Brevet FR2028379A1 — publié le 19701009

La présente invention se réfère à la transmission de l'énergie électrique et vise en particulier la construction de joints de contraction convenant pour des conducteurs tubulaires isolés par un vide poussé et refroidis par passage à travers lesdits « 5 conducteurs d'un réfrigérant, par exemple de 15azote liquide. Dans la conception et la construction de câbles électriques pour transport d'énergie à haute tension, en utilisant une isolation à vide poussé, il est nécessaire de prévoir un moyen de réfrigération pour dissiper la chaleur produite par effet Joule le 10 long des conducteurs, étant donné qu'il n'existe pas d'autre moyen de dissiper efficacement ces pertes calorifiques. Bien qu'on ait suggéré comme réfrigérant un certain nombre de matières, le réfrigérant d'élection dans tin câble isolé par un vide poussé est l'azote liquide employé à des pressions de l'ordre de 10 à 20 15 bars et à des températures de l'ordre de 65 à 100° Kelvin. Etant donné qu'en pratique dans un câble à haute tension isolé par un vide poussé, il faut que le conducteur soit rigide, les valeurs extrêmes de température auxquelles est soumis le conducteur rendent souhaitable d'employer un dispositif qui permet-20 te de tenir compte de la contraction qui se produit dans le conducteur après l'installation lorsque le câble est mis en service. Un tel dispositif à contraction prend normalement la forme d'un joint dans le conducteur, joint à l'emplacement duquel le conducteur est libre de se contracter à la suite du refroidissement à 25 la température de fonctionnement une fois qu'il a été installé. Etant donné que les câbles à haute tension isolés par vide sont généralement limités à la transmission de grandes quantités d'énergie à des niveaux de tension qui sont de l'ordre de 100 kilovolts ou davantage, et étant donné que les conducteurs d'un 30 tel câble doivent porter intérieurement du réfrigérant sous une pression modérée, comme on l'a indiqué plus haut, la conception de ce joint à contraction doit satisfaire à certains critères imposés par ces limitations, le contour extérieur du joint doit être dépourvu d'angles aigus et de formes analogues qui tendent 35 à produire un effet Corona. La forme extérieure du joint doit ne s'écarter que d'une manière limitée de celle du conducteur tubu-laire pour ne pas occasionner une restriction des dimensions transversales de l'espace d'isolement sous vide où il peut se produire une tendance plus grande au claquage par haute tension. 4-0 Le joint doit intérieurement être étanche aux fluides aux 70 01221 2 2028379 pressions de travail du réfrigérant utilisé, tout en constituant en même temps l'obstruction minimale à l'écoulement de réfrigérant à travers le joint. En outre, il faut que le joint soit capable de laisser passer,un courant électrique de l'ordre d'un mil-5 lier d'ampères ou davantage sans qu'il j ait de chutes de tension importantes,, Conformément à la présente invention, on fournit un joint ■de contraction qui répond à ces critères et qui est particulière-men^pplicable à des conducteurs tubulaires formés d'aluminium 10 qui, bien que ce soit le métal conducteur d'élection pour un câ-■ ble isolé par un vide poussé, ne permet pas une électri que aussi facilement que le cuivre, par exemple» r 1 * . Le joint de contraction de..la présente invention réalise fondamentalement • une; jonction entre deux conducteurs tubulaires 15 adjacents qui- sont conçus de telle façon que l'extrémité d'un conducteur est reçue de façon coulissante dans l'extrémité de l'autre conducteur. L'extrémité tubulaire qui est reçue intérieurement est de préférence rétreinte de telle façon que lés conducteurs une fois joints possèdent des dimensions transversales extérieu-20 res uni formes le long de la quasi totalité du joint. A titre de variante, un conducteur peut, être agrandi de façon coulissante pour recevoir intérieurement l'extrémité de l'autre conducteur. L'extrémité de conducteur reçue intérieuremènt est extensible longitudinalement, c'est-à-dire qu'elle peut comporter un prolon-25 gement à soufflet t et est