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Ce troisième rail d'alimentation électrique n'a rien à voir : avec le troisième rail employé dans les voies àdouble écartement ; ou celui utilisé avec le dispositif antidéraillement[1]
Letroisième rail ourail de traction[2] est une technique decaptage du courant utilisée pour l'alimentation enénergie électrique de certains systèmes dechemin de fer, utilisé en particulier dans les réseaux demétro ou detrains de banlieue.
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Parmi les nombreux réseaux utilisant un système d'alimentation par troisième rail, on peut citer auxÉtats-Unis les métros deNew York,Los Angeles et deWashington, leBART deSan Francisco leMBTA deBoston etSEPTA àPhiladelphie, etc. AuRoyaume-Uni, le troisième rail est utilisé par lemétro de Londres ainsi qu'un quatrième, pour le retour du courant électrique qui ne se fait pas par les rails de roulement, mais par celui-ci, de même que le réseau de la banlieue sud deLondres et certains services à plus longue distance. EnAllemagne les réseaux de métro du typeU-Bahn et les réseaux de banlieueS-Bahn deHambourg etBerlin emploient aussi le troisième rail. Il en est de même des métros d'Amsterdam et deRotterdam auxPays-Bas, deBruxelles en Belgique, deVarsovie enPologne, deMoscou etSaint-Pétersbourg enRussie. En France, ce système est en usage dans lemétro de Paris ainsi que sur quelques lignes secondaires comme laligne Saint-Gervais - Vallorcine, ou celle deCerdagne (ligne dite du "Train Jaune"), deux lignes de montagne de petit gabarit (écartement métrique) présentant des rayons et des vitesses faibles, donc très adaptées à ce type d'alimentation.
AuQuébec, leréseau du métro de Montréal, administré par laSTM, alimente sonmatériel roulant pneumatique par un troisième rail.
Si l'on excepte les systèmes d'accumulateur électrique à bord des trains, l'alimentation par rail électrique (sous le train) est le plus ancien système d'alimentation électrique utilisé dans leschemins de fer.Un train électrique expérimental utilisant cette technique d'alimentation a été mis au point par la firme allemandeSiemens & Halske et exposé à la foire de Berlin en1879. L'emploi du rail électrique dans les transports publics a commencé dans lesannées 1880 pour lestramways et les chemins de fer traditionnels. Le premier réseau de métro souterrain à utiliser ce rail électrique (sous le train) fut leCity & South London Railway, mis en service en1890.
En1901,Granville Woods obtint un brevet couvrant diverses améliorations du troisième rail. Bien qu'il soit l'inventeur du troisième rail (alimentation latérale, toujours utilisée à ce jour), de nombreux autres brevets sur ce sujet ont été déposés, après son invention, notamment parThomas Edison en1882. Thomas Edison, à l'instar d'autres inventeurs, a tenté de s'approprier certaines inventions de Granville Woods, et par deux fois, la justice a donné la paternité de l'invention à Granville Woods (malgré la ségrégation d'alors).
Le troisième rail, historiquement en acier, se voit remplacé de plus en plus par un rail en aluminium[3] possédant une surface en acier inoxydable, sur laquelle viennent frotter les collecteurs (frotteurs ou patins) des trains.
Entre 1925 et 1930, la portionChambéry-Modane fut électrifiée en3e rail 1 500 volts continu, cependant, en raison des multiples inconvénients, problème de captage en cas de neige ou verglas, entretien de la voie difficile avec les engins de chantier modernes, locomotives spécialement adaptées et sécurité (électrocutions), cette portion a été réélectrifiée en 1 500 volts continu par caténaires classiques durant la première moitié des années 1970. Durant l'été 1976, la toute dernière portion entreAiguebelle etEpierre fut définitivement convertie, ce qui a clos ce grand chantier. Le PLM avait établi un projet, dans les années 1930, d’électrification de la ligne deGrenoble àMontmelian de la même manière que la ligne de la Maurienne, mais la traversée de Grenoble (tracé et infrastructures de l'époque), était encore rédhibitoire, la ligne de la côte d'azur, Marseille-Nice, devait également être équipée de cette manière.
Le troisième rail est placé soit entre les rails de roulement, soit, le plus souvent, à l'extérieur. Le courant électrique est transmis au train par l'intermédiaire de patins glissants, maintenus en contact avec le troisième rail.
Dans beaucoup de cas, un système de couverture isolante est fixé au-dessus du rail pour protéger le personnel travaillant près des voies ; dans certains cas, le patin frotte sur le côté ou sur le dessous du rail, permettant ainsi de monter la protection directement sur le sommet du rail. Lorsque le patin glisse sur la face inférieure du rail, cela présente en outre l'avantage de ne pas être gêné par la présence de neige ou de feuilles mortes.
Le troisième rail en acier est toujours utilisé de nos jours, mais de plus en plus remplacé par le rail dit composite, en aluminium et acier inoxydable.
