Chemin de Fer FR - Knick

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Analyse de processus
Appareils sur batterie
Appareils de laboratoire
Capteurs
Garnitures
Chaque année, 5,5 milliards d'euros
sont investis à travers le monde dans
les équipements électriques fixes des
réseaux ferroviaires. Une grande par-
tie de cet investissement est injectée
dans les réseaux de transport urbain,
un secteur pour lequel on prévoit une
croissance exceptionnelle [1]. Cette
croissance est liée à la recherche de
solutions permettant de résoudre les
problèmes de trafic dans les agglo-
mérations. Les objectifs politiques
définis pour la protection climatique
et la préservation des ressources
favorisent également l'augmentation
des investissements dans le transport
public urbain. De nouvelles lignes sont
installées, des lignes existantes sont
rénovées et étendues et les réseaux
sont mis à niveau avec des équipe-
ments modernes. Pour les exploitants
de réseaux de transport urbain, une
exploitation sûre et sans interruption
est essentielle. Ils exigent donc des
systèmes de très haute qualité.
White Paper
Amélioration de la disponibilité
et de la sécurité de l'alimentation
des chemins de fer
Des composants spécialement conçus pour les alimentations CC permettent
de procéder efficacement à des arrêts d'urgence et évitent les interruptions
inutiles du trafic
Auteur: Holger Blaak
Figure 1 : Tableau de distribution de l'alimentation du chemin de fer avec mesure du
courant et de la tension

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Il est important de protéger les instal-
lations d'alimentation électrique sur
les réseaux de transport urbain. On
utilise pour cela des équipements de
surveillance qui déclenchent un arrêt
d'urgence lorsqu'ils détectent une
défaillance. Les systèmes de protection
jouent un rôle majeur dans l'exploita-
tion des réseaux. Ils veillent à la sécu-
rité des individus et protègent les ins-
tallations d'éventuels dommages. Leur
fonctionnement est basé sur la mesure
précise de grandeurs électriques dont
l'analyse permettra de détecter des
défaillances. Les conditions spécifiques
aux réseaux et aux équipements ferro-
viaires induisent des exigences spéciales
pour les équipements de mesure.
L'utilisation de systèmes spécialement
adaptés aux applications de mesure
garantit une grande sécurité sans
pour autant réduire la disponibilité des
réseaux.
La sécurité et la disponibilité sont des
exigences importantes, mais parfois
difficiles à concilier. Il est important de
bien connaître la structure des systèmes
et leur mode de fonctionnement. C'est
ce qui permet de trouver des solutions
optimales pour chaque application.
Les convertisseurs Knick de la série
P40000 sont parfaitement conformes
aux exigences spécifiées pour la sur-
veillance de l'alimentation des réseaux
ferroviaires. Grâce à leurs propriétés,
une grande isolation conforme à la
norme ferroviaire EN 50124, une trans-
mission précise des signaux avec une
temporisation minimale et une très
grande réjection en mode commun, ils
peuvent être utilisés dans des systèmes
de protection de l'alimentation des sys-
tèmes ferroviaires et assurent un haut
niveau de sécurité, de fiabilité et de
disponibilité des réseaux. Par ailleurs,
le stockage est nettement plus simple
grâce à la flexibilité des systèmes
avec transformateur à plage élargie
et entrées calibrées commutables. En
effet, un seul système peut être utilisé
pour toutes les applications de courant
ou de tension.
