Multiphysical characterization of a multi-contact interface at stop and in motion : case of current capture via the catenary-pantograph interface

Depuis des décennies, le captage du courant pour les trains se fait par le contact entre une ligne électrifiée et un élément conducteur glissant dessus. En France et plus particulièrement avec la SNCF le contact pour ses trains se fait majoritairement entre la caténaire, ensemble de câbles électriques en cuivre se situant au-dessus du train et le pantographe, bras se situant au-dessus de la locomotive venant se plaquer contre la caténaire. Malheureusement les problèmes techniques et physiques de ce contact sont un facteur limitant dans l'augmentation de la vitesse des trains à l'heure actuelle et peuvent dans certains cas être à l'origine d'incident électrique. C'est pourquoi l'objectif de cette thèse est de comprendre les phénomènes mis en jeu à l'interface pantographe/caténaire afin d'améliorer les performances de captage sur les lignes électrifiées. Par conséquent, il faut prendre en compte la problématique entière du captage, avec les spécificités de ce dernier à l'arrêt et en ligne. La problématique qui est ainsi abordée dans ce projet, de par son caractère multi-physiques, met en compétition plusieurs phénomènes concomitants (mécanique, électrique et tribologique) agissant au niveau de l'interface pantographe/caténaire. L'objectif étant d'être capable de caractériser mécaniquement, électriquement le comportement de l'interface fil/bande à partir d'une meilleure connaissance de l'interface de contact. La démarche qui est proposée dans cette thèse s'appuiera sur le triptyque expérience, modélisation physique et simulation numérique afin d'appréhender la complexité du comportement tant à l'interface de contact qu'au niveau des corps en contact (fil/bande). Par conséquent, les moyens expérimentaux, les modèles physiques et les outils numériques qui seront mis en œuvre dans le contexte du projet, outre l'avantage qu'ils sont complémentaires, devront contribuer à une meilleure interprétation de la physique du captage en situation réelle, en étant au plus près de l'interface de contact. Afin de comprendre la complexité du captage de courant nous devons nous plonger dans la Physique des interfaces multi contact qui sont le cœur du contact pantographe/caténaire. Elles ont des propriétés encore mal connues comme leurs caractéristiques courant/tension non linéaire et hystérétique. Ces effets ont été mis en évidence dans la fin du XIXe siècle par E.Branly. Ce qui a permis par la suite de faire le lien avec les effets de constriction, conséquence des travaux de Maxwell de 1904, puis repris par Holms en 1958. Mais ces interfaces multicontacts restent aujourd'hui encore un problème ouvert, c'est pourquoi cette thèse propose de lister et d'expliquer les mécanismes de transfert électrique à l'interface entre deux conducteurs et ainsi faire le lien avec l'état de surface à travers une simulation. De plus, cette thèse apporte un nouveau mécanisme du transfert par arc électrique afin de rendre compte des phénomènes encore inexpliquésAs for the rapid expansion of high-speed electrified railway industry, the current collection quality of electric locomotives becomes one of the crucial technical issues for the stable operation of trains. Currently, one of the major factors that affect the current collection is the contact wire irregularity, which appears to be very difficult to be measured or detected. This is why the objective of this thesis is to understand complexity involved in the pantograph/catenary interface in order to improve the catchment performance on electrified lines. Therefore. Many problems have been encountered, due to multi-physical character (mechanical, electrical and tribological) at the pantograph/catenary interface. The approach proposed in this thesis will be based on the triptych: "experiment, physical modeling and numerical simulation" in order to understand the complexity of current capture at the interface. So, the studying of multi-contact interfaces is necessary in view to catch all mechanisms in the pantograph/catenary contact. They have still poorly known properties such as their nonlinear and hysteretic current/voltage characteristics. These effects were highlighted in the late nineteenth century by E. Branly. And later by Maxwell's work of 1904, then taken over by Holms in 1958. But these multi-contact interfaces still remain an open problem, which is why this thesis proposes to list and explain the mechanisms of electrical transfer at the interface between two conductors and thus make the link with the surface condition through a simulation. In addition, this thesis brings a new mechanism of electric arc transfer in order to take into account unexplained phenomen