Système d'électrification ferroviaire

Caténaire 1,5 kV engare de Villeneuve-Saint-Georges.

Unsystème d’électrification ferroviaireest l’ensemble des moyens mis en œuvre pour alimenter enénergie électriqueles trains (locomotive électriqueourame automotrice électrique). Les trains sont alimentés en courant alternatif haute tension ou en courant continu. L’alimentation passe par untroisième railou unecaténaireet le retour de courant se fait par les rails de la voie ou un quatrième rail dédié.

Historique

Le record du monde de vitesse de1903(210,2km/h) a été établi sur une ligne électrifiée entriphasé.

Pour propulser une locomotive électrique, il faut un système propulseur électrique, un système de variation de vitesse et un système de production et de transport de l'énergie électrique.

Le seul courant facilement productible et transportable est le courant alternatif polyphasé: hier, le diphasé ou quadriphasé, aujourd'hui, le triphasé. À l'origine,lemoteur électriquebien adapté à la traction est lemoteur à courant continude type série car il possède une très grande plage de vitesse variable et un très fortcoupleau démarrage. En feuilletant le stator d'un moteur à courant continu et en prenant un très grand soin au niveau des balais (phénomènes de commutation), il est possible d'alimenter un moteur à courant continu avec du courant alternatif. Plus la fréquence de ce courant est élevée, plus les tensions entre les lames du commutateur augmentent et les pertes fer (hystérésisetcourants de Foucault) sont importantes, d'où l'idée d'utiliser une fréquence faible: le 16,7Hz(à nos jours utilisé en Allemagne, Autriche et en Suisse, par exemple).

Aucun système n'étant parfait, de nombreuses solutions ont été essayées, en tensions, en fréquences, en types de moteur, en systèmes de variation de vitesse, en système de transmission de la puissance aux roues, en systèmes de captage de courant; ceci explique le très grand nombre de fabricants de matériel ferroviaire dans la première moitié duXX^esiècle, et la très grande variété d'écoles d'ingénieurs formant les spécialistes capables de comprendre et de faire évoluer cette multitude de systèmes.

L'ensemble de ces problèmes a été résolu aujourd'hui avec lessemi-conducteursdepuissancequi permettent de « jongler » avec tensions et fréquences. Depuis le début des années 80 la majorité des moteurs sont desmoteurs alternatifs asynchronesà fréquence variable, alimentés par des convertisseurs statiques. La tension économique à l'utilisation est donc le 25 000Và fréquence industrielleen dehors des sites urbains et suburbains où les tunnels et le réseau de transport d'énergie s'accommodent mal du monophasé à fréquence industrielle, sans compter l'implantation de sections de séparation de phase ni la hauteur des quais limitée à 1men pratique. La chaine de traction moderne à moteurs asynchrones autorise les deux fréquences en usage, en Europe, ainsi que les deux types de courant.

La traction électrique présente un intérêt pour les lignes à fort trafic ou au profil difficile. En ville, elle permet aux trains de circuler en tunnel (métro) et évite les nuisances du préchauffage des moteurs Diesel.

En France, en 2009, l'électrification d'une ligne existante coûte environ un million d'euros par kilomètre,mais cela peut être beaucoup plus élevé quand il faut adapter des tunnels ou des ponts au gabarit électrique. Ainsi, la ligne dite "de la côte bleue" entre Miramas et l'Estaque, dont l'électrification en 1 500 V continu était projetée à la fin des années 1970, a été réalisée, uniquement entre Miramas, et Lavalduc, pour la desserte en traction électrique du complexe chimique de Fos. La portion entre Lavalduc et l'Estaque, comprenant de nombreux tunnels entre Martigues et l'Estaque, ne fut jamais électrifiée, le coût devenant trop rédhibitoire. En 2017, la ligne est exploitée exclusivement par des TER Bi-modes (BGC 81500, ou Regiolis B 84000 bimode-bicourant), de la région PACA.

Tensions utilisées

Courants utilisés en Europe sur les lignes classiques:

• non-électrifié
• 750 VCC
• 1,5 kVCC
• 3 kVCC
• 15 kVCA,16,7 ou 16⅔ Hz
• 25 kVCA,50 Hz

Lestensions électriquesutilisés en Europe ont fait l'objet d'une standardisation présentée dans le tableau ci-dessous.

