Les démêlés du couple infernal pantographe/caténaire

En traction électrique, un train capte l’énergie dont il a besoin grâce au système pantographe/caténaire. Le pantographe est l’organe situé sur le toit de la locomotive (ou de la motrice), qui lui permet de capter le courant électrique. Il est constitué de bras articulés. Son archet frotte sur la ligne aérienne d’alimentation en énergie électrique, encore appelée caténaire.
La caténaire est cet ensemble de câbles suspendus à des poteaux régulièrement espacés le long des voies ferrées. Elle se compose d’un ou de deux fils de contact, d’un porteur principal, éventuellement d’un porteur auxiliaire, et de pendules verticaux qui relient mécaniquement ces éléments.
Le captage de l’énergie électrique par un train est un petit miracle de la physique : des puissances colossales (environ 9 000 kW pour un TGV) transitent par quelques centimètres carrés (à peine !) de zone de contact entre l’archet du pantographe et la caténaire. C’est parce que le point de contact se déplace continuellement à la faveur de la marche du train qu’un tel captage reste possible. Sinon, l’échauffement provoqué par l’intensité du courant électrique serait tel que la caténaire fondrait immédiatement…
Soumis à son propre poids, le fil de contact a tout naturellement tendance à prendre une certaine flèche en milieu de portée, où sa hauteur pourrait être alors moins élevée qu’au droit des poteaux. Si un pantographe rencontrait une telle caténaire « en montagnes russes », les chocs engendrés aux changements de pente entraîneraient très vite la rupture du système. Pour que la caténaire soit horizontale, on la tend donc mécaniquement. Cette tension mécanique est régulée par des contrepoids pour compenser les effets de la dilatation.
Dans le couple pantographe/caténaire, tout est affaire d’équilibre. Le pantographe est un ensemble mécanique déformable avec une forte prise au vent, qui a tendance à se comporter parfois comme une aile d’avion. Et la caténaire, excitée par le frottement de l’archet, devient une corde vibrante. Le réglage du pantographe, en particulier, joue un rôle très important.
Si le pantographe n’appuie pas assez sur la caténaire, le contact risque de se faire par intermittence. On observe alors la production d’arcs électriques autour de l’archet. Le captage est mauvais. Les bandes de frottement de l’archet vont s’user prématurément. Des disjonctions peuvent même survenir sur l’engin moteur, coupant aussitôt l’effort de traction et obligeant ensuite le conducteur, après un rapide sondage, à refermer le (ou les) disjoncteur(s).
Si le pantographe appuie trop sur le fil de contact, la tension mécanique présente initialement dans la caténaire n’arrive plus à lutter pour repousser ses avances. Le fil de contact prend alors une contre-flèche. C’est le phénomène du soulèvement. Mal nécessaire pour garantir un bon captage, ce soulèvement doit néanmoins demeurer limité. Si la caténaire se soulève trop, l’archet va évoluer, en milieu de portée, à une altitude supérieure à celle des extrémités, au droit des poteaux. Il risque alors de venir accrocher les bras qui supportent la caténaire.
L’effort de poussée du pantographe sur la caténaire est produit par des ressorts mécaniques ou des vérins pneumatiques. Avec le vent de la vitesse, des forces aérodynamiques viennent à leur tour s’exercer sur le pantographe. Leurs actions peuvent se conjuguer pour venir augmenter significativement l’effort de poussée. Aux seules fins de régler cet effort quelle que soit la vitesse, on utilisait classiquement des ailerons montés sur les bras des pantographes, qui réagissent un peu comme les ailes d’un avion. Sur les TGV de première génération, leur réglage était totalement empirique. Il fallait carrément « gâcher » plusieurs marches d’essai à grande vitesse avec les rames de présérie pour réussir à trouver, par approches successives, la configuration définitive donnant les meilleurs résultats.
Déjà soumis au vent de la vitesse, le pantographe doit aussi subir celui simplement issu des intempéries. C’est le vent latéral, quand il souffle en rafales, qui s’avère le plus redoutable, car il va avoir tendance à augmenter le déport transversal de la caténaire par rapport au pantographe, augmentant le risque d’échappement de l’archet vers le haut. Ces deux vents peuvent se combiner pour accroître soudainement l’effort global de poussée. Il en résulte un soulèvement hors normes, et l’« incident caténaire » n’est généralement plus très loin… C’est exactement ce qui s’est passé, on s’en souvient, dans les premiers temps du TGV. A plusieurs reprises, la caténaire fut arrachée sur la ligne à grande vitesse Paris – Lyon par les pantographes de rames dont les archets, à la suite d’un soulèvement trop important du fil de contact, venaient heurter les « anti-balançants » au droit des poteaux. La parade a vite été trouvée. Outre la limitation de vitesse en cas de vents violents, un système de butée rétractable a été monté sur les pantographes de toutes les rames TGV, un montage rendu possible par la hauteur constante du fil de contact des lignes à grande vitesse. Sur le pupitre de conduite des rames TGV, le sélecteur de tension comprend donc deux positions différentes pour la circulation sous 25 kV, l’une dite « LGV » correspondant à l’engagement de la butée, et l’autre entraînant son effacement. Car, bien entendu, la caténaire ne saurait être posée à hauteur constante sur les lignes classiques où des contraintes de gabarit (ouvrages d’art, par exemple) obligent à l’abaisser ou la rehausser selon les endroits.
Si le fil de contact était toujours posé dans l’axe de la voie, les bandes de frottement de l’archet s’useraient toujours au même endroit, en leur milieu. Et le rainurage qui en résulterait obligerait à les changer extrêmement fréquemment ! C’est pourquoi l’on déroule toujours les caténaires en les positionnant, au droit de chaque poteau, avec une certaine valeur de désaxement. Cette valeur étant alternativement positive ou négative d’un poteau à l’autre, le fil de contact se présente tel un zigzag au-dessus des voies et, de cette sorte, va balayer toute la largeur utile de l’archet. Ainsi, l’usure se répartit sur l’ensemble des bandes de frottement. Bien sûr, la valeur de désaxement doit en tout point de la ligne (que l’on soit en alignement droit ou en courbe) être compatible avec les largeurs d’archet des différents matériels appelés à y circuler.
En se déplaçant à son contact, l’archet du pantographe excite la caténaire, qui se comporte comme une corde vibrante. Il en résulte la naissance d’une onde de déformation qui court devant le train. La vitesse de propagation de cette onde doit toujours être supérieure à celle du train, faute de quoi le pantographe rencontrerait un « ventre » de déformation, zone d’instabilité. Cette vitesse de propagation représente le « mur de la caténaire ». Pour l’augmenter, il faut accroître la tension mécanique du fil de contact. C’est exactement ce qui a été fait lors des précédents records de vitesse sur rails.
 

Philippe HÉRISSÉ