Le laboratoire de métrologie électrique haute tension du LNE est très engagé dans ce projet européen JRP HV-com2. Il s’agit pour les métrologues d’apporter toutes leurs compétences pour améliorer les essais d’équipements haute tension des réseaux électriques. En particulier, ce projet vise à développer la normalisation d'essais typiques à haute tension au cours desquels des impulsions de tension sont superposées aux tensions continues ou alternatives, comme cela peut se produire sur le réseau de transport d’électricité lors d’un choc de foudre ou lors de la connexion d’un élément au réseau. Pour ces essais, des signaux de tension composites ou combinées sont utilisés et doivent être mesurés (forme et amplitude). Au cours de ce JRP, des systèmes de mesure de ces signaux sont développés pour assurer leur traçabilité au SI et, à l'issue du projet, des services d'étalonnage fiables seront proposés pour les instruments de mesure utilisés pour acquérir ces signaux composites ou combinés. De plus des procédures de mesure seront développées et proposées à l'IEC pour faire évoluer les normes existantes pour les d’essais à haute tension d’équipements électriques.

Objectifs

Déterminer de façon fiable les interactions entre des impulsions de tension et les hautes tensions continues (HVDC) ou alternatives (HVAC) et les effets néfastes dus à cette combinaison de tensions sur les essais d’équipements haute tension.

Déterminer les performances métrologiques des diviseurs de tension, des échantillonneurs et des algorithmes de calcul pendant les essais mettant en œuvre des tensions composites ou combinées.

Développer la traçabilité des mesures de ces signaux de tension de forme d’onde composite et combinée par des systèmes de référence primaire et des services d’étalonnage, avec une incertitude cible de 2 % pour l’amplitude de tension.

Contribuer à la révision des normes IEC-60060-1&2 et IEC 61083-1&2 en fournissant les données, les méthodes et les recommandations nécessaires au comité technique IEC-TC42 « High voltage and high-current test techniques ».

Résumé et premiers résultats

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JRP EMPIR HN-com2
JRP EMPIR HV-com2

La fiabilité des réseaux électriques à haute tension et leur capacité à supporter des courants issus de sources d’énergies renouvelables dépendent essentiellement de la capacité à réaliser des essais pertinents sur les composants constituant ces réseaux de transport de l’énergie électrique. L’un de ces essais consiste à soumettre les composants à tester à des signaux de tension de forme d’onde composite et combinée. Mais la traçabilité des mesures de ces signaux déformés de haute tension est mal établie, ce qui pourrait entraîner des résultats d’essais incorrects.

Les signaux de tension à mesurer sont des tensions combinées et composites, où les ondes de choc de foudre 1,2 µs / 50 μs ou de manœuvre 250 µs / 2500 μs sont superposées aux hautes tensions alternatives ou continues.

Une tension combinée apparaît entre deux bornes d’un composant à trois bornes lorsque l’alimentation du composant est assurée par deux tensions différentes générées par deux sources de tension distinctes et appliquées sur deux bornes du composant à tester. Par exemple, une tension combinée est appliquée dans les essais d’isolation entre deux phases de matériels alimentés en triphasé, ou dans les essais d’isolation de matériels de commutation, de systèmes haute tension isolés avec du gaz (GIS), de lignes électriques à courant continu haute tension, des sectionneurs, des disjoncteurs, etc. En raison du couplage des deux sources d’alimentation, les formes et les amplitudes des deux tensions diffèrent de celles générées par les sources utilisées séparément. Une mesure de la tension combinée avec une méthode habituelle est difficile car il n’y a pas de potentiel de terre impliqué. Dans ce cas il est possible de calculer la tension combinée à partir de la mesure des deux composantes de tension. Mais dans certains essais, les phénomènes induits par l’onde combinée sur les systèmes à tester, ceux isolés au gaz notamment, peuvent créer une tension de claquage réduite dont les limites autorisées doivent être spécifiées dans la norme d’essai.

La tension composite est, quant à elle, la superposition de deux tensions d’essai différentes générées par la connexion de deux sources de tensions distinctes et appliquées sur une même borne du dispositif à tester. Chaque connexion des sources de tension dans le circuit d’essai dépend de l’élément qui couple une tension et bloque l’autre. Il peut également y avoir une interaction directe entre les sources connectées ensemble. Cela signifie que, en fonction de la nature du couplage et du blocage, les contraintes exercées sur le dispositif à tester et sur les sources peuvent varier. Les essais en tension composée sont typiquement adaptés pour les câbles haute tension alternative (HVAC) ou des câbles haute tension continue (HVDC). Les essais en tension composite avec des ondes de choc de foudre superposées aux hautes tensions continues sont aisés à réaliser tandis que les essais où les ondes de manœuvre sont superposées aux hautes tensions alternatives sont mal définis dans la norme actuelle, notamment concernant les paramètres temporels du signal de tension à appliquer.

En raison d’un manque de traçabilité des mesures de haute tension électrique (continue ou alternative) en présence de signaux perturbateurs (chocs de foudre ou ondes de manœuvre), des laboratoires nationaux de métrologie européens et des industriels de l’énergie électrique se sont regroupés pour élaborer ce projet européen (JRP HV-com2) afin de contribuer à faire évoluer la normalisation des essais en haute tension. Il s’agit principalement des normes (IEC 60060 et IEC 61083-1&2) élaborées par le comité technique TC42 de l’IEC (Commission électrotechnique internationale). L’objectif est de développer une infrastructure métrologique spécifique adaptée à la mesure des hautes tensions composites et combinées. Cela passe par le développement de systèmes de mesure traçables, de services d’étalonnage adaptés à des formes d’onde composites et combinées, et par l’étude de l’influence des tensions impulsionnelles sur la mesure des hautes tensions continues (HVDC) ou alternatives (HVAC).

Le programme d’actions de ce JRP HV-com2 a été réparti entre les 12 partenaires européens et il est coordonné par le PTB (Allemagne). Le projet est structuré en 3 lots de travail technique et 2 lots de management (WP4) et de diffusion des connaissances (WP5) :

Pour en savoir plus sur le JRP HV-com2, sa structure, ses partenaires, ses objectifs et ses résultats : https://www.ptb.de/empir2020/hv-com2.

