Troisième rail
Rame électrique britannique  de la Classe 442 alimentée par troisième rail dans le Dorset.
Rame électrique britannique de la Classe 442 alimentée par troisième rail dans le Dorset.

Le troisième rail est une technique d'alimentation en énergie électrique d'un système de transport ferroviaire, utilisé en particulier dans les réseaux de métro (Un métro, apocope du terme métropolitain lui-même abréviation de chemin de fer métropolitain, est un chemin de fer urbain souterrain le plus souvent, sur viaduc quelquefois, au sol rarement.) ou de trains de banlieue (La banlieue désigne communément l'espace urbanisé d'une ville qui est situé dans la continuité du bâti de sa ville-centre et qui en...).

Parmi les nombreux réseaux utilisant un système d'alimentation par troisième rail (Le troisième rail est une technique d'alimentation en énergie électrique d'un système de transport ferroviaire, utilisé en particulier dans les réseaux de métro ou de trains de banlieue.), on peut citer aux États-Unis les métros de New York (New York , en anglais New York City (officiellement, City of New York) pour la distinguer de l’État de New York, est la principale ville des États-Unis, elle compte a elle seule 8 143 200 habitants. Son...), Los Angeles (Los Angeles est une ville des États-Unis située au sud de la Californie, sur la côte pacifique. Les Américains l'appellent souvent par son diminutif L.A. prononcé « él ey ». Cette ville est le...) et de Washington, le BART de San Francisco et le MBTA de Boston. Au Royaume-Uni, le troisième rail (Un rail (ou lisse en québécois) est une barre d’acier profilée. Deux files parallèles de rails mis bout à bout forment...) est utilisé par le métro de Londres (Le métro de Londres, couramment nommé l’Underground ou le Tube (en référence à la forme cylindrique des tunnels de ses lignes profondes), est le métro qui dessert le Grand Londres et ses alentours de façon souterraine ou de...) (qui nécessite même un quatrième rail), 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 rets »,...) de la banlieue sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.) de Londres (Londres (en anglais : London - /?l?nd?n/) est la capitale ainsi que la plus grande ville d'Angleterre et du Royaume-Uni. Fondée il y a plus de 2 000 ans par les Romains,...) ainsi que certains services à plus longue distance. En Allemagne les réseaux de métro du type U-Bahn et les réseaux de banlieue S-Bahn (Le S-Bahn ou Schnellbahn est le nom d'un réseau ferré de type Réseau express régional en Allemagne, Autriche ou Suisse, c'est-à-dire un transport en...) de Hambourg et Berlin emploient aussi le troisième rail. Il en est de même des métros d'Amsterdam aux Pays-Bas, de Varsovie en Pologne, de Moscou () et Saint-Pétersbourg en Russie. En France, ce système est encore en usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) dans le métro de Paris (Le métro de Paris est un des systèmes de transport en commun desservant la ville de Paris et son agglomération. Il comporte 16 lignes en site propre, essentiellement souterraines, totalisant...) ainsi que sur quelques ligne secondaires comme 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...).

Ce troisième rail 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.) n'a rien à voir avec le troisième rail employé dans les voies à double écartement.

Histoire

Sur le Chemin de fer Martigny-Châtelard, à droite le 3e rail d'alimentation électrique, et au centre des rails de roulement, la crémaillère de ce chemin de fer de montagne
Sur le Chemin de fer Martigny-Châtelard (La ligne Martigny-Châtelard est une ligne de chemin de fer à voie unique à écartement métrique de 18,363 km reliant la gare de Martigny à la frontière française au lieu-dit le Châtelard (ou, plus précisément l'Île)...), à droite le 3e rail d'alimentation électrique, et au centre des rails de roulement ( En mécanique, le roulement, et plus précisément le roulement sans glissement, est le mouvement d'un corps qui reste en contact avec une surface d'appui sans glisser, qui s'entend...), la crémaillère de ce chemin de fer (Le chemin de fer est un système de transport guidé servant au transport de personnes et de marchandises. Il se compose d'une infrastructure spécialisée, de matériel roulant et de procédures d'exploitation...) de montagne (Une montagne est une structure topographique significative en relief positif, située à la surface d'astres de type tellurique (planète...)

Si l'on excepte les systèmes de batteries à bord des trains, l'alimentation par troisième rail est le plus ancien système d'alimentation électrique utilisé dans les chemins de fer. Un train (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de plusieurs voitures (pour transporter des personnes) et/ou de plusieurs wagons (pour transporter des marchandises), et peut être...) électrique expérimental utilisant cette technique d'alimentation a été mis au point (Graphie) par la firme allemande Siemens & Halske et exposé à la foire de Berlin en 1879. L'emploi du troisième rail dans les transports publics a commencé dans les années 1880 pour les tramways et les chemins de fer traditionnels. Le premier réseau de métro souterrain à utiliser le troisième rail fut le City & South London Railway, mis en service en 1890.

