Brevet FR2035080A1 — publié le 19701218

L'invention est relative à un câble électrique flexible et en particulier à un câble destiné à transporter de la puissance sous forme de courant alternatif à des températures cryogéniques. Jusqu'à présent on a proposé, pour la transmission de puissance à basse température, des câbles qui comprenaient un tube conducteur central creux autour duquel étaient placés une couche d'isolation cylindrique et un blindage cylindrique. Le conducteur creux central conduisait le courant électrique et était refroidi par le passage d'un liquide cryogène, tel que de l'hydrogène ou de l'azote, dans une certaine direction, à travers sa région centrale. Le refroidissement du conducteur ou blindage extérieur était assuré par le passage du liquide cryogénique à proximité de ce conducteur et dans la direction opposée. Ce mode de construction exigeait que l'un, ou plus d'un, de ses éléments soit relativement rigide et en conséquence de tels câbles étaient difficiles à emmagasiner, à transporter, à manipuler et à installer.L'invention a pour but de surmonter ce genre de difficultés et en particulier de réaliser un câble cryogénique flexible qui puisse être bobiné sans détérioration aucune de ses éléments composants, tout en étant simultanément d'une manipulation simple et présentant des caractéristiques améliorées. Dans un des modes de réalisation, illustrant particulièrement bien l'invention, il est prévu un tube intérieur creux muni d'ouvertures disposées suivant sa longueur et son pourtour. Le tube intérieur est réalisé en une matière flexible isolante. Un tube conducteur flexible en torons de métal de haute conductivité est formé tout autour du tube intérieur. Un tube extérieur flexible de couches guipées, d'une matière isolante pour hautes tensions, est disposé sur le tube conducteur et il est prévu des moyens flexibles pour assurer l'étanchéité des surfaces extérieures du tube flexible de couches guipées servant-d'isolant. Le tube conducteur flexible est muni d'interstices à travers lesquels le fluide de refroidissement et d'isolation passe de l'ouverture centrale du tube intérieur creux aux couches guipées poreuses de matière isolante qu'il imprègne. Les caractéristiques elles-mêmes de l'invention sont spécifiées dans les revendications qui suivent ; l'invention sera exposée à l'aide de la description ci-dessous effectuée en se référant aux dessins annexés dans lesquels - la figure i est une vue én perspective, partiellement cou pée, d'un câble conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe transversale montrant un mode de réalisation d'un câble de transport de puissance triphasé, constitué de trois câbles du genre représenté sur la figurez pour la transmission de puissance électrique triphasée, - la figure 3 est une vue en perspective, partiellement coupée, d'un autre mode de réalisation du câble conforme à l'invention, - la figure 4, enfin, est une coupe transversale d'un câble de transport de puissance triphasé réalisé à l'aide du genre de câble de la figure 3. Dans le mode de réalisation représenté par la figure 1, un câble cryogénique 10 comporte un tube flexible intérieur creux 11 entouré par une couche conductrice flexible 12, de forme tubulaire et un tube extérieur flexible 13 de matière isolante. La surface extérieure du tube flexible 13 de matière isolante est enveloppée par une matière appropriée 14, telle qu'une gaine plastique de polyéthylène. Le tube creux Il est réalisé en matière plastique et présente une fente hélicoidale continue 15 s'étendant sur toute sa longueur. La fente 15 confère une flexibilité au tube 11 et lui permet aussi de se contracter pour s'adapter à la contraction thermique lors du refroidissement aux températures auxquelles le câble doit être utilisé, par exemple celle de l'hydrogène liquide.En pratique, le tube 11 pourrait être obtenu par extrusion d'une bande de matière plastique telle que du "nylon" ou du polyéthylène. Les bandes extrudées sont enroulées sur une forme alors qu'elles sont encore chaudes et, après refroidissement, conser-vent leur forme. L'espace situé à l'intérieur du tube 11 constitue le cohduit~à travers lequel on fait passer le fluide de