Étude et modélisation des interactions électriques entre les engins et les installations fixes de traction électrique 25kV/50Hz

Study of harmonics and low frequency interactions between advanced rail vehicles and the 25kV/50Hz power supply

• Auteur / Autrice : Julian Andres Suarez Diaz
• Direction : Philippe Ladoux, Nicolas Roux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 17/12/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)

Mots clés

Mots clés libres

Traction électrique ferroviaire

Interactions harmoniques

Oscillations basse fréquence

Analyse de stabilité

Admittance d'entrée des locomotives

AC electrical railway networks

Low frequency instability

Admittance measurement

Harmonic interactions

Medium frequency transformer model

Résumé

Depuis un demi-siècle, le développement de la traction électrique ferroviaire en courant monophasé en France s'est appuyé sur les progrès réalisés aussi bien au niveau des installations fixes de traction qu'au niveau du matériel roulant. Toutefois, au cours des deux dernières décennies, l'augmentation du trafic et l'introduction de locomotives avec des chaines de traction innovantes ont été à l'origine de phénomènes électriques qui se sont avérés néfastes pour l'exploitation du système. Les premiers phénomènes observés ont été à l'origine de dégâts matériels à bord de locomotives. Il s'agissait de surtensions résultant d'une interaction défavorable entre l'impédance interne de l'infrastructure et les harmoniques générés par les engins moteurs équipés de redresseurs à thyristors. Plus récemment, suite à l'introduction massive d'engins équipés de redresseurs à absorption sinusoïdale de courant, un phénomène de modulation très basse fréquence de la tension caténaire est apparu et a provoqué la mise hors tension des locomotives voire la disjonction de la sous station alimentant le secteur concerné. Ceci constitue aujourd'hui un obstacle majeur à l'utilisation généralisée de la nouvelle technologie à bord des engins. Ces perturbations affectent l'exploitation du système en entrainant généralement des retards voire des annulations de circulation. Elles peuvent aussi dégrader la qualité d'énergie du réseau d'électricité amont à un niveau tel que la sous-station d'alimentation doit être déconnectée. La direction de l'ingénierie de la SNCF a donc pris des dispositions pour comprendre puis éviter l'apparition des phénomènes observés. Une collaboration interne entre le centre d'ingénierie du matériel et la division des installations fixes de traction électrique ainsi qu'un partenariat avec le LAPLACE ont été mis en place. Le présent document est le fruit de cette collaboration. L'objectif de cette thèse est donc d'étudier et de modéliser les interactions entre les engins et les installations fixes de traction sur le réseau français 25kV/50Hz. Ce manuscrit comporte deux parties principales qui s'organisent ainsi : La première partie est consacrée à l'étude du phénomène de modulation très basse fréquence de la tension caténaire. Les modèles des deux principaux composants du système sont d'abord présentés. Les études ainsi menés permettent de comprendre l'origine du phénomène, puis ensuite de développer une méthode de caractérisation des engins permettant de retrouver les limites de stabilité dans les secteurs problématiques du réseau ferré. Ceci nous a conduit à proposer une représentation générale des locomotives modernes sous forme d'une matrice admittance qu'il est possible d'obtenir par une mesure directe sur des engins réels. La deuxième partie concerne l'étude des interactions harmoniques à l'origine de surtensions sur la caténaire. L'analyse systématique du phénomène est basée sur des outils de simulation de circuits électroniques de puissance utilisant une bibliothèque de modèles élémentaires. La première étape consiste à développer un modèle « moyenne fréquence » du réseau d'alimentation afin de mettre en évidence les fréquences de résonance de l'ensemble ligne/sous-station. La deuxième étape consiste à modéliser les locomotives afin de prendre en compte leur réponse harmonique. Au final, il devient possible de savoir si un engin donné va générer des déformations de la tension en vérifiant si l'une des composantes harmoniques du courant absorbé coïncide avec une des résonances caractéristique du circuit d'alimentation. Pour compléter cette deuxième partie, une modélisation plus fine, intégrant l'effet de peau et l'effet de proximité est abordée. Elle s'appuie sur la caractérisation expérimentale en moyenne fréquence d'un transformateur 50Hz. Ceci nous permet de vérifier l'influence de ces phénomènes sur le comportement fréquentiel du réseau d'alimentation.

For a half a century, the increasing development of AC electrical traction railway networks in France relied on the progress made in the infrastructure power supply an in the rolling stock. However, over the past two decades, increased traffic and the introduction of modern locomotives were the cause of electrical phenomena that have proven harmful to the operation of the railway network. The first events that occurred induced serious faults on board locomotives. It was overvoltages resulting from unfavourable interaction between the internal impedance of the infrastructure and the harmonics generated by the electrical vehicles using thyristor controlled rectifiers. More recently, with the massive introduction of active front-end locomotives, problems of low frequency oscillations and instability were observed causing power off locomotives or disjunction of the sector sub-station. The objective of this thesis is to study and model the interactions between locomotives and fixed installations for electric traction on the French rail network 25kV/50Hz. This script has two main parts, which organized as follows: The first part is devoted to the study of the phenomenon of very low frequency modulation of the catenary voltage. The models of the two main components of the system, namely the single-phase power and the active front-end locomotives are first presented. Studies conducted this way, help to understand the origin of the phenomenon and then to develop a method to characterize the vehicle to find the stability limits in problems sectors of the rail network. This led us to propose a general representation of modern locomotives as an admittance matrix that can be obtained by direct measurement on real machines. The second part is the study of harmonic interactions causing overvoltages on the catenary. Systematic analysis of the phenomenon is based on simulation tools of power electronics circuits using a collection of specific elementary models. The first step consists in developing a “medium frequency” model of the power network in order to highlight the resonance and anti-resonance frequencies of the line/sub-station set. The second step is to model locomotives to take into account their harmonic response. In the end, it becomes possible to know whether a particular machine will generate deformations of the catenary voltage, by checking if any of the harmonic components of the consumed current coincides with one of the characteristic resonances of the traction electric circuit. To complete the second part, a more detailed model is discussed incorporating physical phenomena that occur with an increasing frequency (skin effect in the insulted conductors or proximity effect between conductors).It is based on the experimental characterization on medium frequency of a 50Hz transformer. This allows us to check the influence of these phenomena on the frequency behaviour of the supply network.