thumb|Une ancienne sous-station de traction sur une ligne de en Pennsylvanie. Une sous-station de traction est située sur une ligne de chemin de fer électrifiée. Elle permet l'alimentation en énergie électrique d'une section de cette ligne. En général une ligne comporte plusieurs sous-stations de traction, ce qui permet la marche des trains qui captent l'énergie électrique entre une ligne de contact et les rails de roulement. Elles sont généralement raccordées à un réseau électrique alternatif à haute tension. Leur fonction est d'abaisser cette tension à une valeur utilisable par les engins moteurs et, dans certains cas, de modifier la fréquence de la tension ou de la convertir en tension continue.
Les différents systèmes d'électrification
Différentes formes d'électricité Une première distinction est liée à la forme d'électricité utilisée, continue ou alternative. Sous la forme continue, l'électricité circule toujours dans le même sens. Sous la forme alternative elle change régulièrement de sens ce qui génère l'induction électromagnétique, base de l'effet transformateur et des machines tournantes à induction.
Rappelons quelques données électriques de base : la tension électrique (ou différence de potentiel) est la grandeur physique qui fait circuler l'électricité créant un courant électrique; la tension se mesure en volts (V) ou en kilovolts (1 kV=1000 V), l'intensité du courant se mesure en ampères (A) ou en kiloampères (1 kA=1000 A). la génération d'un courant par une tension dans un circuit fermé est liée à l'impédance de ce circuit selon les diverses versions de la Loi d'Ohm. les systèmes à tension et courant alternatifs sont caractérisés par la fréquence (nombre d'oscillations par unité de temps), mesurée en "périodes par seconde" ou hertz (Hz, unité normalisée) et par le nombre de phases, le plus souvent une (monophasé) ou trois (triphasé). Ils permettent d'utiliser le transformateur pour élever ou abaisser le niveau de la tension. Tension et courant alternatifs se représentent par la courbe sinusoïde et sont traitées mathématiquement par les fonctions trigonométriques. la puissance électrique est le produit mathématique de la tension et de l'intensité, elle se mesure en watts (W), mais le plus souvent pour les équipements de grande puissance en kilowatts (1 kW=1000 W) ou en mégawatts (1 MW = 1000 kW). La puissance d'une sous-station qui délivre du courant alternatif s'exprime en volts-ampères (VA) compte tenu du déphasage qui existe entre la tension et l'intensité.
Selon la forme d'électricité et les valeurs de tension utilisées, il existe plusieurs systèmes d'électrification. Électrifications sous tensions continues avec des valeurs de quelques centaines à quelques milliers de volts. Électrifications sous tensions alternatives, monophasée ou triphasée, avec des valeurs de plusieurs milliers ou dizaines de milliers de volts. Une remarque de sémantique : de façon générale, la mauvaise habitude a été prise de dénommer les électrifications «à» ou «en» «courant continu» ou «courant alternatif». Alors que l'on fournit à la ligne de contact, donc aux engins de traction, une tension et que les dites électrifications sont désignées par la valeur de cette tension en volts ou en kilovolts (1500 V, 15 kV, etc.). Le courant ainsi distingué n'est que la conséquence de la présence d'un récepteur sous la dite tension. Il serait donc préférable de parler d'électrifications «à» ou «sous» «tension continue» ou «alternative».
Justifications des valeurs de tension Pour les moteurs de traction Pour des questions d'isolation électrique, dans la géométrie exiguë d'un moteur de traction, il est difficile de construire celui-ci pour plus de 2000 V. Sous tension alternative, il est possible de fournir ce niveau à partir d'une tension à la ligne de contact plus élevée en utilisant un transformateur à bord de l'engin de traction. D'où les valeurs élevées des tensions alternatives utilisées (3600 à 50 000 V avec quelques exceptions plus basses). Sous tension continue ce processus n'est pas possible, on doit donc fournir à la ligne de contact une tension de l'ordre de grandeur de la valeur de définition pour le moteur de traction, d'où des valeurs basses, inférieures à 2000 V. Pour les électrifications sous 3000 V, assez fréquentes, on avait à l'origine (années 1920) toujours deux moteurs en série, tournant sous 1500 V, et des dispositifs particuliers devaient être utilisés pour les auxiliaires, ce qui rendait les engins de traction plus lourds, plus chers et moins performants.
Pour la ligne de contact Pour une puissance donnée à fournir plus la tension est élevée et plus l'intensité du courant est basse. Or les chutes de tension en ligne (ligne de contact, rails, sol, engins de traction) sont proportionnelles à cette intensité. D'où l'intérêt d'avoir des valeurs aussi basses que possible de l'intensité ce qui conduit à avoir des sections de fils et câbles plus faibles donc une ligne de contact plus légère et moins chère. C'est aussi ce qui a justifié les électrifications sous 3000 V permettant une ligne de contact plus légère que sous des tensions plus faibles justifiées par la limite à 2000 V.
Mais pourquoi des électrifications sous tensions continues ? Au début du développement des grandes électrifications (années 1910-1920) le meilleur moteur pour la traction était le moteur à collecteurMachine électrique#Machine à courant continu. Celui-ci fonctionne idéalement sous tension continue mais aussi sous tension alternative quoique moins bien avec l'augmentation de la fréquence (Phénomène de commutation). À cette époque la fréquence pour le développement des réseaux électriques de transport et de distribution fut généralisée à 50 Hz en Europe et 60 Hz en Amérique du Nord, sous la dénomination «fréquence industrielle». Or on ne savait pas faire tourner un moteur à collecteur sous ces fréquences. D'où l'adoption de fréquences moins critiques pour ce type de moteur, en particulier 16,66 Hz ou 16 2/3 (50 / 3) et 25 Hz (50 / 2).
