Caténaire

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Caténaire
Page d'aide sur l'homonymie Ne doit pas ĂȘtre confondu avec cathĂ©ter, bicatĂ©naire ni monocatĂ©naire.
Ligne de contact 25 kV.

Une catĂ©naire est un ensemble de cĂąbles porteurs en bronze ou en aluminium/acier et de cĂąbles conducteurs en cuivre pur ou cuivre alliĂ© destinĂ©s Ă  l’alimentation des trains Ă©lectriques par captage du courant par l'utilisation d'un pantographe.

Sommaire

De la ligne de contact à la caténaire

Ligne de contact 25 kV simplifiĂ©e, de type « trolley Â».

Une ligne aĂ©rienne de traction Ă©lectrique est appelĂ©e ligne de contact lorsqu’elle ne comporte qu’un ou deux fils de contact (F.C.). La catĂ©naire (du latin catena, chaĂźne) est constituĂ©e d’un ou de deux fils de contact suspendus par des pendules Ă  un ou deux cĂąbles porteurs.

Régularité de la distance fil de contact-rail

Le captage du courant aux vitesses élevées nécessite un fil de contact présentant une flÚche spécifique entre deux points de suspension consécutifs (portée). Des irrégularités se traduiraient par des discontinuités dans le captage de lŽénergie électrique entraßnant une dégradation prononcée du matériel (bande dŽusure et fil de contact).

Certaines lignes sont Ă©quipĂ©es de catĂ©naire simplifiĂ©e (par ex. : la ligne Bourg Saint Maurice - Albertville), la vitesse sur les portions de ligne Ă©quipĂ©e de telle catĂ©naire est infĂ©rieure Ă  100 km/h. Dans les gares de triage et les dĂ©pĂŽts oĂč la vitesse est toujours rĂ©duite, l’alimentation Ă©lectrique des trains se fait Ă©galement par une ligne de contact constituĂ©e d’un ou de deux fils.

CĂąble porteur

Du fait de son poids, un fil tendu entre deux points ne peut pas suivre une ligne droite. Il suit une courbe qu’on appelle une chaünette (en forme de cosinus hyperbolique).

La solution consiste Ă  suspendre le fil de contact, rainurĂ© longitudinalement, Ă  un cĂąble porteur par l’intermĂ©diaire de pendules de longueur variable, suivant le mĂȘme principe que les ponts suspendus. L’ensemble est tendu par des appareils-tendeurs munis de contrepoids qui exercent une traction Ă©quilibrĂ©e sur les deux fils et maintiennent une tension mĂ©canique constante pour une plage de tempĂ©rature dĂ©finie (catĂ©naire entiĂšrement rĂ©gularisĂ©e).

Histoire

Le premier tramway électrique était alimenté par un chariot courant sur deux fils aériens, et relié au tramway par un cùble flexible.

Le mur de la caténaire

Article dĂ©taillĂ© : Mur de la catĂ©naire.

Le frottement de l'archet sur le fil de contact gĂ©nĂšre une onde mĂ©canique qui se propage de part et d'autre du point de contact. Pour une tension normale du fil de contact, cette onde se propage Ă  moins de 500 km/h. Si le TGV atteint cette vitesse, le pantographe rattrape l'onde (c'est le phĂ©nomĂšne de Mach, parfois appelĂ© le mur de la catĂ©naire). Il peut entraĂźner l'arrachement des catĂ©naires et la destruction du pantographe. C'est l'une des causes Ă  la limitation de vitesse des trains de type TGV. Pour Ă©viter ce phĂ©nomĂšne, il faut augmenter la tension du fil, ce qui augmente la vitesse de propagation de l'onde. Cela pose le problĂšme de la rĂ©sistance mĂ©canique de la catĂ©naire. Un compromis doit ĂȘtre trouvĂ© entre la bonne tenue mĂ©canique de la catĂ©naire et sa bonne conductivitĂ© Ă©lectrique (pour limiter les pertes par effet Joule).

Outre la tension physique exercĂ©e sur la catĂ©naire, une augmentation de la vitesse de l'onde a Ă©tĂ© obtenue (en exploitation) par un raidissement des supports catĂ©naires, et un blocage du pantographe a une hauteur constante (5,08 m sur les LGV Françaises). On rĂ©duit Ă©galement l'amplitude de cette onde en rĂ©glant les frĂ©quences de vibration des support de sorte qu'ils absorbent cette onde. Ces modifications ont permis de dĂ©passer la vitesse de 270 km/h et d'exploiter des lignes Ă  grande vitesse entre 300 et 320 km/h.

