Contribution à la Modélisation HF du Comportement

N° d’ordre : 40724
THESE
Présentée à
L’UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNOLOGIE DE LILLE
Pour obtenir le titre de
DOCTEUR
Spécialité : ELECTRONIQUE
Par
Hamid OUADDI
Contribution à la Modélisation HF du Comportement
Électromagnétique de l’Infrastructure d’Alimentation
Ferroviaire
Soutenue le 9 décembre 2011 devant la commission d’examen :
Président : M. Marc HELIER Professeur de l’Université de Paris VI
Rapporteurs : Mme. Françoise PALADIAN Professeur de l’Université Blaise Pascal
Mme. Edith CLAVEL Maître de conférences HDR à l’Université de Grenoble
Directeur de thèse : Mme. Sylvie Baranowski Maître de conférences HDR à l’Université de Lille 1
Encadrant: M. Gérald Nottet Expert CEM Alstom Transport
Examinateurs : M. Nadir IDIR Professeur de l’Université de Lille 1
Mme. Virginie DENIAU Chargée de recherche à l’IFSTTAR
Invité : M. Bernard DEMOULIN Professeur de l’Université de Lille 1

Remerciements
Cette thse s’est droule au laboratoire TELICE, en convention CIFRE avec la socit
Alstom Transport®et avec l’appui d’un nombre important de personnes ; aussi, je tiens à
remercier chaleureusement :
Mon directeur de thèse, madame Sylvie BARANOWSKI, pour m’avoir guid
efficacement au cours de mes recherches de par sa pédagogie, sa disponibilité et la
qualité de ses conseils.
Mesdames Edith CLAVEL et Françoise PALADIAN pour avoir accept d’tre
rapporteurs de ma thèse.
Madame Virginie Deniau et Nadir IDIR pour avoir accepté d’assister à ma soutenance
de thse en qualit d’examinateurs.
Monsieur Marc HELIER, professeur à l’universit Paris VI, pour avoir présidé le jury.
Mon encadrant, monsieur Gérald NOTTET, expert CEM, pour son suivi et ses
conseils.
Monsieur Bernard DEMOULIN pour m’avoir fait l’honneur d’assister à ma
soutenance de thèse.
Monsieur Lamine KONÉ dont l’aide et la disponibilit ont toujours t prcieuses
Au sein de la société ALSTOM TRANSPORT, je remercie l’ensemble des collgues. Après
toutes ces annes passes au TELICE, je ne peux que remercier l’ensemble du personnel
permanent et les autres étudiants pour leur accueil et la bonne humeur qu’ils ont contribu à
maintenir au quotidien. J’adresse mes remerciements les plus chaleureux aux équipes CEM de
l’IFSTTAR et du L2EP de Lille pour leur grande contribution dans le domaine des mesures
expérimentales. Je remercie également le professeur Flavio CANAVERO pour son aide
efficace.
Enfin, je remercie tous mes proches pour leur soutien permanent au cours de toutes ces années
d’tudes.

