thumb|Caténaire 2 x sur la ligne Mantes-Cherbourg. Initialement, le terme caténaire désigne la forme géométrique adoptée par une corde suspendue entre deux points, également appelée chaînette. Par extension, on désigne par caténaire un ensemble de câbles porteurs et de fils conducteurs destinés à l’alimentation des moyens de transport électriques à captage du courant par dispositif aérien. Les câbles porteurs sont en cuivre, en bronze ou en aluminium-acier, quant aux fils conducteurs, ils sont en cuivre pur à 98 %, ou en cuivre allié à l'étain, au magnésium ou au cadmium. La caténaire permet de faire circuler la plupart des trains et des trams, mais aussi les trolleybus. Certains manèges forains d'auto-tamponneuses fonctionnent également par alimentation électrique aérienne.
De la ligne de contact à la caténaire thumb|Ligne de contact simplifiée, de type « trolley », sur la ligne Plaisir-Épône. Une ligne aérienne de traction électrique est appelée ligne de contact lorsqu’elle ne comporte qu’un ou deux fils de contact (F.C.). La caténaire (du latin catena, chaîne) est constituée d’un ou de deux fils de contact suspendus par des pendules à un ou deux câbles porteurs.
Régularité de la distance fil de contact-rail
Le captage du courant aux vitesses élevées nécessite un fil de contact présentant une flèche spécifique entre deux points de suspension consécutifs (portée). Des irrégularités se traduiraient par des discontinuités dans le captage de l'énergie électrique entraînant une dégradation prononcée du matériel (bande d'usure et fil de contact).
Certaines lignes sont équipées de caténaires simplifiées (par ex. : la ligne Bourg-Saint-Maurice – Albertville), la vitesse sur les portions de ligne équipée de telles caténaires est limitée à au maximum, à cause des contraintes subies sur le fils de contact au delà de cette vitesse. Dans les gares de triage et les dépôts où la vitesse est toujours réduite, l'alimentation électrique des trains se fait également par une ligne de contact constituée d'un ou de deux fils.
Câble porteur
Du fait de son poids, un fil tendu entre deux points ne peut pas suivre une ligne droite. Il suit une courbe qu’on appelle la flèche ou bien chaînette (en forme de cosinus hyperbolique).
La solution consiste à suspendre le fil de contact, rainuré longitudinalement sur le dessus, à un câble porteur par l’intermédiaire de pendules de longueur variable, suivant le même principe que les ponts suspendus. L’ensemble est tendu par des appareils-tendeurs munis de contrepoids qui exercent une traction équilibrée sur les deux fils et maintiennent une tension mécanique constante pour une plage de température définie (caténaire entièrement régularisée). On appelle ce montage, entre deux contrepoids, un canton de pose. Toutefois, afin d'éviter la dérive de l'ensemble vers l'un ou l'autre contrepoids, le milieu de celui-ci est ancré de façon très rigide par un dispositif appelé « anticheminement », réduisant également sa chute, en cas de rupture, à la moitié du canton de pose.
Histoire
Le premier tramway électrique français, mis en service à Clermont-Ferrand était alimenté par une « navette » glissant dans un tube fendu et relié au tramway par un câble flexible.
En 1910, le PLM effectue des essais entre Grasse et Mouans-Sartoux, en 10 kV 25 Hz ; au même moment, la Cie. du Midi décide d'équiper la ligne de Perpignan à Villefranche de Conflent en 12 kV- 16 2/3 Hz.
Ces essais ont permis de valider les premiers supports caténaires, et celle-ci.
Entre Perpignan et Villefranche, il subsiste de très nombreux poteaux caténaires datant des premiers essais en 12 kV 16 2/3 Hz, qui supportent aujourd'hui une caténaire unifiée en 1500 V CC.
Mur de la caténaire
Le frottement de l'archet sur le fil de contact génère une onde mécanique 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 . Si le TGV atteint cette vitesse, le pantographe rattrape l'onde — c'est le phénomène de Mach, parfois appelé le mur de la caténaire. Il peut entraîner l'arrachement des caténaires et la destruction du pantographe. C'est la principale cause 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 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 conductivité électrique — pour limiter les pertes par effet Joule.
Outre la tension mécanique exercée sur la caténaire, une augmentation de la vitesse de l'onde a été obtenue (en exploitation) par un raidissement des supports caténaires, et un blocage du pantographe à une hauteur constante ( sur les LGV françaises). On réduit également l'amplitude de cette onde en réglant les fréquences de vibration des supports de sorte qu'ils absorbent cette onde. Ces modifications ont permis de dépasser la vitesse de et d'exploiter des lignes à très grande vitesse entre 300 et .
Technique
Électrotechnique thumb|Isolateur verre.thumb|Isolateur céramique. En électrification 25 000 volts, l’armement, c'est-à-dire l'équipement situé sur le poteau et destiné à « porter » la caténaire, est le plus souvent sous tension et constitué par des consoles et des haubans isolés des supports caténaires par des isolateurs en verre, céramique ou matière synthétique, dont la taille varie en fonction de la tension d'alimentation et des conditions atmosphériques auxquelles ils sont exposés (zone maritime, polluée, etc.). La structure de la caténaire dépend profondément de la tension d’alimentation.
Généralités Le nombre de conducteurs électriques distribués dépend de la tension utilisée, de la vitesse de la ligne, du dimensionnement électrique nécessaire en fonction du nombre de circulations présentes simultanément sur un même secteur.
La carcasse du véhicule peut être : au potentiel du rail de retour de courant (tramway, etc.), ou à la terre via un rail de terre spécial (métro de Londres, etc.), ou isolée (trolleybus).