~~
+ – + –
Tension moyenne CA
Installation de distribution CA
Disjoncteur
du redresseur
Installation de
distribution CC
Disjoncteur de ligne
Jusqu'au point
d'alimentation
suivant avec
disjoncteur de ligne
Protection du châssis
Capteur de tension CC
Equipement d'essai (test de ligne)
Jusqu'au point d'alimentation
suivant avec disjoncteur de ligne
Capteur de
courant CC
Figure 2 : Sous-station d'alimentation CC classique des systèmes de transport urbain
Selon le Newnes Electrical Power Engineer's Handbook, D. F. Warne

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, Structure et conception du
système
Dans les systèmes de transport urbain
de passagers comme le métro, le
RER et le tramway, les véhicules sont
généralement alimentés en courant
continu. Les tensions d'alimentation
sont comprises entre 600 et 3000 V
CC. La puissance électrique mise à dis-
position pour chaque tronçon de ligne
est de l'ordre du MW. Afin de protéger
les individus et les équipements, des
systèmes de surveillance sont installés.
Ils déclenchent un arrêt d'urgence
lorsqu'ils détectent une défaillance.
Les exigences définies pour ces sys-
tèmes de surveillance pour la détec-
tion de défaillance sont rigoureuses.
Une erreur d'évaluation, par exemple
un court-circuit non détecté, peut
entraîner une mise en danger grave
des personnes et d'importants dégâts
matériels sur les pièces de l'installa-
tion du fait de la puissance électrique
élevée mise à disposition. La détection
des défaillances doit par conséquent
être suffisamment sensible pour que
tous les défauts soient détectés et
déclencher un arrêt en toute sécurité
si nécessaire. Une grande sensibi-
lité engendre néanmoins davantage
d'erreurs d'évaluation. Autrement dit,
il est possible qu'un arrêt d'urgence
soit déclenché alors qu'il n'y a aucune
défaillance. L'exploitation du train est
alors interrompue inutilement. Ces
situations peuvent avoir des consé-
quences graves et difficilement détec-
tables sur l'exploitation ferroviaire. Elles
doivent donc être évitées autant que
possible. La spécificité de la détection
des défaillances est tout aussi impor-
tante que la sensibilité. Il est important
d'installer des systèmes de surveillance
présentant une grande sensibilité et
une grande spécificité de détection des
défaillances afin de pouvoir exclure cer-
tains dangers tout en garantissant une
grande disponibilité des équipements
ferroviaires.
Différents algorithmes sont utilisés
pour la détection des défaillances et
des états. Ces algorithmes sont princi-
palement basés sur l'analyse des carac-
téristiques électriques au niveau des
points d'alimentation. Sur les réseaux
de grande étendue, l'alimentation élec-
trique est assurée par le biais de sous-
stations réparties sur le réseau. Elles
desservent souvent plusieurs points
d'alimentation au travers desquels
l'énergie est introduite dans la caté-
naire. Les équipements de surveillance
et de protection sont installés au
niveau des points d'alimentation. Selon
l'application de surveillance, le niveau
de courant et sa vitesse de variation
seront mesurés avec un capteur CC
(EN 50123-1). La tension est elle aussi
mesurée le cas échéant. Ces données
sont analysées en continu dans l'équi-
pement de protection. Si un défaut est
détecté, l'équipement de protection
déclenche l'actionnement du disjonc-
teur correspondant en charge. L'arrivée
du courant et par conséquent l'apport
d'énergie sont alors interrompus au
niveau de ce point d'alimentation.
Selon le type et l'emplacement du
défaut et selon le moment d'apparition
du défaut, le courant de démarrage
et le courant de défaut présentent
des valeurs comparables. Une pure
surveillance des valeurs de courant est
donc souvent insuffisante. Confor-
mément à la norme EN 50123-7-1
(CEI 61 992-7-1), la forme du courant
de défaut est analysée. Pour cela, la
vitesse de montée du courant dI/dt est
mesurée, puis analysée afin de distin-
guer les courants de démarrage des
courants de court-circuit. L'analyse dI/
dt exige cependant que le courant soit
mesuré de manière rapide et précise
par l'appareil de mesure et que les
mesures soient ensuite mises à disposi-
tion pour l'analyse. En effet, les vitesses
de variation sont certes différentes les
unes des autres, mais l'écart n'est pas
important. Pour pouvoir représenter
de manière satisfaisante la montée
du courant, une fréquence limite de
>5kHz est généralement requise pour
l'appareil de mesure. La temporisa-
tion (temps T90) ne doit pas dépasser
100µs. Un enregistrement des valeurs
plus rapide est inutile.
