Très connu des pères de famille et de leurs enfants jouant, ensemble ou pas, au train électrique jadis, le troisième rail a toujours été utilisé par le vrai chemin de fer sur les réseaux urbains et de banlieue, et en combinant ces trois qualités que sont la prudence, la modestie et la sagesse. On a aussi évité la généralisation d’un quatrième rail. Même l’Eurostar, sur son trajet britannique entre la côte et Londres, fut bien obligé d’utiliser le troisième rail…. sans rouler à 300 km/h bien sûr !
Le problème : apporter le courant à la locomotive électrique.
L’utilisation de la locomotive électrique est envisagée dès les débuts du chemin de fer, car la locomotive à vapeur est peu puissante, peu rentable, d’un entretien complexe, et d’une conduite pénible. Et peu de personnes savent que dès 1835 un très inventif forgeron américain, Thomas Davenport (1802-1851), construit un chemin de fer électrique miniature à Vermont et en fait breveter le moteur en 1837, soit quelques années à peine après la découverte de l’induction magnétique par Faraday en 1831 !
En 1842 un ingénieur écossais, Robert Davidson (1804-1894, souvent confondu avec Davenport), essaie, sur la ligne à voie normale du Edinburgh & Glasgow Railway, une locomotive électrique à accumulateurs pesant 5 tonnes et qui atteint la vitesse de 6,5 km/h. C’est la première véritable locomotive électrique et c’est aussi, notons-le avec ironie, l’ancêtre de la voiture électrique de la Belle Époque et de son lointain et imprévisible rejeton actuel. Notons, avant de revenir au domaine du chemin de fer, que la voiture électrique a toujours existé, surtout dans le monde des petits utilitaires légers. Vers 1910, une voiture automobile sur trois était électrique (c’est l’apogée) et bien des lecteurs parisiens de ce site, d’un âge canonique comme son auteur, se souviennent des camions de livraison de la SNCF des années 1940 (de la marque « Sovel »), des petits camions à plate-forme des halles, ou des camions-poubelles.
Mais, pour en revenir à l’époque des débuts de la traction électrique ferroviaire, très vite se pose le problème de l’autonomie de la locomotive, ou de la production du courant à son bord qui s’avère impossible – tout comme ce problème persiste à empoisonner la vie des automobilistes électriciens actuels. Les batteries d’accumulateurs sont la seule solution viable depuis le XIXe siècle, et l’on a vite oublié la « route électrique » dont Ségolène Royal avait promis le lendemain qui chantait, mais qui a déchanté. La batterie ? Il va falloir s’y faire… et pour longtemps encore dans le domaine des transports sans rails.
Dès le départ de l’aventure ferroviaire, la locomotive à vapeur s’avère lourde et peu performante et sa simple présence générera d’une manière persistante une recherche d’un autre mode de traction. Mais, malgré les perfectionnements limités des batteries, malgré la mise au point de moteurs à combustion (qui, d’ailleurs, feront leurs débuts sur rails), la seule solution électrique ne pouvait être que ferroviaire avec le courant produit hors de la locomotive dans une centrale électrique immobile. Et ce qui sauva la traction électrique fut la découverte du moyen d’amener, depuis la centrale électrique fixe, le courant à la locomotive mobile par un rail conducteur au sol ou par un fil conducteur aérien.
La solution première : le frotteur sur troisième rail.
C’est une vieille affaire et, bien entendu, anglaise – avec toutes nos excuses, mais il fallait s’y attendre. Le courant électrique a la faculté remarquable de pouvoir passer d’une surface métallique à une autre même si elles sont mobiles l’une par rapport à l’autre, ceci simplement à condition qu’elles restent en contact permanent et que les pertes de courant soient acceptables. Cette faculté du contact glissant est d’ailleurs utilisée, une deuxième fois, dans les génératrices et les moteurs à balais et collecteur. Il était donc naturel, pour les ingénieurs des chemins de fer, de « dérouler » en quelque sorte le collecteur pour en faire une surface continue et plane posée le long de la voie et de doter la locomotive d’un « balai » sous la forme d’un frotteur appuyant sur cette surface.