Technique

Électrotechnique

L’armement est le plus souvent sous tension et constituĂ© par des consoles et haubans isolĂ©s des supports catĂ©naires par des isolateurs en verre, cĂ©ramique ou matiĂšre synthĂ©tique, dont la taille varie en fonction de la tension dÂŽalimentation et des conditions atmosphĂ©riques auxquelles ils sont exposĂ©s (zone maritime, polluĂ©e, ...). La structure de la catĂ©naire dĂ©pend profondĂ©ment de la tension d’alimentation.

Généralités

Le nombre de conducteurs électriques distribués dépend du type d'alimentation traction, et de la méthode de protection de la carcasse du véhicule.

En Continu, le positif est distribuĂ© sur la catĂ©naire (ou autre : troisiĂšme rail, etc.), et, pour Ă©conomiser un conducteur sur les longues distances, le "retour de courant" peut ĂȘtre rĂ©alisĂ© grĂące aux rails de roulement qui ont un potentiel Ă©lectrique voisin de 0V. En effet, le conducteur retour de courant est relativement isolĂ© de la terre pour Ă©viter les courants vagabonds dans le sol et les canalisations proches, mais son potentiel par rapport Ă  la terre est compatible avec la protection des personnes. La carcasse du vĂ©hicule peut ĂȘtre :

  • au potentiel du rail de retour de courant (tramway,...),
  • ou Ă  la terre via un rail de terre dĂ©diĂ© (mĂ©tro de Londres,...),
  • ou isolĂ©e (trolleybus).

En ferroviaire, en alternatif, une des phases est mise au rail et à la terre (les effets des "courants vagabonds" sont quasi négligeables en alternatif).

  • En MonophasĂ© : 1 phase Ă  la catĂ©naire, le retour de courant Ă©tant l'autre phase, mise au rail et Ă  la terre.
  • En BiphasĂ© : idem, mais on transporte en plus la phase opposĂ©e (Ă  180°) sur un feeder dit "nĂ©gatif". Le retour de courant, mis Ă  la terre, est donc le "point milieu" du transfo traction.
  • En TriphasĂ© "triangle" : on distribue 2 phases (Ă  120°) sur la catĂ©naire, la 3Ăšme phase Ă©tant le rail mis Ă  la terre. Solution moins efficace que le montage prĂ©cĂ©dent, mais on dĂ©sĂ©quilibre moins les phases du rĂ©seau amont (rĂ©seau RTE en France).
  • En TriphasĂ© "Ă©toile" : 3 phases distribuĂ©es sur la catĂ©naire, carcasse au rail et Ă  la terre et au neutre du transfo. Jadis, des locomotives Ă  moteur alternatif avaient Ă©tĂ© Ă©quipĂ©es de 3 pantographes Ă  captage vertical ! On utilise plutĂŽt ce montage sur des systĂšmes sans aiguillage, comme les ponts roulants, en basse tension, avec des frotteurs.

Courant continu

CatĂ©naire 1 500 V, avec feeder de ligne.

Le courant continu a Ă©tĂ© dĂ©ployĂ© lors du dĂ©but de l’électrification du rĂ©seau ferroviaire. On trouve par exemple des rĂ©seaux en 1 500 V CC en France ou aux Pays-Bas. Les courants importants qui circulent dans la catĂ©naire nĂ©cessitent des conducteurs plus nombreux et de section plus importante, c’est une catĂ©naire plus compliquĂ©e Ă  mettre en Ɠuvre et nĂ©cessitant des points d’alimentation (sous-stations Ă©lectriques) distants de 10 Ă  15 km. En France, ce type de catĂ©naire est essentiellement utilisĂ© sur les rĂ©seaux sud-est et sud-ouest (Ă  Paris : dĂ©part des lignes gare de Lyon, gare d’Austerlitz, gare Montparnasse, RER C).