Les nouveaux troisièmes rails en aluminium, offrant une résistivité et un poids moindres qu'un rail en acier, limitent la consommation électrique par une réduction des pertes pareffet Joule et permettent une bonne alimentation électrique des trains de dernière génération, qui demandent de plus en plus de puissance (électronique embarquée, climatisation, etc.).
Quel que soit le type de captage (latéral, par le dessus ou par le dessous), le troisième rail est fixé au sol via des supports isolants en céramique ou en matériaux composites et alimenté par unesous-station électrique.
Le sectionnement électrique est réalisé par le biais de rampes permettant aux collecteurs des trains de quitter un rail d'alimentation et de s'engager doucement sur le suivant. Ces rampes, dont l'angle d'attaque est défini en fonction de la vitesse du train, permettent également le franchissement d'appareils de voie et les interruptions aux niveaux des passages pour piétons.
Les troisièmes rails, dont la longueur varie généralement entre12 et 15 mètres, sont connectés entre eux par le biais d'éclisses dont la conception permet la continuité électrique.
Sur certains réseaux, le troisième rail est recouvert d'un système de capotage, anciennement réalisé en bois, et de nos jours en matières plastiques et composites. Les capots UPVC (polychlorure de vinyle ), résistants auxultraviolets et ne propageant pas le feu, sont habituellement installés en extérieur ; là où les capots GRP ("glass-reinforced plastic", résine renforcée avec de la fibre de verre) sont plutôt installés en tunnel, pour leur résistance au feu et la non propagation de fumées toxiques.
Des systèmes d'ancrages et de joints de dilatation sont utilisés afin de compenser la dilatation du troisième rail causée par les variations de température ainsi que de l'échauffement du rail dû au courant.
Le troisième rail est une alternative au système d'électrification parcaténaire qui transmet le courant au train par l'intermédiaire depantographes fixés sur le toit des véhicules. Le troisième rail, ainsi que son homologue aérienne lacaténaire rigide, peuvent être logés dans des tunnels de petite taille de par leur faible encombrement.
Dans certains cas, métros ou lignes régionales, le système d'alimentation est mixte, partie par troisième rail et partie par caténaires, les véhicules devant être équipés des deux systèmes de captage de courant. C'est le cas par exemple dumétro de Rotterdam ou de celui deMilan (ligne M1 - caténaire dans les dépôts, troisième rail avec retour par quatrième rail en tunnel). Tandis que les systèmes de caténaires peuvent fonctionner sous des tensions allant jusqu'à 25 kV ou plus, encourant alternatif, la plus faible distance d'isolement autour du rail sous tension impose un maximum d'environ 1 500 V (1200 V sur le réseau de banlieue deHambourg, 1500 V sur laligne de la Maurienne dans le passé). L'emploi du troisième rail n'implique pas nécessairement celui du courant continu, mais en pratique, les systèmes à troisième rail ont tous utilisé du courant continu parce qu'il peut transporter 41 % d'énergie de plus qu'un système à courant alternatif à la même tension de crête.
Comme dans le cas des caténaires, le courant de retour circule en général dans l'un des deux, ou les deux, rails de roulement, la fuite vers le sol n'étant pas un problème. Lorsqu'il s'agit de métros sur pneus, comme àMontréal ou partiellement àParis, des barres d'alimentation sous tension sont prévues pour conduire le courant. Le retour du courant de traction s'effectue par les rails de roulement traditionnels placés entre les pistes de roulement. Le système comprenant un troisième rail pour l'alimentation électrique, placé à l'extérieur des rails de roulement, et un quatrième rail, placé entre ceux-ci, assurant le retour du courant de traction (ce qui a d'autres avantages), est utilisé par quelques réseaux, dont le plus important est lemétro de Londres.
Lemétro de Londres est l'un des rares réseaux dans le monde à utiliser un quatrième rail. Ce rail supplémentaire assure le retour du courant de traction, rôle assuré par les rails de roulement dans les systèmes à troisième rail. Dans le métro de Londres un troisième rail classique à contact supérieur est placé le long de la voie et soumis à une tension continue de + 420 volts et le quatrième rail, également à contact par le dessus, est disposé au centre de la voie entre les rails de roulement avec une tension de - 210 V[réf. souhaitée], ce qui fournit un courant de traction à 630 volts. Des dispositifs spéciaux existent (liaison électrique entre le quatrième rail central et les rails de roulement) lorsque les mêmes voies doivent être parcourues par des rames de métro (prévues pour quatre rails) et des rames de trains de banlieue (prévues pour trois rails avec retour du courant par les rails de roulement), section de Gunnersbury à Richmond sur la District line par exemple.
L'intérêt du quatrième rail est que les deux rails de roulement sont disponibles exclusivement pour lescircuits de voie, ce système permet aussi d'éviter que le retour du courant s'effectue par les parois du tunnel (métallique à Londres sur les premières lignes du Tube) et ainsi éviter des détériorations par électrolyse. Par ailleurs, la diminution de la tension par rapport au sol (« potentiel de terre ») est de nature à rendre moins dangereuse la chute d'un passager sur la voie.
Les systèmes à troisième rail présentent quelques inconvénients, notamment :
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