Les valeurs varient en fonction du nombre de trains sur la ligne et de la distance à la sous-station.

Système d'électrification	Plus basse tension non-permanente	Plus basse tension permanente	Tension nominale	Plus haute tension permanente	Plus haute tension non-permanente
600VCC	400V	400V	600V	720V	800V
750VCC	500V	500V	750V	900V	1kV
1 500VCC	1 000V	1 000V	1 500V	1 800V	1 950V
3kVCC	2kV	2kV	3kV	3,6kV	3,9kV
15kVCA,16,7 ou 16⅔ Hz	11kV	12kV	15kV	17,25kV	18kV
25kVCA,50Hz	17,5kV	19kV	25kV	27,5kV	29kV

CCpour « courant continu »;CApour « courant alternatif »

Courant continu

Le réseau duNottingham Express Transitutilise ducourant continu750Vcomme la plupart destramwaysmodernes.

Les premiers systèmes électriques utilisaient des tensions relativement basses en courant continu. Lesmoteurs électriquesétaient alimentés en direct sur le réseau et contrôlés par une combinaison derésistanceset decontacteursqui connectaient les moteurs en parallèle ou en série.

Les tensions courantes sont le 600Vet le 750Vpour lestramways,trolleysetmétros,et le 1 500Vet le 3 000Vpour les grands chemins de fer. Autrefois, desconvertisseurs rotatifs(commutatrices) ou desredresseurs à vapeur de mercureétaient utilisés pour convertir le courant alternatif fourni par le réseau public en courant continu à la tension voulue. De nos jours, on utilise généralement desredresseursàsemi-conducteurs.

Du fait que dans un système électrique, lapuissanceest égale à latensionmultipliée par l'intensité,les faibles tensions rencontrées généralement dans les systèmes à courant continu impliquent des intensités relativement importantes. Si cette puissance doit alimenter directement un moteur à courant continu, il est nécessaire de minimiser les pertes en utilisant alors des conducteurs à sections importantes et de longueurs réduites entre les stations de conversion.

Les équipements auxiliaires, tels quesouffleriesetcompresseurs,sont aussi animés par des moteurs branchés directement sur le réseau électrique. En conséquence, ces moteurs sont souvent inhabituellement volumineux.

Le courant continu 1 500Vest utilisé auxPays-Bas,auJapon,dans certaines parties de l'Australieet partiellement enFrance(réseaux Sud-Est et Sud-Ouest). AuxÉtats-Unis,le courant continu 1 500Vest utilisé dans la région deChicagopar leMetra(anciennementIllinois Central Railroad) et la ligne de tram interurbainSouth Shore and South Bend.

Lemétro Tyne & Wearest le seul réseau du Royaume-Uni utilisant du courant continu 1 500V.

AuRoyaume-Uni,le courant continu 1 500Vfut utilisé en 1954 pour l'électrification de l'itinéraire de la trans-Pennine(maintenant fermé) par letunnel de Woodhead.Le système utilisait le freinage par régénération, permettant le transfert d'énergie entre les trains montant et descendant les rampes d'approche du tunnel. Le seul réseau utilisant actuellement ce type de courant au Royaume-Uni est celui dumétro Tyne & Wear.

Le courant continu 3 000Vest utilisé enBelgique,enItalie,enPologne,dans le nord de laRépublique tchèque,enSlovaquie,dans l'ancienneYougoslavie,au Maroc et dans les pays de l'ex-Union soviétique.Le courant continu 3 000Vfut aussi utilisé autrefois par leDelaware, Lackawanna and Western Railroad(actuellementNew Jersey Transitavant qu'il ne soit converti au courant alternatif 25kV) et par le Chicago, Milwaukee, St Paul and Pacific Railroad entre 1915 et 1973.

