Brevet FR2924499A1 — publié le 20090605

INSTALLATION DE MESURE POUR LE COMPTAGE D'ÉNERGIE D'ALIMENTATION D'UN MATÉRIEL ROULANT L'invention concerne une installation de comptage d'énergie d'alimentation d'un matériel roulant, par mesure de l'intensité et de la tension fournies. L'invention s'applique dans le domaine des transports roulants électriquement alimentés et en particulier, mais non exclusivement, au transport ferroviaire. Il est traditionnel, dans l'état de la technique, de mesurer les énergies d'alimentation d'un matériel roulant par le biais de moyens de mesure isolés. Ce type d'installation est relié aux caténaires d'alimentation des matériels roulants et comporte par exemple des transformateurs à bobines, primaire et secondaire, ou encore des capteurs à effet Hall. Ces moyens sont disposés en liaison avec les supports des moyens d'alimentation et possèdent des dimensions proches du mètre et un poids important, supérieur à 100 kg. Ainsi, dans le document DE 101 34 014.1-35, il est décrit un transformateur utilisé pour la mesure de paramètres de puissance et assurant la protection galvanique de l'utilisateur. Son encombrement est comparable à un support d'isolateur de distribution électrique conventionnelle, destiné à soutenir les conducteurs électriques nus, dont le diamètre est de l'ordre de 60 cm. Par conséquent, la manipulation de ces transformateurs est difficile et devient problématique, notamment lors de leur mise en place, de leur changement ou de leur maintenance. Par ailleurs, il est également connu de réaliser ces mesures par l'intermédiaire de plots isolés par surmoulage, disposés dans la plate-forme montée immédiatement sur le toit de la locomotive et servant de base de fixation d'un pantographe. Le plot est alors relié à un shunt réalisant une mesure de tension. Cette tension étant l'image de courant d'alimentation, sa mesure est ensuite utilisée pour calculer l'intensité correspondante en appliquant la loi d'Ohm. En effet, comme décrit dans le document FR 2 706 619, ce type d'installation permet de mesurer des courants par l'intermédiaire d'une chute de tension exercée dans la résistance du shunt. Cette chute de tension étant représentative du courant traversant la résistance, il est possible de l'utiliser pour réaliser des mesures des paramètres de puissance délivrés par une caténaire. Cette installation possède un encombrement réduit par rapport aux transformateurs de mesures. Toutefois, la résistance du shunt est soumise à des augmentations de températures importantes par effet Joule. La nécessité d'assurer son refroidissement engendre par conséquent un volume d'installation important. Par ailleurs, la tension mesurée doit être transmise aux moyens de calculs de manière isolée. Cet isolement se fait par l'intermédiaire de transformateurs qui sont eux aussi volumineux. Dans ces conditions, les plots mesurant le courant traversant les caténaires ont un volume conséquent. Ces types d'installations présentent donc de nombreuses contraintes : les mesures sont effectuées en milieu pollué û caténaires encrassées par les poussières de carbone des pantographes, étincelles -, et en milieu agressif et dangereux en présence de hautes tensions supérieures à 750V et pouvant atteindre maintenant 25kV. La nécessité d'obtenir des mesures fiables implique un entretien régulier des plots. De plus, les hautes tensions environnantes nécessitent des équipements à fort isolement qui entraînent un volume d'installation particulièrement élevé. En outre, le temps d'immobilisation de la locomotive du matériel roulant pour le changement des moyens de mesure est très important du fait de la taille de la structure des transformateurs ou des plots. Ce problème est encore plus critique pour les anciennes générations de locomotives dont la structure n'est pas nécessairement adaptée à recevoir de tels moyens (poids et volume) sur leur toit. Pour satisfaire ces besoins et pallier aux inconvénients susmentionnés, l'invention propose de capter les paramètres de mesure par des moyens aisés d'installation sur site offrant, avantageusement, un fort isolement en milieu pollué et une facilité d'installation nettement améliorés. Plus précisément, la présente invention a pour objet une installation de mesure pour le comptage d'énergie d'alimentation d'un matériel roulant comportant des moyens d'alimentation de puissance fournis en liaison avec