Le LNE participe à tous les lots de travaux et coordonne le WP1 dont la finalité est de déterminer de manière fiable la mesure des hautes tensions continues (HVDC) ou alternatives (HVAC) lorsqu’il existe des impulsions de tension additionnelles et de déterminer les effets néfastes de ces impulsions sur les mesures et les composants à tester. Les travaux portent aussi bien sur les procédures d’évaluation et de mesure que sur l’instrumentation de mesure, afin de proposer in fine une évolution des normes d’essais des systèmes « haute tension » qui tiennent compte des formes complexes des signaux réels auxquels ils peuvent être soumis.

Il s’agit notamment pour le LNE de réaliser l’infrastructure métrologique pour l’étalonnage des instruments d’acquisition utilisés pour les mesures de tensions combinées et composites jusqu’à 1 kV, et en particulier de concevoir un calibrateur pour l’étalonnage des numériseurs utilisés pour mesurer les impulsions de tension.

L'approche choisie par le LNE est fondée sur l'utilisation d'amplificateurs de haute tension fonctionnant à haute vitesse. Lorsqu'ils sont connectés à un convertisseur numérique-analogique à haute vitesse, il est possible de générer n'importe quelle forme d'onde (signaux programmés) adaptée à la génération de tensions combinée ou composite. Le LNE a conçu et réalisé un calibrateur fonctionnant sur ce principe. Cet équipement fonctionne comme un amplificateur linéaire de haute tension capable de convertir des signaux de forme quelconque de basse tension en signaux de tensions plus élevées jusqu’à 900 V crête sur une durée de montée supérieure à 1 µs, avec une large bande passante et un gain de 150. Les résultats de test de performance du calibrateur basse tension sont prometteurs et sa traçabilité au SI est en cours d’étude.

Par ailleurs quatre amplificateurs aux caractéristiques différentes, trois de commerce et celui fabriqué par le LNE, ont été testés et étudiés. Les résultats comparés montrent que cette méthode peut atteindre des performances métrologiques élevées, au moins équivalentes à celles des calibrateurs traditionnels, qui nécessitent généralement un bloc électrique séparé pour toute forme d'onde supplémentaire. L'avantage de l'utilisation d'un amplificateur haute tension est sa flexibilité pour générer, en un seul bloc, toute forme d'onde avec un temps de montée supérieur à une microseconde. Cette nouvelle méthode, relativement moins couteuse que les calibrateurs traditionnels, révèle un intérêt certain dans ce domaine de mesure des hautes tensions électriques.

Publications et communications

SAADEDDINE H., AGAZAR M. et MEISNER J., “Reference calibrator for combined and composite high voltage impulse tests”, ISH 2021 (International Symposium on High Voltage Engineering), Xi’an, China, 21-25 Nov. 2021.

AGAZAR M. et SAADEDDINE H., “The usage of voltage amplifiers for reference impulse voltage calibrators up to 1 kV”, Measurement Science and Technologies (MST journal), à paraître.

AGAZAR M. et SAADEDDINE H., “Studying the use of voltage amplifiers to generate microsecond rise-time impulses up to 900 V”, 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021.

SAADEDDINE H. et AGAZAR M., “Support for standardisation of high voltage testing with composite and combined wave shapes”, 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021.

MEISNER J., GOCKENBACH E., SAADEDDINE H. et al., “Support for standardisation of high voltage testing with composite and combined wave shapes”, VDE High Voltage Technology 2020, ETG-Symposium, online 9-11 Nov. 2020.

Partenaires

Les partenaires du LNE dans ce projet européen (JRP) sont :

  • PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt), Allemagne
  • FFII (Fundación para el Fomento de la Innovación Industrial), Espagne
  • INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica), Italie
  • RISE (Research Institute of Sweden), Suède
  • TUBITAK (Turkiye Bilimsel ve Teknolojik Arastirma Kurumu), Turquie
  • VTT MIKES (Technical Research Centre of Finland), Finlande
  • AME (Accessori Macchine Elettriche), Italie
  • TAU (Tampereen korkeakoulusäätiö), Finlande
  • TUD (Technische Universität Dresden), Allemagne
  • TUG (Technische Universitaet Graz), Autriche
  • Haefely, Suisse

Impacts attendus du JRP

  • augmentation de la qualité de fabrication d’éléments de réseau électrique haute tension
  • amélioration de la pertinence des essais de dispositifs à haute tension
  • amélioration de la qualité des normes d’essais haute tension
  • nouvelles références et possibilités d’étalonnage pour les mesures de signaux déformés de haute tension.

Ce projet européen (JRP GIQS) est un projet de métrologie fondamentale visant à l’amélioration de la traçabilité des mesures d’impédance électrique (R, L, C) en développant de nouveaux étalons quantiques de résistance et d’impédance et de nouveaux ponts de comparaisons d’impédances, numériques ou fonctionnant avec des références de tension Josephson AC. Ce projet s’inscrit dans le prolongement de l’évolution, en 2018, des définitions des unités du SI qui permettent désormais une mise en pratique « quantique » de toutes les unités électriques.

Objectifs

Améliorer la compréhension de l'effet Hall quantique en régime de courant alternatif (AC) dans le graphène. Optimiser des dispositifs à base de graphène pour obtenir des étalons d’impédance à base de l'effet Hall quantique.

Faire progresser les ponts numériques pour la gamme de capacité de 10 pF à 10 nF à des fréquences élevées et développer un pont de mesure d'impédance fonctionnant avec des tensions de Josephson jusqu'à 50 kHz dans tout le plan complexe des impédances.

Combiner des dispositifs à base de graphène, une génération des tensions par l’effet Josephson (EJ) et un pont entièrement numérique afin d’établir la traçabilité des mesures de capacité jusqu'aux étalons de résistance quantique à effet Hall quantique (EHQ).

Mettre au point un nouveau système cryogénique accueillant un dispositif supraconducteur à EJ et un dispositif à EHQ en graphène, tous deux fonctionnant en courant alternatif (AC) et permettant la réalisation des étalons primaires quantiques de résistance et d'impédance dans le SI.

