Systeme d'electrification ferroviaire

Un système d'électrification ferroviaire est l'ensemble des moyens mis en œuvre pour alimenter en énergie électrique les trains (locomotive électrique ou rame automotrice électrique).

Ces systèmes peuvent être classés selon différents critères :

• type d'alimentation (troisième rail ou caténaire)
• type de courant :
  • courant continu ou courant alternatif
  • tension électrique
  • fréquence (en courant alternatif)
  • courant monophasé ou triphasé

Un peu d’histoire

Pour propulser une locomotive électrique il faut :

• un système propulseur électrique ;
• un système de variation de la vitesse ;
• un système de production et de transport de l'énergie électrique.

Le seul courant facilement productible et transportable est le courant alternatif polyphasé. Le triphasé aujourd'hui, le diphasé ou quadriphasé hier. Un moteur électrique bien adapté à la traction est le moteur à courant continu de type série car à très grande plage de vitesse variable et très fort couple au démarrage. En feuilletant le stator d'un moteur à courant continu et en prenant un très grand soin au niveau des balais (phénomènes de commutation) il est possible d'alimenter un moteur à courant continu avec du courant alternatif. Plus la fréquence de ce courant est élevée, plus les pertes fer (hystérésis et courants de Foucault) sont importantes, d'où l'idée d'utiliser une fréquence faible : le 16 Hz 2/3.

Aucun système n'étant parfait, de nombreuses solutions ont été essayées : en tensions, en fréquences, en types de moteur, en systèmes de variation de vitesse, en système de transmission de la puissance aux roues, en systèmes de captage de courant. D'où le très grand nombre de fabricants de matériel ferroviaire dans la première moitié du XX^e siècle, et la très grande variété d'écoles d'ingénieurs formant les spécialistes capables de comprendre et de faire évoluer cette multitude de systèmes.

L'ensemble de ces problèmes a été résolu aujourd'hui avec les semi-conducteurs de puissance qui permettent de « jongler » avec tensions et fréquences. Aujourd'hui les moteurs électriques de traction sont des moteurs alternatifs synchrone à fréquence variable, alimentés par des convertisseurs statiques. La tension économique à l'utilisation est donc le 25 000 V à fréquence industrielle en dehors des sites urbains et suburbains où les tunnels et le réseau de transport d'énergie s'accommodent mal du monophasé à fréquence industrielle, sans compter l'implantation de sections de séparation de phase ni la hauteur des quais limitée à 1m en pratique.

Courant continu

Le réseau du Nottingham Express Transit utilise du courant continu 750 V alimenté par caténaire, comme la plupart des tramways modernes

Les premiers systèmes électriques utilisaient des tensions relativement basses en courant continu. Les moteurs électriques étaient alimentés en direct sur le réseau et contrôlés par une combinaison de résistances et de relais qui connectaient les moteurs en parallèle ou en série.

Les tensions courantes sont le 600 V et le 750 V pour les tramways, trolleys et métros, et le 1500 V et le 3000 V pour les grands chemins de fer. Autrefois, des convertisseurs rotatifs ou des redresseurs à arc de mercure étaient utilisés pour convertir le courant alternatif fourni par le réseau public en courant continu à la tension voulue. De nos jours, on utilise généralement des redresseurs à semi-conducteurs.

Le système à courant continu est très simple, mais nécessite des conducteurs épais et impose de courtes distances entre les sous-stations qui alimentent le réseau. En outre, il y a des pertes notables du fait de la résistance des conducteurs.

Les équipements auxiliaires, tels que souffleries et compresseurs, sont aussi animés par des moteurs branchés directement sur le réseau électrique. En conséquence, ces moteurs sont souvent inhabituellement volumineux.

Le courant continu 1500 V est utilisé aux Pays-Bas, au Japon, dans certaines parties de l'Australie et partiellement en France (réseaux Sud-Est et Sud-Ouest). Aux États-Unis, le courant continu 1500 V est utilisé dans la région de Chicago par le Metra (anciennement Illinois Central Railroad) et la ligne de tram interurbain South Shore and South Bend.

