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Note : cette page est à usage exclusivement didactique. Elle ne peut peut se subsituer aux formations officielles des gestionnaires d’infrastructure.

L’alimentation des moteurs électriques d’un engin de traction est actuellement possible :

• par groupe diesel couplé à un alternateur (traction autonome) ;
• par pile à combustible (traction autonome par hydrogène) ;
• par batteries (traction autonome) ;
• par 3^ème rail latéral (traction par captage de courant) ;
• par fil aérien (traction par captage de courant) ;

C’est ce dernier point qui occupera les pages qui suivent.

Pourquoi électrifier ?

Il y a bien-sûr l’aspect environnemental évident : en dehors d’autres formules de traction actuellement testées à grande échelle (trains à batteries et trains à hydrogène), la formule thermique à moteur diesel domine, tant en Europe que dans le monde. Or le diesel pose des problèmes environnementaux en dépit des améliorations récentes dans ce type de carburant.

Il y a ensuite un aspect socio-économique historique : dans la première moitié du XXème siècle, les veines de charbon les plus atteignables depuis la surface du sol s’épuisèrent et il fallait creuser de plus en plus profondément, ce qui rendait le charbon bien plus cher.

Enfin, les premiers tests avec trains électriques depuis les années 1920-1930 démontrèrent très rapidement la supériorité de la traction électrique par rapport à celle du charbon, tant en terme de puissance que de maintenance et d’exploitation. En Europe, les décennies 1960-1970 furent celles de la disparition définitive de toute forme de traction à vapeur, même s’il y eut çà et là quelques résistances dans certains rares pays…

La plupart des études démontre que l’électrification complète nécessite l’investissement initial le plus élevé dans le réseau. Cependant, le coût de fonctionnement des trains électriques est le plus bas, à la fois en termes d’entretien et d’énergie. En outre, un train purement électrique présente également les coûts environnementaux les plus bas. En conséquence, en théorie, l’électrification complète présentera les coûts sociaux les plus bas si la ligne est utilisée de manière suffisamment intensive. Selon une ancienne étude néerlandaise, une électrification devient rentable à partir de la mise en circulation d’un train par heure.

Quelle tension ?

Le courant continu et le courant monophasé ont démarré globalement leur propre aventure au même moment, dans les années 1900-1920. Deux écoles qui cohabiteront en parallèle durant près de 80 années en produisant des milliers de machines donnant pour la plupart entière satisfaction pour l’exploitation de l’époque.  Philosophie commune aux deux technologies : la conception du moteur à collecteur et balais, qui a demandé pour le monophasé de baisser la fréquence à 16⅔ Hz, d’une part.

Mais d’autre part, il y avait le lien systémique entre le courant caténaire et les engins moteurs : l’ensemble complet était soit continu, soit alternatif.

Le souci de ces choix est qu’une fois qu’ils furent pris, il n’était plus possible d’en changer, car les engins de traction étaient construits en fonction de ces choix. Mais rien n’empêchait d’avoir deux tensions dans un même pays (mais pas sur une même ligne, bien entendu). Ainsi la France, qui a majoritairement électrifié les deux tiers sud de son territoire en 1500V continu, fit le choix dans les années 1950-60, pour le tiers restant nord, de la tension alternative 25kV. Une situation identique est apparue dans ce qui fut jadis la Tchécoslovaquie (3kV – 25kV).

Actuellement, c’est le 25 kV qui offre le plus d’avantages tant technique que financier si le trafic le justifie.

Fonctionnement général d’une ligne électrifiée

Les installations fixes de la traction électrique englobent cinq domaines distincts mais interdépendants :

• une alimentation extérieure qui ne dépend pas – sauf dans certains pays -, du chemin de fer lui-même ;
• des sous-stations de traction, postes de sectionnement, pour l’alimentation ;
• une architecture comportant des poteaux, consoles, câbles, fil de contact et tendeurs mécaniques ;
• un engin de traction qui capte le courant pour produire une énergie mécanique pour déplacer le train ;
• un circuit de retour.

Malgré ses avantages considérables, l’énergie électrique présente un inconvénient majeur : une difficulté de transport. L’alimentation de la caténaire doit être régulièrement répartie tout au long de la ligne à l’aide de sous-stations alimentées par le réseau public national ou, comme en Allemagne, par un réseau de fourniture dédié, avec ses propres centrales.

Les fils de contact au-dessus des voies ont pour fonction de transmettre l’énergie électrique des sous-stations aux véhicules moteurs. La caténaire est reliée à un seul et même pôle des sous-stations de transformation. L’autre pôle est relié à la voie et par suite mise à la terre d’une manière efficace.

Électriquement les rails, reliés entre eux par une jonction conductrice (ou soudés) forment, avec le fil de contact, le circuit fermé nécessaire à la transmission de l’énergie. Lors de cet acheminement d’électricité les pertes doivent bien entendu être les plus faibles possibles ceci impose certaines conditions à la caténaire tant sur le plan mécanique que sur le plan électrique.

La petite histoire de la caténaire en Europe

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