Faciliter le transfert des technologies et des dispositifs de mesure développés dans le cadre de ce projet vers les utilisateurs finaux (laboratoires de métrologie, fabricants de graphène, centres d'étalonnage…).

Résumé et premiers résultats

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Logo JRP GIQS
JRP EMPIR GIQS

L'objectif de ce projet européen est de fournir aux laboratoires nationaux de métrologie, aux centres d'étalonnage et à l'industrie la technologie nécessaire à la réalisation pratique des unités SI d'impédance électrique (ohm, farad, henry). Pour y parvenir, le consortium étudie la possibilité de combiner des nouveaux ponts numériques de mesure d'impédance (numérique ou Josephson) et des étalons quantiques de résistances réalisés à partir de graphène (pour la mise en œuvre de l’effet Hall quantique). Les dispositifs de mesure devront en particulier pouvoir être utilisés dans des dispositifs cryogéniques simples, pouvant à terme être exploités dans l’industrie.

Le projet européen a débuté en juin 2019 et s’étendra sur trois années. Le programme de travail a été réparti entre les 11 partenaires et est coordonné par le PTB (Allemagne). Le projet a été structuré en 3 lots de travail technique (WP) :

  • WP1 - Développement de dispositifs à effet Hall quantique à base de graphène afin d’obtenir des nouveaux étalons quantiques de résistance pour des applications en courant continu et en alternatif.
  • WP2 - Amélioration la précision des ponts d’impédances numériques comportant des références de tension Josephson alternatif ;
  • WP3 - Amélioration de la traçabilité des impédances à l’effet Hall quantique en combinant des dispositifs de résistances étalons à base de graphène en AC, des tensions Josephson alternatif et des ponts d’impédance numériques.

Par ailleurs, le lot WP4 sur la valorisation du projet, vise particulièrement à promouvoir les résultats obtenus auprès des acteurs industriels.

Pour obtenir plus d'informations sur le JRP GIQS : https://www.ptb.de/empir2019/giqs/home/

Dans ce projet, le LNE contribue à améliorer la compréhension de l'effet Hall quantique (QHE) en régime alternatif dans le graphène, et participe à l’optimisation des dispositifs étalons à base de graphène et de ponts d’impédances totalement numériques, afin d’assurer la traçabilité des mesures d'impédance à l'effet Hall quantique. Pour étudier le comportement en fréquence des barres de Hall, le LNE développe un dispositif de mesure, en courant continu et alternatif, spécifiquement adapté à son nouveau système de refroidissement cryomagnétique pour la mise en œuvre des étalons quantiques de résistances.

Publications et communications

COUËDO F., THEVENOT O. et al., « The EMPIR Project GIQS: Graphene Impedance Quantum Standard », 20e Congrès international de métrologie (CIM 2021), Lyon, France, 7-9 sept. 2021.

Partenaires & Collaborations

Ce projet européen (JRP) réunit 11 partenaires :

  • PTB, Allemagne
  • CMI, République Tchèque
  • INRIM, Italie
  • LNE, France
  • METAS, Suisse
  • RISE, Suède
  • VTT, Finlande
  • CNRS (CRHEA et C2N), France
  • NIMT (Institut national de métrologie de Thaïlande), Thaïlande
  • POLITO (Politecnico di Torino), Italie
  • KRISS (Korea Research Institute of Standards and Science), République de Corée

Impacts attendus

  • amélioration des étalons d’impédance électrique dans les instituts nationaux de métrologie par la réalisation de nouveaux étalons quantiques à base de graphène ;
  • amélioration de la traçabilité des impédances électriques (incertitude de mesure et conditions de mesure) ;
  • réduction de la chaîne de raccordement des instruments de mesure au SI par l’usage d’étalons quantiques simplifiés et facilitation de l’usage industriel d’instruments de mesure et d’étalons quantiques pour les impédances électriques.

Publications

PIQUEMAL F., "Present and future mass standards for the LNE watt balance and the future dissemination of the mass unit in France", Metrologia, 53, 2016, 1139-1153, DOI:10.1088/0026-1394/53/4/1139

PINOT P., ESPEL P., LIU Y., THOMAS M., ZIANE D., PALACIOS-RESTREPO M.-A. et PIQUEMAL F., "Static phase improvements in the LNE watt balance", Review of Scientific Instruments, 87, 2016, DOI: 10.1063/1.4964293

THOMAS M., ESPEL P., ZIANE D., PIQUEMAL F., PINOT P., JUNCAR P., SILVESTRI Z., PLIMMER M., PEREIRA DOS SANTOS F., MERLET S. BEAUDOUX F., BENTOUATI D., BRUNET F., JEANJACQUOT P. et MADEC T., « Approche du LNE pour la réalisation et la mise en pratique du kilogramme dans sa nouvelle définition », Revue française de métrologie, 2017, 49-57, DOI: 10.1051/rfm/2016015

 

Communication

ESPEL P., THOMAS M., ZIANE D., PINOT P. et PIQUEMAL F., "Static Phase Improvements in the LNE watt balance", Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2016), Ottawa, Canada, , DOI: 10.1109/CPEM.2016.7540579, 10-15 juillet 2016.

 

Publication

THOMAS M., ZIANE D., PINOT P., KARCHER R., IMANALIEV A., PEREIRA DOS SANTOS F., MERLET S., PIQUEMAL F. et ESPEL P., "A determination of the Planck constant using the LNE Kibble balance in air", Metrologia, 54, 2017, DOI: 10.1088/1681-7575/aa7882

 

Communications

BEAUDOUX F., PINOT P., ESPEL P., THOMAS M., SILVESTRI Z., ZIANE D. et PIQUEMAL F., « Dissémination en France de l’unité de masse après sa redéfinition », RFQM, Nantes, France, 27 - 30 mars 2017.

 

THOMAS M., ZIANE D., PINOT P., PIQUEMAL F. et ESPEL P., "Planck constant determinations at LNE/CNAM", KBTM2017, Beijing, République populaire de Chine, octobre 2017.