En dépit de quelques essais de tramways utilisant directement les deux rails de roulement isolés (à la manière des trains miniatures actuels roulants sur deux rails au lieu de trois jadis), il apparut très vite, à la fin du XIXᵉ siècle, que la solution la plus simple pour les chemins de fer était d’utiliser un 3ᵉ rail spécial posé à côté de la voie, ceci pour ne pas avoir à isoler toutes les roues des trains. Les tramways apprirent à loger ce 3ᵉ rail dans un caniveau latéral.
Les inconvénients du troisième rail.
Pourtant, ce troisième rail – système, simple, peu coûteux, robuste – donne la chair de poule. Il est très dangereux : la présence au sol d’un rail transportant un courant traction de plusieurs centaines de volts ne manque pas de créer des inquiétudes pour les équipes de cantonniers travaillant sur les voies ou les promeneurs intempestifs égarés la nuit !
C’est pourquoi il faut limiter la tension à 600 ou 750 volts au maximum, et c’est cette tension que l’on retrouve, d’une manière générale, sur les réseaux urbains ou de banlieue électrifiés à partir du début du siècle en courant continu. La banlieue sud anglaise est le système le plus grand développé dans le monde utilisant le 3ᵉ rail latéral. En France, la ligne PLM de la Maurienne utilisa longtemps le 3ᵉ rail. L’ensemble des métros des grandes capitales est resté fidèle à ce système, comme c’est le cas à Paris, à Londres (avec quatre rails pour assurer un retour du courant complètement séparé), à New-York, etc.
Une vieille affaire anglaise, donc.
Voyons cela de plus près. Tout commence vers 1890. Le « City & South London Railway » utilise un 3ᵉ rail conducteur de 500 V placé à environ 12 pouces de l’un des rails de roulement, et à environ un pouce en dessous du plan de roulement. Ce fait implique l’établissement de rampes pour lever les frotteurs au franchissement des appareils de voie. En 1898, le « Waterloo & City Railway », exploité par et plus tard une filiale de la LSWR, a un 3ᵉ rail central alimenté à la tension de 520 volts et établi au niveau du plan de roulement. Le « Central London Railway » est mis en service en 1900 avec un rail central de 550 volts, mais placé à 1,5 pouce au-dessus du plan des rails de roulement. Ces réseaux primitifs utilisent tous le retour du courant traction par les rails de roulement. Peu à peu, et devant les difficultés posées par la traction vapeur dans les nombreux souterrains de Londres, on impose un système, dirait-on, « interopérable » (aujourd’hui). Ce système réunit le « District Railway » et le « Metropolitan Railway » et créant ce qui est bien plus qu’un métro urbain, mais un véritable réseau ferré souterrain d’interconnexion entre les grandes lignes et les grandes compagnies. En 1898, on parvient à un accord général sous la forme d’un système à courant continu : un train d’essai expérimental est testé entre Earl’s Court et High Street Kensington le 9 décembre 1899, avec deux rails conducteurs, un de chaque polarité, placés symétriquement à l’extérieur des rails de roulement. Finalement, c’est en 1901, avec la « Metropolitan District Electric Traction Company », que l’on utilisera un système à courant continu utilisant des 3ᵉ et 4ᵉ rails conducteurs, avec une différence de potentiel nominale de 630 V chacun, donnant donc 1260 volts. La ligne de Ealing et South Harrow sera inaugurée avec ce système le 23 juin 1903, puis d’autres réseaux britanniques l’utiliseront comme le « Mersey Railway » à Liverpool, et surtout le « London & North Western Railway » sur son système de banlieue de Londres, en utilisant les 3ᵉ et 4ᵉ rails, vers 1910. Les autres réseaux de banlieue de Londres et du sud de l’Angleterre utiliseront le système avec un 3ᵉ rail seulement et le retour par les rails de roulement. Le tout sera en place avant la Première Guerre mondiale.
