Le captage du courant sera certainement l'un des domaines les plus difficiles à maîtriser pour la tentative de record de vitesse du TGV baptisée V150 qui doit avoir lieu en Avril prochain. Fort de l'expérience française dans le domaine des pantographes grande vitesse, l'équipe mise en place pour établir ce nouveau record du monde a retenu le CX de Faiveley Transport. Il s'agit du pantographe à contrôle électronique développé par Faiveley Transport au milieu des années 1990 et qui sera utilisé ici dans sa version la plus moderne. La rame ainsi équipée devrait dépasser les 540km/h.
Les caténaires de TGV sont constituées d'un câble profilé de cuivre d'une section de 150 millimètres carrés, soutenu par un câble porteur en bronze. Elles permettent une alimentation en 25 000 V de la motrice, qui est équipée de 2 pantographes. En temps normal, ceux-ci doivent faire face à des variations de hauteur de caténaire de quelques centimètres entre chaque poteau et de plusieurs dizaines de centimètres au niveau des poteaux. La difficulté à haute vitesse est de garder un contact pantographe/caténaire constant malgré les fortes variations de hauteur de la ligne conductrice et toutes les turbulences aérodynamiques engendrées par le profil du train. L'objectif officiel du programme V150 est d'atteindre, voire de dépasser, une vitesse de 150m/s, soit 540km/h. Le précédent record, établi en 1990, est de 515,3km/h. Il va sans dire que le pantographe est amené à son fonctionnement critique. La distance entre deux poteaux sera notamment parcourue en 0,4 s. Le pantographe devra donc moduler et ajuster automatiquement sa hauteur sur plusieurs dizaines de centimètres, sans à coups, en moins d'une demi seconde, entre chaque poteau.
« Le challenge est aussi d'utiliser une solution standard. Il s'agira du pantographe CX que nous avons adapté en version monobande. Notons que ce pantographe est aussi conforme au standard TSI qualifiant l'interopérabilité des trains à grande vitesse sur les différents réseaux européens. Le pantographe CX de FAIVELEY fut le premier à être testé selon cette norme, c'était au cours de l'été 2006 sur la nouvelle ligne très grande vitesse entre la Belgique et les Pays Bas HSL-Zuid» explique Jean DELIGNIERES, responsable des produits de captage au sein de FAIVELEY Transport. La première différence technique vient du contrôle électronique : « Notre pantographe est toujours le seul en exploitation sur le marché qui utilise ce principe » ajoute Jean DELIGNIERES. 350 exemplaires du CX à régulation électronique sont exploités quotidiennement en Allemagne, en Belgique, en France et aux Pays-Bas.
Son principe est le suivant : il est actionné par un dispositif pneumatique composé d'un coussin pneumatique commandé par une platine électropneumatique assistée d'une carte électronique. Le système ajuste en temps réel la pression du coussin d'air et donc la force à appliquer sur la caténaire afin d'obtenir le meilleur contact électrique possible entre la caténaire et le pantographe, quelles que soient les conditions d'exploitation. La pression de consigne est calculée en fonction de la vitesse de la rame, en tenant compte de la portance propre du pantographe, du sens et de la composition de la rame (US ou UM). L'algorithme d'origine de Faiveley avait été établi pour des vitesses allant jusqu'à 400km/h. Avec cette nouvelle tentative de record, FAIVELEY Transport complète sa connaissance du comportement aérodynamique de ses pantographes pour des vitesses supérieures à 500 km/h et affine ainsi la précision de son système de régulation.