• En France, le choix du courant continu fut imposé par l'autorité militaire, en 1920, pour éviter une occupation de la France par les Allemands, qui utilisaient le courant alternatif; leP.O.et lacompagnie du Midiont électrifié les lignes du Sud-Ouest en 1 500Vcontinu, ainsi que lePLM,avec la ligne deCulozàModane,entre 1925 et 1936 (caténaires entre Culoz et Chambéry, et troisième rail entreChambéryet Modane — le troisième rail fut totalement remplacé par les caténaires en 1976). Cependant, les ingénieurs Hippolyte Parodi, du PO, et Jean Raoul Paul, du Midi, ont élaboré l'électrification des Chemins de fer marocains (protectorat français) dès 1925, en 3 000Vcontinu. Une ligne des CFA (chemins de fer algériens, puis PLM algérien, puis SNCF A) fut électrifiée, en 1930, en 3 000Vcontinu, avec des caténaires désaxées similaires à celle de la ligne deBéziersàNeussargues,mais avec des isolateurs renforcés pour le 3 000Vcontinu).
• Au milieu des années 1970, une section de la ligne du Médoc fut rendu commutable 1500/3000 V continu, lors de la modernisation de la sous-station de Lesparre, afin d'essayer des engins moteurs 3000 V continu, fabriqués par Alsthom, sortant d'usine, et destinés à l'export.

À noter que le Luxembourg a équipé comme ses voisins, en 3kVlaligne Luxembourg – Kleinbettingenau lieu du 25kVutilisé sur ses autres lignes, afin d'éviter les escales avant l'avènement des engins bi-courants fiables et sans coût exagéré. Cette curiosité luxembourgeoise a disparu en 2018 avec la réélectrification en 25 kV de la ligne concernée.

Les tensions indiquées (telles que1 500V) sont des valeurs nominales susceptibles de fluctuer dans un sens ou dans l'autre, par exemple entre 1 300Vet 1 800Vselon divers facteurs:

• nombre de trains captant le courant sur la ligne,
• distance depuis la sous-station.

Les tensions courantes sont souvent des multiples simples l'une de l'autre:

• 1 500VCC = 2 × 750VCC
• 3 000VCC = 2 × 1 500VCC
• 1 200VCC = 2 × 600VCC

Ceci a permis de nombreuses combinaisons dans les chaînes de traction des anciennes locomotives à commande électromécanique.

Il est possible de faire fonctionner en sous-tension une locomotive conçue pour une tension plus élevée, avec la tension caténaire plus faible, entre deux réseaux ferroviaires utilisant le courant continu: exemple, entre la SNCF et lesFS,à Modane etVintimille,ou entre laSNCBet lesNS,àRoosendaaletMaastricht.La machine italienne/belge conçue pour le 3 000Vcontinu évolue sous tension caténaire 1 500Vcontinu pour manœuvrer (mais pas pour accélérer).

Les motrices modernes nécessitent une modification du logiciel de gestion, afin d'autoriser la fermeture du disjoncteur en sous alimentation (cas d'une machine tritension 25kV-50Hz,15kV-16⅔ Hz et 3 000Vcontinu). Dans le mode 3 000Vcontinu, la chaine de traction travaille ainsi à demi-tension sous 1 500Vcontinu.

Lechemin de fer de la Mure(Isère,France) fut la première ligne électrifiée en courant continu haute tension, entre 1903 et 1913 (tension 2 400 V-DC en charge et 2 700Và vide). Cette électrification à haute tension avait la particularité d'avoir une ligne de contact bifilaire (comme en triphasé) à + 1200 V et - 1200 V, le point 0 se trouvant au rail. Ce système avait été également utilisé sur letramway de Grenoble à Chapareillan,mais à la tension totale de 1200 V (+ 600 V et - 600 V avec point milieu au rail. Lemétro Nord-Sud parisiena utilisé une variante, mais avec la caténaire à + 600 V et le troisième rail à - 600 V.