Le 3ᵉ rail électrique aérien ou au sol : une solution pour les grandes lignes ?
Dans l’histoire des chemins de fer français il y a eu, lors des débuts des électrifications des grandes lignes, une recherche pour contourner les difficultés posées par la caténaire classique, avec ses problèmes de réglage et sa sensibilité aux intempéries. Après des tentatives d’alimentation par les deux rails de roulement isolés, le troisième rail conducteur fait ses preuves sur les lignes urbaines ou de banlieue, et même sur de courtes lignes de montagne. L’idée de l’utiliser pour les grandes lignes n’est pas dénuée de fondement et, au Royaume-Uni, le réseau du « Southern » le fera avec des rames automotrices roulant à 120 km/h.
Le troisième rail aérien du Midi.
Précurseur en matière de traction électrique bien avant la Première Guerre mondiale, le réseau du Midi désire, pour la première fois en France, faire sortir la traction électrique du domaine confiné des lignes urbaines, de banlieue ou de montagne et de l’appliquer aux grandes lignes, ce qui implique désormais le transport du courant électrique sur des centaines de kilomètres.
Les essais entrepris par le Midi en 1907-1908 aboutissent au choix du courant monophasé 12 kV à la fréquence spéciale de 16 2/3 Hz. Les essais menés sur la ligne de Perpignan à Villefranche sont faits avec une seule sous-station transformant le courant du réseau électrique existant en courant de traction 12 kV.
Il est intéressant de savoir que le réseau du Midi ne choisit pas d’emblée la caténaire à fil aérien souple, craignant des problèmes de tension, de flèche entre les supports, de sensibilité au vent. Et, sans doute en s’inspirant de l’exemple américain du Baltimore & Ohio remontant à 1895, ou de la courte ligne PO reliant les gares d’Austerlitz et d’Orsay à Paris en 1900 , le Midi essaye un rail aérien suspendu dans l’axe de la voie, et contreventé par un haubanage à l’horizontale. Diverses photographies, parues dans la presse de l’époque, montrent la mise en place de ce rail aérien dont la légèreté semble manifeste, vu les faibles moyens mis en œuvre pour la pose. Nous recommandons, pour les amateurs de cette époque et de cette technique, la lecture de l’ouvrage aussi incontournable que magnifique de Machefert-Tassin Yves, Nouvion Fernand et Woimant Jean : «Histoire de la traction électrique» (tomes 1 et 2) La Vie du Rail. Paris 1980 et 1986.« Histoire de la traction électrique ».
Si le PO a dû affronter le problème des chutes de tension du courant continu basse tension dans un rail aérien à forte section et en fer, il semble que le Midi, avec l’emploi du courant monophasé, soit mieux armé. Il n’est pas certain (vu l’absence de documents et de témoignages) que des chutes de tension importantes n’aient pas, aussi, contraint le Midi à abandonner ce système.
Le 3ᵉ rail au sol du PLM.
Si l’alimentation par 3ᵉ rail au sol est un classique pour le Métropolitain parisien, les lignes de la banlieue Ouest, ou encore certaines lignes de montagne en voie métrique, l’application de ce mode de captage du courant aux grandes lignes est pratiquement inconnue en France, sauf pour le réseau du PLM qui le choisit pour sa ligne de la Maurienne.
Ce réseau du PLM est un réseau très peu électrifié. Contrairement à ses voisins que sont le PO et le Midi, il laisse sa ligne principale Paris-Lyon-Marseille (la plus grande ligne du réseau français) hors caténaires, et n’électrifie que la ligne de la Maurienne avec un rustique système à 3e rail conducteur latéral digne des transports urbains.
