Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Dès l'apparition de l'énergie électrique apte à mouvoir les trains, le problème de leur alimentation s'est posé. Il est une des conditions de la performance du transport ferroviaire. Les puissances demandées, toujours plus importantes, ont engendré une permanente évolution de la technologie des lignes de contact, comme de celle des appareils de prise de courant. La distinction entre grande ligne et transport urbain existe toujours, résultant des contraintes de gabarit nettement différentes. Le présent article en décrit les composantes et leurs caractéristiques. L'infrastructure ferroviaire est un fort enjeu économique et environnemental, il convient donc d'en donner les principaux paramètres en termes de maintenance.
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Pierre CHAPAS : Ingénieur DPE 1977 - Sénior Expert ferroviaire
INTRODUCTION
L'énergie est à la base de tout moyen de transport :
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les animaux et l'homme pour les caravanes ou le transport de lourdes charges à l'aide de véhicules équipés de roues ;
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le vent poussant les voiles des navires en mer ;
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la vapeur actionnant les pistons d'un moteur d'une locomotive ;
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la combustion d'un liquide fossile dans les cylindres d'un moteur de véhicule automobile ou de bateau ;
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la combustion du gaz actionnant un turbomoteur d'avion.
Dans tous les cas, sauf celui du vent, les véhicules, terrestre, aérien ou maritime, embarquent leur source d'énergie pour assurer leur autonomie.
Le chemin de fer a une spécificité depuis le développement de l'électricité industrielle : la voie ferrée est équipée d'une ligne d'alimentation de sorte que l'énergie électrique est « captée », et non plus embarquée, par le véhicule sur rails. Deux conséquences primordiales en découlent :
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l'autonomie est infinie (tant que la ligne est électrifiée) ;
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la transformation de l'énergie électrique en énergie mécanique n'engendre d'autre rejet qu'un très faible dégagement de chaleur dû aux pertes. C'est la raison pour laquelle, dès la fin du XIX e siècle, les transports urbains ont été les premiers à mettre en œuvre cette énergie en remplacement de celle du cheval, de la vapeur ou du moteur à combustion interne, très polluants.
Deux parties distinctes recouvrent l'alimentation des trains. La première est la fourniture au réseau ferroviaire de la puissance nécessaire sous la forme et au niveau satisfaisant : ce sont les sous-stations, véritables centrales-interfaces avec le réseau général.
La seconde partie, développée dans le présent article, analyse les fonctions et leurs contraintes, pour assurer la distribution de la puissance électrique en ligne. Les contraintes, électriques, mécaniques, aérodynamiques, sont importantes.
Les différents types d'exploitation des trains demandent une adaptation de ces technologies. Ainsi, les réseaux métropolitains, construits en grande majorité en tunnels, ont-ils, dès l'origine, privilégié l'alimentation par conducteur fixé au sol (appelé communément « 3e rail », respectant ainsi le gabarit restreint de telles infrastructures. De même, le redéveloppement, récent, des réseaux de tramways, engendre des innovations respectant l'environnement des villes, grâce notamment à l'alimentation en énergie par le sol.
Comme il en est pour toute infrastructure de transport, la garantie de bon fonctionnement dans les conditions les plus sévères en termes de densité d'exploitation et de performances économiques, est subordonnée à une maintenance rigoureuse, dont nous analyserons les principaux aspects.
La traction électrique ferroviaire a bénéficié des progrès et des développements de l'électrotechnique et de l'électronique dès l'origine. Une telle dynamique lui a permis de se placer en tête de tous les moyens de transport. En termes de rentabilité énergétique, soulignons le niveau record du rendement atteint par l'engin de traction. Par ailleurs, la transformation de l'énergie électrique distribuée au chemin de fer n'a aucune incidence néfaste sur l'environnement.
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Appareil de prise de courant : pantographe
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2. Ligne aérienne de contact
Un fil conducteur placé dans l'axe de la voie, permet à un appareil de prise de courant articulé, appelé « pantographe » placé en toiture de l'engin de traction, de capter l'énergie pour alimenter ses équipements de puissance (figure 2).
La ligne de contact assure deux fonctions essentielles :
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électrique : distribution de l'énergie, avec la résistance ohmique la plus faible possible ;
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mécanique : contact avec le pantographe exerçant une pression convenable quelles que soient les incidences du mouvement du véhicule ou du fil de contact.
2.1 Fonctions mécaniques
La tension mécanique du fil et sa position par rapport à la voie sont assurées par des supports latéraux à la voie, convenablement espacés (distance entre eux appelée « portée »). Le poids du fil provoque une flèche entre deux supports, régie par l'équation de la chaînette (latin « catena », d'où le nom de caténaire). Le pantographe doit suivre la flèche périodique du fil. Si celle-ci est faible, le captage est correctement assuré à basse vitesse. C'est le cas sur les réseaux de transport urbain, ainsi que sur les voies de circulation en manœuvre ou en gare.
Au-delà d'une certaine vitesse, 60 km/h environ, la qualité du captage exige une hauteur la plus constante possible du fil de contact par rapport au rail, pour éviter les défauts de prise de courant au droit des supports, provoquant des arcs électriques. Cela revient à supprimer la flèche naturelle du fil de contact. Trois solutions sont alors envisageables :
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réduire la distance entre supports en les multipliant, de sorte que la raideur du fil de contact rende la flèche négligeable. La solution est exclue d'un double point de vue économique et esthétique ;
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augmenter la section du fil de contact jusqu'à ce que son inertie rende la flèche également négligeable entre deux supports. Dans certaines configurations, notamment de gabarit réduit en tunnel ou en tranchée, cette solution, appelée « contact rigide », est utilisée ;
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introduire des supports intermédiaires, appelés « pendules », entre le fil de contact et un câble porteur fixé aux supports. La longueur des pendules est variable selon la flèche du porteur....
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Ligne aérienne de contact
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TESSIER (M.) - Traction électrique et thermoélectrique. - Éditions Scientifiques Riber, Paris (1978).
-
(2) - NOUVION (F.) - Les techniques de l'électrification ferroviaire. - École Supérieure d'Électricité, Paris (1966).
-
(3) - ALLENBACH (J.M.), CHAPAS (P.), COMTE (M.), KALLER (R.) - Traction électrique. - Presses Polytechniques et Universitaires Romandes, Lausanne (2008).
-
(4) - VIVIANT (G.) - L'évolution de la caténaire pour les vitesses supérieures à 300 km/h. - Revue Générale des Chemins de Fer, avr. 2001.
-
(5) - ALIAS (J.) - La voie Ferrée. - Eyrolles, Paris (1984).
-
(6) - Divers auteurs - Alimentation électrique. - Revue Générale des Chemins de Fer, juil.-août 2001.
- ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Alstom Transport http://www.alstom.fr
Bombardier Transport http://www.bombardier.com/fr/transport
Cegelec https://www.cegelec-stm.fr/a-propos/
Faiveley Transport http://www.faiveleytransport.com
Furrer & Frey http://www.furrerfrey.ch
Régie autonome des transports parisiens http://www.ratp.fr
Réseau ferré de France – RFF http://www.rff.fr
Société nationale des chemins de fer français http://www.sncf.com
HAUT DE PAGE1.2 Organismes – Fédérations – Associations (liste non exhaustive)
Union internationale des chemins de fer (UIC) http://www.uic.fr
Union...
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