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Caténaire

Une ligne aérienne de traction électrique est appelée:

  • ligne de contact lorsqu'elle ne comporte qu'un ou deux fils de contact (F.C.) ;
  • caténaire du latin caténa (chaîne) lorsqu'elle est constituée d'un ou de deux fils de contact suspendu(s) par des pendules à un ou deux porteur(s), la tension (La tension est une force d'extension.) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement, une...) du (ou des) conducteur(s) pouvant être maintenue constante (régularisation) ou non.

L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui...) est constitué de conducteur en cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches une teinte rosée à...), destiné à l'alimentation des trains électriques.

Du fait de son poids (Le poids est la force de pesanteur, d'origine gravitationnelle et inertielle, exercée par la Terre sur un corps massique en raison uniquement du voisinage...), un fil tendu entre deux points ne peut pas suivre une ligne droite. Il suit une courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes...) qu'on appelle une chaînette (En mathématiques, la chaînette est une courbe plane transcendante, qui correspond à la forme que prend un câble (ou une chaîne) lorsqu'il est suspendu par ses extrémités et soumis à une force gravitationnelle uniforme...) (en forme de cosinus (En mathématiques, les fonctions trigonométriques sont des fonctions d'angle importantes pour étudier les triangles et modéliser des phénomènes périodiques. Elles peuvent...) hyperbolique).

Le captage du courant aux vitesses élevées (dès 60 km/h) nécessite un fil de contact parfaitement horizontal (Horizontal est une orientation parallèle à l'horizon, et perpendiculaire à la verticale. Une ligne horizontale va « de la gauche vers la...). Aux vitesses classiques, des irrégularités se traduiraient par des chocs répétés entraînant rapidement une rupture du fil de contact. À grande vitesse (On distingue :), la continuité (En mathématiques, la continuité est une propriété topologique d'une fonction. En première approche, une fonction est continue si, à des variations infinitésimales de la variable x, correspondent...) du contact pantographe-caténaire ne serait plus assurée.

Caténaire normale 1500 V, avec feeder de ligne
Caténaire (Une ligne aérienne de traction électrique est appelée:) normale 1500 V, avec feeder de ligne

La solution consiste à suspendre le fil de contact, rainuré longitudinalement à cet effet, à un câble porteur par l'intermédiaire de pendules de longueurs variables, suivant le même principe que les ponts suspendus. L'ensemble est tendu par un contrepoids qui exerce une traction équilibrée sur les deux fils.

Le positionnement (On peut définir le positionnement comme un choix stratégique qui cherche à donner à une offre (produit, marque ou enseigne) une position crédible, différente et attractive au sein d’un marché et dans...) latéral du fil de contact est généralement assuré par des bras de rappel, fixés aux poteaux de support de la caténaire.

L'ensemble est sous tension et soutenu par des consoles isolées des poteaux support par des isolateurs en verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de...) [2 pour les lignées alimentées en 1 500 V, 3 pour le 25 kV ( 4 en zone polluées)].

La structure de la caténaire dépend profondément de la tension d'alimentation. Il existe en France deux principaux types d'alimentation électrique (Le terme d'alimentation électrique désigne un ensemble de systèmes capables de fournir de l'électricité aux appareils fonctionnant avec cette énergie.) par caténaire :