refroidissement, tel que de l'hydro- gène liquide, pour refroidir le tube conducteur 12. De même, conformément à l'invention, un tel agent de refroidissement est utilisé pour assurer l'imprégnation de la couche d'isolation 13. Le tube conducteur flexible 12 est réalisé en une matière appropriée de conductivité élevée et de haute pureté, par exemple du cuivre ou de l'aluminium. De préférence, la pureté de ce métal dépasse 99,999 %. Un métal d'une telle pureté présente, à la température de l'hydrogène liquide, une conductivité électrique à peu près égale à 500 fois celle correspondant à la température ambiante. Le conducteur est divisé en torons de diamètre convenable par exemple des diamètres compris entre 0,380 et 0,127 mm. De tels conducteurs permettent d'utiliser avec un bon rendement la matière conductrice et permettent aussi de réduire dans une large mesure les pertes de puissance provoquées dans le câble par les courants de Foucault. Comme on le sait, les différents torons doivent être torsadés suivant la longueur du câble de manière à assurer une distribution égale de courant parmi eux. Pour constituer un conducteur composite torsadé, les divers torons peuvent être "sur-toronnés". Par exemple, on peut enrouler six torons séparés sur une matière inerte non conductrice telle que de la ratière plastique ou sur un métal de haute résistivité, tel par exemple de l'acier inoxydable, de même diamètre. Six des faisceaux ainsi formés sont à leur tour enroulés sur un toron inerte de diamètre approprié. Une fois ces faisceaux de torons de diamètre approprié formés, on les enroule hélicoldalement sur une forme ou un tube flexible pour constituer une couche annulaire unique de conducteur torsadé. On pourrait tout aussi bien utiliser des faisceaux de trois, quatre ou cinq torons à la place du mode de réalisation d sept torons que l'on vient de décrire. Le cylindre d'isolation électrique 13 est formé de couches de papier cellulosique isolant ou de papier synthétique tel que du polyéthylène tissé. Le ruban isolant est imprégné d'hydrogène liquide lorsque le câble est mis en service. Cette imprégnation d'hydrogène lui confère un haut pouvoir isolant. L'isolation au papier imprégné d'hydrogène est analogue à celle décrite'dans le brevet français n0 1.534.618, au nom de la même demanderesse. Des couches appropriées de ruban semi-conducteur peuvent être enroulées sur le conducteur et autour de la surface extérieure de la couche guipée pour y uniformiser le champ électrique. Au cours de l'utilisation du câble, l'hydrogène réfrigérant employé non seulement assure le refroidissement du conducteur électrique 12, mais passe à travers les interstices des torons du conducteur et du tube 12 et imprègne les couches d'isolation du cylindre isolant 13, pour augmenter ainsi les propriétés isolantes du cylindre isolant 13,-ainsi qu'on l'a exposé ci-dessus. Le câble 10 peut etre recouvert par une couche 14 de polyéthylène pour assurer sa protection contre toute détérioration des couches isolantes et aussi pour permettre au réfrigérant d'être retenu. Un fil de glissement classique peut aussi être ajouté pour fournir une protection supplémentaire contre toute détérioration mécanique et faciliter la manipulation du câble. Sur la figure 2 on a représenté un câble composite de transport de puissance électrique triphasé 20, dont chacun des câbles constituants 21, 22 et 23 est réalisé suivant la technique décrite à propos de la fig. 1. Les trois câbles sont enveloppés dans un blindage électromagnétique cylindrique 24, dont la partie intérieure peut être réalisée en-cuivre de haute conductivité et la partie extérieure 26 en une matière de construction telle que de l'acier inoxydable. Une enveloppe extérieure 27 d'une matière appropriée et classique, telle que de l'acier doux est disposée concentriquement à l'écran intérieur 24.L'espace situé entre l'écran électrique composite 26 et l'enveloppe extérieure 27 est vidé d'air et peut être rempli d'un dispositif d'isolation thermique, tel qu'un dispositif de super-isolation composé d'un certain nombre de couches cylindriques de matière réfléchissante et de matière isolante thermiquement. Un certain nombre d'entretoises 28 sont