le matériel roulant. L'installation comporte également une liaison souple associée à un capteur de tension et/ou de courant et ayant une fonction de transmission d'une information de tension et/ou de courant. Par ailleurs, la liaison souple possède la fonction d'isolant électrique. Ce type d'installation permet tout d'abord un encombrement réduit et une aisance d'installation et d'utilisation. Le capteur de tension et/ou de courant ne nécessitent pas d'isolement et par conséquent, sont d'encombrement et de poids réduits. La liaison souple en tant que telle, fournit également à l'utilisateur une isolation qui assure ainsi sa sécurité à l'encontre des hautes tensions environnantes et transmet l'information de tension et/ou de courant. En outre, la liaison peut être disposée avantageusement de manière amovible sur l'un des supports des moyens d'alimentation. De manière avantageuse, cette liaison souple est composée d'au moins une fibre optique. Lorsqu'elle est composée de deux fibres optiques, chaque fibre est reliée aux extrémités du capteur de tension et/ou de courant. Les fibres optiques, de part les matériaux qui les constituent, offrent de 25 nombreux avantages : elles conduisent un flux lumineux, support d'informations, tout en garantissant un fort isolement électrique, 30 - elles sont souples et ont la caractéristique d'être insensibles à différentes perturbations telles que les champs électromagnétiques extérieurs, assurant ainsi la fiabilité des mesures captées. Par ailleurs, leur facilité d'installation limite de manière conséquente le temps 35 d'immobilisation des locomotives de matériel roulant. Avantageusement, le capteur de tension et/ou de courant est un élément optique parcouru par un flux lumineux de lumière cohérente. Ce flux lumineux est 4 émis préférentiellement par une diode LASER, acheminé par une première fibre optique vers l'élément optique puis jusqu'à un système de démodulation par une seconde fibre optique. Lorsque l'élément optique est connecté à un champ électrique créé par une tension, la polarisation de la lumière émise par la diode LASER est modulée dans l'élément optique par effet Kerr . De manière équivalente, lorsque l'élément optique est disposé à proximité d'un champ magnétique créé par un courant, la polarisation du flux lumineux est modulée par effet Pockels. La variation de la polarisation du flux lumineux est alors transformée en une tension et/ou un courant via un système de démodulation, qui sont ensuite traités par des moyens de calculs de puissance. Selon un mode de réalisation particulier, l'élément optique est un cristal électro-optique constitué d'un matériau choisi parmi le niobate de lithium, le titanate de lithium, l'arseniure de gallium ou le tellure de zinc. Alternativement, l'élément optique est un cristal magnéto-optique. De manière avantageuse, la liaison souple est protégée par une gaine de protection constitué d'un matériau isolant. Outre l'isolation électrique fournié par cette gaine, elle a également pour but de protéger la liaison contre les pollutions externes et les chocs mécaniques. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'installation de mesure pour le comptage d'énergie d'alimentation d'un matériel roulant est une liaison souple, de type fibre optique, enroulée autour d'un support des moyens d'alimentation du matériel roulant. Selon un autre mode de réalisation, l'installation de mesure souple pour le comptage d'énergie d'alimentation d'un matériel roulant comporte une liaison souple du type montage à câble de résistance souple relié à un pont diviseur pour la mesure de tension et à un capteur de courant à faible isolement monté sur un tore magnétique (transformateur d'intensité) pour la mesure d'intensité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture qui suit d'exemples de réalisation détaillés, en référence aux figures qui représentent respectivement : en figure 1, le capteur de mesure optique selon l'installation, en figure 2, l'installation de mesure disposée sur un moyen d'alimentation et, 5 en figure 3, l'installation de mesure à câble de résistance souple. Sur la figure 1 est représenté un moyen de mesure de tension qui est un capteur de mesure optique 1 selon l'invention intégré dans une liaison souple constituée de deux fibres optiques torsadées 8 et 9. Le capteur de mesure 1 comporte en outre un cristal électro-optique 2 constitué