 sur les références de systèmes sensibles. 5.2. Solution appliquée par Transpole Les solutions choisies par Transpole sont axées sur la diminution du transfert MC-MD : . réduction de certains défauts d'isolation . réduction de l'impédance des connexions de masse . augmentation des séparations entre des conducteurs critiques. Ces solutions permettent aussi de satisfaire les cri- tères de la méthode de zéro (V = 0 et 1 = 0) sur les sys- tèmes sensibles. 6. Conclusions 6.1. Sources des perturbations électromagnétiques Les perturbations qui entraînent des anomalies de fonctionnement sont causées par la présence de tensions HF en mode commun. Leur origine provient des commu- tateurs rapides de puissance (GTO, découpages etc). La réduction des perturbations à l'origine implique des modifications industrielles et réglementaires parfois lourdes de conséquences. Cette technique n'a pas pu être utilisée ici. 6.2. Réduction des effets des perturbations électromagnétiques [7] Les tensions de perturbations électromagnétiques agissent en mode commun dans les câblages sensibles. La réduction des effets du mode commun passe par des mesures plus légères, associées à une maintenance précise. Elle est basée sur l'amélioration des isolements et des dispositions de câblage. Cette solution a été employée avec succès dans les rames défaillantes 64 et 65 qui ont retrouvé leur exploi- tation normale depuis 10 ans. 6.3. Maintenance de la « qualité électromagnétique » Elle ressemble à la surveillance des isolements pour la sécurité d'exploitation et des personnes, aussi bien sur le fond que sur la forme. La mesure de vérification de cette "qualité électroma- gnétique " se fait : . aux départs des sources d'énergie entre conducteurs et masse . aux divisions des sources d'énergie dans les coffrets, entre conducteurs et masse, . dans les systèmes, entre les 0 V de référence et les bâtis métalliques. Cette série de mesures simples et limitées dérive d'une des nombreuses applications de la méthode de zéro, elle a pour but de donner une image réaliste de l'ensemble des niveaux parasites que l'on devra analyser spécifiquement en cas d'incidents. Bibliographie [1] C. CAREL, C. GIRARD, "Maîtrise de l'impact d'environne- ments électromagnétiques sur les systèmes ", Revue de l'Electricité et de l'Electronique, N'l, 2002. [2] NFC 13-100 - NFC 15-10 -NFC 17-100 - NFC 17-102. [3] E. MONTANDON " Influence de la mise à la terre et du câblage pour la CEM " Compatibilité Electromagnétique - Presses Polytechniques Romandes, 2° Edition 1985, pp 315 te 323. REE NO 10 Novembre 2005 Compatibilité électromagnétique pour les systèmes [4] Ouvrage collectif (Coordinateur : B. H ! GEL), " Maîtrise de la CEM : Technologies, Réglementation, Normes ", Collection Référentiels Dunod, Paris, 1998. [5] D. SOLEIL, J. M BADIER, M. LEMESLE, "Zero Solution for Shielding and Electrical Protection in a Unit of Electroencephalographic Recording ", 14th. IEEE Int. Conf. on Innovations in Biomedical Engineering in the Year of the European Unified Market, Paris, pp. 1134-1135, October 1992. 161 International Conference on Lightning and Static Electricity (tCOLSE) held at the Aerospace Congress and Exhibition (ACE) in Seattle, Washington, USA on September, 2001 Co- authors D. SOLEIL, A. ALCARAS - Tha ! es Communications - Colombes : Lightning Protection - Experimental Approach for Large Sensitive Systems - Exampte of a Nuclear Power Plant. [7] V. GOBIN & G. LABAUNE. " Calcul et mesure de/'ecac/- té de blindage des matériaux composites " Ann. Télécomun., 43, n'11-12 - 1988. a u e u Daniel Soleil, né en 1942, est ingénieur électronicien de i'ESEO-Angers. Il est consultant en protection contre la foudre et les parasitages depuis 1995, Son début de carrière s'est dérou- lé principalement dans la conception d'équipements de mesure et de test en HF chez FERISOL et la construction d'onduleurs déparasités chez ALSTOM- Par ailleurs, quelques unes de ses recherches sur les parasitages électromagnétiques ont été financées par le Ministère de la Recherche et le Ministère de la Défense. Depuis 1995, son expérience de terrain l'a amené à développer et à promouvoir une méthode CEM système appelée " méthode de zéro ". Sa simplicité la rend accessible aux non-spécialistes de CEM et la rend candidate aux procédures normatives. Jean-Marc Destailleur retraité maintenant a été responsable du service maintenance du VAL à Lille. Alain Alcaras, né en 1970, est titulaire d'un DESS de commu- nication hyperfréquence de l'Université de Limoges (1993). Il est ingénieur de recherche et développement dans le domaine du durcissement électromagnétique à THALES Communications depuis 1995. Son activité a été centrée sur les études et déve- loppement de protections de systèmes militaires stratégiques et tactiques contre l'IEMN, la foudre et les champs forts. Actuellement, il étend ses compétences dans le cadre d'études amonts et d'étude programme à la CEM système et au TEM- PEST système. Membre de la SEE, il a été animateur du cercle 44.30 de la SEE "Méthodologie de protection Foudre de 2000 à 2004. Ses tra- vaux ont contribué à la réalisation du Guide de la protection contre les effets de la foudre " réalisé en collaboration UTE/SEE. REE M WIO Novembre 2005 57