En ferroviaire, en alternatif, une des phases est mise au rail et à la terre (les effets des "courants vagabonds" sont quasi négligeables en alternatif). En monophasé : 1 phase à la caténaire, le retour de courant étant l'autre phase, mise au rail et à la terre. En biphasé : idem, mais on transporte en plus la phase opposée (à 180°) sur un feeder dit "négatif". Le retour de courant, mis à la terre, est donc le "point milieu" du transfo traction. En triphasé "triangle" : on distribue 2 phases (à 120°) sur la caténaire, la étant le rail mis à la terre. Solution moins efficace que le montage précédent, mais on déséquilibre moins les phases du réseau amont (réseau RTE en France). En triphasé "étoile" : 3 phases distribuées sur la caténaire, carcasse au rail et à la terre et au neutre du transfo. Jadis, des locomotives à moteur alternatif avaient été équipées de 3 pantographes à captage vertical. Ce montage est plutôt utilisé sur des systèmes sans aiguillage, comme les ponts roulants, en basse tension, avec des frotteurs.
Courant continu vignette|Caténaire , avec feeder de ligne. Le courant continu a été déployé lors du début de l’électrification du réseau ferroviaire. On trouve par exemple des réseaux en CC en France ou aux Pays-Bas. Les courants importants qui circulent dans la caténaire nécessitent des conducteurs plus nombreux et de section plus importante, c’est une caténaire plus compliquée à mettre en œuvre et nécessitant des points d’alimentation (sous-stations électriques) distants de 10 à . En France, ce type de caténaire est essentiellement utilisé sur les réseaux sud-est et sud-ouest (à Paris : départ des lignes gare de Lyon, gare d’Austerlitz, gare Montparnasse, RER C, ligne de Sceaux). Certaines lignes ex-SNCF, comme les lignes de Paris à Saint-Germain-en-Laye et celle de Paris à Marles-en-Brie ont été électrifiées et réélectrifiées en 1500 V continu sur la majeure partie de leurs tronçons dans le cadre de leurs transfert à la RATP pour la réalisation du RER A.
vignette|Caténaire entre Bois-le-Roi et Fontainebleau.
La caténaire continu se retrouve en Belgique, au Luxembourg jusqu'en (ligne de Luxembourg à Bruxelles), en Italie, en Espagne ou dans certains pays de l’Est comme la Pologne. Le doublement de la tension limite les pertes d’énergie en ligne à puissance fournie égale, car le courant nécessaire est divisé par deux, et la perte par effet Joule dans les câbles est divisée par quatre.
On trouve aussi des tensions de à , par exemple dans des réseaux de tramway, métro et trolleybus.
En électrification par courant continu, le « positif » est transmis aux engins de traction depuis les sous-stations par l’intermédiaire de la caténaire ou ligne de contact. Le retour du courant à la sous-station se fait par les rails. En effet, dans ce mode d'électrification, le conducteur retour de courant (le rail) est isolé de la terre afin d'éviter les courants vagabonds dans le sol, susceptibles d'engendrer de fortes corrosions sur des masses métalliques à proximité (ex : canalisations de gaz). Dans son mode de fonctionnement normal, le potentiel des rails par rapport à la terre est compatible avec la protection des personnes.
Courant alternatif industriel vignette|Ligne aérienne de contact à la gare de Paris-Est. Le alternatif monophasé est est utilisé par la France, l'Espagne, la Grande-Bretagne, la Chine, la Russie, l'Italie, la Finlande, la Belgique, le Sénégal, le Luxembourg, la Tchéquie et la Slovaquie…. On trouve aussi des variantes : et au Japon, aux États-Unis... On trouve même du en Afrique du Sud et sur une ligne affectée au transport du charbon aux États-Unis.
Elle est plus simple à mettre en œuvre, ne nécessite que des sous-stations électriques espacées de 50 à , voire plus avec le 2 x (les pertes d'énergie électrique étant inférieures à celles des caténaires alimentées sous courant continu à tensions plus faibles) et celles-ci sont plus simples (pas besoin de redresser le courant ni de le lisser). Il s’ensuit un coût kilométrique largement inférieur à celui de la caténaire .
En revanche, au droit ou à proximité de certaines sous-stations, une section de séparation de sources d’alimentation est réalisée. Cette section de séparation, non alimentée, a pour but d’éviter le pontage de deux caténaires successives dont les alimentations présentent entre elles des différences de phases (dues au raccordement monophasé sur un réseau triphasé du réseau de transport électrique) par un ou plusieurs pantographes d’une circulation électrique. En France, les réseaux au départ de Paris se trouvent gare du Nord, gare de l’Est et gare Saint-Lazare. Toutes les lignes nouvelles en France sont désormais alimentées sous cette tension également.
La tension plus élevée augmente les contraintes de sécurité électrique, notamment lors des opérations de maintenance.
Courant alternatif basse fréquence vignette|Caténaire courant continu de la ČD. Certains pays d’Europe comme la Suisse, l’Allemagne, l’Autriche, la Norvège, la Suède ont adopté une tension de alternatif monophasé 2/3.
Aux USA, la fréquence de 25 Hz a été préférée au 16 2/3 Hz, avec une tension de 11 kV.
La France a expérimenté des fréquences de 16 2/3 Hz, en 12 kV sur la ligne de Perpignan à Villefranche - Vernet-les-Bains et de 25 Hz, sur de nombreux réseaux, électrifiés en 6,6 et 10 kV, de chemins de fer secondaires à voie métrique tels que les CDHV (dont les vestiges sont toujours présents à Oradour-sur-Glane), les Tramways des Alpes-Maritimes, les Tramways de l'Ain, les Tramways électriques de Loir-et-Cher, les Chemins de fer de Camargue, etc.