prévues entre l'écran électrique et l'enveloppe extérieure, pour maintenir l'écartement entre eux. Du fluide cryogénique circulant en circuit fermé est refoulé par une pompe de l'une des extrémités du câble 20 à l'autre extrémité puis est ramené à l'extrémité d'entrée.Il peut être mis en circulation par pompage, dans un sens à travers les parties creuses des tubes de chacun des câbles élémentaires 21, 22 et 23 et ramené, dans le sens opposé, à travers les espaces formés entre les câ- bles 21, 22 et 23 et l'écran électrique 26. Lorsqu'on utilise de l'hydrogène dans ce but, le fluide traverse les ouvertures 15 des tubes 11 et les interstices des conducteurs 12, et imprègne la couche isolante3 pour augmenter ses propriétés d'isolation électrique. Le câble cryogénique 30, représenté sur la fig. 3, est analogue à celui de la fig. 1. Le câble 30 comporte un tube intérieur flexible creux 31 entouré par une couche conductrice flexible 32 de forme tubulaire et un tube extérieur ou un cylindre flexible 33 de matière isolante. La surface extérieure du tube flexible de matière isolante est entourée d'un écran conducteur 34. La matière constituant l'écran peut être appliquée-sous forme de ruban de cuivre ou d'aluminium enroulé hélicoldalement sur la couche d'isolation électrique 33. Le ruban peut être enroulé suivant une épaisseur appropriée à la flexibilité recherchée jus qu'à une épaisseur totale de 0,50 à 1,52 mm. Cette épaisseur est l'épaisseur maximale qui est nécessaire si on utilise un métal de coefficient d'accroissement de la conductivité égal à 500. Pour d'autres conductivités, il faudra d'autres épaisseurs. Du fait que le courant- d'écran est égal au courant de charge, les pertes dans l'écran seront comparables à celles dans le conducteur. On peut réduire les pertes dans l'écran en utilisant pour l'écran des faisceaux torsadés analogues à ceux décrits cidessous à propos du conducteur 32. Le tube creux 31 est un tube en matière plastique avec un certain nombre de perforations 35 disposées suivant la longueur et sur son pourtour. Ces perforations confèrent une flexibilité au tube 31 et lui permettent aussi de se contracter pour s'adapter à la contraction thermique accompagnant son refroidissement aux basses températures auxquelles le câble est utilisé. Dans la pratique, le tube 31 pourrait être obtenu par moulage d'une matière plastique telle que du nylon ou du polyéthylène. L'espace situé à l'intérieur du tube 31 constitue le conduit de passage à travers lequel passe le fluide réfrigérant tel que l'hydro- gène liquide, pour refroidir le tube conducteur 32 et aussi pour assurer l'imprégnation de diélectrique de la couche d'isolation 33. Le tube conducteur flexible 32 est réalisé zen une matière appropriée de haute pureté et de conductivité élevée telle que le cuivre ou l'aluminium. De préférence, la pureté de cette matière dépasse 99,999 %. Un métal d'une telle pureté a une conductivité électrique égale sensiblement à 500 fois celle à température ambiante. Le conducteur comporte des torons fins torsadés d'une structure telle que celle décrite dans la demande de brevet américain SN 722 068, déposée le 17 avril 1968 au nom de la même demanderesse. Les torons torsadés sont formés à partir de rubans étroits allongés de matière conductrice mince , qui sont pliés pour fournir des bandes conductrices réalisées avec diverses épaisseurs de matière conductrice en ruban. Les bandes sont formées en enroulant les rubans sur un mandrin d'une manière progressant régulièrement pour former une hélice.La matière est ensuite aplatie puis pliée pour donner une bande pliée torsadée. Cette opération peut être effectuée plusieurs foir pour fournir un câble ou une bande de l'importance désirée. Le Le cylindre d'isolation électrique 33 est constitué de couches de papier cellulosique isolant ou de papier synthétique tel qu'un polyéthylène tissé. Le ruban isolant est imprégné d'hy drogène liquide au cours du service du câble. Des couches convenables de ruban semi-conducteur peuvent être enroulées sur le conducteur et autour de la surface extérieure de la couche guipée pour y uniformiser le champ électrique. Sur la fig. 4, on a représenté un câble composite de transport