  • 1 500 V à courant continu : déployée lors du début de l'électrification du réseau ferroviaire (Un réseau ferroviaire est un ensemble de lignes de chemin de fer, de gares et d'installations techniques diverses (atelier, dépôts, triages, embranchements...), les courants importants qui circulent dans la caténaire nécessitent des conducteurs plus nombreux et de section plus importante, c'est une caténaire plus compliquée à mettre en œuvre et nécessitant des points d'alimentation (sous-stations électriques) distants de 10 à 15 km. Ce type de caténaire est essentiellement utilisée sur les réseaux Sud-est (Le sud-est est la direction à mi-chemin entre les points cardinaux sud et est. Le sud-est est opposé au nord-ouest.) et Sud-ouest (Le sud-ouest est la direction à mi-chemin entre les points cardinaux sud et ouest. Le sud-ouest est opposé au nord-est.) (à Paris : départ des lignes Gare de Lyon (La gare de Lyon est l'une des six gares terminus du réseau de la SNCF à Paris. Elle est située dans le 12e arrondissement.), Gare (Une gare est d'ordinaire un lieu d'arrêt des trains. Une gare comprend diverses installations qui ont une double fonction :) d'Austerlitz, Gare Montparnasse (La Gare Montparnasse est une des six grandes gares terminus de la SNCF à Paris, située dans la partie sud de la capitale entre les XIVe et XVe arrondissements. Tête de...), RER C).
  • 25 kV alternatif monophasé 50 Hz : cette alimentation sous une tension plus élevée est celle qui est dorénavant utilisée sur le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit...) ferré français. Elle est plus simple à mettre en œuvre, ne nécessite des sous-stations électriques espacées que de 50 à 70 km, voire plus avec le 2 x 25000 V et celles-ci sont plus simples (pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins...) de redresser le courant ni de le lisser). Il s'ensuit un coût kilométrique largement inférieur à celui de la caténaire 1 500 V. En revanche, au droit ou à proximité de certaines sous-stations une section de séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs...) de sources d'alimentation est réalisée. Cette section de séparation a pour but d'eviter le pontage de deux caténaires successives dont les alimentations présentent entre-elles des différences de phases, par un ou plusieurs pantographes d'une circulation (La circulation routière (anglicisme: trafic routier) est le déplacement de véhicules automobiles sur une route.) électrique. Les réseaux 25 kV au départ de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au...) se trouvent Gare du Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.), Gare de l'Est et Gare Saint-Lazare (La gare Saint-Lazare, ancienne tête de ligne du réseau « Ouest-État », est l'une des six grandes gares terminus du réseau de la SNCF à Paris. Elle est située dans le 8e arrondissement, à proximité des grands magasins...). Toutes les lignes nouvelles sont alimentées en 25 kV.
Ligne de contact 25 kV de type
Ligne de contact 25 kV de type "trolley"

Certaines lignes sont équipées de caténaire simplifiée (Ex:Ligne Bourg (Un bourg est un grand village où se tient ordinairement un marché. On parle généralement de bourg pour désigner une cité de taille intermédiaire entre le village et la...) Saint Maurice - Albertville), la vitesse sur les portions de ligne équipée de telle caténaire est inférieure à 100 km/h.

  • La caténaire " midi " est un cas à part. C'est une alimentation en 1 500 V continu, mais sa structure est très différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application...) de la caténaire 1 500 V classique. Les bras de rappel n'existent pas: seule la tension du fil de contact ainsi qu'un positionnement judicieux des points de fixation du fil porteur, permettent au fil de contact de suivre l'axe de la voie. C'est dans les courbes que cette caténaire prend son aspect le plus insolite car son axe est alors proche de l'horizontale tandis que les autres caténaires restent verticales.
  • La caténaire 15 Kv 16Hz 2/3 que l'on retrouve dans certains pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la civitas gallo-romaine. Comme la civitas qui...) d'europes comme la Suisse, L'Allemagne, L'Autriche, certains lignes de la République tchèque...
Caténaire 15 Kv 16Hz 2/3
Caténaire 15 Kv 16Hz 2/3
  • La caténaire 3000 V Continu que l'on retrouve en Belgique, en Italie ou dans certains pays de l'Est comme la Pologne.
  • La caténaire 1 500 V Continu que l'on retrouve aussi aux Pays-Bas

Vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de dessus, le fil de contact d'une caténaire ne forme pas une ligne droite, mais un zig-zag. Cette disposition est destinée à éviter l'usure ponctuelle de l'archet du pantographe (Le pantographe est le dispositif articulé qui permet à une locomotive électrique de capter le courant par frottement sur la caténaire.).

La hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) d'une ligne aérienne de traction électrique doit répondre aux conditions suivantes :

  • être inférieure ou égale à 6,50 m à -20°C pour respecter le débattement maximal des pantographes,
  • être supérieure à 6 m à 50°C à la traversée des voies ouvertes à la circulation publique,
  • sous les ouvrages d'art, être égale ou supérieure à 4,55 m à +50°C en 1 500 V ou 4,64 m à 50 °C en 25 kV,
  • en voie courante, au droit des supports, les valeurs sont, sauf cas particulier, de 5,08 m sur LGV (ligne à grande vitesse) et 5,50 m sur les autres voies.
  • si pour des raisons techniques, la ligne de traction électrique doit se trouver à une hauteur inférieure ou égale à 5m, un dispositif spécial d'attention est apposé au droit du support.

Pour des raisons d'exploitation et de maintenance, la caténaire est découpée en cantons électriques isolés par des dispositifs de coupure particuliers franchissables par les pantographes.

Dans les gares de triage (Un triage ou une gare de triage (en Belgique: gare de formation) est une gare ferroviaire spécialisée où les wagons de marchandises isolés de leur rame initiale sont triés pour être incorporés dans de nouveaux trains de...) et les dépôts où la vitesse est toujours réduite, l'alimentation électrique des trains se fait par une ligne de contact constituée d'un ou de deux fil de contact.

À noter

Alimentation par 3ème rail
Alimentation par 3ème rail (Un rail (ou lisse en québécois) est une barre d’acier profilée. Deux files parallèles de rails mis bout à bout forment une voie...)
  • Certaines lignes sont électrifiées par troisième rail : Grande-Bretagne (La Grande-Bretagne (en anglais Great Britain) est une île bordant la côte nord-ouest de l'Europe continentale. Elle représente la...), Ligne Saint-Gervais-Vallorcine (La ligne Saint-Gervais - Vallorcine est une ligne de chemin de fer à voie unique, à écartement métrique, de 36,5 km reliant la gare de Saint-Gervais - Le Fayet à Vallorcine et à la frontière suisse (le Châtelard) via Chamonix....),Ligne La Tour de Carol-Villefranche de Conflent ;
  • D'autres lignes sont électrifiées par plots : tramway (Le tramway (ou tram) est une forme de transport en commun urbain ou interurbain circulant sur des voies ferrées équipées de rails plats (alors que ceux des trains sont légèrement inclinés vers l'intérieur de la voie) et...) de Bordeaux ;
  • Caténaire est un nom féminin;
  • La présence de contrepoids, destinés à maintenir une tension mécanique constante dans la caténaire (généralement, pour une plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs »....) de régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) s'étendant de -10°C à +50°C), n'est pas sytématique. En effet, en 1500V continu notamment, les tirs des caténaires simples (CS), légères (CL) ou de type "fil tram" (un seul ou deux fils de contact, sans porteur) sont directement ancrés aux supports, sans contrepoids ;
Caténaire rigide sur le RER C
Caténaire rigide sur le RER C (Longue de plus de 160 kilomètres, la ligne C du RER est la plus longue de l'agglomération parisienne. La ligne C du RER est gérée par la région SNCF Paris...)
  • Un type de caténaire particulier commence à se répandre en France: il s'agit du PAC (Profil Aérien de Contact), constitué par un profilé (Un matériau profilé est un matériau auquel on a donné un profil, une forme déterminée.) en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) de 11cm de haut, à la base duquel on introduit un fil de contact. Le fil de contact est maintenu par un pincement exercé par le profilé. Ce système, principalement destiné aux tunnels, peut être observé sur la ligne C du RER entre les stations d'Austerlitz et d'Orsay, où il est en service depuis 1997. Du fait de son fonctionnement, le fil de contact ne nécessite pas d'être mis sous tension mécanique, ce qui en facilite les opérations de maintenance.
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