 

Publications

ALLAL D., DJORDJEVIC S., GOLDFARB R. and LOMBARDI M., “Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2018), IEEE Transactions on instrumentation and measurement, 68, 2019, 6, 8712480, 1652, DOI: 10.1109/TIM.2019.2910405.

DJORDJEVIC S., POIRIER W., SCHOPFER F. et THÉVENOT O., « Les étalons électriques quantiques », Les reflets de la physique, SFP, 62, 2019, 25-28, DOI: 10.1051/refdp/201962011.

JECKELMANN B.and PIQUEMAL F., “The elementary charge for the definition and realization of the ampere”, Annalen der Physik, 531, 2019, 5, 1800389, DOI: 10.1002/andp.201800389.

LOUARN K., CLAVEAU Y., FONTAINE C., ARNOULT A., MARIGO-LOMBART L., MASSIOT I., PIQUEMAL F., BOUNOUH A., CAVASSILAS N. and ALMUNEAU G., “Thickness limitation of band to band tunnelling process in GaAsSb/InGaAs type II tunnel junctions designed for multi-junction solar cells”, ACS Applied energy materials, , 2, 2019. 2,1149-1154, DOI: 10.1021/acsaem.8b01700

OUAMEUR M., ZIADE F. and LE BIHAN Y., “Towards a calculable standard shunt for current measurements at 10 A and up to 1 MHz”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 68, 2019, 6, 8586883, 2215-2222, DOI: 10.1109/TIM.2018.2884553.

OUAMEUR M., ZIADÉ F. and LE BIHAN Y., “Novel broadband calibration method of current shunts based on VNA, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 68, 2019, 3, 854-863, DOI: 10.1109/TIM.2018.2855499.

PHAM BUI T.D, ALLAL D., ZIADÉ F. and BERGEAULT E., “On-wafer coplanar waveguide standards for S-parameter measurements of balanced circuits up to 40 GHz”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 68, 2019, 6, 8699095, 2160-2167, DOI: 10.1109/TIM.2018.2884061.

POIRIER W., DJORDJEVIC S., SCHOPFER F. and THÉVENOT O., “The ampere and the electrical units in the quantum era, Comptes Rendus de l’Académie des sciences - Physique, 20, 2019, 1-2, 92-128, DOI: 10.1016/j.crhy.2019.02.003.

 

Communications

PIQUEMAL F., « Evolution du SI le 20 mai 2019 », Université de Strasbourg - SFP Alsace, 30 janvier 2019.

MORÁN-MEZA J., DELVALLÉE A., ALLAL D. and PIQUEMAL F., « Mesure de capacités par microscopie
micro-onde à champ proche (SMM) », 22e Forum des Microscopies à Sondes Locales, Carry-le-Rouet, France, 19-22 mars 2019.

ALLAL D., “Update on EMPIR 16NRM07 Vector SAR”, EURAMET TC-EM SC-RF&MW Experts meeting, Torrejón de Ardoz, Espagne, 9-10 avril 2019.

ALLAL D., MORÁN-MEZA J., DELVALLÉE A., PIQUEMAL F. and ZIADÉ F., “EMPIR 16ENG06 ADVENT: Update on research activities : Results from SMM and power measurements”, EURAMET TC-EM SC-RF&MW Experts meeting, Torrejón de Ardoz, Espagne, 9-10 avril 2019.

MÉZIÈRES N., FUCHS B., LE COQ, LERAT J.-M., CONTRERES R. and LE FUR G., « Caractérisation Rapide d’Antennes par Utilisation des Harmoniques Sphériques Vectorielles », 21es Journées Nationales Micro-ondes (JNM 2019), Caen, France, 14-17 mai 2019.

PHAM BUI T.D., ALLAL D., ZIADÉ F. and BERGEAULT E., « Étalons coplanaires CCPW pour la mesure des paramètres S en mode mixte”, 21es Journées Nationales Micro-ondes (JNM 2019), Caen, France, 14-17 mai 2019.

MORÁN-MEZA J., DELVALLÉE A., ALLAL D. and PIQUEMAL F., Capacitance mapping at nanoscale by scanning microwave microscopy (SMM): Metrological aspects”, European Materials Research Society - Spring Meeting 2019, Symposium D: Advances in silicon-nanoelectronics, -nanostructures and high-efficiency Si-photovoltaics, Nice, France, 27-31 mai 2019.

AMARIPADATH D., ROCHE R., BRAUN J.P., JOSEPH-AUGUSTE L., ISTRATE D., FORTUNE D. and GAO F., “Design of a versatile waveform platform for supraharmonic testing and calibration”, 25th International conference and exhibition on electricity distribution (CIRED 2019), Madrid, Spain, 3-6 June 2019.

SCHOPFER F., « Un guide ISO pour l’élaboration des normes sur la mesure des propriétés du graphène et des matériaux 2D”, 8es Rencontres annuelles en Nanométrologie – Club nanométrologie, Paris, France, 17 juin 2019.

DJORDJEVIC S., Quantum current standard based on the Josephson effect and the quantum Hall effect”, Quantum and Precision Metrology (QPM 2019), Cracovie, Pologne, 17-19 Juin 2019.

ALLAL D., “European Project EMPIR 16NRM07 Vector SAR - SAR measurement using vector probes”, BioEM 2019, Montpellier, France, 23-28 juin 2019.

AGAZAR M., FORTUNÉ D., SAADEDDINE H., GARNACHO F. and ROVIRA J., Characterisation of High Voltage Dividers for X-ray Measurements”, 21st International Symposium on High Voltage Engineering (ISH2019 Conference), Proceedings: vol. 2, ISH, Budapest, Hongrie, 26-30 août 2019.

AMARIPADATH D., ROCHE R., AUGUSTE L.J., ISTRATE D., FORTUNÉ D., BRAUN J.-P. and GAO F., Measurement and Analysis of Supraharmonic Emissions in Smart Grids”, 54th International Universities Power Engineering Conference (UPEC 2019), Bucharest, Romania, 3-6 September 2019.

SCHOPFER F., FLEURENCE N., DELVALLÉE A., DUCOURTIEUX S., MORÁN J., PIQUEMAL F. and FELTIN N., Developing and providing reliable multi-disciplinary measurement methods for graphene and related materials”, 14th Graphene Week 2019, Helsinki, Finland, 23-27 September 2019.

