Des ficelles et des bobines

Voilà donc, toujours aussi clair et précis, notre ami Gawel nous offre un contenu de qualité. Avec de belles photos en prime. Bonne lecture :

« La dernière fois, ce blog s’est enrichi d’un billet signalisation – qui je l’espère vous a plu et appris quelque chose – mais comme vous vous en doutez, la signalisation n’est qu’un des constituants parmi d’autres de la richesse du patrimoine des chemins de fer français (pour ne parler que des infrastructures).

Depuis la dernière fois, je me demandais de quoi j’allais pouvoir parler parmi tout ce qui nous reste à explorer. Puis finalement, comme on se refait pas (je suis électrotechnicien de formation) ; j’ai donc décidé d’approfondir un sujet que tout le monde connait sans vraiment le connaitre : les fameuses caténaires !

C’est vrai, pour le grand public, la « caténaire » c’est toujours le câble qui pète (si vous me passez l’expression ^^) et qui met le bazar pendant des heures, le temps de réparer. Si certains d’entre vous y ont été confrontés (en région parisienne comme dans le TGV), vous savez que ce fil électrique est un maillon fragile de la chaine qui concourt à faire rouler le train. Mais de quoi parle-t-on exactement ?

Comme pour la signalisation, je pourrais très bien me contenter de rentrer dans le détail de la technique. De la technique, du reste, il en sera quand même un peu question bien sûr, mais aborder le vaste domaine des Installations Fixes de Traction Electrique (IFTE) me semble plus intéressant sous l’angle de la progression historique et patrimoniale, car à l’instar de la signalisation, les IFTE françaises reflètent le poids de l’histoire et des choix de conception des ingénieurs cheminots depuis plus de 100 ans ! Du reste, si vous voulez des schémas, des équations et des explications détaillées, il y a tout un tas de sites internet (les mêmes que la dernière fois) qui en parleront mieux que moi.

Mais d’abord, quel est le but de la Traction Electrique ? On s’en doute, faire avancer les trains autrement qu’à la vapeur. Mais encore ? A la fin du XIXème siècle, les progrès dans les connaissances « pratiques » de l’utilisation de l’électricité, ainsi que l’émergence d’une industrie qui commence à produire du matériel électrique en grande série, vont intéresser au premier chef le chemin de fer. En effet, à cette époque, la machine à vapeur règne en maitre, et continue de faire des progrès considérables. Pour autant, elle reste peu puissante et surtout gaspille beaucoup d’énergie (le rendement n’est que de quelques % entre l’énergie contenue dans le charbon et la puissance utile à la jante des roues de la locomotive). De plus, certains pays comme la France sont peu ou mal dotés en charbon. Certains réseaux – le Midi notamment – n’ont même quasiment pas de mines sur leur zone d’action ; d’où un coût de fonctionnement élevé. Il n’y a point de moteur diesel à cette époque, mais les ingénieurs perçoivent l’électricité comme une solution d’avenir. Mais comment faire ?

On pourrait peut-être utiliser des batteries ? Mais non, car d’une part on ne sait pas les fabriquer, et d’autre part l’autonomie est trop réduite. Comment alimenter la locomotive alors ?

Et même, comment produire l’électricité ? EDF n’existe pas,      il n’y a ni centrales nucléaires ni lignes à Haute Tension.           Alors on part de 0 ? Oui, on part de zéro !

On l’a oublié, mais c’est bel et bien le chemin de fer qui a été le moteur du développement de la production électrique en France, tant au niveau de la construction de centrales que du maillage du territoire par le réseau HT.

Tout est parti du réseau du Midi (un des 6 réseaux ancêtres de     la SNCF), qui, coincé entre Atlantique et Méditerranée, avec les Pyrénées au Sud et le massif Central au Nord, ne peut pas vraiment compter sur des trafics de produits miniers importants. De plus, le relief de certaines lignes est un souci constant pour l’exploitation, en raison de la difficulté à faire franchir certaines rampes aux locomotives à vapeur d’alors. En revanche, ces Pyrénées qui causent tant de tracas à la conduite et qui n’ont pas de charbon, pourraient bien être utiles à cette fée électricité qui vient d’apparaitre !