Le métro Tyne and Wear est le seul réseau du Royaume-Uni utilisant du courant continu 1500 V

Au Royaume-Uni, le courant continu 1500 V fut utilisé en 1954 pour l'électrification de l'itinéraire de la trans-Pennine (maintenant fermé) par le tunnel de Woodhead. Le système utilisait le freinage par régénération, permettant le transfert d'énergie entre les trains montant et descendant les rampes d'approche du tunnel. Le seul réseau utilisant actuellement ce type de courant au Royaume-Uni est celui du Métro Tyne and Wear.

Le courant continu 3000 V est utilisé en Belgique, en Italie, en Pologne, dans le nord de la République tchèque, en Slovaquie, dans l'ancienne Yougoslavie et dans les pays de l'ex-Union soviétique. Le courant continu 3000 V fut aussi utilisé autrefois par le Delaware, Lackawanna & Western Railroad (actuellement NJ Transit avant qu'il soit converti au courant alternatif 25 kV). À noter que le Luxembourg est équipé comme ses voisins, en 3kv, au nord, en 25kv, au sud, afin d'éviter les escales avant l'avènement des engins bi-courants fiables et sans coût exagéré.

Les tensions indiquées (telles que 1500 V) sont des valeurs nominales susceptibles de fluctuer dans un sens ou dans l'autre, par exemple entre 1300 V et 1800 V selon divers facteurs :

• nombre de trains captant le courant sur la ligne,
• distance depuis la sous-station.

Les tensions courantes sont souvent des multiples simples l'une de l'autre :

• 1500V CC = 2 x 750V CC
• 3000V CC = 2 x 1500V CC
• 1200V CC = 2 x 600V CC

Ceci a permis de nombreuses combinaisons dans les chaînes de traction des anciennes locomotives à commande électromécanique.

Troisième rail

Troisième rail à contact par le dessous (métro d'Amsterdam)

La plupart des systèmes d'électrification recourent à des caténaires, mais le troisième rail est une option pour les systèmes à plus basse tension, jusqu'à 1200 V environ. L'emploi du troisième rail n'implique pas nécessairement celui du courant continu, mais en pratique, les systèmes à troisième rail ont tous utilisé du courant continu parce qu'il peut transporter 41 % d'énergie de plus qu'un système à courant alternatif à la même tension de crête. Le troisième rail est plus compact que la caténaire et peut être installé dans des tunnels de plus faible diamètre, caractéristique importante pour les installations de métros.

Un lourd « sabot », suspendu par un longeron en bois fixé aux bogies capte le courant électrique par frottement (troisième rail à contact par le dessus)

Les systèmes à troisième rail peuvent être conçus avec un contact supérieur, latéral ou inférieur. Le contact supérieur est le plus dangereux, le rail sous tension étant exposé à l'air libre et accessible aux personnes susceptibles de marcher dessus, à moins qu'un cache isolant n'ait été installé par dessus. Les contacts inférieur ou latéral peuvent être plus facilement équipés de protections de sécurité intégrées, portées par le rail lui-même. Les troisièmes rails à contact supérieur sont aussi plus vulnérables à des perturbations par la glace, la neige, voire par des feuilles mortes.

Comme les troisièmes rails et les systèmes à courant continu sont limités à des tensions relativement basses, cela peut être un facteur limitant pour la puissance des trains (longueur, charge, vitesse) ainsi que pour les équipements annexes comme la climatisation. Cela constitue un facteur favorable à l'emploi de caténaires et de tensions plus élevées, même pour un usage urbain. En pratique, les trains les plus rapides en troisième rail sont limités à 160 km/h à cause des contraintes de captage du courant entre le « sabot » et le rail. C'est notamment le cas des rames Eurostar lorsqu'elles circulent sur le réseau sud-est britannique, hors de la ligne nouvelle.

