Pantographe (transport)

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.

Un pantographe dit « unijambiste ».

Sa désignation découle de la similitude de forme et de fonctionnement avec l'outil de dessin homonyme dans sa forme initiale^[1],[2]

Aspect

Les premiers pantographes avaient la forme symétrique d'un losange appelé en France « type G » , tandis que les pantographes modernes ne comportent qu'un seul bras articulé. Ils mesurent environ deux 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 sur lequel est fixée la bande de contact. Le bras articulé est formé de deux éléments, le bras inférieur et le bras supérieur. Le pantographe peut être pneumatique ou électrique. Le pantographe est le plus souvent fait de métal afin de conduire le courant par sa structure (en dehors de ses paliers ou des élingues, shuntées par des conducteurs tels que des tresses).

Fonctionnement

Descente d'un pantographe diamant avec cylindre pneumatique

Sur l'archet sont fixées des bandes de carbone (« carbone à haute intensité »^[3]), acier et/ou cuivre (de 1 à 4 en général, suivant l'intensité et la vitesse/dynamique souhaitée) 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 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 et tendances techniques

Prémisses

Les débuts du pantographe ont commencé par le captage dans un rail aux B&O. Le captage par frottement longitudinal, le courant retournant vers les rails. Des solutions par rouleau, peu adaptés aux grandes vitesses ou aux croisement persistent. Le captage par un unique fil trolley (contrairement aux trolleybus) et retour de courant par le rail persiste à Toronto. L'inconvénient de cette dernière étant la nécessité de retour la perche ou d'avoir une boucle de retournement.

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  Pantographe des B&O
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  Pantographe à roue du funiculaire de Lisbonne
• 
  Bras trolley du tramway de Toronto
• 
  Pantographe BB 1280

Collecteur à arc

Des collecteurs à arc ont été ensuite utilisés avec un principe similaire aux frotteurs des perches à trolley mais avec une plus grande quantitié de matériau d'usure et des croisement plus faciles.

• 
  Collecteur à arc du chemin de fer de Snaefell
• 
  Collecteurs à arc du train de la Rhune
• 
  Collecteur à arc du tramway historique d'Amsterdam

Pantographe diamant et "bras croisés"

Sur grande ligne et en grande vitesse, les pantographes diamant et bras croisés font leur preuve tandis qu'ils permettent aussi une hauteur de captage importante comme aux passages à niveau ou sur des voies destinées à du fret à double étages par exemple.

Plusieurs solutions tels que des ressorts, engrenage, bielle, corde ou encore pistons^[4],[5] permettent leur actionnement et/ou leur maintien.

• 
  Pantographe "Cross-armed" du Shinkansen 0
• 
  Pantographe diamant de la BB12000
• 
  Pantographe diamant d'une sous-série des BB1280
• 
  Pantographe de la BB 9004 du record de vitesse de 320 km/h
• 
  Locomotive Baoji-Fengzhou

Pantographe "unijambiste"

Schéma du pantographe de l'ICE3.

Inventé par Louis Faiveley^[6], cette solution utilise une cinématique de quadrilatère déformable avec plusieurs avantage dont l'encombrement (on peut désormais mettre 2 pantographes au-dessus d'un bogie), la légèreté, une moins grande prise au vent et donc une meilleure qualité de captage.

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^[7].

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^[8] 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)^[7], contrôler les phénomènes aéroacoustiques se développant par exemple dans la « baignoire » et autour des pantographes des TGV^[9] ainsi que sur les lignes pour gérer les fuites de courant dues à l'humidité et aux embruns salés en bordure de mer.

Evolutions récentes

Dans les dernières séries du Shinkansen, la caténaire étant dédiée à ce train et très basse, des "pantographes" plus simples et aérodynamiques (ainsi qu'optimisés en aéroacoustiques) ont pu être utilisés.

Des variantes récentes tel que le pantograph de l'ETR1000 sont faites partiellement en matériau composite non-conducteur afin de fixer le pantographe directement sur la toiture. Le bras inférieur joue alors le rôle d'isolateur. Le tout étant plus lourd mais moins haut facilitant au choix son intégration en toiture et/ou l'aérodynamique^[10].

