Infrastructure • Électrification • Caténaire

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.

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 trois domaines distincts mais interdépendants :

• des sous-stations de traction, postes de sectionnement, … ;
• une architecture comportant des poteaux, consoles, câbles et tendeurs mécaniques ;
• 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.

Fonctionnement au niveau électrique
La tension présente au pantographe du train n’est pas la même que celle injectée à la caténaire ou au droit de la station de traction. Il existe en réalité des pertes diverses, que l’on peut lister de la manière suivante :

• perte dans la sous-station de traction ;
• perte dans la caténaire ;
• perte dans le circuit de retour.

Les pertes dans la caténaire sont les plus importantes. Pour maintenir la puissance au niveau le plus bas, il importe :

• de réduire au maximum la résistance du circuit avec une bonne conductibilité de la caténaire et du circuit de retour ;
• de réduire au maximum le courant capté : à puissance égale le courant capté en longueur de traction sera d’autant plus faible que la tension est importante d’où la tendance à utiliser des tensions de plus en plus grande, comme le 25 kV.

Fonctionnement au niveau mécanique
Quelle que soit la tension, un bon contact doit toujours être assuré entre le pantographe et la caténaire. Le soulèvement soudain du fil de contact peut occasionner un décollement du pantographe et déclencher une mise en sécurité, c’est-à-dire l’arrêt du train. À l’inverse l’abaissement localisé du fil de contact peut constituer un « point dur » qui peut donner lieu à une usure importante tant sur les archets du pantographe que sur le fil de contact lui-même.

D’un point de vue mécanique, il importe que les fils de contact soient suspendus dans la manière la plus plane possible et soient tendus sous une tension mécanique suffisante pour présenter de bonnes propriétés dynamiques et ainsi garantir un bon contact avec le pantographe, même aux vitesses les plus élevées.

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Architecture de la caténaire

Le choix du courant, continu ou alternatif, a une incidence sur la conception complète de la caténaire, même si à première vue cela n’est pas explicite.

L’ensemble complet d’une caténaire comporte les éléments suivants :

• des sous-stations de traction ;
• des postes de sectionnement ;
• des poteaux de supports latéraux ;
• un ensemble de consoles et de bras qui supporte… ;
• …un ensemble de câbles supportant le fil de contact ;
• des tendeurs mécaniques.

Les poteaux de supports latéraux
Munis d’un bonne fondation, ces poteaux présentent différentes architecture selon les pays et les réseaux. Tous les choix sont possibles et relèvent de motivations diverses. Nous trouverons généralement en Europe :

• les poteaux en treillis métallique ;
• les poteaux en poutrelles « H » ;
• les poteaux en béton armé.

La photo ci-dessous représente les trois types le plus souvent rencontrés. De gauche à droite : Espagne, Belgique, Autriche.

De nombreux réseaux ont adopté les poteaux indépendants de part et d’autre de la voie, quelle que soit leur architecture. A gauche la conception autrichienne, à droite celle de l’Allemagne :

Quelques pays ont opté pour portiques complets, comme ici aux Pays-Bas (à gauche) et en Belgique (à droite) :

Le concept de portique devient indispensable lorsqu’il y a une zone comportant plusieurs appareils de voie et qu’un dégagement total est obligatoire, comme le montrent ces deux clichés :

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Un ensemble de console et de bras
Il s’agit des bras et supports de l’ensemble des câbles. Cet ensemble doit se trouver en dehors du gabarit des trains et du pantographe de captage de l’énergie :

• la console supporte l’ensemble des câbles (porteur, pendules et fil de contact) ;
• le bras de rappel maintient le fil de contact dans son axe, tant horizontal que vertical, au moyen d’une pince.

Cet ensemble est isolé des poteaux par… des isolateurs. Consoles et bras sont arrimés soit directement sur un poteau soit, parfois sur une poutre transversale couvrant les deux voies, comme c’est le cas sur la photo ci-dessous. Les isolateurs sont bien visibles :

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Un ensemble de câbles supportant le fil de contact
Les caténaires les plus simples sont de type « tramway » : le fil de contact est directement accroché à des poteaux ou par des câbles support simples aux façades des immeubles. Le problème de la caténaire tramway tient à la flèche qu’il présente, obligeant de le supporter tous les 25 à 30m, sans compter la traction que supporte directement le fil de contact.

En outre, la température constitue un paramètre prépondérant. Soumis à des températures plus élevées, les fils de contact sont soumis à la dilatation, et la flèche augmentera encore davantage.

Dans un environnement ferroviaire, ces paramètres sont pénalisants. Outre qu’il faudrait trop de poteaux, il ne peut pas y avoir de flèche vu les vitesses pratiquées. On a alors rapidement opté, dans le cas des caténaires simples, pour un câble porteur qui supporte lui-même la flèche, permettant de rallonger la distance entre poteaux à 50-60m :

Ce câbles porteur est munis de pendules qui supportent le ou les fils de contact à une hauteur constante au-dessus des rails, sans flèche. Cette hauteur est garantie par un système de tendeurs mécaniques qui sera évoqué plus en détail au point suivant.

Cependant, le déplacement longitudinal des fils de contact lors de leur contraction ou de leur dilation provoque une inclinaison des pendules dans l’un ou l’autre sens, par rapport à leur position verticale à température normale. Il en résulte que le plan de contact présente des ondulations dont l’amplitude peut atteindre 10 à 12cm.

Or cela est inacceptable en pleine voie au-delà des 80-90km/h. On a donc créer la caténaire dite « compound » à double porteur : on a toujours un porteur principal mais un porteur auxiliaire est suspendu au porteur principal. Les deux porteurs ne sont pas régularisés de sorte qu’ils sont toujours suspendus de manière fixe l’un par rapport à l’autre. Dès lors, les pendules restent toujours verticaux, et le porteur auxiliaire ne présentera pas d’ondulation en cas de températures extrêmes.

Cette caténaire est principalement installée en Belgique et en France.

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Le fil de contact lui-même est constituée d’une section circulaire de cuivre comportant 2 rainures longitudinales pour sa fixation. Une « pince » permet d’agripper ce fil et de le maintenir par un système de consoles à hauteur réglementaire par rapport aux rails. Ces consoles sont fixées sur des poteaux métalliques disposés de part et d’autre de la voie tous les 50 à 60m environ (variable selon les pays).

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