Pour mesurer le courant, la norme
EN50123 spécifie une méthode cou-
rante éprouvée lors de laquelle la ten-
sion descendante est mesurée sur une
résistance parallèle ohmique montée
dans le circuit électrique (shunt). Cette
tension, généralement comprise entre
±60 et ±150 mV, est proportionnelle
au courant transmis. De petites ten-
sions de shunt sont privilégiées afin
de maintenir à un faible niveau la
Disjoncteur
Barre omnibus 600 – 3000 V DC
Point
d'alimentation
suivant
Ligne de contact Rail de
roulement
60 mV /
2500 A
20 ... 253 V AC/DC
Alimentation
Dispositif de
protection
de la ligne
± 20 mA 20 mA
20 ... 253 V AC/DC
Alimentation
Capteur de courant Capteur de tension
Figure 3 : Point d'alimentation de la sous-station

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puissance et la formation de chaleur
sur la résistance parallèle. La puissance
réduite qui y est associée peut être
obtenue dans une résistance parallèle
de petites dimensions. Pour pouvoir
construire des installations compactes,
on utilise donc souvent des résistances
parallèles de 60 mV. De plus petites
tensions de shunt compliqueraient
la mesure. Des tensions plus élevées
induisent un développement de chaleur
trop important ou de trop grandes
résistances parallèles. Le niveau de ten-
sion de shunt évoqué représente donc
un bon compromis.
Pour des raisons pratiques, les conver-
tisseurs simples à effet Hall ne sont pas
utilisés en alternative dans les cas où
un comportement inadéquat (précision
insuffisante, dérive, dépendance à la
température) ne pourra pas être toléré
à long terme par exemple.
En général, la tension est directement
mesurée par un appareil de mesure
avec diviseur de tension. La méthode
est décrite dans la norme EN 50123.
Après la séparation galvanique des
signaux mesurés, ils sont transmis
sous la forme d'un signal norma-
lisé électrique universel (EN 50123)
à l'équipement de protection et de
déclenchement qui exécute les algo-
rithmes dédiés à l'analyse des signaux
et déclenche l'arrêt d'urgence via le
disjoncteur en cas de défaillance.
Parfois, des signaux spécifiques au
fabricant sont utilisés, par exemple via
une connexion par fibre optique, avec
une conversion supplémentaire en
signaux normalisés.
US
Entrée
Signal perturbateur en mode commun = 1000 V
US = 1000 VSS, tS = 1μs
Sortie
Common-Mode Rejection Ratio (CMRR) = Gain en tension différentielle
Gain en tension de mode commun
Transient Common-Mode Rejection Ratio (T-CMRR) = Gain en tension continue différentielle
Réjection des valeurs crête transitoires
en mode commun
UMC
Figure 4 : Mesure de la réjection en mode commun
6
4
2
0
0 0,3 0,6 0,9 1,2 Temps [ms]
US [V]
, Sortie de l'amplificateur-séparateur avec faible réjection en mode commun
, Sortie de l'amplificateur-séparateur Knick
Figure 5 : Des fronts raides des charges en mode commun peuvent entraîner le déclenchement
des disjoncteurs par erreur. Une importante réjection en mode commun est nécessaire.