• 
  Pantographe du Shinkansen 800
• 
  Pantographe du Shinkansen 500
• 
  Pantographe de l'ETR1000

Futures évolutions

Le sous-projet 4 de Rail4Earth vise à avoir de futurs pantographs électro-mécaniques et donc sans air comme le plus souvent en grand ligne^[11]. Les solutions électriques avec montée et maintien par ressort telles qu'utilisées couramment pour les pantographes de tramway ou de métro existent. Cependant, elles n'offrent pas les performances requises en grande ligne telle que l'adaptation de l'effort à la tension caténaire ou à la vitesse, masse suspendue la plus légère, séparation et maintien sûr en position basse comme pour la mise à la terre et en court-circuit

Archets

Principe

La longueur des bandes ou des archets dépend de plusieurs facteurs:

• Le gabarit mécanique et électrique (les ouvrages comme les casquettes de quai en gare, les ponts...)
• Le désaxement du fil par rapport à la voie (aussi appelé "zig-zag") afin de permettre une usure la plus uniforme des bandes de contact, lui-même dépendant des rayson de courbures, tension de fil de contact, température...
• Des mouvements de caisses autorisés (en particulier la souplesse)

Les cornes évitent au fil de contact de passer sous l'archet, en particulier lors qu'un fil est soulevé et un nouveau (ou celui d'une voie adjacente) arrive.

L'EN 50367 définit deux limites:

• "Serviceability": le fil doit rester en contact avec les bandes de carbone dans les cas "normaux" intégrant en particulier:
  • le désaxement du fil par rapport à la voie, nécessaire pour éviter les sillons dans les bandes de contact et profiter de toute leur matière d'usure
  • le déplacement du pantographe par rapport à la caisse (du à la dynamique et aux tolérances)
  • le déplacement de la caisse par rapport à la voie
• "Stability": le fil ne doit pas dépasser les cornes, considérant en particulier le déplacement du fil issu de l'effort de contact résultant de l'angle d'inclinaison des cornes

• 
  Profil d'archet non-continu
• 
  Profil d'archet continu avec cornes séparées des bandes
• 
  Profil d'archet continu avec cornes intégrées aux bandes

Largeur

La largeur (dans le sens de voie) maximale et minimale peuvent être imposées par l'infrastructure, par exemple les appareils comme les isolateurs. Une largeur trop importante pourrait court-circuit l'amont et l'aval (lorsque l'appareil est destiné à isoler y compris avec le pantographe passant). Une largeur trop petite associée à une suspension souple ou un grand degré de liberté sur la tête pourraient amener à se "coincer" dans un isolateur de section.

Les isolateurs de section prennent typiquement en compte la largeur maximale des archets et les distance d'isolement dans l'air^[12].

• 
  Exemple d'isolateur de section
• 
  Exemple de transition entre fil de contact fixe et profil aérien de contact sur un pont escamotable
• 
  Isolateur de section long

Suspensions

Différentes solutions de suspensions existent composées d'un ou plusieurs ressorts (parfois dans une même boite) afin de coller au fil de contact. L'archet, composé de 1 à 4 bandes, peut être "rigide" (les bandes sont fixes entre elles, mais la tête peut pivoter), semi-indépendantes (les bandes peuvent bouger l'une par rapport à l'autre avec des leviers et/ou ressorts) ou indépendantes (chaque bande a ses propres ressorts).

• 
  Archet bande unique et 2 boites à ressort
• 
  Archet "rigide" avec 2 boites à ressort
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  Archet rigide et grand plongeur unique (GPU)
• 
  Bandes semi-indépendantes
• 
  Bandes indépendantes

Archets interopérables

Les longueurs d'archets sont très variables suivant les gabarits mécaniques, électriques ainsi que la pose du fil de contact.

Deux archets interopérables ont été définis en Europe: le 1 600 mm et le 1 950 mm^[13].

Disposition des pantographes

Les pantographes sont quasi exclusivement disposés au-dessus des bogies afin de suivre le désaxement des fils de contact.