de puissance triphasée 40, dont chaque câble composant 41, 42 et 43 présente la structure du câble décrit à propos de la fig. 1. Le câble composite de la fig. 4 est analogue à celui de la fig. 2 et les éléments analogues sont désignés sur ces figures par les mêmes références numériques. Les trois câbles 41, 42 et 43 sont renfermés dans un tube cryogénique 44 présentant une enveloppe intérieure 45 de matière appropriée et classique, telle que de l'acier, et une enveloppe extérieure 46 d'une matière appropriée et classique telle que de l'acier, disposée concentriquement à l'enveloppe intérieure 45.L'espace situé entre l'enveloppe intérieure 45 et l'enveloppe extérieure 46 est vidé d'air et peut être rempli d'un dispositif d'isolation thermique, tel qu'un dispositif de super-isolation comprenant un certain nombre de couches cylindriques de matière réfléchissante et de matière isolante . Un certain nombre d'entretoises 47 sont prévues entre l'enveloppe intérieure 45 et l'enveloppe extérieure 46 pour maintenir un espace entre ces deux enveloppes. Les écrans des câbles 41, 42 et 43 sont connectés en service de la manière décrite dans lademafe de br.EUSN 539 089 déposée lue 31 mars 1966 au nom de la même demanderesse et éliminent les champs magnétiques de fuite qui, autrement, provoqueraient des pertes dans les tubes d'acier. Si les écrans des conducteurs 41, 42 et 43 sont connectés électriquement d'une manière périodique, le long de ces conducteurs, les courants d'écran seront égaux et opposés aux courants de charge, les courants d'écrans s'additionnant vectoriellement pour fournir une valeur nulle et le champ magnétique résultant produit à l'extérieur des écrans est nul. Bien que l'invention ait été décrite à l'aide de modes de réalisation convenant pour travailler à la température de l'hy- drogène liquide, il est évident que l'invention peut être appliquée à des systèmes de câbles destinés à être utilisés à d'autres températures cryogéniques, par exemple à celle de l'azote liquide. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à celui de ees modes d'application, non plus qu'à ceux des modes de réalisation de ses diverses parties ayant été plus spécialement indiqués ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIOMS 1. Câble cryogénique caractérisé en ce qu'il comporte un tube creux de matière isolante flexible muni d'ouvertures disposées suivant sa longueur et son pourtour, une couche conductrice flexible de métal de haute conductivité disposé en torons sur ledit tube creux, un tube flexible de couches guipées d'une matière isolante pour hautes tensions, formé sur ladite couche conductrice, et des moyens flexibles pour assurer l'étanchité des surfaces extérieures du tube flexible de couches guipées d'isolement. 2. Câble cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube creux précité comporte une fente hélicoïdale s'étendant suivant la longueur de ce tube et entre ses surfaces intérieure et extérieure. 3. ~ Câble cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube creux comporte un certain nombre de perforations disposées suivant sa longueur et son pourtour. 4. Câble cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche conductrice flexible est réalisée sous forme d'un certain nombre de bandes flexibles torsadées, enroulées hélicoidalement autour du tube creux. 5. Câble cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche conductrice flexible est constituée par un certain nombre de faisceaux de torons flexibles de fil métallique enroulés hélicoIdalement autour du tube creux. 6. Câble cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche conductrice flexible est munie d'interstices, pour permettre au fluide de refroidissement et d'isolation de pénétrer à travers eux et d'imprégner les couches guipées de ladite matière isolante. 7. Câble cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube flexible de couches guipées de matière isolante est réalisé sous forme de papier poreux de matière isolante, enroulé autour des couches conductrices flexibles. 8. Câble cryogénique selon la revendication 7, caractérisé en ce que le tube flexible de couches guipées est entouré par un écran conducteur flexible.