Caténaire 1 500 V entre Bois-le-Roi et Fontainebleau

La catĂ©naire 3 000 V continu se retrouve en Belgique, au Luxembourg (ligne de Luxembourg Ă  Bruxelles), en Italie, en Espagne ou dans certains pays de l’Est comme la Pologne. Le doublement de la tension limite les pertes d’énergie en ligne Ă  puissance fournie Ă©gale, car le courant nĂ©cessaire est divisĂ© par deux, et la perte par effet Joule dans les cĂąbles est divisĂ©e par quatre.

On trouve aussi des tensions de 600 V Ă  750 V, par exemple dans des rĂ©seaux de tramway, mĂ©tro et trolleybus.

Courant alternatif industriel

Le 25 kV alternatif monophasĂ© 50 Hz est dorĂ©navant utilisĂ©e sur le rĂ©seau ferrĂ© français et dans d'autres pays comme l'Espagne, la Grande-Bretagne, la Chine, la Russie, l'Italie
. On trouve aussi des variantes: 20kV 60Hz au Japon, 25kv 60Hz aux États-Unis... On trouve mĂȘme du 50kV sur une ligne dĂ©diĂ©e au transport du charbon aux USA.

Elle est plus simple Ă  mettre en Ɠuvre, ne nĂ©cessite des sous-stations Ă©lectriques espacĂ©es que de 50 Ă  70 km, voire plus avec le 2 x 25 000 V (les pertes d'Ă©nergie Ă©lectrique Ă©tant infĂ©rieures Ă  celles de catĂ©naires alimentĂ©es sous courant continu) et celles-ci sont plus simples (pas besoin de redresser le courant ni de le lisser). Il s’ensuit un coĂ»t kilomĂ©trique largement infĂ©rieur Ă  celui de la catĂ©naire 1 500 V.

En revanche, au droit ou Ă  proximitĂ© de certaines sous-stations, une section de sĂ©paration de sources d’alimentation est rĂ©alisĂ©e. Cette section de sĂ©paration, non alimentĂ©e, a pour but d’éviter le pontage de deux catĂ©naires successives dont les alimentations prĂ©sentent entre elles des diffĂ©rences de phases (dues au courant alternatif envoyĂ© aux catĂ©naires) par un ou plusieurs pantographes d’une circulation Ă©lectrique. En France, les rĂ©seaux 25 kV au dĂ©part de Paris se trouvent gare du Nord, gare de l’Est et gare Saint-Lazare. Toutes les lignes nouvelles en France sont dĂ©sormais alimentĂ©es sous cette tension Ă©galement.

La tension plus élevée augmente les contraintes de sécurité électrique, notamment lors des opérations de maintenance.

Courant alternatif basse fréquence

Caténaire 15 kV alternatif monophasé en 16Hz 2/3.

Certains pays d’Europe comme la Suisse, l’Allemagne, l’Autriche, la NorvĂšge, la SuĂšde et certaines lignes de la RĂ©publique tchĂšque, ont adoptĂ© une tension de 15 kV alternatif monophasĂ© (16,7 Hz).

La frĂ©quence plus basse d’alternance (divisĂ©e par trois par rapport au rĂ©seau Ă©lectrique national français) permet de limiter les Ă©carts de phase entre le cĂąble d'alimentation et le cĂąble de contact, et simplifie donc leur raccordement sur la catĂ©naire. Elle permet aussi de disposer plus facilement plusieurs pantographes sur les rames de traction sans Ă©cart de phase significatif entre les contacts, et de disposer d’une meilleure continuitĂ© de l’alimentation de la rame. De ce fait, les rames de traction ne nĂ©cessitent pas leur propre centrale de production d’énergie pour rĂ©guler le fonctionnement des moteurs, et les lignes peuvent ĂȘtre empruntĂ©es par des rames plus lĂ©gĂšres. Cependant, cela nĂ©cessite des centrales de conversion d’énergie le long de la voie, d'autant plus nombreuses que les pertes en ligne sont plus importantes qu'avec la frĂ©quence normale, mĂȘme si elles sont limitĂ©es par l'utilisation d'une tension Ă©levĂ©e.

Alimentation

Pour des raisons d’exploitation et de maintenance, la catĂ©naire est dĂ©coupĂ©e en cantons Ă©lectriques isolĂ©s par des dispositifs de coupure particuliers franchissables par les pantographes.