Par ailleurs, deux pantographe montés ne sont souvent pas reliés électriquement entre eux, à l'exception notable de certaines locomotives en courant continu, afin de limiter l'échauffement au fil de contact, en particulier à basse vitesse.

Lors du franchissement de certaines sections neutres (en particulier celles dues aux changements de phase) le pantographe peut rester monté (mais le disjoncteur ouvert). Cela est conditionné à certaines contraintes sur la disposition des pantographes par rapport au sectionnement de la caténaire. Suivant la tension et le pays, les distances autorisées entre pantographes peuvent être plus ou moins importantes afin d'éviter que deux pantographes (ou plus) ne viennent court-circuiter simulatément les sections séparées des isolateurs de section.

Section neutre courte faite de la succession de deux isolateurs de section

Aptitudes au captage du courant

En Europe, le pantographe est validé avec ses bandes de contact (ou sa bande contact seule) suivant l'EN 50367 complété par l'EN 50206 et l'EN 50405. Les limites d'intéropérabilités sur grande ligne sont définies ainsi:

Pour le courant à l'arrêt:

• 300 en 1,5 kVcc (deux fils)
• 200 A en 3 kVcc (un fil)
• 80 en 15 et 25 kVca (un fil)

Courant en roulage: Limite en puissance suivant la STI ENE et les limitations tension/courant ou tension/puissance de l'EN 50388.

Ces courants concernent les locomotives et automotrices (EMU) grande ligne. En métro, tramway ou BEMU (trains à batteries), les limites ne sont définies.

Les capacités en courant peuvent être étendues ou limités par l'usage de deux fils de contacts. L'inconvénient est néanmoins l'alourdissement, défavorable à un captage dynamique.

• 
  Pince pour deux fils de contact

Actuateur, performance et contrôle-commande

Les actuateurs et leur commande

Les actuateurs peuvent être classés en deux types: bi-stables (sans énergie le pantographe reste haut grace à des ressorts) et monostables (sans énergie, le pantographe redescent).

On compte parmi les solutions:

• les tringleries (corde, leviers...) imposant parfois le pantographe de la cabine de tête
• les vérins pneumatiques, soit fixés sur la toiture (à la masse et donc actionnant la tringlerie du pantographe au travers d'un isolateur) soit intégré au pantographe (la tuyauterie pneumatique joue alors le rôle d'isolateur)
• les actionneurs linéaires, pouvant être composés d'une vis sans fin
• les coussins (ou soufflets) pneumatiques (similaire à ce qu'on trouve pour isoler des machines à forte vibrations) et guidés en partie par des leviers et élingues jusqu'à la came du bras inférieur

• 
  Pantographe à moteur linéaire
• 
  Pantographe à soufflet/coussin pneumatique
• 
  Pantographe avec piston/vérin pneumatique

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^[14] 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 de train a été réduit, tout en recherchant une réduction de l'usure et des frais d'entretien^[15].

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)^[16], par exemple pour le Shinkansen^[17]. 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^[17], ainsi que par une conception adaptée de la forme (design) du pantographe^[17].

Effort aérodynamique

Plusieurs ailerons peuvent équiper la tête du pantographe (au-dessus ou en-dessous de la suspension) ou encore le bras (comme sur les pantographes Brecknell & Willis). Ceux-ci permettent de maitriser l'effort de contact moyen dans une plage suivant la tension et la vitesse et d'assurer un décollement minimum tout en limitant le soulèvement, en particulier celui des bras d'inscription.

Suivant la direction du roulage (genou en avant ou en arrière), la signature aérodynamique du pantographe^[18] et/ou du train amène plus ou moins de portance. Au moins un aileron peut contibuer, suivant son angle d'attaque et sa largeur en particulier, à ajouter ou retirer de la portance. L'autre aileron, destiné à jouer le même rôle dans l'autre direction, devra avoir une influence faible ou négligeable^[19] .

Sur certains trains, en particulier à grande vitesse (comme le TGV), la pression du coussin pneumatique est pilotée électroniquement^[20] suivant plusieurs paramètres, permettant d'éviter l'ajout d'ailerons.

