Caténaire - Définition
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.
La solution consiste à suspendre le fil de contact, rainuré longitudinalement à cet effet, à un câble porteur 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.
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 :
- 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.
Certaines lignes sont équipées de caténaire simplifiée (Ex: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: 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 15 Kv 16Hz 2/3 que l'on retrouve dans certains pays d'europes comme la Suisse, L'Allemagne, L'Autriche, certains lignes de la République tchèque...
- La caténaire 3000 V Continu que l'on retrouve en Belgique, en Italie ou dans certains pays de l'Est comme la Pologne.
- La caténaire 1 500 V Continu que l'on retrouve aussi aux Pays-Bas
Vue 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.
À noter
- Certaines lignes sont électrifiées par troisième rail : Grande-Bretagne, Ligne Saint-Gervais-Vallorcine,Ligne La Tour de Carol-Villefranche de Conflent ;
- D'autres lignes sont électrifiées par plots : tramway de Bordeaux ;
- Caténaire est un nom féminin;
- 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 sytématique. En effet, en 1500V continu notamment, les tirs des caténaires simples (CS), légères (CL) ou de type "fil tram" (un seul ou deux fils de contact, sans porteur) sont directement ancrés aux supports, sans contrepoids ;
- 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, 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 d'Orsay, 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.