En 1901, Granville Woods, un éminent inventeur afro-américain, obtint un brevet couvrant diverses améliorations du troisième rail. Bien qu'il soit parfois considéré comme l'inventeur du troisième rail, de nombreux autres brevets sur ce sujet ont été déposés depuis cette époque, notamment par Thomas Edison en 1882.

Aspects techniques

Frotteur fixé au bogie par l'intermédiaire d'une poutre en bois, sur une rame Classe 313 du réseau Silverlink (nord-ouest de Londres).
Frotteur fixé au bogie (Un bogie (ou boggie) est un chariot situé sous un véhicule ferroviaire, sur lequel sont fixés les essieux (et donc les roues). Il est mobile par rapport au chassis du véhicule ( locomotive, wagon ou voiture ) et...) par l'intermédiaire d'une poutre en bois, sur une rame Classe 313 du réseau Silverlink (Silverlink est une concession ferroviaire régionale dans le système ferroviaire britannique, comprenant des lignes au nord de Londres et de Londres à Northampton. Silverlink est une filiale du groupe National Express.) (nord-ouest de Londres).
Système à quatre rails du métro de Londres avec deux rails électriques, le rail positif ayant une tension double de celle du rail négatif. Des arcs électriques se produisent couramment à la fin des sections de rail.
Système à quatre rails du métro de Londres avec deux rails électriques, le rail positif ayant une tension (La tension est une force d'extension.) double de celle du rail négatif. Des arcs électriques se produisent couramment à la fin des sections de rail.

Le troisième rail est placé soit entre les rails de roulement, soit, le plus souvent, à l'extérieur. Le courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau...) est transmis au train par l'intermédiaire de " patins " glissants, maintenus en contact avec le troisième rail. Dans beaucoup de cas, un système de couverture isolante est fixé au dessus du rail pour protéger le personnel travaillant près des voies ; dans certains cas, le patin frotte sur le côté ou sur le dessous du rail, permettant ainsi de monter la protection directement sur le sommet du rail. Lorsque le patin glisse sur la face inférieure du rail, cela présente en outre l'avantage de ne pas être gêné par la présence de neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une infinité de façons. Puisque les flocons sont...) ou de feuilles mortes.

Le troisième rail est une alternative au système d'électrification par caténaire (Une ligne aérienne de traction électrique est appelée:) qui transmet le courant au train par l'intermédiaire de pantographes fixés sur le toit (Le toit est la structure couvrant la partie supérieure d'un édifice, permettant principalement de protéger son intérieur contre les intempéries et l'humidité.) des véhicules. Dans certains cas, métros ou lignes régionales, le système d'alimentation est mixte, partie par troisième rail et partie par caténaires, les véhicules devant être équipés des deux systèmes de captage de courant. Cest le cas par exemple du métro de Rotterdam ou de celui de Milan (Milan (en italien Milano, du latin Mediolanum, en lombard Milàn) se situe dans le nord de l'Italie. Capitale de la région de Lombardie, au centre de la plaine du...) (ligne M1). Tandis que les systèmes de caténaires peuvent fonctionner sous des tensions allant jusqu'à 25 kV ou plus, en courant alternatif (Le courant alternatif (qui peut être abrégé par CA, ou AC, pour Alternating Current en anglais, étant cependant souvent utilisé) est un courant électrique qui change...), la plus faible distance d'isolement autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) du rail sous tension impose un maximum d'environ 1200 V (réseau de banlieue de Hambourg) et c'est le courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un courant périodique dont la composante continue est...) qui est employé.

Comme dans le cas des caténaires, le courant de retour circule en général dans l'un des deux, ou les deux, rails de roulement, la fuite vers le sol n'étant pas un problème. Lorsqu'il s'agit de métros sur pneus, comme à Montréal (Montréal est à la fois région administrative et métropole du Québec[2]. Cette grande agglomération canadienne constitue un centre majeur du commerce, de l'industrie, de la culture, de la...) ou partiellement à 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 centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne...), des barres d'alimentation sous tension sont prévues pour conduire le courant. Le retour du courant de traction s'effectue par les rails de roulement traditionnels placés entre les pistes de roulement. Le système comprenant un troisième rail pour l'alimentation électrique, placé à l'extérieur des rails de roulement, et un quatrième rail, placé entre ceux-ci, assurant le retour du courant de traction (ce qui a d'autres avantages), est utilisé par quelques réseaux, dont le plus important est le métro de Londres.