PIQUEMAL F., « Evolution du SI le 20 mai 2019 », Université de Pau, 24 septembre 2019.

AGAZAR M., FORTUNÉ D., SAADEDDINE H., PERRILLAT D., ROBERT C. and CASTEIGNAU L., “Study of non-invasive instruments for the measurement of pulsed x-ray high voltage tube”, 19e Congrès interntional de métrologie (CIM 2019), Paris, France, 24-26 septembre 2019.

ALLAL D., EMPIR European project for validation of vector array SAR measurement systems”, 19e Congrès interntional de métrologie (CIM 2019), Paris, France, 24-26 septembre 2019.

ISTRATE D. and FORTUNÉ D., “Fictive power source for calibrations in railway systems”, 19e Congrès interntional de métrologie (CIM 2019), Paris, France, 24-26 septembre 2019.

SAADEDDINE H., AGAZAR M. and FORTUNÉ D., New reference systems for the calibration of HV impulses at LNE”, 19e Congrès interntional de métrologie (CIM 2019), Paris, France, 24-26 septembre 2019.

ALLAL D. and ZIADÉ F., “Calibration of on chip microwave power sensors”, European Microwave Week 2019, Paris, France, 29 sept. - 4 oct. 2019.

ZIADÉ F., Key energy figures in ICT sector and main aspect of the top-down approach adopted in the European Project in Metrology ADVENT”, European Microwave Week 2019, Paris, France, 29 sept. - 4 oct. 2019.

MORÁN-MEZA J., DELVALLÉE A., ALLAL D. and PIQUEMAL F., Metrology for capacitance measurements using Scanning Microwave Microscope”, European Microwave Week 2019, Paris, France, 29 sept. - 4 oct. 2019.

MORÁN-MEZA J., DELVALLÉE A., ALLAL D. and PIQUEMAL F., A substitution method for capacitance calibration using scanning microwave microscopy”, 12th Seminar on Quantitative Microscopy (QM) and 8th Seminar on nanoscale Calibration Standards and Methods (Nanoscale 2019), Braunschweig, Germany, 15-16 October 2019.

ALLAL D., SAR measurement using vector probes and impact of Metrology on Standardization processes”, IEC TC 106 Meeting, Tokyo, Japan, 11-15 novembre 2019.

Publications

BUCHTER A., HOFFMANN J., DELVALLÉE A., BRINCIOTTI E., HAPIUK D., LICITRA C., LOUARN K., ARNOULT A., ALMUNEAU G., PIQUEMAL F., ZEIER M. and KIENBERGER F., “Scanning microwave microscopy applied to semiconducting GaAs structures”, Review of Scientific Instruments, 2018, 89, 023704, DOI: 10.1063/1.5015966.

JECKELMANN B. and PIQUEMAL F., “The elementary charge for the definition and realization of the ampere”, 2018, Annalen der Physik 2018, 531, 5, DOI: 10.1002/andp.201800389.

JOUAULT B., SCHOPFER F. and POIRIER W., “Beauty of quantum transport in Graphene”, in Epitaxial Graphene on Silicon Carbide - Modeling, Characterization And Applications (Chapitre 7), Gemma Rius et Philippe Godignon, Jenny Stanford Publishing, 2018, ISBN 9789814774208, DOI: 10.4032/9781315186146.

LOUARN K., CLAVEAU Y., MARIGO-LOMBART L., FONTAINE C., ARNOULT A., PIQUEMAL F., BOUNOUH A., CAVASSILAS N. and ALMUNEAU G., “Effect of low and staggered gap quantum wells inserted in GaAs tunnel junctions”, Journal of Physics D: Applied Physics, 2018, 51, 14, DOI: 10.1088/1361-6463/aab1de.

OUAMEUR M., ZIADE F. and LE BIHAN Y., “Novel broadband calibration method of current shunts based on VNA”, IEEE Trans. Instrum. Meas., 2018, 68, 3, 854–863, DOI: 10.1109/tim.2018.2855499.

OUAMEUR M., ZIADE F. and LE BIHAN Y., “Towards a calculable standard shunt for current measurements at 10 A and up to 1 MHz”, IEEE Trans. Instrum. Meas., 2018, 68, 6, 2215-2222, DOI: 10.1109/tim.2018.2884553.

 

Communications

BRUN-PICARD J., DJORDJEVIC S., POIRIER W. and SCHOPFER F., “Graphene for quantum electrical metrology and the revised International System of Units SI”, ImagineNano/GraphIn 2018, Bilbao, Spain, 13-15 mars 2018.

SCHOPFER F., “Graphene for quantum electrical metrology and the revised International System of units SI”, ImagineNano/GraphIn 2018, Bilbao, Spain, 13-15 mars 2018.

DELVALLÉE A., MORAN J., PIQUEMAL F. et ALLAL D., « Evaluation d’une méthode d’étalonnage pour la mesure de capacités par SMM », Forum des microscopies à sonde locale, La Rochelle, France, 19-23 mars 2018.

BRUN-PICARD J., DAGHER R., MICHON A., JOUAULT B., MAILLY D., POIRIER W. and SCHOPFER F., “Exploring the electron transport in quantum Hall devices based on graphene grown by CVD on SiC to improve the electrical resistance standard”, International Symposium on Quantum Hall Effects and Related Topics (QHE 2018), Max Planck Institute, Stuttgart, Germany, June 27-29, 2018.

PIQUEMAL F., “Quantum electrical standards: Key role in the revision of the SI”, Measurement at the Crossroads (MAC 2018) - History, philosophy and sociology of measurements, Université Paris Diderot, Paris, France, 27-29 juin 2018.

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BLANC I., SARDJONO H. and SYAHADI M., “Supplementary comparison EURAMET EM-S41 bilateral comparison of DC voltage reference standards (1,018 V and 10 V) (EURAMET.EM-S41)”, Metrologia, 2020, 57, 1A Techn. Suppl., 01014, DOI: 10.1088/0026-1394/57/1A/01014.

