vignette|198x198px|Caténaire 1,5 kV en gare de Villeneuve-Saint-Georges. Un système d’électrification ferroviaire est l’ensemble des moyens mis en œuvre pour alimenter en énergie électrique les trains (locomotive électrique ou rame automotrice électrique). Les trains sont alimentés en courant alternatif haute tension ou en courant continu. L’alimentation passe par un troisième rail ou une caténaire et le retour de courant se fait par les rails de la voie ou un quatrième rail dédié.
Historique
vignette|Le record du monde de vitesse de 1903 () a été établi sur une ligne électrifiée en triphasé. Pour propulser une locomotive électrique, il faut un système propulseur électrique, un système de variation de vitesse et un système de production et de transport de l'énergie électrique.
Le seul courant facilement productible et transportable est le courant alternatif polyphasé : hier, le diphasé ou quadriphasé, aujourd'hui, le triphasé. À l'origineJusqu'à l'avènement de la variation de fréquence permise par l'électronique de puissance., le moteur électrique bien adapté à la traction est le moteur à courant continu de type série car il possède une très grande plage de vitesse variable et un très fort couple au démarrage. En feuilletant le stator d'un moteur à courant continu et en prenant un très grand soin au niveau des balais (phénomènes de commutation), il est possible d'alimenter un moteur à courant continu avec du courant alternatif. Plus la fréquence de ce courant est élevée, plus les tensions entre les lames du commutateur augmentent et les pertes fer (hystérésis et courants de Foucault) sont importantes, d'où l'idée d'utiliser une fréquence faible : le (à nos jours utilisé en Allemagne, Autriche et en Suisse, par exemple).
Aucun système n'étant parfait, de nombreuses solutions ont été essayées, en tensions, en fréquences, en types de moteur, en systèmes de variation de vitesse, en système de transmission de la puissance aux roues, en systèmes de captage de courant ; ceci explique le très grand nombre de fabricants de matériel ferroviaire dans la première moitié du , et la très grande variété d'écoles d'ingénieurs formant les spécialistes capables de comprendre et de faire évoluer cette multitude de systèmes.
L'ensemble de ces problèmes a été résolu aujourd'hui avec les semi-conducteurs de puissance qui permettent de « jongler » avec tensions et fréquences. Depuis le début des années 80 la majorité des moteurs sont des moteurs alternatifs asynchrones à fréquence variable, alimentés par des convertisseurs statiques. La tension économique à l'utilisation est donc le à fréquence industrielleDésignation pour la fréquence en usage sur les sous-continents ou continents soit 50Hz ou 60Hz pour le Japon ou l'Amérique du Nord. en dehors des sites urbains et suburbains où les tunnels et le réseau de transport d'énergie s'accommodent mal du monophasé à fréquence industrielle, sans compter l'implantation de sections de séparation de phase ni la hauteur des quais limitée à en pratique. La chaine de traction moderne à moteurs asynchrones autorise les deux fréquences en usage, en Europe, ainsi que les deux types de courant.
La traction électrique présente un intérêt pour les lignes à fort trafic ou au profil difficile. En ville, elle permet aux trains de circuler en tunnel (métro) et évite les nuisances du préchauffage des moteurs Diesel Faut-il électrifier à tout prix?, , lignes d’avenir 7, octobre 2009.
En France, en 2009, l'électrification d'une ligne existante coûte environ un million d'euros par kilomètre, mais cela peut être beaucoup plus élevé quand il faut adapter des tunnels ou des ponts au gabarit électrique. Ainsi, la ligne dite " de la côte bleue " entre Miramas et l'Estaque, dont l'électrification en était projetée à la fin des années 1970, a été réalisée, uniquement entre Miramas, et Lavalduc, pour la desserte en traction électrique du complexe chimique de Fos. La portion entre Lavalduc et l'Estaque, comprenant de nombreux tunnels entre Martigues et l'Estaque, ne fut jamais électrifiée, le coût devenant trop rédhibitoire. En 2017, la ligne est exploitée exclusivement par des TER Bi-modes (BGC 81500, ou Regiolis B 84000 bimode-bicourant), de la région PACA.