fixée intérieurement>sur l'autre conducteur dans lequel.elle est logée de telle façon qu'elle réalise un assemblage étanche aux fluides avec l'intérieur du conducteur. Ainsi, -les deux tr.onçons de conducteur sont montés ensemble dans un ajustage coulissant à sec de telle façon qu'après installation 30 lorsqu'on remplit les conducteurs' avec un réfrigérant, par exemple avec de• l'azote^liquide, et qu'on les amène à des températures de fonctionnement, l'importante "contraction qui se produit "puisse être compensée par le coulissement d'un.tronçon dë conducteur sur l'autre, tronçon et par l'extension du soufflet ou autre extrémité 35 extensible réalisée sur.le- tronçon de conducteur intérieur. Etant donné qu'à une extrémité le soufflet est connecté de façon étan-che aux fluides sur le .tronçon de conducteur intérieur et qu'à 11 autre .;ext ré mité il est connecté avec le tronçon" de conducteur extérieur„et qu'il est-ainsi placé à l'intérieur du tronçon de 40 conducteur extérieur de façon à.former fërmeture hermétique du _'CGPY 70 01221 3 2028379 joint coulissant entre les tronçons de conducteurs, le réfrigérait peut s'écouler en passant dans le joint sans qu'il y ait perte de réfrigérant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente inven-5 tion tfessortiront à la lecture de la description détaillée suivante", considérée en liaison avec le dessin annexé représentant à titre illustratif mais nullement limitatif deux modes de réalisation de l'invention. Sur le dessin : la figure 1 est une coupe longitudinale d'un joint de con-10 traction conforme à la présente invention ; et la figure 2 est une coupe longitudinale analogue d'un autre joint de contraction conforme à l'invention. En se référant à la figure 1, le numéro de référence 10 désigne un joint à contraction selon la présente invention, des-15 tiné à joindre les extrémité Adjacentes d'une paire de tronçons de conducteurs tubulaires en aluminium 11 et 12. Les tronçons de conducteurs 11 et 12 ont une construction appropriée permettant de confiner un réfrigérant, par exemple de l'azote liquide, qui s'écoule à travers eux à des températures de l'ordre de 65° à 20 100° Kelvin et à des pressions de l'ordre de 10 à 20 "bars. En pratique, les tronçons de conducteurs 11 et 12 font partie d'un conducteur supporté dans une enceinte sous vide, par exemple comme le décrit la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique H"° 727.993 déposée le 9 Mai 1968 par Peter GrRANEAU, et qui est em-25 ployé pour la transmission d'énergie électrique de grande puissance à des tensions élevées, par exemple 1000 ou 2000 ampères „ à des tensions de 200 kilovolts à 400 kilovolts. le joint 10 est conçu principalement pour permettre la contraction qui se produit dans les tronçons de conducteurs 11 et 30 12 après l'installation lorsqu'on les amène initialement à la température .de fonctionnement par exemple 65° K avant qu'on les mette en service, les conducteurs 11 et 12 sont typiquement des tron-- çons tubulaires de l'ordre de 1£> à 35 mètres. Chaque tronçon 11 et 12 se contractera de 50 à 150 mm, la valeur•dépendant du type 35 de l'installation particulièrej afin de tenir compte de la variation de température qui change lorsqu'on les refroidit depuis les températures ambiantes. qui sont de l'ordre de 300°E à des températures de fonctionnement qui sont de l'ordre de 65°E. Conformément àia présente invention, comme le montre la 40 figure 1, l'extrémité d'un tronçon d.e~ conducteur 11 à joindre à 70 01221 4 .2028379 une extrémité d'un tronçon de conducteur 12 est rétreinte comme il est indiqué sur une partie 13 qui doit être logée de façon à pouvoir coulisser à ajutage serré dans l'extrémité du tronçon 12. La longueur de la partie rétreinte 13 qui est logée dans le troncs çon de conducteur 12 est suffisamment plus grande que la contraction qu'on prévoit d'avoir à compenser pour assurer un facteur de sécurité important au cas où il pourrait être nécessaire que le joint 10 compense non seulement la contraction de ses tronçons de conducteurs immédiatement associés 11 et 12, mais également partiellement la contraction d'autres tronçons de conducteurs au cas où il y aurait une distribution inégale de la contraction suivant les joints disposés le long du conducteur. La partie terminale rétreinte 13 du tronçon de conducteur 11 se termine en un tube extensible 14- qui est formé du même ma-tériau ou d'un autre matériau que les tronçons des conducteurs 11 et 12 et qui est par exemple en aluminium ou en acier inoxydable.