Exemple de lignes ferroviaires transformées ou en cours de réélectrification en 25 KV-AC:

• Ligne Luxembourg – Kleinbettingen-frontière belge des CFL, passage de 3000 volts continu au 25kV50Hz:Les travaux ont été achevés enseptembre 2018;
• Ligne (Bellegarde) – La Plaine – Genève (SNCF/CFF), passage du 1500 volts continu au 25kV50Hz:Les travaux ont été terminés enaoût 2014entre Genève et Bellegarde.La ré-électrification de cette portion de la ligne de Lyon à Genève s'inscrit dans le cadre du projet Franco-SuisseLéman Express;
• En 2016, leréseau ferroviaire indien,en grande partie électrifié en 25kV50Hzdepuis 1957, a converti de la sorte les dernières lignes à voie normale utilisant le 1500 volts continu.

Courant alternatif à basse fréquence

Les moteurs électriques courants, àcommutation,peuvent aussi être alimentés encourant alternatif(moteur universel), parce que l'inversion du sens du courant à la fois dans lestatoret lerotorne change pas la direction ducouple.Toutefois, l'inductanced'un enroulement ne permet pas de réaliser de gros moteurs aux fréquences standard des réseaux de distribution. Un certain nombre de pays européens, dont l'Allemagne,l'Autriche,laSuisse,laNorvègeet laSuède,ont standardisé le courant alternatif monophasé à 15kVà 16²⁄₃Hz(un tiers de la fréquence standard) (auparavant des tensions de 6kVet 7,5kVavaient été employées). Pour des raisons de tenue du matériel, la fréquence des réseaux allemand, suisse et autrichien a été modifiée à 16,7Hz(aussi appelée fréquence spéciale) depuis le16 octobre 1995.AuxÉtats-Unis(avec leur système de distribution électrique à 60Hz), la fréquence de 25Hz(une ancienne fréquence standard, désormais obsolète de distribution) est utilisée sous 11kVentreWashingtonetNew York.Une section équipée en 12,5kV25Hzentre New York etNew Haven(Connecticut) fut convertie en 60Hzdans le dernier tiers duXX^esiècle. La compagnie du Midi, en France, a commencé à électrifier les lignes des Pyrénées, en 12 kV 16 2/3 Hz, dès 1912, avec Perpignan – Villefranche - Vernet-les-Bains, puis a continué avec ce système sur les autres antennes partant de Tarbes, Lourdes, et Pau, durant la fin de la Première Guerre Mondiale. Cependant, l'autorité militaire française a imposé le courant continu, dès 1920, car la tension et la fréquence, étaient compatibles avec les locomotives électriques Allemandes Siemens, ce qui aurait pu faciliter une occupation de la France par l'Allemagne, en cas de nouvelle guerre, locomotives Siemens conçues pour le 15 KV 16 2/3 Hz, et qui auraient fonctionné avec le 12 KV à basse fréquence du Midi. Toutes ces lignes furent réélectrifiées en 1500 V continu, dans les années 1920, à l'exception de la ligne Perpignan – Villefranche - Vernet-les-Bains, qui ne sera réélectrifiée en courant continu, qu'en 1984, après un intermède en traction diesel entre 1971 (fin du 12 KV basse fréquence), et 1984.

Les moteurs sont alimentés par l'intermédiaire d'untransformateurcommutateur qui permet de modifier la tension, aussi les résistances ne sont pas nécessaires. Les équipements auxiliaires sont pilotés par des moteurs à basse tension à commutation, alimentés par un enroulement séparé du transformateur principal, et sont de taille raisonnablement petite.

Les fréquences inhabituelles supposent que l'électricité soit convertie à partir du courant fourni par réseau public par desmoteurs-générateursou desinverseurs statiquesdans les sous-stations d'alimentation du réseau, ou produite par des postes électriques complètement séparés.

Courant alternatif à fréquence standard

Les premières tentatives d'utiliser du courant alternatif monophasé à la fréquence standard de 50Hzont eu lieu enHongriedans lesannées 1930en 16 kV 50 Hz, puis en Allemagne, durant cette même décennie sur la ligne du Höllental entre Freiburg Breisgau, et Titisee, en 20 kV 50 Hz.

Toutefois, ce n'est que dans lesannées 1950que l'usage de ce courant dit « à fréquence industrielle » a débuté (autour d'Annecy, sous l'impulsion deLouis ArmandetFernand Nouvion), puis s'est vraiment répandu, notamment avec l'électrification de la transversale Nord-Est (Valenciennes – Thionville) enFrance.

