Catenaire

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, nom féminin, dérivé du latin catena (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 mécanique du (ou des) conducteur(s) pouvant être maintenue constante (régularisation) ou non.

L’ensemble est constitué de conducteurs en bronze (porteur) et en cuivre (fil de contact), destiné à l’alimentation des trains électriques.

Sommaire 1 Technique 2 Les tensions d'alimentation en France 3 Les tensions d'alimentation en Europe 4 Autres méthodes de captage du courant 5 Annexes 5.1 Articles connexes 5.2 Bibliographie 6 Lien externe 7 Notes et références

Technique

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 chaînette (en forme de cosinus hyperbolique).

Le captage du courant aux vitesses élevées nécessite un fil de contact présentant une flèche constante entre deux points de suspension consécutifs (portée). Des irrégularités se traduiraient par des discontinuités dans le captage de l´énergie électrique entraînant une dégradation prononcée du matériel (bande d´usure et fil de contact).

La solution consiste à suspendre le fil de contact, rainuré longitudinalement, à un câble porteur par l’intermédiaire de pendules de longueur variable, suivant le même principe que les ponts suspendus. L’ensemble est tendu par des appareils-tendeurs munis de contrepoids qui exercent une traction équilibrée sur les deux fils et maintiennent une tension mécanique constante pour une plage de température définie (caténaire entièrement régularisée).

Suivant la tension d´alimentation et l´importance de l´énergie de traction à fournir, des caténaires peuvent comporter un système à quatre câbles dont la géométrie est d’autant plus complexe à réaliser et à entretenir. Ce type de caténaire est généralement constitué par deux fils de contact suspendus à distance égale à un câble porteur auxiliaire, lequel est suspendu par des pendules à longueur variable à un câble porteur principal. Sur ce type de caténaire, seuls les fils de contact sont maintenus à une tension mécanique constante (régularisés). Ce type de caténaire est appelé « caténaire composée », ou compound.

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

L’armement est sous tension et constitué par des consoles et haubans isolés des supports caténaires par des isolateurs en verre, céramique ou matière synthétique, dont la taille varie en fonction de la tension d´alimentation et des conditions atmosphériques auxquelles ils sont exposés (zone maritime, polluée, ...).

Vu de dessus, le fil de contact d’une caténaire ne forme pas une ligne droite, mais un zigzag. Cette disposition est destinée à éviter l’usure ponctuelle de l’archet du pantographe.

La hauteur d’une ligne aérienne de traction électrique doit répondre aux conditions suivantes :

• être inférieure ou égale à 6,20 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 ligne à grande vitesse (LGV) 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 5 m, 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 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 fils.

La présence de contrepoids, destinés à maintenir une tension mécanique constante dans la caténaire (généralement, pour une plage de régulation de 70°C, s’étendant de -20°C à +50°C), n’est pas systématique. En effet, en 1 500 V continu notamment, les tirs des caténaires simples (CS), légères (CL) ou de type « fil tram » (un seul ou deux fils de contact, sans porteur ; on parle alors de « LAC » pour Ligne Aérienne de Contact) sont directement ancrés aux supports, sans contrepoids, car la vitesse peu élevée des véhicules permet de compenser au sein du pantographe les différences de hauteur du câble, sans entraîner de chocs sur le câble ;

Les rails de chemin de fer doivent impérativement être reliés à une prise de terre parfaite, au potentiel zéro volt. En effet, la carcasse entière du train (ou métro, ou tramway) étant métallique et entièrement reliée également au sol, si un défaut de terre existait un utilisateur pourrait s'électrocuter en touchant cette carcasse. Dans les sols très rocailleux (comme dans le massif des Maures par exemple) les prises de terre sont très profondes (4 mètres minimum).

Les tensions d'alimentation en France

La structure de la caténaire dépend profondément de la tension d’alimentation. Il existe en France deux principaux types d’alimentation électrique par caténaire :

• 1 500 V à courant continu : déployée lors du début de l’électrification du réseau ferroviaire, 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 et sud-ouest (à Paris : départ des lignes gare de Lyon, gare d’Austerlitz, gare Montparnasse, RER C).
• 25 kV alternatif monophasé 50 Hz : cette alimentation sous une tension plus élevée est celle qui est dorénavant utilisée sur le réseau 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 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 de sources d’alimentation est réalisée. Cette section de séparation a pour but d’éviter le pontage de deux caténaires successives dont les alimentations présentent entre elles des différences de phases, par un ou plusieurs pantographes d’une circulation électrique. Les réseaux 25 kV au départ de Paris se trouvent gare du Nord, gare de l’Est et gare Saint-Lazare. Toutes les lignes nouvelles sont alimentées en 25 kV.

Certaines lignes sont équipées de caténaire simplifiée (par ex. : la ligne Bourg 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 de la caténaire 1 500 V classique. 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 caténaire prend son aspect le plus insolite, car son axe est alors proche de la verticale, tandis que les autres caténaires restent horizontales.

Les tensions d'alimentation en Europe

On retrouve également la caténaire 1 500 V continu aux Pays-Bas.

La caténaire 3 000 V continu se retrouve en Belgique, au Luxembourg (ligne de Luxembourg à 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 à puissance fournie égale, car le courant nécessaire est divisé par deux, et la perte par effet Joule dans les câbles est divisée par quatre.

Certains pays d’Europe comme la Suisse, l’Allemagne, l’Autriche, la Norvège, la Suède et certaines lignes de la République tchèque, ont adopté une tension de 15 kV alternatif monophasé (16,7 Hz).

La fréquence plus basse d’alternance (divisée par trois par rapport au réseau électrique national) permet de limiter les écarts de phase entre le câble d'alimentation et le câble de contact, et simplifie donc leur raccordement sur la caténaire. Elle permet aussi de disposer plus facilement plusieurs pantographes sur les rames de traction sans écart de phase significatif entre les contacts, et de disposer d’une meilleure continuité de l’alimentation de la rame. De ce fait, les rames de traction ne nécessitent pas leur propre centrale de production d’énergie pour réguler le fonctionnement des moteurs, et les lignes peuvent être empruntées par des rames plus légères. Cependant, cela nécessite 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 fréquence normale, même si elles sont limitées par l'utilisation d'une tension élevée.

Autres méthodes de captage du courant

De nombreuses lignes sont électrifiées par troisième rail, essentiellement les réseaux urbains : dans le sud-est de la Grande-Bretagne, sur la ligne Saint-Gervais - Vallorcine, sur la ligne La Tour-de-Carol — Villefranche-de-Conflent ou de nombreux réseaux de métro à travers le monde. D’autres lignes sont électrifiées par plots dans la chaussée, comme le tramway de Bordeaux.

Un type de caténaire particulier commence à se répandre en France : il s’agit du PAC (Profil aérien de contact), constitué par un profilé en aluminium de 11 cm de haut (qui seul supporte la charge de tension mécanique), 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 de Champ de Mars – Tour Eiffel, 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.

Annexes

Articles connexes

• Pantographe
• Chemin de fer
• Captage du courant

Bibliographie

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

Lien externe

• Fiche pédagogique sur le site de la Fondation C.Génial.

Notes et références

• Portail du chemin de fer