Tensions utilisées
Les tensions électriques utilisées en Europe ont fait l'objet d'une standardisation présentée dans le tableau ci-dessous EN 50163: Railway applications. Supply voltages of traction systems (2007) IEC 60850: , (2007).
Les valeurs varient en fonction du nombre de trains sur la ligne et de la distance à la sous-station. Système d'électrification Plus basse tension non-permanente Plus basse tension permanente Tension nominale Plus haute tension permanente Plus haute tension non-permanente CC CC CC CC CA, CA, CC pour « courant continu » ; CA pour « courant alternatif »
Courant continu
Les premiers systèmes électriques utilisaient des tensions relativement basses en courant continu. Les moteurs électriques étaient alimentés en direct sur le réseau et contrôlés par une combinaison de résistances et de contacteurs qui connectaient les moteurs en parallèle ou en série.
Les tensions courantes sont le et le pour les tramways, trolleys et métros, et le et le pour les grands chemins de fer. Autrefois, des convertisseurs rotatifs (commutatrices) ou des redresseurs à vapeur de mercure étaient utilisés pour convertir le courant alternatif fourni par le réseau public en courant continu à la tension voulue. De nos jours, on utilise généralement des redresseurs à semi-conducteurs.
Du fait que dans un système électrique, la puissance est égale à la tension multipliée par l'intensité, les faibles tensions rencontrées généralement dans les systèmes à courant continu impliquent des intensités relativement importantes. Si cette puissance doit alimenter directement un moteur à courant continu, il est nécessaire de minimiser les pertes en utilisant alors des conducteurs à sections importantes et de longueurs réduites entre les stations de conversion.
Les équipements auxiliaires, tels que souffleries et compresseurs, sont aussi animés par des moteurs branchés directement sur le réseau électrique. En conséquence, ces moteurs sont souvent inhabituellement volumineux.
Le courant continu est utilisé aux Pays-Bas, au Japon, dans certaines parties de l'Australie et partiellement en France (réseaux Sud-Est et Sud-Ouest). Aux États-Unis, le courant continu est utilisé dans la région de Chicago par le Metra (anciennement Illinois Central Railroad) et la ligne de tram interurbain South Shore and South Bend.
Au Royaume-Uni, le courant continu fut utilisé en 1954 pour l'électrification de l'itinéraire de la trans-Pennine (maintenant fermé) par le tunnel de Woodhead. Le système utilisait le freinage par régénération, permettant le transfert d'énergie entre les trains montant et descendant les rampes d'approche du tunnel. Le seul réseau utilisant actuellement ce type de courant au Royaume-Uni est celui du métro Tyne & Wear.
Le courant continu est utilisé en Belgique, en Italie, en Pologne, dans le nord de la République tchèque, en Slovaquie, dans l'ancienne Yougoslavie, au Maroc et dans les pays de l'ex-Union soviétique. Le courant continu fut aussi utilisé autrefois par le Delaware, Lackawanna and Western Railroad (actuellement New Jersey Transit avant qu'il ne soit converti au courant alternatif ) et par le Chicago, Milwaukee, St Paul and Pacific Railroad entre 1915 et 1973. En France, le choix du courant continu fut imposé par l'autorité militaire, en 1920, pour éviter une occupation de la France par les Allemands, qui utilisaient le courant alternatif ; le P.O. et la compagnie du Midi ont électrifié les lignes du Sud-Ouest en continu, ainsi que le PLM, avec la ligne de Culoz à Modane, entre 1925 et 1936 (caténaires entre Culoz et Chambéry, et troisième rail entre Chambéry et Modane — le troisième rail fut totalement remplacé par les caténaires en 1976). Cependant, les ingénieurs Hippolyte Parodi, du PO, et Jean Raoul Paul, du Midi, ont élaboré l'électrification des Chemins de fer marocains (protectorat français) dès 1925, en continu. Une ligne des CFA (chemins de fer algériens, puis PLM algérien, puis SNCF A) fut électrifiée, en 1930, en continu, avec des caténaires désaxées similaires à celle de la ligne de Béziers à Neussargues, mais avec des isolateurs renforcés pour le continu). Au milieu des années 1970, une section de la ligne du Médoc fut rendu commutable 1500/3000 V continu, lors de la modernisation de la sous-station de Lesparre, afin d'essayer des engins moteurs 3000 V continu, fabriqués par Alsthom, sortant d'usine, et destinés à l'export.
