Captage du courant

Dans un système d'électrification ferroviaire, le captage du courant permet l'alimentation des locomotives électriques ou des rames automotrices en général.

Il se fait aujourd'hui principalement de deux façons :
 par fil de contact aérien, simple ou double, supporté ou non par un câble porteur, voire un porteur auxiliaire, l'ensemble formant alors une caténaire ;
 par rail conducteur (troisième rail) au sol ou latéral.

Généralement le retour du courant de traction se fait par la voie, en évitant tout retour par le sol. On trouve parfois un quatrième rail (métro de Londres) ou un second fil de contact (Trolleybus par exemple). Des dispositifs d'alimentation triphasés avec 2 fils de contact ont également existé au début du .

Fil de contact aérien 

Ce dispositif est le plus répandu. Il autorise des tensions de caténaire élevées (jusqu'à 25 000 V — et même 50 000 V aux États-Unis pour une ligne affectée au transport du charbon et en Afrique du Sud pour un chemin de fer minier) ce qui permet de transmettre une puissance importante en limitant la section du fil conducteur et en augmentant l'espacement entre sous-stations d'alimentation.

La pose d'un fil d'alimentation (feeder) parallèle à la caténaire et présentant une tension de - 25 000 V par rapport au sol, permet de doubler la distance de transport, en portant la tension de transport du courant à 50 000 V (entre le feeder et la caténaire) tout en restant compatible avec le matériel 25 kV. (technique dite du « 2 x 25 000 »).

Le captage du courant s'effectue par un pantographe muni d'un archet. La distance entre le fil de contact et le plan de roulement doit être aussi constante que possible, particulièrement à grande vitesse. La construction de la caténaire, faite d'un fil de contact soutenu par un fil porteur via des pendules de longueurs variables, permet d'obtenir une horizontalité presque parfaite du fil de contact. Les trains à grande vitesse, d'autre part, sont équipés de pantographes à double suspension.

Néanmoins, le frottement de l'archet sur le fil de contact génère une onde qui se propage de part et d'autre du point de contact. Pour une tension normale du fil de contact, cette onde se propage à moins de 500 km/h. Si le TGV atteint cette vitesse, le pantographe rattrape l'onde (c'est le phénomène de Mach). Il peut entraîner l'arrachement des caténaires et la destruction du pantographe. C'est l'une des causes à la limitation de vitesse des trains de type TGV. Pour éviter ce phénomène, il faut augmenter la tension du fil, ce qui augmente la vitesse de propagation de l'onde. Mais il est évident que cela pose le problème de la résistance mécanique de la caténaire. Un compromis doit être trouvé entre la bonne tenue mécanique de la caténaire et sa bonne section (pour limiter les pertes par effet Joule). 

Pour les lignes dont le trafic est modéré et les vitesses peu élevées, on ne monte pas de suspension caténaire, et un « fil simple régularisé » ou non-régularisé est suffisant. 

Les lignes aériennes de contact (LAC en abrégé) sont utilisées aussi pour des véhicules routiers : les trolleybus, moins connus en France que dans d'autres pays. Du fait de l'absence de rail, la ligne aérienne doit être doublée (d'où l'appellation de bifilaires également donnée aux lignes de contact). Le captage s'effectue alors avec une paire de perches, qui permettent par ailleurs au véhicule une liberté latérale de circulation de plusieurs mètres, afin de s'insérer dans le trafic urbain sans difficulté. Notons également l'usage d'une ligne de contact pour un autre véhicule routier: le tramway sur pneus, muni selon les modèles d'un pantographe (mode guidé exclusif), ou de perches de trolley (mode guidé ou non selon les sections de ligne).

Rail conducteur 

Le troisième rail est le plus souvent alimenté en courant continu avec une tension ne dépassant pas 1 500 V, ce qui entraîne une double limitation :
 en puissance (les intensités sont importantes)
 en vitesse (à cause de la rupture des contacts électriques aux aiguillages, aux croisements et aux passages à niveau)

Ce système est pourtant encore très utilisé en particulier :
 dans la banlieue de Londres et le sud de l'Angleterre ;
 pour la plupart des lignes de métro dans le monde ;
 pour certaines lignes à voie étroite (En France le Train jaune dans les Pyrénées-Orientales, la ligne Saint-Gervais-Vallorcine en Haute-Savoie).

