Pantographe (train)

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Un pantographe dit "unijambiste".

Le pantographe est le dispositif articulé qui permet à une locomotive électrique ou à un tramway ou à d'autres systèmes automoteurs électriques de capter le courant par frottement sur une caténaire.

Aspect

Les premiers pantographes avaient la forme symétrique d'un losange, tandis que les pantographes modernes ne comportent qu'un seul bras articulé. Ils mesurent environ 2 mètres repliés et assurent un débattement qui peut atteindre 3,20 m.

Le pantographe est fixé sur le toit de la locomotive au moyen d'isolateurs. Le contact avec la caténaire se fait par une pièce horizontale, l'archet. Le bras articulé est formé de deux éléments, le bras inférieur et le bras supérieur. Le pantographe peut être pneumatique ou électrique.

Fonctionnement

Sur l'archet sont fixées des bandes de carbone (« carbone à haute intensité »^[1]) et de cuivre (en général deux, jusqu'à huit sur certains modèles adaptés au 1 500 V continu) qui font office de frotteurs sur la ligne aérienne de contact (ou caténaire) et permettent de capter l'énergie électrique. Ces bandes peuvent être montées de façon rigide sur l'archet ou être indépendantes et montées sur ressorts.

Afin de maintenir une pression la plus constante possible des bandes de carbone sur la caténaire, un système d'amortissement est implanté sur le pantographe. Cet amortissement utilise généralement des ressorts mécaniques, un moteur électrique ou des systèmes pneumatiques de type vérins.

Dans le cadre d'un pantographe pneumatique, le déploiement du bras est assuré par un vérin pneumatique, qui permet de maintenir une certaine pression sur la caténaire. Le pantographe se replie par gravité, lorsque la pression d'air est annulée.

Dans le cadre d'un pantographe électrique, les mouvements de montée et de descente sont assurés par un moteur électrique annexe.

Enfin, sur certains modèles, deux ressorts à boudin travaillent en traction et maintiennent le pantographe déplié en contact avec la caténaire. Un dispositif pneumatique ou électrique est là pour le replier. Il travaille contre les ressorts avec une pièce pourvue d'un trou oblong qui laisse le pantographe libre de ses mouvements quand il n'est pas en traction. Pour pouvoir être relevé par le mécanicien de locomotive, en cabine, grâce à la « clé de pantographe », la machine doit être sous pression. Lever le pantographe correspond à envoyer dans le piston de montée du pantographe, une pression suffisante pour libérer le ressort qui bloque le pantographe en position basse. Lorsque cette pression est annulée, le pantographe devient libre de ses mouvements et plaque ses archets sur la caténaire par l'intermédiaire des ressorts situés à sa base, entre autres. Dans le cas d'un défaut de pression (avarie, accident, etc.) le ressort de rappel descend automatiquement le pantographe et le maintient en position basse, jusqu'à un rétablissement normal de la pression, autorisant alors une action du mécanicien pour son relevage.

Innovations, tendances techniques

Schéma du pantographe de l'ICE3

Il existe des modèles de pantographe qui peuvent utiliser différentes tensions d'alimentation mais les trains multi-tension, comportant un pantographe par type de courant utilisé, restent fréquents. Ils ont demandé la résolution de problèmes d'interopérabilité pour le Thalys par exemple^[2].

Avec le développement des trains à grande vitesse et l'utilisation de courant électrique de forte intensité, des efforts sont également faits pour mieux comprendre^[3] et améliorer l'interface entre la caténaire et le matériel moteur (avec par exemple un ajustement de la force d'appui sur la caténaire contrôlé par carte électronique)^[2], contrôler les phénomènes aéroacoustiques se développant par exemple dans la « baignoire » et autour des pantographes des TGV^[4] ainsi que sur les lignes pour gérer les fuites de courant dues à l'humidité et aux embruns salés en bordure de mer.

Vitesse

Le pantographe en forme de « Z » (ou dit aussi « Faiveley ») permet une qualité de captage de l'électricité améliorée à des vitesses plus élevées^[5] que celui en forme de losange.

Avec l'augmentation de la vitesse des trains, les modèles de pantographes ont été améliorés ; le nombre de pantographes par train a été augmenté alors que l'intervalle entre pantographes du train a été réduit, tout en recherchant une réduction de l'usure et des frais d'entretien^[6].

Plus le train est rapide, plus trois types de bruits augmentent : bruit de frottement, bruit d'arc électrique et bruit aérodynamique. On a donc aussi cherché à rendre plus silencieux les pantographes (en diminuant les frottements et les claquements des arcs électriques)^[7], par exemple pour le Shinkansen^[8]. Il est possible de réduire le bruit du pantographe par des câbles de connexion haute-tension connectant les pantographes entre eux et par des déflecteurs ou caches de pantographe^[8], ainsi que par une conception adaptée de la forme (design) du pantographe^[8].

Phénomène d'arc électrique

Le contact glissant entre le pantographe et la caténaire est un contact imparfait. Pendant le déplacement du train et à cause de la vibration, le pantographe se décolle fréquemment et durant quelques fractions de secondes de la caténaire, engendrant un phénomène d’arc électrique.