En effet, puisqu’il faut de grandes quantités d’eau en mouvement pour la produire, pourquoi ne pas tirer profit des vallées pour y construire des barrages ?    Et c’est ainsi que cette compagnie du Midi, en une vingtaine d’années, a construit l’essentiel des barrages hydroélectriques qui fonctionnent encore dans les Pyrénées ! En comme un barrage ne sert à rien seul, beaucoup de lignes HT qui transportent le courant vers les centres de consommation ont aussi été construits par le chemin de fer ! D’ailleurs, rien d’étonnant à ce qu’en Midi-Pyrénées, des lignes HT et des poteaux caténaires soient jumelés !

Mais ce n’est là qu’une partie du système. En effet, à cette époque, si on sait déjà produire une électricité HT en alternatif (puisque générée par l’alternateur qu’entraine l’eau du barrage), comment l’employer dans la locomotive ? Dans les premières années du XXème siècle, diverses solutions de combinaison tension/courant sont essayées sur diverses petites lignes. Il n’y a pas de cadre réglementaire unifié ; aussi y va-t-on à tâtons. Mais ce qui est sûr, c’est qu’à ce moment, le seul moteur électrique que l’on sache fabriquer et utiliser correctement, en raison de sa simplicité et de sa fiabilité liée à son mode de fonctionnement, c’est le moteur à courant continu.

Il présente en outre l’avantage d’avoir un encombrement réduit et de ne nécessiter que peu d’appareillage auxiliaire. Mais alors, il faut l’alimenter en courant continu. Oui mais le courant qui vient du barrage est alternatif ! C’est à ce moment-là que les choix de conception prennent toute leur importance, et modèlent en profondeur les infrastructures. En effet, puisqu’il est pris le parti de faire des locomotives électriques simples et légères (à courant continu donc), ce seront donc les infrastructures qui seront « complexes ». Il faut tout d’abord convertir le courant alternatif en courant continu. Ce sera le rôle de la Sous-Station (SSTA) :        la ligne HT arrive sur un transformateur qui va abaisser la tension, puis on attaque un redresseur c’est-à-dire un équipement ne laissant passer qu’une alternance de la tension alternative sur 2 (ou qui inverse la 2ème alternance dans un montage plus sophistiqué). Associé à des condensateurs et des selfs (les fameuses bobines du titre), on « lisse » ainsi la courbe de tension produite, jusqu’à obtenir un potentiel continu quasi sans ondulation. Tout ceci demande de la place, d’autant qu’en ces années 1900 – 1920, les redresseurs sont volumineux et demandent de la maintenance régulière. Mais on a réussi :           la caténaire est désormais au potentiel de 1500 V (le niveau retenu à l’époque, meilleur compromis entre une tension suffisamment élevée pour limiter le courant et ne pas nécessiter d’isolation démesurée).

Oui mais (car il y en a toujours) : lorsque la locomotive appelle du courant à la SSTA, celui-ci en circulant dans la caténaire entraine des échauffements et des chutes de tension (le fameux U = R*I) d’autant plus grandes que la distance entre le train et la SSTA est grande. D’où l’obligation de construire ces SSTA à intervalles rapprochés en 1500 V, et de construire une caténaire avec 2 fils de contacts (2 fois plus de cuivre donc moins de chutes de tension) mais besoin de 2 porteurs et de poteaux caténaires plus massifs pour soutenir tout ceci… et n’oublions pas la corrosion, qui est accentuée en courant continu d’où la nécessiter de bien isoler les rails pour le retour du courant à la SSTA …                 Bref, le 1500 V est donc cher à l’installation ; et pourtant son gain par rapport à la vapeur est déjà énorme ! (Note : le rendement d’une locomotive électrique est de plus de 85%, elle est capable de « coups de collier » et surtout elle roule des centaines de km sans fatigue)

C’est ainsi qu’avant la création de la SNCF, les réseaux directement intéressés par la conversion à l’électrique ont donc électrifié leurs lignes principales en 1500 V continus entre les années 20 et 30, si bien qu’à l’époque, alors même que seul le quart Sud-Ouest est sous caténaire (et encore, partiellement), la France est déjà le 1er pays européen en termes de kilométrage sous « ficelles » !

