Captage du courant - Définition
Le captage du courant pour l'alimentation des locomotives électriques utilisées dans les chemins de fer se fait aujourd'hui principalement de deux façons :
- par fil de contact aérien, simple ou supporté par une caténaire ;
- par rail conducteur (troisième rail).
Les tensions les plus utilisées sont :
- rail conducteur : 600 V à 750 V continu
- aérien : 750 V continu
- aérien : 1 500 V continu
- aérien : 3 000 V continu
- aérien : 15 000 V alternatif en 16 Hz 2/3
- aérien : 25 000 V alternatif 50 Hz (fréquence industrielle)
Dans tous les cas le retour du courant de traction se fait par la voie et le sol. Des dispositifs d'alimentation triphasés avec 3 fils de contact ont également existé au début du XXe siècle.
Remarques sur les faibles tensions 600/750 V
Si aujourd'hui il paraît naturel d'avoir des wagons éclairés, mêmes quand ils restent longtemps à l'arrêt, cela n'a pas été toujours le cas. En effet les voitures de voyageurs étaient munies d'une dynamo qui rechargeait les batteries en roulant. Cette solution n'était pas applicable pour les métros et les rames automotrices de banlieue. Dans ce cas l'éclairage des voitures se faisait en direct avec le courant d'alimentation. Dans les anciennes rames de la RATP, l'éclairage consistait en la mise en série de cinq ampoules de 150 V pour obtenir le 750 V de traction. Le nombre de lampes dans un wagon était donc obligatoirement un multiple de cinq. En cas de panne du courant de traction, un fil aérien de secours permettait de rétablir l'éclairage.
Fil de contact aérien
- Ligne de contact simple, ou suspendue de façon plus élaborée: Caténaire.
Ce dispositif est le plus répandu. Il autorise des tensions de caténaire élevées (jusqu'à 25 000 V — et même 50 000 V aux USA pour une ligne dédiée au transport du charbon) ce qui permet de transmettre une puissance importante en limitant la section du fil conducteur et en augmentant l'espacement entre sous-stations d'alimentation.
La pose d'un fil d'alimentation (feeder) parallèle à la caténaire et présentant une tension de - 25 000 V par rapport au sol, permet de doubler la puissance transmise sur une distance donnée, en portant la tension de transport du courant à 50 000 V tout en restant compatible avec le matériel 25 kV. (technique dite du " 2 x 25 000 ").
Le captage du courant s'effectue par un pantographe muni d'un archet. La distance entre le fil de contact et le plan de roulement doit être aussi constante que possible, particulièrement à grande vitesse. La construction de la caténaire, faite d'un fil de contact soutenu par un fil porteur via des pendules de longueurs variables, permet d'obtenir une horizontalité presque parfaite du fil de contact. Les trains à grande vitesse, d'autre part, sont équipés de pantographes à double suspension.
Néanmoins, le frottement de l'archet sur le fil de contact génère une onde qui se propage de part et d'autre du point de contact. Pour une tension normale du fil de contact, cette onde se propage à moins de 500 km/h. Si le TGV atteint cette vitesse, le pantographe rattrape l'onde (c'est le phénomène de Mach). Il peut entraîner l'arrachement des caténaires et la destruction du pantographe. C'est l'une des causes à la limitation de vitesse des trains de type TGV. Pour éviter ce phénomène, il faut augmenter la tension du fil, ce qui augmente la vitesse de propagation de l'onde. Mais il est évident que cela pose le problème de la résistance mécanique de la caténaire. Un compromis doit être trouvé entre la bonne tenue mécanique de la caténaire et sa bonne conductivité électrique (pour limiter les pertes par effet Joule).
Pour les lignes dont le trafic est modéré et les vitesses peu élevées, on ne monte pas de suspension caténaire, et un " fil simple régularisé " est suffisant.
Les lignes de contact aériennes sont utilisés aussi pour des véhicules routiers: les trolleybus, moins connus en France que dans d'autres pays. Du fait de l'absence de rail, la ligne aérienne doit être doublée. Le captage s'effectue alors avec une paire de perches, qui permettent par ailleurs au véhicule une liberté latérale de circulation de plusieurs mètres, afin de s'insérer dans le trafic urbain sans difficulté. Notons également l'usage de ligne de contact pour un autre véhicule routier: le tramway sur pneus, muni selon les modèles d'un pantographe (mode guidé exclusif), ou de perches de trolley (mode guidé ou non selon les sections de ligne).
Rail conducteur
Le troisième rail est le plus souvent alimenté en courant continu avec une tension ne dépassant pas 750 V, ce qui entraîne une double limitation :
- en puissance (les intensités sont importantes)
- en vitesse (à cause de la rupture des contacts électriques aux aiguillages, aux croisements et aux passages à niveau)
Ce système est pourtant encore très utilisé en particulier :
- dans la banlieue de Londres et le sud de l'Angleterre ;
- pour la plus part des lignes de métro dans le monde ;
- pour certaines lignes à voie étroite (En France le train jaune, la ligne Saint-Gervais-Vallorcine).
Historiquement parlant ce système a été très utilisé pour les rames automotrices de la banlieue par exemple en France sur le réseau de la banlieue ouest de Paris (gare Saint-Lazare et gare des Invalides). Il y a été depuis remplacé par une alimentation moderne par caténaire 25 000 V alternatif (St-Lazare), 1500 V Continu (Invalides) ou 750 V continu (tram T2 RATP : La Défense-Issy).
Le captage du courant se fait par des frotteurs, ou patins, qui viennent appuyer en dessous, au dessus ou sur le côté du rail conducteur.
Sur la photo, on aperçoit le rail conducteur à droite des deux rails de roulement. Il est surélevé par des blocs de ciment, qui assurent l'isolation électrique. Le rail conducteur est interrompu au niveau du passage à niveau, et ses extrémités sont munies de planches de protection. En pratique, plusieurs frotteurs sont répartis le long des trains, de façon à ce qu'il n'y ait pas d'interruption de l'alimentation électrique.
On remarquera que le troisième rail est légèrement courbé vers le bas à son extrémité, de façon à faciliter l'application du frotteur.
Cas particulier d'Eurostar
Les trains Eurostar qui doivent être compatibles avec l'alimentation par caténaire, et par troisième rail jusqu'à la mise en service en 2007 du dernier tronçon " à grande vitesse " , sont équipés de pantographes et de patins pour troisième rail, ainsi que des transformateurs pour chaque type de courant.L'équipement troisième rail sera logiquement déposé en 2007 et les rames ne seront que soit bi-courant soit tri-courant.