Historiquement parlant ce système a été très utilisé pour les rames automotrices de la banlieue par exemple en France sur le réseau de la banlieue ouest de Paris (gare Saint-Lazare et gare des Invalides). Il y a été depuis remplacé par une alimentation moderne par caténaire  V alternatif (St-Lazare), 1500 V Continu (Invalides) ou 750 V continu (Tram T2 RATP : Pont de Bezons-Porte de Versailles).

Le captage du courant se fait par des frotteurs (ou patins) avec ressorts, qui viennent appuyer soit en dessous (cas de la banlieue Ouest de Paris), soit au-dessus (cas du réseau Sud de Londres) ou soit sur le côté du rail conducteur.

Sur la photo, on aperçoit le rail conducteur à droite des deux rails de roulement. Il est surélevé par des blocs de ciment, qui assurent l'isolation électrique. Le rail conducteur est interrompu au niveau du passage à niveau, et ses extrémités sont munies de planches de protection. En pratique, plusieurs frotteurs sont répartis le long des trains, de façon qu'il n'y ait pas d'interruption de l'alimentation électrique.   
    
On remarquera que le troisième rail est légèrement courbé vers le bas à son extrémité, de façon à faciliter l'application du frotteur.

Systèmes mixtes 

Les trains Eurostar qui devaient être compatibles avec l'alimentation par caténaire et par troisième rail jusqu'à la mise en service en 2007 du dernier tronçon à grande vitesse, ont été équipés de pantographes et de frotteurs pour troisième rail, ainsi que de transformateurs pour chaque type de courant. L'équipement lié au troisième rail a été supprimé fin 2007 et les rames ne sont depuis que bi-courant, voire tri-courant pour celles qui assurent des liaisons vers le Sud de la France.

Recharges électriques en station ou aux terminus (biberonnage) 
Selon cette technique, le captage de courant est réalisé de façon intermittente, en des points de rechargement prédéfinis, pour recharger un système de stockage d'énergie embarqué à bord du véhicule. Ce système comporte des batteries d'accumulateurs ou des supercondensateurs. Ce système fournit ensuite au véhicule l'énergie dont il a besoin pour se déplacer jusqu'au point de rechargement suivant. Par exemple, les points de rechargements sont disposés aux stations, ce qui permet de profiter des temps de montée et de descente des voyageurs pour recharger le véhicule. Le véhicule n'est pas alimenté par une source d'énergie extérieure en dehors de ces points de rechargement, ce qui permet de ne pas avoir à installer une caténaire ou un troisième rail sur toute la longueur de la voie. Cette alternative est particulièrement intéressante en milieu urbain.

De nombreux constructeurs et équipementiers ferroviaires proposent cette technique, parmi lesquels on peut citer :
 le constructeur espagnol Construcciones y auxiliar de ferrocarriles et son système FreeDrive, qui équipe notamment le tramway de Saragosse et qui a été retenu en 2015 pour équiper le tramway de Luxembourg,
 le système Primove de Bombardier,
 l'équipementier ABB, qui teste son système "TOSA" à Genève sur une ligne de trolleybus,
 divers constructeurs d'autobus électriques (Irizar en service à Amiens, Optare en service à Utrecht, VDL en service à Bois-le-Duc, Solaris en service à Bruxelles, …),
 des constructeurs chinois ont équipé une flotte de bus à Shanghai.

Autres systèmes 
Un système de captage au sol par rail central segmenté a été développé par ALSTOM (système "APS" : Alimentation Par le Sol) et équipe des tronçons de certains réseaux de tramway : Bordeaux, Reims, Orléans, etc.

Un système d'alimentation par induction a été testé par BOMBARDIER (système "Primove").

Références

Articles connexes 
 Caténaire | Pantographe | Locomotive électrique | trolleybus | tramway | tramway sur pneus | Collecteur à arc
 Système d'électrification ferroviaire
 Dossier de vulgarisation de 24 pages abondamment illustrées sur les lignes aériennes de contact de trolleybus et de tramway de Lyon à télécharger (1,5 Mo)

Électrification ferroviaire