On ne peut pas dire que le PLM a été un réseau hostile aux innovations : il s’intéresse aux nouveaux modes de traction et entreprend des essais en traction électrique monophasé dès 1910, il inaugure en France la traction diesel de ligne et développe une politique très suivie d’autorails. Ainsi, c’est bien un réseau investisseur, un réseau novateur. Mais, les investissements d’une électrification sont au-dessus de ses moyens quand la crise des années 1930 commence : il s’y est pris trop tard et il lui faudrait engager, pour cette opération, une somme équivalente à la moitié de son budget annuel, lui-même déjà en déficit.
En 1920, les réseaux français ont envoyé aux USA une mission d’études concernant les électrifications américaines : le PLM pense alors électrifier 2 800 km parmi les grandes lignes de son réseau. Le PLM ne dispose pas d’installations de production électriques, contrairement au cas du Midi, par exemple, et il a tout à faire, ne disposant d’aucune lancée, d’aucun acquis. Et si Toulouse-Dax est électrifié en 1925, Bordeaux-Irun en 1927, si le Midi met en service les premières locomotives électriques BB françaises dès 1922, le PLM, lui, ne pourra présenter une ligne totalement électrifiée qu’en 1935 avec Culoz-Modane, ligne électrifiée à titre d’expérience.
Les ingénieurs de la compagnie reconnaissent que la tension de 1500 v, choisie comme norme française, est à la limite des possibilités d’un système par rail conducteur, mais ils ne pensent pas, contrairement aux autres réseaux, que la caténaire soit la meilleure des solutions. Pour le PLM, le 3ᵉ rail présente des avantages considérables : pose et entretien très faciles au niveau du sol, absence de travail de pose et d’entretien à grande hauteur (toujours complexe et dangereux), surveillance facile, robustesse générale et insensibilité aux actions du vent et des intempéries. Il ne demande pas le déplacement des lignes PTT.
Surtout, les ingénieurs du PLM pensent que le 3ᵉ rail permet la circulation sans problème de locomotives à vapeur, alors que les caténaires souffriront des projections de fumée, de suie et de crasse sortant des cheminées. Sur la ligne de Culoz à Modane, les trains à destination ou en provenance de Grenoble et de Bourg-Saint-Maurice conserveront leur traction vapeur entre Chambéry et Montmélian ou Saint-Pierre-d’Albigny respectivement. En revanche, le 3ᵉ rail est dangereux : le PLM prévoit d’équiper les gares importantes avec des caténaires pour ne pas exposer les cheminots circulant sur les voies, et de ménager des interruptions sur les passages à niveau.
En 1925, le PLM pose, à titre d’essai, un simple rail à double champignon (50 kg/m) maintenu à 620 mm à l’extérieur du rail de roulement (mesure faite depuis la face interne du rail) et à 180 mm au-dessus du plan de roulement. Une gaine en planches assure la protection nécessaire. C’est donc un système à contact supérieur, ce qui imposera l’utilisation de frotteurs acceptant le verglas. En 1930, les ingénieurs du PLM reconnaissent que l’inconvénient principal du 3ᵉ rail est la nécessité de mises hors tension lors de toutes les interventions sur la voie, ou de prises de précaution très contraignantes comme la pose de protections supplémentaires sur le 3ᵉ rail, toutes choses dont le fil aérien dispense. Il n’est pas fait état du problème des chutes de tension.
Ce système entraîne la construction de locomotives inédites, principalement des 2BB2, des 1ABBA1, des 1CC1 et des 2CC2, qui sont des machines lourdes et puissantes, et surtout très longues pour permettre le franchissement des interruptions du rail conducteur. Leur remplacement en fin de carrière, durant les années 1960, oblige la SNCF à équiper d’autres locomotives avec des frotteurs spéciaux pour le 3ᵉ rail : les CC 7100, les BB 1 à 80 (fonctionnant en unités multiples dites « Unités Maurienne »), puis les CC 6500 à partir de 1971. En 1976, la pose d’une caténaire entraîne la dépose définitive des frotteurs des locomotives et du 3ᵉ rail conducteur qui ne poursuivra sa carrière que sur les lignes de banlieue ou du métro, et sur celles des trains-jouets des enfants.
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