COUEDO F., AMARI P., FEUILLET-PALMA C., ULYSSE C., SRIVASTAVA Y.K., SINGH R., NICOLAS BERGEAL N. and LESUEUR J., “Dynamic properties of high-Tc superconducting nano-junctions made with a focused helium ion beam”, Scientific Reports, 2020, 10, 1, 10256, DOI: 10.1038/s41598-020-66882-1.

GREGORY A.P., QUELEVER K., ALLAL D. and JAWAD O., “Validation of a broadband tissue-equivalent liquid for SAR measurement and monitoring of its dielectric properties for use in a sealed phantom”, Sensors, 2020, 20, 10, 2956, DOI: 10.3390/s20102956.

HÄLLSTRÖM J., ELG A.-P., HAVUNENE J. and GARNACHO F., (Others participants: AGAZAR M., MEISNER J., ROCCATO P., MEREV A., WAKIMOTO T., ZHAO W., LI Y., DIAZ R., PARKS H. and DUBROVSKAYA T.), “Supplementary comparison EURAMET.EM-S42, comparison of lightning impulse (LI) reference measuring systems”, Metrologia, 2021 (on line 17Dec2020), 58, 1A Techn. Suppl., 01001, DOI: 10.1088/0026-1394/58/1A/01001.

ISTRATE D., AMARIPADATH D., TOUTAIN E., ROCHE R. and GAO F., “Traceable measurements of harmonic (2 to 150) kHz emissions in smart grids: uncertainty calculation”, Journal of Sensors and Sensor Systems, 2020, 9, 2, 375–381, DOI: 10.5194/jsss-9-375-2020.

ISTRATE D., KHAMLICHI A., SOCCALINGAME S., ROVIRA D., FORTUNÉ D., SIRA M., SIMON P. and GARNACHO F. “Laboratory Calibration of Energy Measurement Systems (EMS) under AC Distorted Waveforms”, Sensors, 2020, 20, 21, 6301, DOI: 10.3390/s20216301.

MÉZIÈRES N., FUCHS B., LE COQ L., LERAT J.-M., CONTRERES R. and LE FUR G., “Fast antenna characterization improvement by pattern rotations”, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2020, DOI: 10.1109/TAP.2020.3031479.

MÉZIÈRES N., FUCHS B., LE COQ L., LERAT J-M., CONTRERES R. and LE FUR G., “On the application of sparse spherical harmonic expansion for fast antenna far-field measurements”, IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters, 2020, 19, 5, 746-750, DOI: 10.1109/LAWP.2020.2978170.

MORAN-MEZA J., DELVALLÉE A., ALLAL D. and PIQUEMAL F., “A substitution method for nanoscale capacitance calibration using scanning microwave microscopy”, Measurement Science and Technology, 2020, 31, 7, (NanoScale 2019), 074009, DOI: 10.1088/1361-6501/ab82c1.

Communications

SCHOPFER F., Quantum electrical metrology and the revised International System of units – SI, Ecole doctorale de physique de Grenoble - M2 Matière Quantique, 28 janvier 2020.

ISTRATE D., AMARIPADATH D., TOUTAIN E., ROCHE R. and GAO F., “Traceable measurements of harmonic (2 – 150 kHz) emissions in smart grids”, Sensor and Measurement Science International (SMSI 2020), System of Units and Metrological Infrastructure, Nuremberg, Germany, 22-25 juin 2020, Online event, Proceedings: DOI: 10.5162/SMSI2020/E3.2.

AGAZAR M. and OUAMEUR M., “Compensated high input impedance stage for the measurements of four terminals resistors up to 20 kHz”, Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM), Joint NCSLI/CPEM 2020, 24-28 August 2020, Virtual meeting, Proceedings DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191846.

CALLEGARO L., SCHOPFER F., THÉVENOT O., MICHON A. et al., “The EMPIR Project GIQS: Graphene Impedance Quantum Standard”, Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM), Joint NCSLI/CPEM 2020, 24-28 August 2020, Virtual meeting, Proceedings DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191743.

CROTTI G., van den BROM H.E., MOHNS E., TINARELLI R., LUISO M., STYBLIKOVA R., AGAZAR M., CAYCI H., MAZZA P., MEYER J. and ALMUTAIRI M., “Measurement methods and procedures for assessing accuracy of instrument transformers for power quality measurements”, Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM), Joint NCSLI/CPEM 2020, 24-28 August 2020, Virtual meeting, Proceedings DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191698.

DJORDJEVIC S., POIRIER W., DRUNG D. and GÖTZ M., “Comparison of the Programmable Quantum Current Generator and an Ultrastable Low-noise Current Amplifier”, Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM), Joint NCSLI/CPEM 2020, 24-28 August 2020, Virtual meeting, Proceedings DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191863.

KAZEMIPOUR A., HOFFMANN J., WOLLENSACK M., ALLAL D., HUDLICKA M., RUEFENAC J., STALDER D. and ZEIER M., “VNA-based material characterization in THz domain without classic calibration and time-gating”, Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM), Joint NCSLI/CPEM 2020, 24-28 August 2020, Virtual meeting, Proceedings DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191818.

KHAN M.S., AGAZAR M. and LE BIHAN Y., “Development of a standard measuring system for high-voltage nanosecond pulse measurements”, Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM), Joint NCSLI/CPEM 2020, 24-28 August 2020, Virtual meeting, Proceedings DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191925.

PHAM BUI T.D., ALLAL D., ZIADÉ F. and BERGEAULT E., “Nonlinear uncertainty propagation of on-wafer mixed-mode S parameter measurements using Multimode-TRL calibration”, CPEM 2020 du 24 au 28 août 2020, Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM), Joint NCSLI/CPEM 2020, 24-28 August 2020, Virtual meeting, Proceedings DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191841.

THEVENOT O., IMANALIEV A., DOUGDAG K. and PIQUEMAL F., “Progress report on the LNE Thompson- Lampard Calculable Capacitor microwave microscope”, Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM), Joint NCSLI/CPEM 2020, 24-28 August 2020, Virtual meeting, Proceedings DOI: 10.1109/CPEM49742.2020.9191720.