Une série de tests réels, menée conjointement avec la SNCF, RFF et Alstom Transport, permettra de valider ces paramétrages. Une rame constituée de deux motrices encadrant trois voitures, va s'élancer sur une portion de la ligne préalablement préparée. Une voie spécifique de près de 100 km entre la gare de Meuse et celle de Champagne sera préparée à cet effet. C'est sur ce tronçon et plus particulièrement sur une quarantaine de km que la rame du record pourra mener sa tentative de record. La caténaire sera retendue et les deux motrices du train seront spécialement aménagées dans l'usine ALSTOM d'Aytré, près de La Rochelle, avec des roues de plus grand diamètre et un rapport d'engrenage adapté. Ainsi équipée, à partir du 15 janvier et jusqu'au 14 mars, la rame va effectuer des marches rapides sur la voie à partir de la gare lorraine de Louvigny, toujours précédée par une rame TGV normale chargée d'ouvrir la voie.
Autre astuce technique, FAIVELEY Transport a appliqué une innovation déjà en exploitation sur le réseau ferroviaire helvétique et également retenu pour les nouvelle rames grande vitesse qui circuleront sur la ligne CTRL entre Londres et le tunnel sous la manche. Il s'agit d'une version du CX avec archet muni d'une seule bande de contact. Classiquement, un pantographe dispose de deux bandes de contact afin d'assurer une meilleure liaison avec la caténaire. Ici, le contact a été optimisé afin de limiter la tendance du pantographe à ne frotter que sur les angles. Résultat : le pantographe est quasiment neutre du point de vue aérodynamique, ce qui lui confère un meilleur équilibre. Cette innovation a été mise au point pour les chemins de fer suisses (CFF) qui ont pu ainsi résoudre des situations de captage complexe à grande vitesse avec des alternances de caténaires rigides et basses dans les tunnels et de caténaires flexibles standard. Problématique supplémentaire, le pantographe crée une onde mécanique sur la caténaire lors de son passage. Le TGV ne doit pas dépasser la vitesse de l'onde qui se déplace à 500km/h sur des caténaires classiques, il risque sinon de perdre le contact et d'endommager la ligne électrique. Ce problème est résolu en augmentant la tension des câbles. Les caténaires seront tendues avec un effort de 4 tonnes, ce qui devrait amener la "vitesse critique" de la caténaire à 620km/h, assez loin des 540km/h visés.
A travers cette tentative, FAIVELEY Transport pourra faire la preuve de son avance technologique en terme de maîtrise technologique à très grande vitesse, dans le domaine du captage, mais aussi du freinage : c'est en effet un système de frein FAIVELEY transport qui équipera la rame.
Les caténaires de TGV sont constituées d'un câble profilé de cuivre d'une section de 150 millimètres carrés, soutenu par un câble porteur en bronze. Elles permettent une alimentation en 25 000 V de la motrice, qui est équipée de 2 pantographes. En temps normal, ceux-ci doivent faire face à des variations de hauteur de caténaire de quelques centimètres entre chaque poteau et de plusieurs dizaines de centimètres au niveau des poteaux. La difficulté à haute vitesse est de garder un contact pantographe/caténaire constant malgré les fortes variations de hauteur de la ligne conductrice et toutes les turbulences aérodynamiques engendrées par le profil du train. L'objectif officiel du programme V150 est d'atteindre, voire de dépasser, une vitesse de 150m/s, soit 540km/h. Le précédent record, établi en 1990, est de 515,3km/h. Il va sans dire que le pantographe est amené à son fonctionnement critique. La distance entre deux poteaux sera notamment parcourue en 0,4 s. Le pantographe devra donc moduler et ajuster automatiquement sa hauteur sur plusieurs dizaines de centimètres, sans à coups, en moins d'une demi seconde, entre chaque poteau.
« Le challenge est aussi d'utiliser une solution standard. Il s'agira du pantographe CX que nous avons adapté en version monobande. Notons que ce pantographe est aussi conforme au standard TSI qualifiant l'interopérabilité des trains à grande vitesse sur les différents réseaux européens. Le pantographe CX de FAIVELEY fut le premier à être testé selon cette norme, c'était au cours de l'été 2006 sur la nouvelle ligne très grande vitesse entre la Belgique et les Pays Bas HSL-Zuid» explique Jean DELIGNIERES, responsable des produits de captage au sein de FAIVELEY Transport. La première différence technique vient du contrôle électronique : « Notre pantographe est toujours le seul en exploitation sur le marché qui utilise ce principe » ajoute Jean DELIGNIERES. 350 exemplaires du CX à régulation électronique sont exploités quotidiennement en Allemagne, en Belgique, en France et aux Pays-Bas.