Citons aussi, dans le même intervalle de temps, la construction du métro parisien, électrifié dès l’origine, en 650 V continus, mais par 3ème rail, solution plus pratique compte tenu du caractère souterrain et les faibles vitesses du métro. La SNCF, après 1938, poursuivra l’effort d’électrification, y compris pendant les années noires de la guerre, en achevant par exemple la liaison Paris – Toulouse en 1941.

Et à partir de 1945, la mise sous caténaire de la fameuse ligne PLM, chantier majeur tant en raison de de l’ampleur de la tâche que du contexte difficile, changera la physionomie du réseau autant que la technique ferroviaire, les ingénieurs en profitant pour utiliser les derniers développements de l’électrotechnique : redresseurs plus compacts, dispositifs de détection des court-circuit améliorés, … le 1500 V s’optimise et connait son heure de gloire : à l’achèvement de l’électrification PLM en 1962, toutes les lignes principales (ou presque) au sud d’une ligne Le Mans – Paris – Dole sont sous ficelle 1500 V. Les reines d’alors sont les 2D2 9100, les CC7100 BB8100 et autres BB9200, engins de légende s’il en est ; sans oublier les discrètes mais néanmoins increvables BB « Midi », déjà ½ siècle au compteur.

Devant le succès du 1500 V, mais aussi devant ses propres limitations, les ingénieurs d’alors s’essayent à de nouvelles conceptions : et si on alimentait directement la locomotive en alternatif, histoire de s’affranchir de toute la partie conversion et transport, qui font toute la lourdeur (et le charme !) du continu ? Ça tombe bien, après 1950, on maitrise mieux le moteur à courant alternatif, et même on peut construire des redresseurs suffisamment légers et compacts pour les installer dans le train. Dès lors, il n’y a plus besoin que d’un transformateur pour abaisser la tension du réseau HT avant d’attaquer directement la caténaire. Qui plus est, en raison de la tension plus élevée (25000 V), à puissance équivalente le courant dans la caténaire est moindre qu’en 1500, donc il faut moins de cuivre pour le transporter, et donc une infrastructure plus légère, et des sous-stations plus éloignées les unes des autres. Tout bénef ! Enfin presque, puisque la nature alternative du courant oblige à se prémunir contre la génération de tensions induites un peu partout, une problématique d’importance au chemin de fer, mais dont le surcoût au final ne mange que très partiellement le gain par rapport au 1500 V. Après une phase d’essais en Savoie, la ficelle 25000 fait ses premières armes au milieu des années 50 sur le Nord-Est : la transversale Valenciennes-Thionville, au tracé difficile et au trafic marchandises intense et lourd (charbon, acier, à l’époque où l’industrie a relevé ce pays, avant que celui-ci ne la bazarde, mais c’est un autre débat …), se prête alors tout à fait à ce nouveau type d’électrification, qui ne tarde pas à porter ses fruits au-delà de toute espérance.