de niobate de lithium. L'élément optique 2 est traversé par une flux lumineux cohérent amené via une première fibre optique 8. Soumis à un champ électrique, le cristal 2 modifie la polarisation de la lumière cohérente qui le traverse par le biais de l'effet Kerr. Cet effet dépend de manière quadratique du champ électrique à mesurer et est par conséquent adapté aux mesures de champs importants. L'élément optique 2 est précédé d'un film polariseur 3 et d'une lame quart d'onde 4. La conjugaison de ces deux composants optiques permet de polariser la 20 lumière cohérente entrant dans la sonde de manière circulaire. Par l'intermédiaire du champ électrique à mesurer, la polarisation de la lumière en sortie de l'élément optique 2 est finalement polarisée elliptiquement. Ce changement de direction de polarisation va induire des variations d'intensité 25 lumineuse qui vont être détectées et analysées par un système de démodulation 10 et des moyens de calculs de puissance 11. En effet, à la sortie du capteur 1, la lumière, dont la polarisation a été modifiée, est focalisée par la lentille convergente 6 dans une seconde fibre optique 9 reliée au système de démodulation 10, lui même connecté à des moyens de calculs de puissance 11. 30 Le capteur 1 et la liaison souple 8 et 9 sont protégés dans une gaine de protection mécanique et électrique 7, en caoutchouc, qui a pour effet secondaire de renforcer le champ électrique à l'intérieur de l'élément 2 et par conséquent, d'améliorer la sensibilité de la mesure optique. 6 Dans l'exemple de réalisation, l'élément optique 2 est constitué d'un cristal de niobate de lithium (LiNbO3). Alternativement, il est possible d'utiliser du titanate de lithium (LiTaO2), de l'arseniure de gallium (AsGa) ou du tellure de zinc (ZnTe). De manière avantageuse, il est également possible d'utiliser un cristal magnéto-optique. Sur la figure 2 est représentée une vue de l'installation d'un moyen de mesure de courant selon l'invention, enroulée autour d'un moyen d'alimentation d'un 10 matériel roulant. La lumière cohérente est émise par une diode LASER 16 et est introduite dans une fibre optique 17 à 633nm. Dans cet exemple de réalisation, la mesure de courant est effectuée uniquement via la fibre optique 17. En effet, l'enroulement de 15 la fibre 17 autour du conducteur 12 de type caténaire délivrant le courant I permet de réaliser des mesures de courant en fonction du nombre de tours effectués autour de la caténaire 12. Un enroulement de la fibre optique 17 autour de la caténaire 12 délivrera une valeur de courant démodulée à partir des variations d'intensité lumineuse induites par l'enroulement. Les variations d'intensité lumineuse en sortie 20 de la fibre optique 17 étant proportionnelles aux nombres de tours réalisés autour de la caténaire 12, il suffit d'ajuster les paramètres du système de démodulation 18 disposé en sortie de la fibre optique 17. En sortie de la fibre optique 17, les variations d'intensité lumineuse sont donc 25 recueillies par un système de démodulation 18, qui les transforment en valeurs d'intensité, valeurs qui sont ensuite traitées par des moyens de calculs de puissance 19. En référence à la figure 3, il est représenté une vue de l'installation selon 30 l'invention disposée autour d'un moyen d'alimentation 12 d'un matériel roulant, comportant un capteur magnétique 20, relié à une première extrémité de la liaison. Selon un mode de réalisation particulier, ce capteur 20 est un transformateur d'intensité à faible niveau d'isolement chargé sur une résistance. La bobine est 7 positionnée autour d'un conducteur de la caténaire 12 dont on veut connaître la valeur du courant I qu'elle transporte. La tension induite dans la résistance de charge du transformateur d'intensité est proportionnelle au courant I dans la caténaire 12. Le capteur 20 est relié alors à un circuit d'intégration électrique 24 à forte impédance d'entrée de type pont diviseur de tension par l'intermédiaire du câble à résistance souple, afin de fournir un signal de sortie qui est proportionnel au courant 1. 10 Dans cet exemple, la liaison souple est composée d'un câble constitué d'un conducteur haute tension 21, fil hautement résistif ou fil de carbone, entouré par une gaine à base de matériau siliconé 22, silicone ou carbone siliconé. Le câble est relié au pont diviseur comportant la résistance étalon 23. 