Le feeder est une ligne d'alimentation, fixĂ©e sur les poteaux, en opposition de phase avec la catĂ©naire. Il permet de rĂ©duire les chutes de tension en ligne et d'espacer les points de connexion de la catĂ©naire au rĂ©seau de distribution d'Ă©lectricitĂ© (les sous-stations). Des autotransformateurs permettent de remettre en phase la tension du feeder et celle de la catĂ©naire (technique dite du « 2 x 25 000 Â»). La puissance Ă©lectrique est alors transportĂ©e de la sous-station Ă  l'autotransformateur en 50 000 V (entre le feeder et la catĂ©naire), tandis que l'autotransformateur dĂ©livre la puissance au train en 25 000 V (entre la catĂ©naire et le rail)


Les poteaux de caténaire sont également reliés entre eux par une ligne de mise à la terre.

MĂ©caniques

RĂ©gularisation

La régularisation est le maintien de la tension mécanique du conducteur.

La prĂ©sence de contrepoids, destinĂ©s Ă  maintenir une tension mĂ©canique constante dans la catĂ©naire (gĂ©nĂ©ralement, pour une plage de rĂ©gulation de 70 Â°C, s’étendant de --20 Â°C Ă  +50 Â°C), n’est pas systĂ©matique. En effet, en 1 500 V continu notamment, les tirs des catĂ©naires simples (CS), lĂ©gĂšres (CL) ou de type « fil tram Â» (un seul ou deux fils de contact, sans porteur ; on parle alors de « LAC Â» pour Ligne AĂ©rienne de Contact) sont directement ancrĂ©s aux supports, sans contrepoids, car la vitesse peu Ă©levĂ©e des vĂ©hicules permet de compenser au sein du pantographe les diffĂ©rences de hauteur du cĂąble, sans entraĂźner de chocs sur le cĂąble ;

Positionnement latéral

Vu de dessus, le fil de contact d’une catĂ©naire ne forme pas une ligne droite, mais un zigzag. Cette disposition est destinĂ©e Ă  Ă©viter l’usure ponctuelle de l’archet du pantographe.

Le positionnement latéral du fil de contact est généralement assuré par des bras de rappel montés sur des armements caténaires.

Captage du courant

Sur le matériel roulant, le captage du courant s'effectue par un pantographe muni d'un archet. Les trains à grande vitesse, d'autre part, sont équipés de pantographes à double suspension.

Les autres systÚmes de captage sont le collecteur à arc et la perche de trolleybus. Dans ce dernier cas, le captage s'effectue avec une paire de perches, qui permettent par ailleurs au véhicule une liberté latérale de circulation de plusieurs mÚtres, afin de s'insérer dans le trafic urbain sans difficulté.

Le gabarit Ă©lectrique

Sur le rĂ©seau français, la hauteur d’une ligne aĂ©rienne de traction Ă©lectrique doit rĂ©pondre aux conditions suivantes :

  • ĂȘtre infĂ©rieure ou Ă©gale Ă  6,20 m Ă  --20 Â°C pour respecter le dĂ©battement maximal des pantographes ;
  • ĂȘtre supĂ©rieure Ă  6 m Ă  50 Â°C Ă  la traversĂ©e des voies ouvertes Ă  la circulation publique ;
  • sous les ouvrages d’art, ĂȘtre Ă©gale ou supĂ©rieure Ă  4,55 m Ă  +50 Â°C en 1 500 V ou 4,64 m Ă  50 Â°C en 25 kV ;
  • en voie courante, au droit des supports, les valeurs sont, sauf cas particulier, de 5,08 m sur ligne Ă  grande vitesse (LGV) et 5,50 m sur les autres voies ;
  • si, pour des raisons techniques, la ligne de traction Ă©lectrique doit se trouver Ă  une hauteur infĂ©rieure ou Ă©gale Ă  5 m, un dispositif spĂ©cial d’attention est apposĂ© au droit du support.

Lors de l'Ă©lectrification de lignes existantes il faut tenir compte du gabarit des ouvrages d'arts (tunnels et ponts) et traiter les passages Ă  niveaux.