• 
  Pantographe Brecknell Willis avec ses ailerons caractéristiques au genou

Effort statique au fil de contact

A compléter

Effort dynamique au fil de contact

A compléter

Pantographe pour train pendulaire

Sur train pendulaire, le pantographe est soit fixé à une structure reliée au bogie (exemples ci-dessous en image), soit monté sur un dispositif le déplaçant à l'opposé de la caisse^[21] (comme avec des courroies sur Pendolino en Grande-Bretagne^[22]).

• 
  Structure bogie remontant en toiture sur certains pendulaires
• 
  Pantographe de train pendulaire fixé sur structure bogie
• 
  FIAT Y 0160 avec son pantographe levé, relié au bogie

Qualité de captage

Soulèvement

A compléter

Phénomène d'arc électrique

Arc formé par le décollement du contact et la formation d'un plasma

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 matière 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^[23].

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^[24].
• l'humidité, favorisant la conduction de l'air lors d'un décollement
• certains trains utilisent deux pantographes simultanément, sur la même unité ou sur chaque unité. Le passage des premiers pantographes provoque des ondulations de la caténaire qui causent le décollement au passage des suivants.

Simulation et validation de l'effort au fil de contact

Sur grandes lignes et lignes LGV en Europe, il est prévu d'obtenir un modèle masse-ressort du pantographe après passage sur banc suivant l'EN 50318.

Une modélisation de la caténaire est également réalisée à partir de ses paramètres géométriques (espacement des mats, tension dans les fils, masse linéique, etc.) et permet une simulation de l'intéraction entre les pantographes et la caténaire^[25] afin de pré-déterminer la qualité de captage (efforts et soulèvement en particulier) et de choisir la configuration (distance entre pantographes) la plus défavorable pour les essais en ligne.

Banc dynamique

Des bancs à roue tel que celui de PoliMi^[26] permettent en roue d'estimer les usures du fil de contact et/ou des bandes au travers des usures mécaniques (frottement, effet Joule) et électriques (arcs).

Fonctions connexes

Rupture de bande

Si la bande de contact sur le pantographe est usée ou détruite, ou éventuellement ses cornes, le pantographe peut arracher la caténaire. Pour éviter cela, des moniteurs de pantographe peuvent être installés. Le dispositif de descente automatique du pantographe, imposé sur certains trains, limite également les risques ou les dégâts.

Au-delà d'une certaine vitesse, les pantographes grande ligne doivent disposer d'un dispositif de descente automatique^[27].

A compléter

Limitation de hauteur

Pantographe TGV équipé de sa butée pilotée (en bas)

La SAM E903^[28] demande dans certaines conditions que le pantographe soit limité en hauteur sur ligne LGV.

Aux Pays-Bas, les ponts sans caténaires (souvent amovibles) sont traversés pantographe haut, ce qui nécessite une butée.

De même l'EN 50122 demande à limiter l'extension des pantographes lors de la rupture du fil de contact.

Constructeurs

En France, le principal constructeur de pantographes est la société Faiveley Transport et un des fabricants de bande de carbone est Mersen.

Autres fonctions

Pantographe d'un engin de chantier

Un pantographe sert essentiellement pour l'alimentation d'un engin moteur ferroviaire. Cependant, il existe certains cas où le pantographe possède une fonction autre que la traction :

• mesures et tests mécaniques d'une caténaire neuve (avec ou sans tension), sur une voiture de contrôle des caténaires et lignes de contact ;
• alimentation générale d'une voiture de mesures ;
• alimentation d'un train climatisé (par exemple : pantographe monté sur fourgon RENFE pour l'alimentation en 3 000 V continu du reste du train via la ligne de train UIC, ou conduite chauffage), en l'absence de locomotive ;
• alimentation d'une voiture restaurant, uniquement garée sur une voie de garage. Exclusivement, sous une caténaire électrifiée en 15 kV alternatif 16,67 Hz, ce système n’existe que sur les voitures restaurant de fabrication suisse et allemande
• mise à l'équipotentiel et à la terre de la caténaire lors des travaux effectués à partir de certains véhicules de travaux

Systèmes comparables

Pantographe d'auto-tamponneuse.

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 le captage en triphasé du chemin de fer de la Rhune au pays basque.

Autres images

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