Ces arcs sont sources de nuisance sonore et représentent une menace en termes de compatibilité électromagnétique, pour la majorité des systèmes électroniques dans le train ou voisinant la voie ferrée comme le GSM-R, le circuit de voie ou les systèmes de télécommunication.

Cette menace est due au fait que plusieurs perturbations, se caractérisant par un large spectre fréquentiel et une forte puissance, sont émises lors de ce phénomène et peuvent influencer le fonctionnement des systèmes cités ci-dessus^[9].

Les principales causes de ce phénomène sont :

les défauts mécaniques de la caténaire ;
la vitesse du train qui favorise les vibrations ;
en hiver, la formation d'une couche de glace sur la caténaire. Dans cette condition, la puissance et la fréquence des arcs augmentent fortement^[10].
certains trains (comme ceux de la compagnie Eurostar) utilisent deux pantographes en même temps. Le passage du premier provoque des ondulations de la caténaire qui causent le décollement du deuxième.

Arrachage de la caténaire

Si le graphite sur le pantographe est usé ou détruit, le pantographe peut arracher la caténaire. Pour éviter cela, des moniteurs de pantographe peuvent être installés.

Systèmes comparables

Article détaillé : Système d'électrification ferroviaire.

Le pantographe n'est pas le seul système de captage de courant pour les trains ou tramways. On trouve aussi des frotteurs sur un troisième rail, voire quatrième rail sur le métro de Londres. Ce système a été utilisé auparavant en vallée de Maurienne et actuellement sur la Ligne Saint-Gervais - Vallorcine, ou sur la plupart des métro urbains.

Il existe d'autres systèmes plus anciens, dont par exemple le captage en triphasé du Train de la Rhune au pays basque.

Constructeur

En France, parmi les principaux opérateurs-constructeurs se trouvent les sociétés Bombardier et Alstom

Images

Un pantographe récent utilisé sur le matériel DB AG 101
Pantographe sur PAC (Profil Aérien de Contact) [RER C,Paris]
Un pantographe en losange
Utilisation de pantographes dans le cas d'une alimentation triphasée.

Notes et références

↑ Auditeau G (2010) Un carbone haute intensité pour les pantographes. Revue générale des chemins de fer, (200), 8-19.
1 2 Cabirol M (2001) Problématique de l'interface entre la caténaire et le matériel moteur. Améliorations apportées aux pantographes. Revue générale des chemins de fer, (AVR), 79-84 (Notice et résumé Inist-CNRS)
↑ abirol M (2000) Interaction pantographe/caténaire: Études et concepts réalisés par la SNCF. Rail international, 31(9), 23-30.
↑ Noger C (1999) Contribution à l'étude des phénomènes aéroacoustiques se développant dans la baignoire et autour des pantographes du TGV. Approches expérimentale et numérique des écoulements affleurant une cavité et interactions non-linéaires de sillage entre deux cylindres (Doctoral dissertation, Université de Poitiers).
↑ Lamon JP (2001) La qualité de captage pantographe/caténaire. Revue générale des chemins de fer, (AVR), 15-25 (Notice et résumé Inist-CNRS).
↑ (de) Sarnes B (1999) Qualitätssicherung an Stromabnehmer und Oberleitung. ETR. Eisenbahntechnische Rundschau, 48(3), 117-123 (5 ref.) (Notice et résumé Inist-CNRS.
↑ Schulte-Werning B, Huber T, Lölgen T, Matschke G & Willenbrink L (1998) Umweltverträglicher Hochgeschwindigkeitsverkehr auf der Schiene: eine Gemeinschaftsaufgabe von Aerodynamik und Aeroakustik. ETR. Eisenbahntechnische Rundschau, 47(8-9), 541-545 (Notice et résumé Inist-CNRS.
1 2 3 Ikeda M (1997) Mesures contre le bruit de pantographe provoqué par le Shinkansen. Rail international, 28(5), 35-43 (Notice et résumé Inist-CNRS)
↑ Mohamed Nedim BEN SLIMEN. Recherche de procédures de caractérisation de l'environnement électromagnétique ferroviaire adaptées au contexte des systèmes de communication embarqués. Thèse de doctorat en électronique, Université Lille 1 ; Sciences et Technologies, soutenue 2009-12-18 (résumé et présentation de la thèse), PDF, 200p
↑ S. Midya, D. Bormann, Z. Mazloom, T. Schutte, and R. Thottappillil. Conducted and radiated emission from pantograph arcing in ac traction system. In Power Energy Society General Meeting, 2009. PES ’09. IEEE, pages 1–8, July 2009.

Voir aussi

Liens externes

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Bibliographie

Manabe K (1992) Catenary-pantograph system for speedup of shinkansen train. Japanese railway engineering, 30(4), 10-13.
Holbecque P (2005) Étude dynamique d'un pantographe de trains à grande vitesse (Doctoral dissertation).
Auditeau G & Cabirol M (2001) Pantographes pour matériels pendulaires. Revue générale des chemins de fer, (JUN), 37-45 (Notice et résumé Inist-CNRS).

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