Son principe est le suivant : il est actionné par un dispositif pneumatique composé d'un coussin pneumatique commandé par une platine électropneumatique assistée d'une carte électronique. Le système ajuste en temps réel la pression du coussin d'air et donc la force à appliquer sur la caténaire afin d'obtenir le meilleur contact électrique possible entre la caténaire et le pantographe, quelles que soient les conditions d'exploitation. La pression de consigne est calculée en fonction de la vitesse de la rame, en tenant compte de la portance propre du pantographe, du sens et de la composition de la rame (US ou UM). L'algorithme d'origine de Faiveley avait été établi pour des vitesses allant jusqu'à 400km/h. Avec cette nouvelle tentative de record, FAIVELEY Transport complète sa connaissance du comportement aérodynamique de ses pantographes pour des vitesses supérieures à 500 km/h et affine ainsi la précision de son système de régulation.
Une série de tests réels, menée conjointement avec la SNCF, RFF et Alstom Transport, permettra de valider ces paramétrages. Une rame constituée de deux motrices encadrant trois voitures, va s'élancer sur une portion de la ligne préalablement préparée. Une voie spécifique de près de 100 km entre la gare de Meuse et celle de Champagne sera préparée à cet effet. C'est sur ce tronçon et plus particulièrement sur une quarantaine de km que la rame du record pourra mener sa tentative de record. La caténaire sera retendue et les deux motrices du train seront spécialement aménagées dans l'usine ALSTOM d'Aytré, près de La Rochelle, avec des roues de plus grand diamètre et un rapport d'engrenage adapté. Ainsi équipée, à partir du 15 janvier et jusqu'au 14 mars, la rame va effectuer des marches rapides sur la voie à partir de la gare lorraine de Louvigny, toujours précédée par une rame TGV normale chargée d'ouvrir la voie.
Autre astuce technique, FAIVELEY Transport a appliqué une innovation déjà en exploitation sur le réseau ferroviaire helvétique et également retenu pour les nouvelle rames grande vitesse qui circuleront sur la ligne CTRL entre Londres et le tunnel sous la manche. Il s'agit d'une version du CX avec archet muni d'une seule bande de contact. Classiquement, un pantographe dispose de deux bandes de contact afin d'assurer une meilleure liaison avec la caténaire. Ici, le contact a été optimisé afin de limiter la tendance du pantographe à ne frotter que sur les angles. Résultat : le pantographe est quasiment neutre du point de vue aérodynamique, ce qui lui confère un meilleur équilibre. Cette innovation a été mise au point pour les chemins de fer suisses (CFF) qui ont pu ainsi résoudre des situations de captage complexe à grande vitesse avec des alternances de caténaires rigides et basses dans les tunnels et de caténaires flexibles standard. Problématique supplémentaire, le pantographe crée une onde mécanique sur la caténaire lors de son passage. Le TGV ne doit pas dépasser la vitesse de l'onde qui se déplace à 500km/h sur des caténaires classiques, il risque sinon de perdre le contact et d'endommager la ligne électrique. Ce problème est résolu en augmentant la tension des câbles. Les caténaires seront tendues avec un effort de 4 tonnes, ce qui devrait amener la "vitesse critique" de la caténaire à 620km/h, assez loin des 540km/h visés.
A travers cette tentative, FAIVELEY Transport pourra faire la preuve de son avance technologique en terme de maîtrise technologique à très grande vitesse, dans le domaine du captage, mais aussi du freinage : c'est en effet un système de frein FAIVELEY transport qui équipera la rame.