-Le tube extensible 14 peut faire corps avec l'extrémité du tronçon de conducteur 11, par exemple si l'on forme des ondulations par forgeage magnétique. Il est toutefois préférable que le tube 20 extensible soit formé séparément et soit d'une construction du type à soufflet. Le prolongement à soufflet 14 est abouté à la partie rétreinte 13 du tronçon de conducteur 11 sur laquelle il est soudé pour réaliser une jonction hermétique étanche aux fluides autour de leurs extrémités aboutées, de telle façon que le 25 tube 14 s'étende coaxialement au tronçon de conducteur 11 en ayant des dimensions extérieures qui sont voisines de celles de la partie rétreinte 13. Dans le joint assemblé 10, la partie rétreinte 13 et le tube extensible 14 sont aux températures ambiantes disposés presque 30 en totalité dans l'extrémité du tronçon de conducteur 12. L'extrémité extensible 14 éloignée du tronçon de conducteur 11- porte une bague 15 qui s'ajuste d'une manière serrée à l'intérieur du tronçon de conducteur 12 et qui est fixée sur le tronçon de conducteur 12 par un joint étanche aux fluides, par exemple par brasage, par 35 soudage électrique ou par d'autres procédés. Il est important que la région soudée indiquée par le numéro de référence 16 s'étende en totalité autour de la bague 15 pour garantir une fermeture é-tanche aux fluides de telle façon que le passage intérieur entre les tronçons de conducteurs 11 et 12 à travers le joint 10, y com-40 pris le tube extensible 14, soit entièrement étanche aux fluides 70 01221 2028379 5 dans les conditions du travail que l'on rencontrera. En pratique, on forme le tube extensible 14 sur l'extrémité du tronçon de conducteur 11, ceci constituant une partie de l'opération de fabrication, tandis que la soudure 16 est réalisée sur le chantier au 5 moment de l'installation du câble comprenant les tronçons de conducteurs 11 et 12» Comme indiqué plus haut, l'ajustage entre les tronçons de conducteurs 11 et 12 est un ajustage serré mais glissant. Les surfaces de contact et de coulissement 17 et 18 des tronçons 11 10 et 12 respectivement doivent porter le débit de courant à travers le conducteur dont les tronçons 11 et 12 forment des parties adjacentes une fois l'installation terminée. Lorsqu'on fait circuler le réfrigérant par le centre des tronçons de conducteurs 11 et 12 et par suite par le centre du tube 14-, la contraction des 15 tronçons 11 et 12 qui se produit lorsque ces parties se refroidissent jusqu'aux températures de fonctionnement réduit l'aire totale de contact entre les surfaces 17 et 18 en raison du fait qu'il y a un retrait partiel de l'extrémité du tronçon de conducteur 12 qui sort de la partie rétreinte 13 du conducteur 11 qui, on doit 20 le noter, est logée dans un élargissement correspondant au tube 14. Par conséquent, lorsqu'on établit le projet des tronçons 11 et 12, il est important que les aires de contact 17 et 18 à la température de fonctionnement soient conçus et déterminés avec soin de façon à présenter une résistance aussi faible que possi-25 ble afin d'éviter une perte excessive d'énergie par chauffage par résistance aux surfaces de contact 17 et 18. Une marri ère de réduire la résistance du joint 10 aux surfaces 17-18 consiste à augmenter leur longueur de recouvrement aux températures de fonctionnement. En outre,la pression de contact doit être aussi élevée qœ 30 cela est compatible avec le coulissement nécessaire pour permettre ~Ia contraction ; On peut augmenter là pression aux températures de fonctionnement en appliquant une bride ou frette 19 autour de l'extrémité du tronçon 12 recouvrant les surfaces 17 et 18, cette bride ou frette étant formée d'une matière dont le coefficient 35 de dilatation thermique est plus grand que celui de la matière constituant le conducteur, de telle façon que .lorsque les tronçons de conducteurs 11 et 12 se refroidissent jusqu'aux températures de fonctionnement, la pression exercée "sur.