Pantographe (transport)

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. 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 fait de métal.

Sur l'archet sont fixées des bandes de carbone (« carbone à haute intensité »^[1]) et de cuivre (en général deux, jusqu'à huit sur certains modèles adaptés au 1 500 V continu) 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 à boudin 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.

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 la terre de la caténaire lors des travaux effectués à partir de certains véhicules de travail

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^[2].

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^[3] 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)^[2], contrôler les phénomènes aéroacoustiques se développant par exemple dans la « baignoire » et autour des pantographes des TGV^[4] ainsi que sur les lignes pour gérer les fuites de courant dues à l'humidité et aux embruns salés en bordure de mer.

Le pantographe en forme de « Z » (ou dit aussi « Faiveley ») permet une qualité de captage de l'électricité améliorée à des vitesses plus élevées^[5] 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^[6].

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)^[7], par exemple pour le Shinkansen^[8]. 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^[8], ainsi que par une conception adaptée de la forme (design) du pantographe^[8].

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^[9].

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^[10].
• certains trains (comme ceux de la compagnie Eurostar) utilisent deux pantographes en même temps. Le passage du premier provoque des ondulations de la caténaire qui causent le décollement du deuxième.

Si le graphite sur le pantographe est usé ou détruit, le pantographe peut arracher la caténaire. Pour éviter cela, des moniteurs de pantographe peuvent être installés.

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.

En France, les principaux opérateurs-constructeurs de pantographes sont les sociétés Faiveley Transport et Alstom.

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

• Captage du courant
• Caténaire
• Locomotive électrique
• Collecteur à arc
• Électricité
• Trolleybus
• Camion électrique

Différents modèles de pantographes utilisés sur le matériel roulant de la SNCF

• (en) K. Manabe, Catenary-pantograph system for speedup of shinkansen train. Japanese railway engineering, 30(4), 1992, 10-13.
• P. Holbecque, Étude dynamique d'un pantographe de trains à grande vitesse, thèse de doctorat, 2005.
• G. Auditeau et M. Cabirol, Pantographes pour matériels pendulaires. Revue générale des chemins de fer, (JUN), 37-45, 2001 (Notice et résumé Inist-CNRS).

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