De nos jours, certaineslocomotivesdans ce système utilisent untransformateuret unredresseurqui fournissent un courant continu à basse tension aux moteurs. La vitesse est contrôlée par commutation des enroulements du transformateur. Des locomotives plus sophistiquées utilisent des circuits àthyristorsou àtransistors IGBTpour produire un courant alternatif vibré ou même à fréquence variable qui ensuite alimente directement lesmoteurs de traction.

Ce système est économique. Pour éviter des déséquilibres de phase dans les systèmes d'alimentation extérieurs, on a fait appel, dans les débuts, à des transformateurs triphasés/monophasés ou triphasés/diphasés. Ces deux types de transformateur réduisent les déséquilibres entre phases sans les supprimer. Ils permettent par contre d'orienter convenablement le vecteur de phase résultant au secondaire chaque fois que nécessaire et en particulier dans le cas où l'on veut mettre en parallèle plusieurs sous-stations qui ne présentent pas le même indice horaire au primaire (ex: 0-4-8 pour le 225kVet 3-7-11 pour du 63kV). Cette solution a été appliquée sur 3 sous-stations des banlieues 25kVOuest, Est et Nord de Paris vers les années 1966/1968, dans le but d'alimenter ces trois réseaux en parallèle. Aujourd'hui, les locomotives grâce à l'IGBT avec moteurs de traction à fréquence variable, ont uncourant d'appelfaible au démarrage. Cela permet de prendre l'alimentation des sous-stations directement entre deux phases. Cela engendre des déséquilibres sur la troisième phase mais est considéré comme acceptable car évitant l'acquisition de ces transformateurs spéciaux très coûteux. Un système de courants trop déséquilibrés peut d'une part engendrer desinterférences électromagnétiquesnotables et d'autre part poser des problèmes au niveau même de la production de courant (l'alternateur).

Le système alternatif monophasé 25kV50Hzest utilisé enFrance,enGrande-Bretagne,enFinlande,auDanemarksur certaines lignes enBelgiquenotamment lesLGV,dans les pays de l'exUnion soviétique,l'ex-Yougoslavie,enInde,auJaponet dans certaines parties de l'Australie (toutes les électrifications duQueenslandet d'Australie-Occidentale), tandis qu'auxÉtats-Unison utilise communément des courants de 12,5 et 25kVà 60Hz.Le 25kV50Hzest le courant de référence pour toutes les lignes à grande vitesse et les longues distances, même lorsque le reste du réseau est électrifié avec un autre type de courant. C'est le cas notamment en Espagne, en Italie, aux Pays-Bas, en Afrique du Sud, au Sénégal, à Taïwan, en Chine,etc.

2 × 25kV

Caténaire 2 × 25kVentre Caen et Paris.

C'est une formule utilisée pour minimiser le nombre de sous-stations pour alimenter la ligne.

La sous-station (1) transforme la puissance duréseau HT-B(2) et alimente lacaténaire(3) et un câble d'alimentation aérien ou souterrain nomméfeeder(5) qui sont en opposition de phase, chacun à un potentiel de 25kVpar rapport au rail (4), soit une différence de potentiel de 50kVentre la caténaire et le feeder.

Schéma d'une alimentation 2 × 25kV.

À intervalle régulier en distance, unautotransformateur(9) connecte le rail (10), le feeder (5) et la caténaire (8) pour alimenter le train (7) en 25kV.

Le résultat de ce montage est que la puissance électrique est alors transportée sur une grande partie du parcours — entre la sous-station et l'autotransformateur — sous une tension de 50kV(entre le feeder et la caténaire), tandis que l'autotransformateur délivre la puissance au train en 25kV(entre la caténaire et le rail). Par ailleurs, le courant qui alimente le train provient des deux autotransformateurs qui l'encadrent (devant et derrière lui), ce qui divise le courant dans une section de caténaire.

LesLGVfrançaises et la plupart des axes nouvellement électrifiés en France le sont sur ce principe.

Alimentation de la caténaire ou du troisième rail

La fourniture d'électricité aux caténaires ou au troisième rail est une problématique à part entière de l'électrification ferroviaire.

