Caténaire

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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 du latin caténa (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 conducteur en cuivre, destiné à l’alimentation des trains électriques.

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 (dès 60 km/h) nécessite un fil de contact parfaitement horizontal. Aux vitesses classiques, des irrégularités se traduiraient par des chocs répétés entraînant rapidement une rupture du fil de contact. À grande vitesse, la continuité du contact pantographe-caténaire ne serait plus assurée.

Caténaire normale 1 500 V, avec feeder de ligne.

La solution consiste à suspendre le fil de contact, rainé longitudinalement à cet effet, à un câble autoporteur par l’intermédiaire de pendules de longueurs variables, suivant le même principe que les ponts suspendus. L’ensemble est tendu par un contrepoids qui exerce une traction équilibrée sur les deux fils.

Cependant, les tractions verticales exercées par le câble d’alimentation sur le câble porteur tendent à déformer ce câble en forme parabolique, et dès lors ce câble porteur n’est plus entièrement autoporté en dépit de la régulation de tension mécanique par les pendules. Pour assurer une meilleure horizontalité du câble d’alimentation, un autre câble porteur peut soutenir le porteur principal à l’aide d’un autre jeu de pendules espaçant différemment les sections de chaînettes.

Sur des lignes à grande vitesse, des caténaires peuvent comporter un système à 4 câbles dont la géométrie est d’autant plus complexe à réaliser et maintenir que les câbles de contact doivent aussi assurer une tension longitudinale plus élevée pour maintenir leur horizontalité face aux chocs inévitables des pantographes, et que cette tension varie avec la température extérieure à laquelle sont soumis les câbles et l’augmentation de température résultant du frottement par l’archet du pantographe sur le câble de contact.

Enfin, pour permettre la fourniture d’une puissance suffisante, et résister à une forte tension mécanique, il est nécessaire d’augmenter la section des câbles de contact, ce qui va à l'encontre du maintien de l’horizontalité et apporte plus de contraintes au câble porteur. Pour y remédier, le câble de contact horizontal peut être affiné pour alléger la charge sur le câble porteur, la tension longitudinale mécanique étant supportée par un autre câble, et il sera possible de transporter la puissance nécessaire sur une grande distance sans trop de perte liée à la résistance plus élevée de câbles de contact plus fins, grâce à un câble séparé de transport de l’alimentation, et un raccordement régulier de ce dernier sur le câble de contact (compliqué à ajuster sur des caténaires fournis en courant alternatif, en raison des écarts de phase entre le câble d’alimentation et le câble de contact si ceux-ci n’ont pas la même longueur en raison de leur géométrie différente: les jonctions d’un câble à l’autre ne peuvent pas être simplement verticales).

Le positionnement latéral du fil de contact est généralement assuré par des bras de rappel, fixés aux poteaux de support de la caténaire.

L’ensemble est sous tension et soutenu par des consoles isolées des poteaux support par des isolateurs en verre (2 pour les lignées alimentées en 1 500 V, 3 pour le 25 kV, 4 en zone polluées).

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

Ligne de contact 25 kV.

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’eviter 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.

Ligne de contact 25 kV de type « trolley ».

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

Caténaire 1 500 V type midi.

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 : seule 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 l’horizontale tandis que les autres caténaires restent verticales.
La caténaire 3 000 V continu se retrouve en Belgique, en Italie 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 d’Ohm dans les câbles est divisée par quatre).

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

La caténaire 15 kV alternatif monophasé (16Hz 2/3) que l’on retrouve dans certains pays d’Europe comme la Suisse, l’Allemagne, l’Autriche, certaines lignes de la République tchèque... La fréquence plus basse d’alternance (divisée par 3 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.

Vu de dessus, le fil de contact d’une caténaire ne forme pas une ligne droite, mais un zig-zag. 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 6,50 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 LGV (ligne à grande vitesse) 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 5m, 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 fil de contact.

[modifier] À noter

Le mot caténaire est un nom féminin ;

Alimentation par 3^e rail sur le « Train Jaune ».

Certaines lignes sont électrifiées par troisième rail : en Grande-Bretagne, sur la ligne Saint-Gervais – Vallorcine, sur la ligne La Tour-de-Carol — Villefranche-de-Conflent ou de nombreux réseaux de métro ;
D’autres lignes sont électrifiées par plots, comme le tramway de Bordeaux ;
La présence de contrepoids, destinés à maintenir une tension mécanique constante dans la caténaire (généralement, pour une plage de régulation s’étendant de -10°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 ;

Caténaire rigide sur le RER C.

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 11cm 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.