15 Pour la mesure des paramètres de tension fournis à travers le caténaire 12, il est possible de n'utiliser qu'un seul câble. Il crée une résistance souple de plusieurs mètres possédant une valeur de 100MS2/m. La première extrémité du câble est reliée au potentiel à mesurer et la seconde à la résistance étalon 23, dans laquelle 20 une image de la tension mesurée est déterminée par le pont diviseur de tension. Les différentes mesures sont lues en sortie du pont diviseur de tension par des moyens de calculs de puissance 25. 25 Toutefois, la stabilité de la mesure de cette installation, dans le temps et dans le cas de variations de température, est faible. Par conséquent, il est avantageux de prévoir un câble double pour effectuer une double mesure par compensation entre les énergies à mesurer et les énergies 30 dans la résistance étalon. De même, afin de renforcer l'isolation de l'installation, il est avantageux d'utiliser un câble de résistance souple équipé d'une double isolation électrique à base de matériaux siliconés ou encore à base de polyester ou de kapton, ce dernier 35 polymère étant déjà utilisé dans la construction des moteurs de traction de trains.5 L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisations décrits et représentés précédemment. Compte tenu, du faible encombrement et de la souplesse d'utilisation de l'installation, une autre variante d'utilisation de l'installation selon l'invention peut être un instrument de mesure d'énergies portable ou encore une pince voltampère métrique. REVENDICATIONS 1. Installation de mesure pour le comptage d'énergie d'alimentation d'un matériel roulant comportant des moyens d'alimentation de puissance fournis en liaison avec le matériel roulant, caractérisée en ce qu'elle comporte une liaison souple associée à un capteur de tension et/ou de courant (1; 17; 20) et ayant une fonction de transmission d'une information de tension et/ou de courant (8, 9; 17; 21, 22) . 2. Installation de mesure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison souple a également une fonction d'isolation électrique. 3. Installation de mesure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison souple est composée d'au moins une fibre optique (8, 9; 17). 4. Installation de mesure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison souple est un montage à câble de résistance souple (21) relié à un pont diviseur de tension (24) et intégrant un capteur de courant à faible isolement (20). 20 5. Installation de mesure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur de tension (1) est un cristal électro-optique (2). 6. Installation de mesure selon la revendication 5, caractérisée en ce que le cristal électro-optique (2) est constitué d'un matériau choisi entre le niobate de lithium, le 25 titanate de lithium, l'arséniure de gallium et le tellure de zinc. 7. Installation de mesure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur de tension (1) est un cristal magnéto-optique. 30 8. Installation de mesure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le capteur de courant est une fibre optique (17) enroulée autour d'un support des moyens d'alimentation de puissance (12). 9. Installation de mesure selon l'une quelconque des revendications 5 à 7,caractérisée en ce que le capteur (1) comporte en outre un élément optique (2), de type électro-optique ou magnéno-optique, modulant une lumière cohérente acheminée par une première fibre optique (8) depuis une diode LASER et, en ce que l'élément optique (2) est relié à une seconde fibre optique (9) guidant ladite lumière jusqu'à un système de démodulation (10). 10. Installation de mesure selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le système de démodulation (10) est connecté à des moyens de calculs de puissance (11). 11. Installation de mesure selon la revendication 1, caractérisée en ce que la liaison souple (8, 9; 17, 21, 22) est disposée de manière amovible sur un support des moyens d'alimentation. 15 12. Installation de mesure selon la revendication 3, caractérisée en ce que les fibres optiques (8, 9) sont torsadées. 13. Installation de mesure selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'une gaine de protection (7) enveloppe la liaison souple (8, 9, 17) et le 20 capteur (1). 14. Installation de mesure selon la revendication précédente, caractérisée en ce que la gaine de protection (7) est constituée d'au moins un matériau isolant.10