Au niveau de la source d'électricité, le gestionnaire du réseau peut choisir de produire lui-même l'électricité,ce qui était courant au début duXX^esiècle pour lemétro de Parispar exemple. C'est devenu beaucoup moins intéressant avec les progrès accomplis en matière de conversion du courant et avec le développement du réseau électrique. LaSNCFa été pratiquement autonome jusque dans lesannées 1960avec ses propresusines hydroélectriqueshéritées de laCompagnie du chemin de fer de Paris à Orléans(PO) (barrages sur la Creuse, la Dordogne, la Rhue et quelques autres) et de laCompagnie du Midi(nombreux barrages pyrénéens).

Le choix d'uncourant alternatifà une fréquence différente de celle du réseau de distribution peut contraindre l'opérateur à avoir son propre réseau de transport de l'électricité (CFFenSuissepar exemple).

Sous-stations ferroviaires

Des sous-stations d'alimentation sont nécessaires pour convertir le courant électrique de satension de transportà sa tension d'utilisation. La tension utilisée conditionne la distance entre deux sous-stations; plus la tension est élevée, plus elles seront éloignées les unes des autres.

Les sous-stations sont des installations électriques qui traitent des puissances électriques très élevées et doivent être raccordées au réseau de distribution haute tension.

En France, les sous-stations 1 500Vatteignent 15MW;les sous-station 25kVatteignent120 MVA.

SNCF Réseaualimente ses caténaires 25kVà partir des réseaux 63, 90, 225 et 400kVdeRéseau de transport d'électricité(RTE).

La tension vue par le train peut beaucoup varier autour de la tension nominale. Il peut y avoir une baisse de tension à cause d'une demande de courant trop forte pour les capacités de la sous-station ou au contraire une tension plus élevée que la tension nominale s'il y a peu de trains et au voisinage de la sous-station (jusqu’à 27kVen alimentation 25kV).

La puissance de l'alimentation est critique. Les problèmes de sous-alimentation peuvent avoir des conséquences graves. Ils empêchent d'augmenter le trafic de la ligne, ralentissent les trains qui doivent modérer leur accélération. Dans des cas extrêmes, une ou plusieurs sous-stations peuvent disjoncter et paralyser la circulation. EnÎle-de-France,ce type de problème est apparu plusieurs fois (pannes sur le réseauSaint-Lazare,sous-alimentation de lagrande ceintureentreMassy - PalaiseauetVersailles-Chantiers,pannes sur leRER Aavec l'arrivée desMI 2Nbeaucoup plus puissants que les trains qu'ils ont remplacés).

Pour prévenir cette situation, il faut avoir une politique d'amélioration continue de l'alimentation de la ligne en augmentant la puissance que peuvent fournir les sous-stations existantes ou en créant de nouvelles sous-stations. En Suisse, l'alimentation permet de voir des unités multiples (UM) deRe 460(2x6 MW) en tête de train sur les lignes de montagne alors qu'en France la SNCF n'utilise pas d'unité multiples sur ses locomotives les plus puissantes (BB 26000,BB 36000).

Pour éviter que la sous-station disjoncte, l'opérateur peut brider la puissance disponible des trains. Ainsi, la puissance disponible pour une rame de TGV en unité multiple n'est en général pas la somme de la puissance des deux rames et, même en unité simple, le train n'utilise pas sa puissance au maximum hors des lignes à grande vitesse. Cette problématique dégrade l'efficacité desTGV Sud-Estsur les lignes classiques alimentées en 25kValors que paradoxalement ces rames sont conçues pour circuler sous cette tension à 270 /300km/h.

Installations commutables

À la frontière entre deux systèmes d'électrification ferroviaire, le manque de matériel capable d'utiliser les deux courants ou les conditions d'exploitation peuvent conduire à la mise en place d'installations commutables. Situées dans une gare ou sur un faisceau de triage ces installations permettent de simplifier le changement de locomotive ou à des trains bicourants de changer de système utilisé à l'arrêt.