Le 25000 V va rapidement rattraper son retard, en connaissant une expansion fulgurante sur toutes les régions dépourvues de ficelles : le Nord, l’Est, la Normandie. En une quinzaine d’années, la carte de la France électrique présente alors cette physionomie unique au monde de 2 systèmes d’électrification totalement différents, se partageant le territoire de manière à peu près égale, le réseau étant plus dense au Nord-Est. En comme en ces années 1960 le progrès technique est continu (si j’ose dire), on met au point des locomotives « bicourant », c’est-à-dire capables de circuler sous les deux modes d’alimentation, sans même s’arrêter ! Un bon exemple en est la BB25500 que conduit Antoine, et qui date de cette époque. Grâce à cela, on peut prolonger des électrifications 1500 V en 25000 V sans gêne pour l’exploitation (changement de locomotive) : et c’est ainsi que le     50 Hz prolonge le continu vers la Bretagne, la côte d’Azur, l’Auvergne … et on ne s’arrête pas en si bon chemin : pourquoi pas des locomotives tricourant ou quadricourant (ah, les belles CC40100, tout en chromes rutilants !) même, pour tracter les TEE entre les villes européennes, dans des pays ayant choisi d’autres modes d’électrification que la France (3000 V continus en Belgique et Italie, 15000 V 16 Hz 2/3 en Allemagne, Suisse, Autriche …) ? Comme quoi, pas besoin à l’époque de directive communautaires à la c** pour que la coopération entre réseaux soit une réalité, pour le plus grand bien de l’intérêt commun !

Bon ok, c’est très bien tout ça me direz-vous, mais tu ne nous as toujours pas parlé vraiment du « maillon faible » ! Ok. C’est donc ici qu’arrive la caténaire. Il faut tout de suite mettre les choses au clair. Le terme « caténaire »,  tel qu’il est employé quotidiennement, est un abus de langage. Caténaire (catena, la chaine en latin) désigne l’ensemble de la suspension des câbles électriques. Il y a d’abord le porteur, c’est le câble du dessus, et le fil de contact, celui sur lequel frotte le pantographe du train. Les deux sont reliés par des pendules, qui assurent la cohésion et l’amortissement des ondes mécaniques. Il y a dans certains cas 2 porteurs et/ou 2 fils de contact, nous l’avons vu, lorsqu’il faut transporter plus de courant donc plus de cuivre comme en 1,5 kV cc. Mais l’essentiel, c’est que la partie vraiment fragile, c’est le fil de contact.               La caténaire en elle-même est très solide, contrairement à l’impression que l’on peut avoir en regardant l’ensemble. Les poteaux eux-mêmes sont très solides, et leurs tiges, bras de rappel et isolateurs qui soutiennent la caténaire, sont aussi à l’épreuve du temps. Mais alors, pourquoi ça casse ?

Comme vous vous en doutez, le frottement du pantographe sur le fil de contact n’est pas sans risque. Outre l’usure naturelle quand tout va bien (atténuée par cette ruse de concepteur : disposer le fil de contact en zigzag, pour qu’il ne frotte jamais continument au même endroit), le moindre accroc peut avoir des conséquences catastrophiques : si le pantographe « attrape » une aspérité qui n’aurait pas dû se trouver à un endroit, alors c’est l’arrachement assuré, avec ce qui s’ensuit comme conséquences sur la régularité. Il arrive aussi que le fil de contact casse tout seul, sous l’effet du gel par exemple ; Avez-vous déjà vu un train tractionner sous une caténaire givrée ? Gerbe d’étincelles assurée !

D’où l’importance d’une maintenance préventive serrée, chose qui se faisait naturellement auparavant, du temps de la SNCF véritable service public ; et qui a été mise à mal par la vision comptable et l’éclatement du système ferroviaire. Pourquoi croyez-vous qu’il faille plusieurs heures pour intervenir sur une caténaire arrachée (comme ce fut le cas à Marseille en 2008) quand les équipes de maintenance sont réduites et ont un plus grand territoire à couvrir ?