^leurs .surfaces de coulissement 1!? et 18 soit augmentée' par la contraction plus énergi-40 que de la bride 19. La" bride 19 peut par exemple être faite en 70 01221 6 2028379 zinc lorsque les tronçons de conducteurs 11 et' 12 sont en aluminium» Le joint 10 montré sur la figure 1 est le joint préféré compatible avec l'obtention d'une surface extérieure uniforme du con-5 ducteur. Ceci est souhaitable pour qu'il n'y ait pas de.parties du conducteur constitué par les tronçons 11 et 12 qui se trouvent plus près du tuyau ou conduit enfermant le conducteur, ce qui constituerait des points électriques faibles dans l'isolement par vide. On notera toutefois que cette conception produit une restrie™ 10 tion sur le trajet d'écoulement du réfrigérant, restriction qui est indésirable lorsque la longueur du conducteur est telle que la perte de charge le long du trajet d'écoulement du réfrigérant devient critique. La figure 2 montre une variante d'un joint, désignée par la 15 référence 10', entre une paire de tronçons de conducteurs adjacents 11' et 12'. et qui réduit la perte de charge mais présente l'inconvénient d'offrir un agrandissement extérieur du joint. Cet agencement est acceptable lorsque le joint 10' repose entre des supports de conducteurs et qu'un tel agrandissement extérieur peut 20 être toléré. Dans le joint 10' et le joint 10 ce sont les mêmes composants fonctionnellement qui sont prévus et qui sont indiqués sur la figure 2 par les mêmes numéros de références que ceux utilisés sur la figure 1, à l'exception de l'addition de l'accent prime. Toutefois, dans le joint 10', le tronçon de conducteur 11* 25 ne comprend pas une partie rétreinte 13, mais à.„la place de celle ci comprend un tube 14' qui est fixé à l'extrémité du tronçon 11* et a les mêmes dimensions transversales d'une manière générale que les tronçons 11' et 12f. En outre, l'extrémité du tronçon de conducteur 12' qui recouvre le tube 14' et le tronçon 11' est lé-30 gèrement évasée de façon à former une tulipe 113 dans laquelle sont logés l'extrémité du tronçon 11' et le tube 14'. Comme le montre à l'évidence la figure 2, cette variante permet un écoulement du fluide à travers le joint 10' sans restriction notable et par suite réduit la perte de charge du réfrigérant qui s'écou-35 le à travers le joint 10'» 70 01221 7 2028379 REVENDICATIONS 1 -Perfectionnement d'un joint de contraction dans un conducteur dans lequel le conducteur comprend une paire de tronçons de conducteurs tubulaires adjacents, le perfectionnement étant carac-5 téris*é par le fait qu'il comprend : un premier tronçon de conducteur dont une extrémité est disposée de façon coulissante sur une extrémité d'un deuxième tronçon de conducteur en contact électrique et coulissant avec lui, l'extrémité du premier tronçon se terminant par une partie tubulaire extensible, une fermeture étanche 10 aux fluides joignant la partie tubulaire à l'intérieur du deuxième tronçon conducteur de telle façon que, après refroidissement des tronçons et du joint, la contraction qui se produit est compensée par un retrait partiel de 1'extrémité du premier tronçon hors de l'extrémité du second tronçon et par l'extension de la 15 partie précitée dans le deuxième tronçon. 2. Perfectionnement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la partie tubulaire extensible est ondulée. 3. Perfectionnement selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'extrémité du premier tronçon est rétreinte pour 20 être logée dans le deuxième tronçon. 4. Perfectionnemenffeelon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une bride ou frette de serrage est disposée autour de l'extrémité du deuxième tronçon etfrecouvre le contact coulissant de ce deuxième tronçon avec le premier tronçon, la bride ou 25 frette ayant un coefficient de dilatation thermique plus grand que celui du premier et du deuxième tronçon.