Principaux systèmes utilisés

L’énergie nécessaire au fonctionnement des moteurs de traction peut être captée soit sur des conducteurs isolés souterrains ou aériens, soit sur une ligne de contact aérienne. Le premier dispositif de prise de courant souterraine utilisé fut un système de distribution discontinue par plots, d’ailleurs très vite abandonné au profit de rails spéciaux disposés à l’intérieur de caniveaux entre les rails de roulement. Cette disposition, principalement utilisée pour les tramways, avait pour but d’éviter les accidents pouvant résulter de la présence d’un rail sous tension au niveau de la chaussée. Sur les lignes comportant une plate-forme particulière non accessible au public, le rail conducteur est aérien, disposé latéralement aux rails de roulement, et le captage est assuré au moyen de frotteurs. Ce rail conducteur, communément appelé troisième rail, n’est plus employé en raison de ses multiples inconvénients qui limitent les possibilités de la traction électrique. Aussi, la ligne de contact aérienne constitue-t-elle le seul mode d’alimentation actuel. Malgré son coût d’installation plus élevé, ce système autorise l’emploi de tensions d’alimentation plus élevées, assure un meilleur isolement, offre une plus grande sécurité et semble bien adapté aux grandes vitesses de circulation. Le captage du courant est alors assuré par une simple perche munie d’un frotteur, d’une roulette ou d’un archet dans le cas des tramways et des chemins de fer secondaires, et par un pantographe dans le cas des engins moteurs des chemins de fer.

Problèmes du captage sur les lignes aériennes

Le système de captage doit assurer sans interruption une alimentation des moteurs par l’intermédiaire de contacts glissants à des vitesses de l’ordre de celles qui sont admises par un collecteur de moteur de traction. Quoique l’expérience montre qu’un contact glissant n’a besoin que d’une surface très faible pour capter une forte intensité, il faut pouvoir assurer, dans le cas d’une alimentation en courant continu à 1 500 V par exemple, le passage de 2 500 A au démarrage de certaines locomotives et de plus de 4 000 A lorsqu’elles utilisent leur pleine puissance en cours de trajet. Pour retrouver les conditions idéales de prise de courant par des balais sur un collecteur ou sur une bague, il faudrait que le système de captage soit fixé sur une base stable et qu’il exerce un effort constant sur un fil de contact continu dont la hauteur et la flexibilité seraient elles-mêmes constantes. Or, la caténaire constitue un système élastique à rigidité et à distribution de masse variables. Quant au pantographe, fixé sur un mobile qui lui imprime des accélérations verticales et transversales plus ou moins importantes, il ne peut réagir instantanément aux variations de hauteur du fil de contact et aux mouvements du véhicule en raison de son inertie. D’autre part, le système doit rester aussi insensible que possible à l’action du vent et aux effets aérodynamiques de l’air lorsque le véhicule circule à vitesse élevée.

Les caténaires

Les lignes de contact doivent résister à tous les efforts normaux auxquels elles peuvent être soumises (effet du vent, poids du givre, action du pantographe) et assurer la régularité du contact sans se déformer excessivement lors du passage du pantographe. Si la ligne de contact est limitée à un seul fil tendu entre deux supports, sa flexibilité est grande au milieu de la portée et nulle au droit des points de fixation, qui constituent des points durs générateurs de chocs et de décollements de l’appareil de prise de courant. Ce genre d’équipement, appelé suspension simple ou fil tramway, est réservé aux voies de service à circulation lente. Une amélioration de la flexibilité consiste à suspendre le fil de contact à un câble porteur au moyen de pendules de longueur variable. C’est la suspension caténaire simple. Cette disposition n’est toutefois pas suffisante pour assurer un captage correct aux vitesses élevées. Lorsque l’alimentation est réalisée sous une tension élevée et que la section des conducteurs est limitée à 150 mm² environ (caténaire légère), on utilise une suspension en Y réalisée par un câble auxiliaire d’une certaine longueur fixé au porteur de part et d’autre du support. Pour des tensions d’alimentation plus faibles, où la section des conducteurs peut atteindre 480 mm², les fils de contact sont accrochés à un porteur auxiliaire lui-même suspendu au fil porteur principal. Cet ensemble constitue la caténaire composée, ou caténaire compound. Un certain désaxement périodique du fil de contact permet de faire varier le point de frottement des barres d’archet du pantographe, et la tension du fil de contact est réglée par des équipements automatiques ou manuels afin de corriger les variations dues aux conditions atmosphériques.

Le pantographe

Il est constitué essentiellement par un système articulé déformable, ou cadre, reposant sur un bâti fixé sur la toiture de l’engin moteur par l’intermédiaire d’isolateurs appropriés à la tension. À la partie supérieure, un archet à une ou à plusieurs palettes munies de barres de frottement assure le captage du courant sur le ou les fils de contact. Des ressorts permettent le développement du pantographe et, grâce à une disposition cinématique appropriée, maintiennent l’effort de contact à une valeur indépendante de la hauteur de la caténaire. Un mécanisme de commande permet de monter et de descendre à volonté le pantographe avec une grande sécurité de fonctionnement. Sur les engins modernes, les pantographes font appel à un système articulé géométriquement dissymétrique. Contrairement aux apparences, ce type de pantographe est symétrique du point de vue aérodynamique. Bien adapté aux grandes vitesses sous caténaires légères, il peut être utilisé sans restriction dans les deux sens de marche.

C. M.