Quelques mots sur l’électrification du TGV : sur ligne à grande vitesse, c’est bien entendu le 25000 V qui a été choisi, non seulement en raison du cout mais surtout en raison de ses avantages de puissance et d’implantation. Cela dit, en 1500 V continu, on faisait déjà rouler des trains à 200 km/h dès la fin des années 60. Mais comme pour les locomotives bicourant, le TGV a été pensé dès l’origine pour s’intégrer au réseau classique, fut-il électrifié depuis longtemps, comme c’était le cas au Sud-Est lorsque Paris-Lyon a été électrifié. Juste pour être exact sans rentrer dans les détails : on a créé une variante à la conception 25 kV classique, le « 2×25 kV », afin de gagner sur la puissance entre 2 SSTA, tout en diminuant les phénomènes d’induction ! Comme vous le voyez, ces petites bobines ne manquent pas de ressource …

Comme on a pu le voir, les équipements IFTE sont variés, tant dans leur philosophie de conception que dans leur réalisation. Ici autant qu’en signalisation, l’histoire, les choix de conception et même les vicissitudes de l’Histoire se lisent dans les infrastructures que l’on peut observer : poteaux caténaire massifs et même un peu stylés au Sud-Ouest et sur Paris-Lyon, grandes Sous-Stations sur Paris-Orléans, ou au contraire IFTE compactes sur les derniers compléments d’électrification 1500 CC (au début des années 1980, Bordeaux-Montauban ou Narbonne – Port-Bou) ; légèreté de la ficelle 25000 ; et bien sur le matériel roulant, témoin direct lui aussi des évolutions et choix techniques : la grande famille des rhéostats 1500 – avec la CC6500, la plus belle et la plus puissante de toutes ;), puis les loc à redresseurs, puis les engins à hacheurs, puis enfin les machines à moteur synchrone (BB26000, TGV A) ou maintenant asynchrone (TGV Duplex, BB 36000), engins à PMCF (TER 2N NG, BB27000).

Et puis bien sûr, tout l’équipement en barrages hydroélectriques pyrénéen et les lignes à Haute Tension, qui bien que dans le giron d’EDF/RTE maintenant, est bel et bien l’œuvre du chemin de fer. L’arrivée de la caténaire fut bien souvent aussi l’arrivée de la HT dans une région donnée. On ne saurait mieux le résumer qu’avec l’exemple du train jaune, dans les Pyrénées catalanes : non seulement c’est la ligne HT d’alimentation de cette ligne magnifique (3ème rail, une des rares exceptions sur le réseau SNCF, avec la ligne du Mont Blanc) qui alimente les villages alentour, mais si le régulateur Sous-Station se trompe de bouton, il plonge dans le noir toute la région !

Tiens oui d’ailleurs, le Régulateur Sous-Station : comme son homologue des postes d’aiguillages, il a la haute main sur la commande des SSTA et de tous les appareillages électriques en ligne. C’est lui qui pilote l’alimentation des toute une région, à l’aide de son grand TCO truffé de boutons. Comme pour le poste d’aiguillage, ne vous privez pas si vous avez un jour l’occasion de mettre les pieds dans un Central Sous-Stations : c’est absolument passionnant, vous y verrez de surcroit l’évolution des techniques de commande-contrôle mises en œuvre : aux CSS modernes et informatisés, véritables tours de contrôle avec écrans d’ordi partout, préférez les « vieux » CSS à TCO carroyé. C’est beaucoup plus parlant et impressionnant, avec cette sensation concrète que oui, on est dans un temple ferroviaire avec de la puissance colossale au bout des doigts !

On peut là aussi véritablement parler de patrimoine, car bien qu’ayant un coût d’entretien, les services qu’il rend sont immenses (il n’y a qu’à voir quand ça ne fonctionne pas). Et là encore, la SNCF, héritière du savoir-faire de ce siècle de ficelles et de bobines, doit continuer à faire vivre cet héritage d’une grande valeur. Les projets ne manquent pas, tant pour optimiser la consommation due aux pertes en ligne, que pour par exemple détecter un court-circuit sur la caténaire avec une précision de quelques dizaines de mètres (en 2×25 kV) !

Et le bon vieux 1500, qui fait lui aussi l’objet de projets de recherche importants en vue  de lui offrir une 2nde jeunesse grâce aux derniers raffinements de l’électrotech autopilotée …

Pour finir, un clin d’œil aux « écureuils », ces agents du service caténaires qui, perchés sur leurs chariots roulants, risquent parfois leur peau pour inspecter toute cette toile d’araignée ! »

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