Organisation et optimisation de la compatibilité électromagnétique
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Projet réalisé par : Léo Ecrepont Entreprise d’accueil : SYSTRA Brésil / SYSTRA France Pour l’INSA de Strasbourg Spécialité Génie Electrique Option Energie Septembre 2015 72, rue Henry Farman 75015 Paris + 33 1 40 16 61 00 Organisation et optimisation de la compatibilité électromagnétique des réseaux de câbles de la plateforme du tramway moderne de Rio de Janeiro Tuteurs : André Bazani / Pierre Davoust Professeur référent : Jean-Michel Hube Le présent rapport de stage de fin d’études vise à apporter un début de réponse à la problématique de compatibilité électromagnétique rencontrée lors de la construction des réseaux de câble du tramway de Rio de Janeiro dans des espaces aux dimensions restreintes. Une présentation du système et du projet permet au lecteur de situer le contexte et introduit la problématique des interférences entre câbles de courant fort et de courant faible. La suite du rapport donne un début de réponse théorique permettant de visualiser le problème puis de s’en prémunir, via une modélisation simple. Enfin, une solution technique est décrite et des recommandations pour la construction sont données. Organization and optimization of the electromagnetic compatibility in the cable network of Rio de Janeiro’s tramway platform The present internship report is submitted in order to bring the beginning of a response to the electromagnetic compatibility problems met when building the power and electronic cable system in tiny spaces. The study took place in the Rio de Janeiro’s tramway project. A presentation of the system helps the reader to understand the context and introduces the problematic of interferences between high current cables and low current ones. The following parts of the report give a theoretical response allowing to visualize and to prevent the problem, with the help of a simple modelization. Finally, a technical solution is described and some recommendations are given to help building the system. 1. Présentation du projet de fin d’études Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet lancé par la ville de Rio de Janeiro, qui a souhaité s’équiper du tout premier tramway moderne brésilien pour fluidifier le trafic routier et redynamiser son centre-ville. Il doit être opérationnel pour les Jeux Olympiques de 2016. Cette étude vise à améliorer la compatibilité électromagnétique des réseaux de câbles de courants forts et de courants faibles. En effet, la qualité du signal et donc le fonctionnement des appareils de faible puissance est menacé par le rayonnement électromagnétique des câbles de puissance à basse fréquence d’alimentation. Dans le projet, ces câbles menacent potentiellement l’intégrité du système, en raison du non-respect des distances de sécurité dictées par les normes internationales dédiées au ferroviaire. Il a fallu dans un premier temps comprendre le fonctionnement du système dans son ensemble, pour tenter de modéliser le problème afin de cibler les risques. Ensuite, déterminer quels sont les paramètres pouvant poser problème et enfin proposer des solutions pour les maîtriser. 2. Couplages de la perturbation entre câbles parallèles La diaphonie est le couplage électromagnétique indésirable qui a lieu entre des câbles proches. On peut utiliser des paramètres distribués inspirés des équations des télégraphistes pour ramener les phénomènes responsables de la perturbation à un schéma électrique simple : Figure 1 : Circuit de couplage de la perturbation L’enjeu est de réussir à calculer ces composants pour pouvoir exprimer la diaphonie résultante sur le ou les câbles sensibles. En identifiant les paramètres responsables du couplage des circuits et en s’appuyant sur l’outil mathématique, nous pourrons prévoir le risque de perturbation et ainsi éviter de 2 construire un système de tramway ne respectant pas les niveaux de tolérance des appareils sensibles. Le calcul fondamental d’une inductance linéique, entre les rayons R2 et R1 est donné par : 𝑙= µ0 𝑅2 ln ( ) 2𝜋 𝑅1 De laquelle on déduit le calcul des capacités linéiques. Devant les difficultés rencontrées pour calculer les mutuelles pour des câbles enterrés (notamment en ce qui concerne le choix d’une « référence de tension »), et l’impossibilité de réaliser des mesures pour évaluer le phénomène, une approximation du cas réel a été étudiée en détail. La « multitubulaire » est placée au-dessus du sol, ce raisonnement permettant tout de même de tirer des conclusions générales. Figure 2 : Approximation « hors-sol » du cas réel Les équations de la perturbation observée aux terminaisons du circuit sensible sont : 𝑉21 (𝑡) = 𝑁𝐸𝑖. 𝑑𝐼𝑠1 (𝑡) 𝑑𝑉𝑠1 (𝑡) + 𝑁𝐸𝑐. 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑉22 (𝑡) = 𝐹𝐸𝑖. 𝑑𝐼𝑠1 (𝑡) 𝑑𝑉𝑠1 (𝑡) + 𝐹𝐸𝑐. 𝑑𝑡 𝑑𝑡 Où : - NEi et NEC sont les couplages inductifs et capacitifs dus aux champs magnétiques et électriques au niveau de la source de signal - FEi et FEC sont les couplages inductifs et capacitifs dus aux champs magnétiques et électriques au niveau du récepteur du signal Des courbes de variation de ces composants en fonction de divers paramètres sous Matlab permettent de mettre en évidence l’influence de facteurs tels que la distance entre câbles, la charge des terminaisons du circuit d’électronique, la longueur de côtoiement des circuits… 3 Figure 3 : Variation de la distance entre câbles Figure 4 : Variation des charges du circuit récepteur 3. Etude des câbles blindés L’électronique des appareils étant inaccessible et inconnue, et les distances entre câbles déjà poussées au maximum, il a fallu se tourner vers des solutions techniques telles que celle du blindage de câble. Il résulte des calculs théoriques que l’idée de blindages en acier proposée par le client est inefficace pour les perturbations à basse fréquence. Des solutions de blindage basse fréquence ont été mentionnées mais elles s’avèrent très coûteuses. Enfin, la modélisation des câbles blindés, basée sur celle des câbles nus présentée ci-dessus existe et a fait l’objet d’une tentative de calcul infructueuse, en raison du même problème de calcul des composantes linéiques mutuelles générateur-blindage que celui rencontré pour les câbles nus. La modélisation de l’approximation du modèle en une multitubulaire « hors-sol » n’a pas non plus été terminée par manque de temps. 4. Autre approche du problème Une approche basée sur la norme CEI a été développée. Elle visait à produire des masques superposables aux coupes des plans exécutifs du tramway, pour pouvoir positionner les câbles dans les zones décrétées non-dangereuses en termes d’intensité du champ magnétique. Elle a finalement été invalidée par un spécialiste des textes normatifs de SYSTRA, celui-ci assurant que les valeurs données ne sont pas valables pour des câbles. Figure 5 : Masque de construction basé sur la norme 4