Variantes

Ligne bi-filaire

Chemin de fer de la Jungfrau

En gĂ©nĂ©ral le retour du courant se fait par les rails de chemin de fer. Les rails doivent alors impĂ©rativement ĂȘtre reliĂ©s Ă  une prise de terre parfaite, au potentiel zĂ©ro volt. En effet, la carcasse entiĂšre du train (ou mĂ©tro, ou tramway) Ă©tant mĂ©tallique et entiĂšrement reliĂ©e Ă©galement au sol, si un dĂ©faut de terre existait un utilisateur pourrait s'Ă©lectrocuter en touchant cette carcasse. Dans les sols trĂšs rocailleux (comme dans le massif des Maures par exemple) les prises de terre sont trĂšs profondes (4 mĂštres minimum).

Les trolleybus utilisent une seconde ligne pour le retour du courant, le retour par le sol étant impossible. On a utilisé également une double ligne de contact sur certaines voies de chemin de fer, par exemple le chemin de fer de la Mure en France lors de son électrification début 1900.

L'utilisation d'un courant triphasé, nécessite d'employer plusieurs fil de contact. Par exemple le chemin de fer de la Jungfrau utilise des fils de contact aériens pour deux phases et les rails pour la troisiÚme phase.

Caténaire inclinée

CatĂ©naire inclinĂ©e typique de la Compagnie du Midi, Ă  Loubaresse.

La catĂ©naire inclinĂ©e est un cas Ă  part. Les bras de rappel n’existent pas : seuls 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 catĂ©naire prend son aspect le plus insolite, car son axe est alors proche de l'horizontale, tandis que les autres catĂ©naires restent verticales.

Elle est aussi connue sous le nom de catĂ©naire Westinghouse, du nom de la firme qui a dĂ©veloppĂ© la technique aux États-Unis. En France elle est le plus souvent appelĂ©e catĂ©naire « midi Â» car elle a Ă©tĂ© utilisĂ© sur le rĂ©seau de la compagnie des Chemins de fer du Midi pour l'alimentation en 1 500 V continu.

Caténaire compound

Suivant la tension dÂŽalimentation et lÂŽimportance de lÂŽĂ©nergie de traction Ă  fournir, des catĂ©naires peuvent comporter un systĂšme Ă  quatre cĂąbles dont la gĂ©omĂ©trie est d’autant plus complexe Ă  rĂ©aliser et Ă  entretenir. Ce type de catĂ©naire est gĂ©nĂ©ralement constituĂ© par deux fils de contact suspendus Ă  distance Ă©gale Ă  un cĂąble porteur auxiliaire, lequel est suspendu par des pendules Ă  longueur variable Ă  un cĂąble porteur principal. Sur ce type de catĂ©naire, seuls les fils de contact sont maintenus Ă  une tension mĂ©canique constante (rĂ©gularisĂ©s). Ce type de catĂ©naire est appelĂ© « catĂ©naire composĂ©e Â», ou compound. Ce type de catĂ©naire est utilisĂ© pour la majoritĂ© des Ă©lectrifications en 1 500 V en France, ainsi qu'en Belgique en 3 000 V.

Profil aérien de contact

Caténaire rigide sur le RER C.

Un type de catĂ©naire particulier commence Ă  se rĂ©pandre en France : il s’agit du PAC (Profil aĂ©rien de contact), constituĂ© par un profilĂ© en aluminium de 11 cm de haut (qui seul supporte la charge de tension mĂ©canique), Ă  la base duquel on introduit un fil de contact. Le fil de contact est maintenu par un pincement exercĂ© par le profilĂ©. Ce systĂšme, principalement destinĂ© aux tunnels, peut ĂȘtre observĂ© sur la ligne C du RER entre les stations d’Austerlitz et de Champ de Mars â€“ Tour Eiffel, oĂč il est en service depuis 1997. Du fait de son fonctionnement, le fil de contact ne nĂ©cessite pas d’ĂȘtre mis sous tension mĂ©canique, ce qui en facilite les opĂ©rations de maintenance.

Références


Voir aussi

Articles connexes

Bibliographie

  • Yves Machefert-Tassin, Histoire de la traction Ă©lectrique (2 Volumes), Ă©d. La Vie du Rail. Tome I, 1980, 562 pages ; tome II, 1986, 599 pages.
  • Jean Cuynet, La traction Ă©lectrique en France 1900-2005, Ă©d. La Vie du Rail, 2005, 143 pages.

Lien externe



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