SCHOPFER F., Quantum electrical metrology: revised SI and perspective from QT - The quantum Hall effect”, Ecole doctorale de physique de Grenoble - M2 Matière Quantique, 6 octobre 2020.

MEZIERES N., FUCHS B., LE COQ L., LERAT J.M., CONTRERES R. and LE FUR G., “Application and improvement of fast antenna characterisation via sparse spherical harmonic expansion”, 42nd Annual Meeting and Symposium of the Antenna Measurement Techniques Association (AMTA 2020), 2-5 novembre 2020, Online meeting: https://amta2020.vfairs.com/en/.

ELG A.P., GARNACHO F., AGAZAR M., MEISNER J., MEREV A., HOUTZAGER E., HAELLSTROEM J., LAHTI K., MIER ESCURRA C., PLATERO C.A., MICAND T., STEINER T. and VOSS A., “Research project EMPIR 19ENG02 Future Energy”, VDE Hochspannungstechnik 2020, 9-11 November 2020, Online Event, Proceedings: ETG-Fb. 162, e-book: ISBN 978-3-8007-5355-0.

MEISNER J., GOCKENBACH E., SAADEDDINE H., HAVUNEN J., SCHICHLER U., ELG A.P., GARNACHO F., ROCCATO P.E., MEREV A., LAHTI K., BACKHAUS K., ORREA A. and STEINER T., “Support for standardisation of high voltage testing with composite and combined wave shapes”, VDE Hochspannungstechnik 2020, 9-11 November 2020, Online Event, Proceedings: ETG-Fb. 162, e-book: ISBN 978-3-8007-5355-0.

GARNACHO F., ROVIRA J., KHAMLICHI A., SIMÓN P., GARCÍA T. and ISTRATE D., “Calibration set-up for energy measuring systems installed in AC railway systems”, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference (IEEE VPPC 2020), 18 Nov – 16 Dec. 2020, Gijon, Spain, Online Event.

Le LNE participe à ce projet européen (JRP MyRailS) dont le but est de développer des moyens métrologiques permettant de mesurer l'énergie électrique absorbée (ou restituée) par un train et de surveiller, en temps réel et in situ, la qualité de l’énergie d’alimentation des systèmes électriques ferroviaires.

Objectifs du JRP

Développement de méthodes et de bancs d’étalonnage en laboratoire et à bord du train ainsi que des algorithmes robustes de traitement de données pour la mesure de l’énergie ; tous les principaux systèmes européens d'alimentation (25 kV / 50 Hz, 15kV / 16,7 Hz, 3kV / DC, 1,5 kV / DC, 750 V / DC et 600 V / DC) sont pris en compte ;

Développement d’une architecture de surveillance en temps réel de la qualité de l’énergie du système ferroviaire sur l’ensemble du territoire européen ;

Mise en place d’outils de mesure et de simulation pour quantifier l'amélioration, en termes d'économie d'énergie, apportée par l'installation de nouvelles sous-stations réversibles (RSS) ;

Analyse, développement et mise en œuvre d’algorithmes d'éco-conduite.

Résumé et résultats

Afin d'établir un espace européen unique de chemin de fer, la Commission européenne a réglementé, en 2014, la mesure et la facturation de l'énergie électrique à travers deux spécifications techniques d'interopérabilité : celle relative au sous-système d’énergie et l'autre sur le matériel roulant. En 2019, les États membres doivent avoir mis en place un système de collecte de données pour une facturation sur la base du comptage d'énergie. Comme pour les réseaux de distribution et de transmission de l’énergie électrique en général, des systèmes de mesure caractérisés sont les outils essentiels pour la gestion « intelligente » de l'énergie consommée sur le réseau ferré.

Sachant que tous les trains roulant sur le réseau ferroviaire européen doivent payer l'énergie électrique sur la base de la consommation réelle, ce projet européen a été financé dans le cadre du programme EMPIR d’EURAMET pour développer les moyens et les méthodes de mesure traçable de l'énergie consommée. Sachant que les mesures seront réalisées dans des conditions difficiles tant du point de vue de la mise en œuvre (à bord des trains) que de la nature même des signaux électriques, par essence très perturbés.

Le projet européen a débuté en septembre 2017 pour se terminer début 2021. Le programme de travail avait été réparti entre les 16 partenaires et était coordonné par l’INRIM (Italie). Le projet a été structuré en 4 lots de travail technique et 2 lots de management du projet et de diffusion des connaissances :

  • WP1 -   Étalonnage de la fonction de mesure d’énergie (EMF) de systèmes travaillant en tensions AC et DC ;
  • WP2 -   Méthode de mesure harmonisée et synchronisée de la puissance et de l’énergie et d’évaluation de la qualité de l’énergie ;
  • WP3 -   Outils de mesure et de simulation visant à soutenir la distribution de sous-stations réversibles (RSS) ;
  • WP4 -   Procédures de mesure et scénarios modélisés pour quantifier le gain apporté par les stratégies de gestion de l'éco-conduite.

Pour obtenir plus d'informations sur le JRP MyRailS : site internet du JRP-MyRailS

Le laboratoire « Électricité basse fréquence » du LNE a été impliqué principalement dans le WP1 et le WP2 pour exécuter les actions suivantes :

  • Développement d’un système de référence pour l’étalonnage en laboratoire de la fonction de mesure d’énergie (EMF) de systèmes travaillant en tension alternative (AC) ;
  • Étalonnage d’un EMF à bord des trains ;
  • Constitution d’une base de données de formes d’ondes de test et de systèmes de mesures de puissance et d’énergie embarqués à bord des trains ;
  • Implémentation d’une architecture de zone étendue pour la surveillance de la propagation de la puissance et de l’énergie.

La première action a été menée en tant que responsable et acteur majeur tandis que les trois dernières actions ont été une collaboration indirecte, par la mise en œuvre du système développé lors de la première action.