Les gares frontières deQuévy(Belgique),Jeumont,Aix-la-chapelle,Vallorbe,GenèveouBâlesont des cas de gares commutables pour permettre le changement de matériel.Dole-Villea été une gare commutable (25kV/1,5kV) pour la même raison et finalement la section de séparation a été déplacée quand le matériel bicourant était suffisamment répandu. De même, lagare de Luxembourgétait une gare commutable (25kV50Hz/ 3kVCC) jusqu'à la réélectrification de la ligne Luxembourg –Arlonen 25kVjusqu'àKleinbettingen-frontière.

• Le cas des gares commutables suisses de Vallorbe et de Chiasso est particulier:
  • dans le sens Suisse-Étranger, on bénéficie de la zone commutable sans débordement, ainsi la locomotive suisse arrive pantographes abaissés et s'arrête dans la zone, qui est ensuite commutée vers la tension en vigueur dans le pays concerné (25kValternatif en France et 3 000Vcontinu en Italie), le mécanicien est autorisé à relever les pantographes et à évoluer normalement. La machine française (à Vallorbe), où la machine italienne (à Chiasso), peut manœuvrer par ses propres moyens, et s'atteler au train;
  • dans le sens Étranger-Suisse, la locomotive française (à Vallorbe), ou italienne (à Chiasso), arrive en gare, avec les pantographes abaissés, mais elle traverse la zone commutable et s'arrête avec le train en zone purement 15kV,et conserve ses pantographes abaissés; un engin de traction CFF vient manœuvrer cette locomotive, pour la renvoyer en zone commutable. À ce moment-là, on commute la zone, sur la tension de la locomotive, et cette dernière relève ses pantographes pour aller se remiser.

• En France intérieure:
  • Les voies RER B/D de lagare du NordàParissont pourvues d'automatismes agissant lors de l'exploitation en interconnexion pendant la phase d'arrêt à quai,
  • Les voies de lagare de Bellegarde(avant la ré-électrification de la section Bellegarde Genève en 25 kV en 2014) en direction duHaut-Bugeyétaient commutables 25kV/1 500Vpour permettre aux trains de changer de système de courant à l'arrêt,
  • Gare de Dole-Ville(Voir le paragraphe concernant la situation antérieure).

Bien que la gare italienne de Domodossola soit équipée de sections de séparation entre 3000 V continu italien, et 15 KV suisse sur toutes les voies, seule la première voie à quai de la gare est commutable. Cette voie est utilisée exclusivement par les trains régionaux italiens.

Alternatives aux installations commutables

Il arrive que le changement de tension ait lieu en pleine voie au moyen d'uneécluse électrique(nl),comme entreEssen (Belgique)etRosendael (Pays-Bas)ce qui exige soit une locomotive (ou une rame automotrice) polytension (comme dans le cas du train de nuit Bruxelles – Prague par Amsterdam et Berlin), soit (dans ce cas-ci) que le train belge équipé en 3kVcontinue à puissance réduite sous les 1,5kVdu réseau néerlandais jusqu'à son terminus transfrontalier (comme dans le cas du trainS32Puers – Rosendael).

Captage du courant

Le captage du courant se fait aujourd'hui principalement de deux façons:

• par fil de contact aérien, simple ou supporté par unecaténaireou unprofil aérien de contact;
• par rail conducteur (troisième rail).

Que l'alimentation soit en l'air ou au sol son principe reste le même: un frotteur vient en contact avec un rail ou un fil pour capter le courant. La liaison entre le frotteur et l'alimentation permet un débattement vertical ou horizontal afin d'absorber les irrégularités de la ligne.

Le troisième rail permet d'avoir un gabarit plus réduit et demande une infrastructure moins lourde que le contact aérien. Il a, par contre, l’inconvénient de limiter la vitesse ainsi que la tension utilisable et d'être dangereux pour la sécurité des personnes en intrusion ou celles qui cheminent le long de la voie.

Matériel roulant

Locomotives polytensions

Du fait de la diversité des systèmes d'électrification ferroviaire, qui peuvent varier même à l'intérieur d'un pays, les trains doivent souvent passer d'un système à l'autre. Un des moyens de le faire est le changement de locomotives dans les gares de contact. Ces gares sont équipées de caténaires qui peuvent basculer d'un type de courant à l'autre, de sorte qu'un train peut arriver avec une locomotive et repartir avec une autre. C'est toutefois un système qui présente des inconvénients et des surcoûts: perte de temps, nécessité de disposer de différents types de locomotives.