Quatrième rail

Voie du métro de Londres montrant les 3e et 4e rails entre les rails de roulement

Le métro de Londres est l'un des rares réseaux dans le monde à utiliser un quatrième rail. Ce rail supplémentaire assure le retour du courant de traction, rôle assuré par les rails de roulement dans les systèmes à troisième rail. Dans le métro de Londres un troisième rail classique à contact supérieur est placé le long de la voie et soumis à une tension continue de + 420 volts et le quatrième rail, également à contact par le dessus, est disposé au centre de la voie entre les rails de roulement avec une tension de - 210 V, ce qui fournit un courant de traction à 630 volts. Des dispositifs spéciaux existent lorsque les mêmes voies doivent être parcourues par des rames de métro (prévues pour 4 rails) et des rames de trains de banlieue (prévues pour trois rails avec retour du courant par les rails de roulement), section de Gunnersbury à Richmond sur la District line par exemple.

L'intérêt du quatrième rail est que les deux rails de roulement sont disponibles exclusivement pour les circuits de voie. Par ailleurs, la diminution de la tension par rapport au sol (« potentiel de terre ») est de nature à rendre moins dangereuse la chute d'un passager sur la voie.

Courant alternatif à basse fréquence

Les moteurs électriques courants, à commutation, peuvent aussi être alimentés en courant alternatif (moteur universel), parce que l'inversion du sens du courant à la fois dans le stator et le rotor ne change pas la direction du couple. Toutefois, l'inductance d'un enroulement ne permet pas de réaliser de gros moteurs aux fréquences standard des réseaux de distribution. Un certain nombre de pays européens, dont l'Allemagne, l'Autriche, la Suisse, la Norvège et la Suède, ont standardisé le courant alternatif monophasé à 15 kV 16,2/3 Hz (un tiers de la fréquence standard) (auparavant des tensions de 6 kV et 7,5 kV avaient été employées). Aux États-Unis (avec leur système de distribution électrique à 60 Hz), la fréquence de 25 Hz (une ancienne fréquence standard, désormais obsolète de distribution) est utilisée sous 11 kV entre Washington et New York. Une section équipée en 12,5 kV 25 Hz entre New York et New Haven (Connecticut) fut convertie en 60 Hz dans le dernier tiers du XX^e siècle.

Les moteurs sont alimentés par l'intermédiaire d'un transformateur commutateur qui permet de modifier la tension, aussi les résistances ne sont pas nécessaires. Les équipements auxiliaires sont pilotés par des moteurs à basse tension à commutation, alimentés par un enroulement séparé du transformateur principal, et sont de taille raisonnablement petite.

Les fréquences inhabituelles supposent que l'électricité soit convertie à partir du courant fourni par réseau public par des moteurs-générateurs ou des inverseurs statiques dans les sous-stations d'alimentation du réseau, ou produite par des postes électriques complètement séparés.

Courant alternatif à fréquence standard

Les premières tentatives d'utiliser du courant alternatif monophasé à la fréquence standard de 50 Hz ont eu lieu en Hongrie dans les années 1930, puis en Allemagne. Toutefois, ce n'est que dans les années 1950 que l'usage de ce courant dit « à fréquence industrielle » a débuté (autour d'Annecy, sous l'impulsion de Louis Armand), puis s'est vraiment répandu, notamment avec l'électrification de la transversale Nord-Est (Valenciennes-Thionville) en France.

De nos jours, certaines locomotives dans ce système utilisent un transformateur et un redresseur qui fournissent un courant continu à basse tension aux moteurs. La vitesse est contrôlée par commutation des enroulements du transformateur. Des locomotives plus sophistiquées utilisent des circuits à thyristors ou à transistors IGBT pour produire un courant alternatif vibré ou même à fréquence variable qui ensuite alimente directement les moteurs de traction.