Au cours de ce JRP, le LNE a donc conçu et réalisé un banc d’étalonnage des systèmes de mesure d’énergie (EMS) utilisés à bord de trains et alimentés en courant alternatif. Plus précisément, ce système de référence, déplaçable dans les motrices des trains, comprend :

  • une source fictive construite à partir d’un potentiel de 25 kV à 50 Hz et d’un courant sinusoïdal ou déformé pouvant atteindre 500 A en valeur efficace avec un contenu harmonique allant jusqu’à 5 kHz (1% de la composante fondamental) ;
  • un système de mesure de référence constitué des capteurs étalon de tension ou de courant et des numériseurs de précision ;
  • un logiciel de pilotage et de synchronisation des instruments d’acquisition, de traitement de données et de calcul des grandeurs électriques d’intérêt.

Le fonctionnement du banc d’étalonnage est conçu pour répondre à la norme NF EN 50463-2 qui fixe les exigences applicables à la fonction de mesure d’énergie d’un système EMS à utiliser à bord des trains.

En 2020, un système industriel de mesure d’énergie a pu être étalonné avec le banc réalisé.

Le LNE a contribué à la rédaction de la procédure d’étalonnage des systèmes de mesure de l'énergie utilisés dans les trains à courant alternatif, en collaboration avec le laboratoire espagnol LCOE qui a travaillé sur la génération des hautes tensions AC avec des harmoniques allant jusqu’à 5 kHz.

En 2021, l’étalonnage d’un système embarqué à bord d’une motrice (en collaboration avec le laboratoire LCOE) est testé. Les travaux réalisés au cours du JRP ont été présentés lors d’un séminaire de conclusion du projet fin janvier 2021. Le LNE a pu présenter ses résultats et des vues filmées du banc d’étalonnage réalisé au laboratoire.

Présentation du banc d'étalonnage réalisé au LNE :

Résultats du LNE présentés lors du séminaire de clôture du JRP (28 janvier 2021) : voir présentation ci-contre
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Impacts scientifiques et industriels

  • Industrie : Ce projet apportera de la fiabilité et de la précision dans la facturation de l’énergie consommée à bord des trains par le développement de références de mesure et de banc d’étalonnage spécifiquement adaptés aux mesures de l’énergie véhiculées par des signaux électriques très perturbés que sont les signaux d’alimentation des systèmes ferroviaires. De plus, le développement de bancs de test de CEM avec ces signaux spécifiques permettra d’augmenter la performance des systèmes embarqués. La possibilité de caractériser et de surveiller la qualité de l’énergie délivrée en temps réel permettra aux fabricants de sous-stations d’améliorer leurs systèmes d'alimentation ferroviaire en courant continu.
  • Métrologie et communauté scientifique : Les résultats du projet permettront de disposer de nouvelles méthodes et moyens d'étalonnage adaptés aux transducteurs électroniques compacts à courant alternatif et continu utilisés dans des conditions ferroviaires difficiles. En plus de la fiabilité des instruments de mesure apportée par les étalonnages, un guide des conditions de conduite en situation d’économie d’énergie (éco-conduite) énergie complète l’impact du projet pour les utilisateurs finaux des systèmes ferroviaires.
  • Réglementation/Normalisation : À l’issue de ce projet, le règlement (UE) n° 130/2014 de la Commission européenne concernant une spécification technique d'interopérabilité relative aux sous-systèmes "matériel roulant" - locomotives et matériel roulant voyageurs - du système ferroviaire pourra être mis en œuvre. Le consortium apportera ses connaissances techniques aux comités techniques de CEI/CENELEC spécialisés dans les mesures d'énergie à bord (TC9X, TC38 et TC85) ainsi qu’aux organisations de métrologie légale OIML (TC12) et WELMEC (WG11).
  • Économie/Société/environnement : Les travaux effectués dans le cadre de ce projet contribueront à la création d'un réseau ferroviaire moderne, compétitif et intégré. Cela est une priorité de l'UE, de développer un système de transport durable et un marché libre et compétitif. La maîtrise de l’énergie consommée et l’amélioration des systèmes électriques à bord des trains, à l’échelle paneuropéenne, permettra de réduire significativement la consommation d'énergie et, par conséquent, les émissions de dioxyde de carbone.

Publications et communications du LNE

Istrate D., “Laboratory calibration of EMF working under AC supply – LNE contribution since month 18”, 3rd annual JRP MyRailS meeting, December 2020, Madrid, Spain.

Istrate D., Soccalingame S., Fortune D., Rovira J., Garnacho F., Sira M., “Laboratory calibration of energy measurement systems (EMS) under AC distorted waveforms”, MDPI Sensors, Special Issue Advanced Transducers and  Systems for Voltage and Current Measurement, Nov. 2020, 20, 6301, DOI: 10.3390/s20216301.

Garnacho F., Rovira J., Khamlichi A., Simón P., García T., Istrate D., “Calibration set-up for energy measuring systems installed in AC railway systems”, I2MTC 2020, IEEE International Instrumentation & Measurement Technology Conference, 25-28 May 2020, Valamar Lacroma, Dubrovnik, Croatia.

Giordano D., Clarkson P., Garnacho F., van den Brom H.E., Donadio L., Fernandez-Cardador A., Filippini N., Gallo D., Istrate D., De Santiago Laporte A., Mariscotti A., Mester C., Navarro N., Porzio M., Roscoe A., Šíra M., “Accurate Measurements of Energy, Efficiency and Power Quality in the Electric Railway system”, CPEM 2018, 8-13 July 2018, Paris, France. DOI: 10.1109/CPEM.2018.8500811.

Partenaires du JRP MyRailS

Le projet européen (JRP) est coordonné par l’INRIM (Italie) et réunit 16 partenaires :

  • INRIM (Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica), Italie
  • CMI (Cesky Metrologicky Institut), République tchèque
  • FII (Fundación para el Fomento de la Innovación Industrial), Espagne
  • LNE, France
  • NPL, Royaume-Uni
  • VSL, Pays-Bas
  • Universidad Pontificia Comillas, Espagne
  • HRI (Hitachi Rail), Italie
  • Metro de Madrid, Espagne
  • RFI (Rete Ferroviaria Italiana), Italie
  • Railenium, France
  • University of Strathclyde, Royaume-Uni
  • Università degli studi della Campania Luigi Vanvitelli, Italie
  • Trenitalia, Italie
  • ASTM (Analysis, Simulation, Test and Measurement), Suisse
  • METAS, Suisse