Un autre moyen est de disposer de locomotives polytensions capables de fonctionner sous des courants de différents types. En Europe, on peut trouver des locomotives quadritensions (courant continu 1 500Vet 3 000V,courant alternatif 15kV16 ²⁄₃Hzet 25kV50Hz). C'est le cas par exemple des rames TGVPBKAutilisées parThalys.Ces locomotives peuvent passer, sans nécessiter un arrêt, d'un type de courant à un autre; toutefois elles ne sont généralement pas aussi efficaces sous tous les courants et leur coût de construction est plus élevé. On trouve plus couramment des locomotives bicourants, par exemple en France dont le réseau ferroviaire est partagé entre le courant continu 1 500Vet le courant alternatif 25kV50Hz.

Les trains à grande vitesseEurostarsont tritension pour pouvoir circuler sur les lignes à grande vitesse (CA 25kV50Hz), les anciennes lignes à3^erail britanniques (CC 750V) et les lignes belges (CC 3 000V). À noter que quelques rames Eurostar1^regénération (TGV TMST) ont été adaptées pour que les auxiliaires fonctionnent sous CC 1 500Vvers le Sud-Est de la France. Les frotteurs (rétractables) pour le 750Vbritannique ont été déposés depuis la mise en service intégrale de laligne à grande vitessedutunnel sous la MancheàLondres St Pancras.De plus, les ramesEurostar e320(c.-à-d.2^egénération) sont équipées non seulement des tensions de 25kV50Hz(LGV et France nord), 1,5kVCC (France sud et Pays-Bas) et 3kVCC (Belgique) mais en outre des équipementsERTMSetATBnécessaires pour aller d'Anvers à Amsterdam.

AuxÉtats-Unis,leNew Jersey Transitutilise des locomotives polycourantALP-44pour ses servicesMidtown DirectversNew York.

Alimentation des auxiliaires

Les systèmes auxiliaires sont l'éclairage, le chauffage, la climatisation,etc.

Si aujourd'hui il paraît naturel d'avoir des wagons éclairés, mêmes quand ils restent longtemps à l'arrêt, cela n'a pas été toujours le cas. En effet les voitures de voyageurs étaient munies d'unedynamoqui rechargeait lesbatteriesen roulant. Cette solution n'était pas applicable pour lesmétroset les rames automotrices de banlieue. Dans ce cas l'éclairage des voitures se faisait en direct avec le courant d'alimentation. Dans les anciennes rames de laRATP,l'éclairage consistait en la mise en série de cinq ampoules de 150Vafin de supporter le 750Vde traction. Le nombre de lampes dans un wagon était donc obligatoirement un multiple de cinq. En cas de panne du courant de traction, un fil aérien de secours permettait de rétablir l'éclairage. Aujourd'hui, les voitures reçoivent leur énergie directement de la locomotive. Quand elles sont « garées », elles peuvent aussi être alimentées directement depuis la caténaire via un câblot (prise de préconditionnement).

• En Allemagne, Autriche, et Suisse, certaines voitures restaurant stationnant sur une voie de garage 'y compris à l'international), obligatoirement électrifiée, sont alimentées directement par la caténaire 15 KV alternatif, grâce à un pantographe installé sur le toit, et un transformateur afin de maintenir la chaine du froid.
• En Espagne, sur le réseau RENFE, toute la rame de voitures climatisées, y compris la voiture restaurant, sont alimentées par un câblot de préconditionnement à poste fixe. En l'absence de ce câblot, sur la voie de garage qui est électrifiée en 3000 V continu, on adjoint un petit wagon couvert à essieux, qui assure le préconditionnement grâce à un pantographe installé sur le toit (même chose pour le train Al-Andalus expresso, avec le fourgon générateur équipé d'un pantographe).

Voir aussi

Articles connexes

• Troisième rail
• Liste des courants utilisés en traction ferroviaire électrique