Résumé
Titre : Contribution à la modlisation du comportement lectromagntique de l’infrastructure
d’alimentation ferroviaire
Mots clés : Compatibilit lectromagntique, infrastructure d’alimentation ferroviaire, sous-
station d’alimentation, transformateur, modélisation, perturbations rayonnées
Résumé : Le monde ferroviaire connait depuis un certain nombre d’annes un intrt marqu
caractérisé par un déploiement important des lignes à grande vitesse et le développement des
transports ferroviaires urbains notamment dans les grandes métropoles. Dans ce domaine,
l’infrastructure d’alimentation joue un rôle majeur car elle permet l’acheminement de
l’nergie ncessaire au fonctionnement du matériel roulant. Cette infrastructure comprend
principalement la sous-station d’alimentation ferroviaire, la catnaire et les rails. Les
composants de la sous-station d’alimentation dpendent du type d’lectrification utilisée
néanmoins elle se compose généralement de transformateurs de puissance et de convertisseurs
statiques. Cette infrastructure contribue à vhiculer des courants d’amplitudes élevés qui
engendrent des champs magntiques dans l’environnement propre et extrieur au systme
ferroviaire. En effet, la nature de la ligne d’alimentation (catnaires+rails) est favorable au
rayonnement de perturbations électromagnétiques. Cependant, ces champs
électromagnétiques sont soumis à des tolérances encadrées par des normes internationales
telles que la norme EN 50121.
La gestion et le contrôle du système ferroviaire est réalisée grâce à l’utilisation de systmes
électroniques de type sécuritaire. A proximité du système ferroviaire se trouve généralement
des réseaux téléphoniques publics. Ces systèmes internes et externes au domaine ferroviaire
peuvent présenter une certaine susceptibilité aux perturbations électromagnétiques engendrées
par le courant d’alimentation. La problématique CEM associée à ces systèmes électroniques
consiste à évaluer la contribution électromagnétique de l’infrastructure d’alimentation dans la
bande fréquentielle 10 kHz – 30 MHz en faisant appel la simulation numérique via des
modèles électriques appropriés et à la mesure sur site.
Dans un premier temps, nous dcrivons l’infrastructure d’alimentation ferroviaire et plus
particulièrement les sous-stations d’alimentation. De cette description ressort la nécessité de
proposer un modèle électrique HF du transformateur de puissance. Pour ce faire, on a
considéré certains phénomènes tels que les effets magnétiques et les capacités parasites. Ce

modèle a été appliqué à un transformateur de faible puissance. Par la suite, nous présentons
une étude effectuée sur un banc d’essai reprsentatif d’une sous-station d’alimentation en
tension continue qui comprend un transformateur, un redresseur à diodes et une résistance.
Les rsultats ont montr une bonne reproduction du courant redress en simulation jusqu’à
environ 1 MHz. Enfin, nous présentons des mesures de spectre de courant effectués aux
bornes d'une sous-station en tension continue de 3 kV. Ensuite on a mis en place un banc
d’essai compos d’un transformateur, d’une ligne de transmission et d’une charge. Cette tude
a permis d’observer le comportement frquentiel du courant lorsqu’on introduit des effets de
propagation. Pour conclure, une méthode simulation d’une infrastructure d’alimentation est
proposée. Celle-ci fait appel à des donnes de mesures directes aux bornes d’une sous-station
et au modèle de ligne proposé par A. Cozza.

Table des matières
Table des matières :
Introduction générale ..................................................................................................1
Chapitre 1 : Présentation du contexte et de la problematique CEM de
l’infrastructure d’alimentation ferroviaire...............................................................5
Introduction............................................................................................................................ 6
1.1. Contexte de l’tude : prsentation de l’infrastructure d’alimentation ferroviaire... 7
1.1.1. L’infrastructure d’alimentation ferroviaire ................................................................ 7
1.1.2. Les différentes électrifications dans le monde........................................................... 8
1.1.3. Description de la voie de chemin de fer..................................................................... 9
1.1.4. Les sous-stations d’alimentation de traction ferroviaire.......................................... 12
1.1.5. La sous-station d’alimentation ferroviaire en tension continue de 1,5 kV .............. 14
1.1.6. La sous-station d’alimentation en tension monophase 25 kV à la frquence de 50
Hz....................................................................................................................................... 17
1.2. La compatibilité électromagnétique dans le domaine ferroviaire ............................ 20
1.2.1. Généralités ............................................................................................................... 20
1.2.2. Les sources d’interfrences lectromagntiques...................................................... 21
1.2.3. Les victimes potentielles des perturbations EM ...................................................... 24
1.2.4. Les mécanismes de couplage des perturbations électromagnétiques dans le domaine
ferroviaire........................................................................................................................... 27
1.3. Les normes CEM dans le domaine ferroviaire .......................................................... 31
1.4. Problématiques de compatibilité électromagnétique rencontrées............................ 32
1.4.1. L’infrastructure d’alimentation vue comme une ligne de transmission .................. 32
1.4.2. Le problème CEM du point de vue industriel ......................................................... 36
1.5. Travaux antérieurs : la modlisation de la ligne d’nergie....................................... 37
Conclusion ..................................................................................................................39
Bibliographie du chapitre 1 ......................................................................................40