Ce système est économique. Pour éviter des déséquilibres de phase dans les systèmes d'alimentation extérieurs, on a fait appel, dans les débuts, à des transformateurs triphasés/monophasés ou triphasés/diphasés. Ces deux types de transformateur réduisent les déséquilibres entre phases sans les supprimer. Ils permettent par contre d'orienter convenablement le vecteur de phase résultant au secondaire chaque fois que nécessaire et en particulier dans le cas où l'on veut mettre en parallèle plusieurs sous-stations qui ne présentent pas le même indice horaire au primaire (ex : 0-4-8 pour le 225 kV et 3-7-11 pour du 63 kV). Cette solution a été appliquée sur 3 sous-stations des banlieues 25 kV Ouest, Est et Nord de Paris vers les années 1966/1968, dans le but d'alimenter ces trois réseaux en parallèle. Aujourd'hui, les locomotives grâce à l'IGBT avec moteurs de traction à fréquence variable, ont un courant d'appel faible au démarrage. Cela permet de prendre l'alimentation des sous stations directement entre deux phases. Cela engendre des déséquilibres sur la troisième phase mais est considéré comme acceptable car évitant l'acquisition de ces transformateurs spéciaux très coûteux. Un système de courants trop déséquilibrés peut d'une part engendrer des interférences électromagnétiques notables et d'autre part poser des problèmes au niveau même de la production de courant (l'alternateur).

Le système alternatif monophasé 25 kV 50 Hz est utilisé en France, en Grande-Bretagne, en Finlande, au Danemark sur certaines lignes en Belgique notamment les LGV, dans les pays de l'ex Union soviétique, l'ex-Yougoslavie, en Inde, au Japon et dans certaines parties de l'Australie (toutes les électrifications du Queensland et d'Australie occidentale), tandis qu'aux États-Unis on utilise communément des courants de 12,5 et 25 kV à 60 Hz. Le 25 kV 50Hz est le courant de référence pour toutes les lignes à grande vitesse et les longues distances, même lorsque le reste du réseau est électrifié avec un autre type de courant. C'est la cas notamment en Espagne, en Italie, aux Pays-Bas, en Afrique du Sud, à Taïwan, en Chine, etc.

Locomotives polycourant

Du fait de la diversité des systèmes d'électrification ferroviaire, qui peuvent varier même à l'intérieur d'un pays, les trains doivent souvent passer d'un système à l'autre. Un des moyens de le faire est le changement de locomotives dans les gares de contact. Ces gares sont équipées de caténaires qui peuvent basculer d'un type de courant à l'autre, de sorte qu'un train peut arriver avec une locomotive et repartir avec une autre. C'est toutefois un système qui présente des inconvénients et des surcoûts : perte de temps, nécessité de disposer de différents types de locomotives.

Un autre moyen est de disposer de locomotives polycourant capables de fonctionner sous des courants de différents types. En Europe, on peut trouver des locomotives quadricourant (Courant continu 1500 V et 3000 V, courant alternatif 15 kV 16,67 Hz et 25 kV 50 Hz). C'est le cas par exemple des rames TGV Thalys et PBKA. Ces locomotives peuvent passer, sans nécessiter un arrêt, d'un type de courant à un autre; toutefois elles ne sont généralement pas aussi efficaces sous tous les courants, et leur coût de construction est plus élevé. On trouve plus couramment des locomotives bicourant, par exemple en France dont le réseau ferroviaire est partagé entre le courant continu 1500 V et le courant alternatif 25 kV 50 Hz.

Les trains TGV Eurostar sont tricourant pour pouvoir circuler sur les lignes à grande vitesse (CA 25 kV 50 Hz, les anciennes lignes à 3^e rail britanniques (CC 750 V) et les lignes belges (CC 3000 V). A noter que quelques rames ont été adaptées pour que les auxiliaires fonctionnent sous CC 1500 V vers le sud-est de la France.

Aux États-Unis, le New Jersey Transit utilise des locomotives polycourant ALP-44 pour ses services Midtown Direct vers New York.

Voir aussi

• Liste des courants utilisés en traction ferroviaire électrique
• Électrification des chemins de fer aux États-Unis

• Portail du chemin de fer