Dans les années 1950, après un demi-siècle d'expérimentation, on sut construire des engins de traction fonctionnant sous 50 Hz ce qui ouvrit la voie à des électrifications plus simples et moins chères. Ce système sera adopté au niveau international avec la tension de définition de 25 000 V.
À partir des années 1980, grâce aux développements de l'électronique de puissance, l'utilisation de moteurs à induction triphasésMachine électrique#Machines à courant alternatif, généralement abandonnés soixante ans auparavant, a permis de faire fonctionner des engins de traction sous tous les systèmes existants.
Différents types de ligne de contact Les engins de traction captent une tension électrique entre les rails et un conducteur isolé électriquement, partie d'un dispositif appelé «ligne de contact». Une seconde distinction entre les différents types d'électrification est liée à la nature de la ligne de contact.
Deux grandes catégories de lignes de contact : aériennes, au sol.
Lignes de contact aériennes Grâce à un appareil de prise de courant (pantographe, perche), les engins de traction captent la tension entre, d'un côté, un ou deux fils de contact suspendus et, de l'autre côté, les rails. Pour avoir la résistance électrique la plus faible les fils de contact sont, généralement, en cuivre électrolytique à haut degré de pureté.
Plusieurs configurations peuvent être utilisées : Un fil de contact simple ou fil trolley : entre des supports rapprochés (de l'ordre de 20 m) le fil, sous son propre poids, forme une courbe en chaînette ce qui limite la vitesse des véhicules (50 à 60 km/h). C'est le système utilisé pour les tramways, les voies de gares, de garage et de triage. On utilise aussi le fil trolley régularisé qui est tendu par un système de contrepoids et permet des portées plus longues (50 m) et des vitesses jusqu'à 100 km/h. Suspension caténaire (du latin catena, “chaîne”) : pour régulariser au mieux leur hauteur par rapport aux rails, le ou les fils de contact sont suspendus, à intervalles réduit, à des fils ou câbles porteurs. Le ou les fils de contact, et dans certaines applications le porteur, sont généralement tendus par un système de contrepoids. Profil aérien de contact (PAC) ou ligne de contact rigide, constitué par un profil en alliage léger extrudé dans lequel est inséré le fil de contact en cuivre. L'encombrement vertical est moindre qu'avec une suspension caténaire, cette technique est, maintenant, souvent utilisée dans les ouvrages souterrains.
L'habitude a été prise, dans le monde du chemin de fer, de simplifier «ligne de contact à suspension caténaire» en «caténaire». Ce qui conduit à des emplois inexacts et abusifs lorsqu'il s'agit d'un simple fil trolley ou d'un PAC (certains parlent alors de “caténaire rigide”!). Quand il ne s'agit pas d'une suspension caténaire il serait donc préférable de parler de «ligne de contact».
Lignes de contact au sol Constituées par un ou des conducteurs isolés disposés parallèlement aux rails de roulement et au contact desquels les engins de traction captent la tension au moyen de frotteurs. On utilise le plus souvent un troisième rail, latéral à la voie, mais dans certaines applications on peut avoir un quatrième rail, disposé entre les rails de roulement.
Ces systèmes sont souvent appliqués dans les réseaux urbains souterrains, de type “métro”, les lignes de contact aériennes présentant un encombrement important au-dessus des véhicules. Mais la présence d'un rail sous tension électrique à proximité des voies constitue un danger pour le personnel et le public (dans les gares et sur les passages à niveau). Pour cette raison, ces systèmes sont utilisés pour des basses tensions, inférieures à 1000 V, ce qui est généralement le domaine des tensions continues. Une exception a existé de 1928 à 1976, sur la ligne française Chambéry - Modane, avec un troisième rail sous tension continue de 1500 V.
Il faut citer aussi, pour mémoire, les systèmes d'alimentation par le sol pour des sections de tramways sans ligne de contact aérienne.
Électrifications non ferroviaires Les véhicules électriques sur pneumatiques utilisent des systèmes d'alimentation similaires aux véhicules ferroviaires. Ligne de contact aérienne à deux fils : pour les trolleybus, la tension d'alimentation est appliquée entre deux fils isolés entre eux et par rapport à l'environnement. Ligne de contact au sol à deux conducteurs : pour les métros sur pneumatiques, la tension d'alimentation est appliquée entre les barres métalliques latérales de guidage, isolées entre elles et par rapport à l'environnement.
Différents systèmes Il existe ainsi différentes définitions d'électrifications ferroviaires : Électrifications sous basses tensions continues (160 à 1200 V) avec ligne de contact au sol ( ou ). Électrifications sous basses tensions continues (500 à 1200 V) avec ligne de contact aérienne. Électrifications sous moyennes tensions continues (1350 à 3000 V) avec ligne de contact aérienne. Électrifications sous moyennes tensions alternatives triphasées (725 à 3600 V - 16,7 Hz, 50 Hz) avec double ligne de contact aérienne. Électrifications sous hautes tensions alternatives monophasées (11 000 à 15 000 V), à fréquence spéciale (16,7 Hz, 25 Hz), avec ligne de contact aérienne. Électrifications sous hautes tensions alternatives monophasées (20 000 à 50 000 V), à fréquence industrielle (50 Hz, 60 Hz), avec ligne de contact aérienne.
Les systèmes de transport électrifiés non ferroviaires nécessitent également des sous-stations de traction : Trolleybus : électrifications sous basses tensions continues (400 à 600 V) avec double ligne de contact aérienne. Métros sur pneumatiques : électrifications sous basse tension continue (750 V) avec double ligne de contact au sol.
Principe de fonctionnement des sous-stations