Avantages du troisième rail

  • Les systèmes à troisième rail sont moins coûteux à installer que les systèmes à caténaire, moins sensibles aux intempéries (sauf en cas d'inondation (Le terme inondation fait traditionnellement référence au débordement d'un cours d'eau qui submerge les terrains voisins. Il doit évidemment être étendu aux débordements des ouvrages artificiels tels que les...) ou de givre (Le givre est un dépôt de micro-gouttelettes d'eau surfondue (= en surfusion) sur une surface lorsque la température est sous le point de congélation (0 °C). En effet, l'eau peut rester sous forme...), qui créent de sérieux problèmes), et plus facile à implanter dans les tunnels à gabarit limité.
  • Les systèmes à troisième rail créent moins de gêne visuelle : ils ne nécessitent pas de lignes aériennes qui sont parfois interdites hors des tunnels (par exemple à Singapour).
  • De nombreuses lignes de chemin de fer anciennes emploient encore des troisièmes rails alimentés en courant continu, même lorsqu'un système de caténaires serait mieux adapté, à cause du coût élevé d'adaptation.

Inconvénients du troisième rail

Les systèmes à troisième rail présentent quelques inconvénients, notamment :

  • Sécurité : un rail électrifié non gardé présente un risque important. De nombreuses personnes ont été électrocutées, voire tuées, pour avoir touché ce type de rail ou avoir marché dessus en tentant par exemple de traverser les voies. La réglementation SNCF (La Société nationale des chemins de fer français (SNCF) est l'une des principales entreprises publiques françaises. Elle exerce une double activité :) précise même, suite à des incidents intervenus lors des premières électrification au début du XXe siècle (Un siècle est maintenant une période de cent années. Le mot vient du latin saeculum, i, qui signifiait race, génération. Il a ensuite indiqué la durée d'une génération humaine et...), qu'il est interdit d'uriner sur le troisième rail, le jet d'urine (L'urine est un liquide biologique composé des déchets de l'organisme. L'urine est secrétée par les reins par filtration du sang, puis par récupération des molécules de l'urine...) provoquant un arc qui électrocute la victime. Un nouveau système de 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...) à Bordeaux a résolu ce problème de sécurité en utilisant un troisième rail fractionné en sections isolées. Chaque section n'est mise sous tension que lorsqu'elle se trouve couverte par la rame de tramway, si bien qu'il n'y a plus aucun risque qu'une personne ou un animal (Un animal (du latin animus, esprit, ou principe vital) est, selon la classification classique, un être vivant hétérotrophe, c’est-à-dire qu’il se nourrit de substances...) entre en contact avec le rail électrifié.
  • Puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :) limitée : le troisième rail impose une tension d'alimentation relativement basse, sinon des arcs électriques risqueraient de se former entre le rail et le sol ou avec les rails de roulement. Mais ce bas voltage impose des sous-stations électriques plus nombreuses et plus rapprochées le long de la voie, et par conséquent des charges d'exploitation plus élevées. Le bas voltage implique aussi que le système est plus sujet aux surcharges, ce qui le rend inadapté aux trafics de fret (Le transport de marchandises est une activité économique réglementée, à la fois par chaque pays et au niveau international.) ou de trains à vitesse (On distingue :) élevée qui nécessitent des puissances électriques plus importantes. Ces limitations ont fortement restreint l'application du troisième rail à des systèmes de transport (Le transport, du latin trans, au-delà, et portare, porter, est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre.) légers, à vitesse relativement basse, du type des transports collectifs urbains et suburbains, même si le troisième rail à 750 V courant continu est encore employé sur plusieurs centaines de kilomètres (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international. Il est défini comme la distance parcourue par la lumière dans le...) de ligne dans le sud et le 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.) de l'Angleterre (L’Angleterre (England en anglais) est l'une des quatre nations constitutives du Royaume-Uni. Elle est de loin la plus peuplée, avec 50 763 000 habitants (en...). La capacité est aussi limitée par les restrictions de vitesse - 160 km/h est considéré comme étant la vitesse maximum pour un contact fiable entre les patins et le troisième rail.
  • Restrictions d'infrastructure : les bifurcations et croisements de voies, ainsi que les passages à niveau imposent des discontinuités du troisième rail. Ce n'est en général pas un problème, les trains ayant plusieurs patins assurant le contact avec le troisième rail, mais il peut arriver dans certaines circonstances qu'un train soit " piégé " - immobilisé du fait qu'aucun de ses patins ne se trouve en position de contact. Quand cela se produit, il faut faire venir une locomotive (Une locomotive est un engin moteur, c'est-à-dire se déplaçant par ses propres moyens, utilisé par le transport ferroviaire pour fournir l'énergie de traction à un train. Le plus souvent, la locomotive se trouve à l'avant du...) de secours pour le pousser et le remettre en contact avec le rail sous tension. Étant donné que ce type de problème se produit généralement dans des nœuds ferroviaires importants, ils peuvent être une source de perturbations importantes.
  • Défaut de contact : des feuilles mortes, de la neige ou du givre, ou d'autres débris tombés sur le rail conducteur peuvent réduire l'efficacité du contact entre le rail et les patins des véhicules, mettant les trains en panne faute de puissance suffisante.
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