Le Luxembourg a équipé comme ses voisins, en la ligne Luxembourg – Kleinbettingen au lieu du utilisé sur ses autres lignes, afin d'éviter les escales avant l'avènement des engins bi-courants fiables et sans coût exagéré. Cette curiosité luxembourgeoise a disparu en 2018 avec la réélectrification en 25 kV de la ligne concernée.
Les tensions indiquées (telles que ) sont des valeurs nominales susceptibles de fluctuer dans un sens ou dans l'autre, par exemple entre et selon divers facteurs : nombre de trains captant le courant sur la ligne, distance depuis la sous-station.
Les tensions courantes sont souvent des multiples simples l'une de l'autre : CC = 2 × CC CC = 2 × CC CC = 2 × CC
Ceci a permis de nombreuses combinaisons dans les chaînes de traction des anciennes locomotives à commande électromécanique.
Il est possible de faire fonctionner en sous-tension une locomotive conçue pour une tension plus élevée, avec la tension caténaire plus faible, entre deux réseaux ferroviaires utilisant le courant continu : exemple, entre la SNCF et les FS, à Modane et Vintimille, ou entre la SNCB et les NS, à Roosendaal et Maastricht. La machine italienne/belge conçue pour le continu évolue sous tension caténaire continu pour manœuvrer (mais pas pour accélérer).
Les motrices modernes nécessitent une modification du logiciel de gestion, afin d'autoriser la fermeture du disjoncteur en sous alimentation (cas d'une machine tritension -, -16⅔ Hz et continu). Dans le mode continu, la chaine de traction travaille ainsi à demi-tension sous continu.
Le chemin de fer de la Mure (Isère, France) fut la première ligne électrifiée en courant continu haute tension, entre 1903 et 1913 (tension en charge et à vide). Cette électrification à haute tension avait la particularité d'avoir une ligne de contact bifilaire (comme en triphasé) à + 1200 V et - 1200 V, le point 0 se trouvant au rail. Ce système avait été également utilisé sur le tramway de Grenoble à Chapareillan, mais à la tension totale de 1200 V (+ 600 V et - 600 V avec point milieu au rail. Le métro Nord-Sud parisien a utilisé une variante, mais avec la caténaire à + 600 V et le troisième rail à - 600 V.
Exemple de lignes ferroviaires transformées ou en cours de réélectrification en : Ligne Luxembourg – Kleinbettingen – frontière belge des CFL, passage de 3000 volts continu au : Les travaux ont été achevés en ; en Belgique, sur la ligne 162 qui prolonge cette ligne en direction de Namur, les mêmes travaux sont en cours à partir de la frontière luxembourgeoise et avaient dépassé la gare à marchandises de Hatrival (entre Libramont et Poix-Saint-Hubert) le Infrabel, Carte technique du réseau, Ligne (Bellegarde) – La Plaine – Genève (SNCF/CFF), passage du 1500 volts continu au : Les travaux ont été terminés en entre Genève et Bellegardehttp://www.lemoniteur.fr/147-transport-et-infrastructures/article/actualite/24076273-importants-travaux-de-modernisation-ferroviaire-en-rhone-alpes [archive]. La ré-électrification de cette portion de la ligne de Lyon à Genève s'inscrit dans le cadre du projet Franco-Suisse Léman Express ; En 2016, le réseau ferroviaire indien, en grande partie électrifié en depuis 1957, a converti de la sorte les dernières lignes à voie normale utilisant le 1500 volts continu.