Tension
nominale
Tension perma-
nente maximale
Tension non
permanente
maximale (300 s)
UnUmax1 Umax2
600 V 720 V 800 V
750 V 900 V 1000 V
1500 V 1800 V 1950 V
3000 V 3600 V 3900 V
Tableau 1 : Tension nominale et tension permanente maximale
dans les applications ferroviaires (EN 50163
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, Exigences relatives à la mesure
des courants et des tensions /
Critères de sélection
Isolement et séparation galvanique
dans le cas de tensions CC élevées
Lors des mesures de courant et de ten-
sion, l'exigence fondamentale stipule
un isolement et une séparation galva-
nique (coordination de l'isolation) suf-
fisants pour éviter un éventuel endom-
magement de l'appareil de mesure et
de l'équipement de protection monté
en aval. En ce qui concerne le secteur
ferroviaire européen, on considère la
tension d'isolement assignée UNm selon
EN 50124-1 qui spécifie une distance
d'isolement et de fuite minimale. Lors
de l'application, la tension d'isolement
de calcul de l'appareil de mesure doit
être supérieure à la tension maximale
en cours de fonctionnement. Selon la
norme EN 50124-1, la tension d'isole-
ment de calcul UNm est supérieure ou
égale à la tension permanente la plus
élevée Umax1. Il faut cependant prendre
aussi en compte des tensions non per-
manentes élevées (Umax2) lorsque leur
apparition est probable. Par exemple,
lors de la réinjection de courant sur
des trajectoires avec freinage, la ten-
sion peut considérablement dépasser
la tension nominale Un. L'équipement
de mesure doit donc être capable de
résister à des tensions plus élevées. Si
une protection des individus contre le
risque de choc électrique est requise,
un isolement supplémentaire ou double
est nécessaire. La marge de sécurité est
alors ≥100%.
Les capteurs CC tels que le P40000
sont parfaitement adaptés aux tensions
d'alimentation des réseaux ferroviaires,
conformément à la norme EN 50163.
Ils couvrent toutes les tensions jusqu'à
Un = 3000 V CC et assurent l'isolement
jusqu'à la tension maximale non per-
manente attendue Umax2 de 3900 V
CC/CC pendant une longue durée.
Fonctionnement efficace, même en
cas de variations de tension rapides
D'après la norme EN 50136, les varia-
tions de tension rapides doivent être
considérées comme un élément inhé-
rent à ce genre de systèmes. Lors de la
mesure du courant, elles représentent
une défaillance en mode commun et
sont donc à considérer avec la plus
grande attention pour le fonctionne-
ment de l'équipement de protection
et de déclenchement. Une mauvaise
réjection en mode commun d'un cap-
teur CC peut entraîner de multiples
déclenchements de défauts de l'équi-
pement de protection et, par voie de
conséquence, une défaillance du trafic
ferroviaire (arrêt).
L'impact indésirable des tensions en
mode commun sur la sortie du signal
(défaillance en mode commun) se
retrouve en principe sur chaque cap-
teur CC. Une configuration adaptée
des capteurs permet néanmoins de le
minimiser afin de ne pas perturber le
fonctionnement.
Les conditions de fonctionnement
des applications ferroviaires induisent
souvent d'importantes défaillances en
mode commun, ce qui exige du côté
du capteur de courant une réjection en
mode commun élevée. Les réjections en
mode commun résultent de variations
de tension provoquées entre autres par
l'alternance de charges et d'opérations
de commutation et peuvent s'étendre
au réseau d'alimentation via le jeu
de barres. La variation soudaine de la
tension dans le cadre d'une charge
en mode commun génère un artefact
d'impulsion dans le signal de sortie du
capteur de courant qui peut entraîner
un déclenchement de l'arrêt d'urgence
à tort.
Il est important de prendre en
compte le niveau de réjection en mode
commun pour s'assurer de l'adéquation
du convertisseur pour les capteurs de
courant CC. Les normes ferroviaires
n'exigent pas une indication quantita-
tive de la réjection en mode commun.
Iss
TcTd
T
I
S
Courant de
traction d'entrée
Courant de
défaut à distance
Iss Valeur finale du courant de défaut
Tc Constante de temps du défaut
S Réglage di/dt du relais
Td Réglage de temporisation du relais
Figure 6 : Exemple de détection de montée du courant (EN 50123-7-1 / CEI 61992-1)
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