Brevet FR2067048A1 — publié le 19710813

2067048, 1 là présente invention concerne les câbles de puissance qui sont fabriqués à l'avance pour être installés sur un certain parcours, et plus particulièrement . le•maintien- le long de cescâblesde propriétés relativement constantes. Le courant limite d'un câble de puissance est déterminé par des facteurs •3 tels que les propriétés du conducteur, de l'isolant, et de l'environnement du câble. Le plus critique de ces facteurs est. constitué par les propriétés de l'isolant, en particulier sa faculté de supporter 2a chaleur. Dans la majeure partie des cas, l'isolant du câble perd ses propriétés isolantes d'origine s'il est soumis à une chaleur excessive pendant un certain 10 temps. La chaleur qui affecte 11 isolant est déterminée par la résistance du conducteur et les propriété? de dissipation thermique de cet isolant et de son environnement. Un câble particulier installé en un lieu particulier ne doit dope pas être suffisamment chargé pour qu'il en résulte une déicri ■>ratio-", de l'isolant. Peur disposer d'une marne de sécurité,i] est courant de donner 1~. aux conducteurs d'un câble des dimensions exagérées. les câbles de puissance sont habituellement conçus pour que les pertes d'énergie, c'est-à-dire les pertes dans le conducteur, les pertes diélectriques dans l'isolant, les pertes par la gaine"etc., soient maintenues à une valeur constante tout au long du câble pour un courant:constant et une tension cons-20 tante. . ■ Cependant, deux facteurs peuvent engendrer une température plus élevée qu'il n'est souhaitable si l'on ne prend les mesures appropriées pour compenser ces pertes. En premier lieu, les propriétés de dissipation thermique de l'environnement peuvent varier de façon considérable le lor^: du trajet d'un câble, provoquant ?.=. des'élévations de température en des points où les propriétés de dissipation de la chaleur sont faibles. En second lieu, la température du conducteur peut augmenter en des points,tels que des raccords où deux tronçons de câbles sont raccordés l'un à l'autre. Les problèmes résultant de ces deux facteurs seront considérés en détail ci-dessous. ZO La résistivité thermique de 1'envi rennement varie selon qu'un câble est posé dans le sable, dans la terre, dans de l'argile, dans 1'eau, dans des canalisations etc. Ces conditions variables doivent être prises plus en con- * sidération lorsqu'on prévoit l'installation d'un câble permettant une charge élevée et ayant de bonnes possibilités de dissipation thermique, que pour un esbis -;j ayant une faible dissipation thermique. Cependant, la réslstivité themique de l'environnement varie fréquemment sur le trajet du câble. Dans un tel cas, lorsque le même type de câble -ayant les mêmes dimensions et comportant en particulier un conducteur de nêî-e section transversale et d'un mime matériau est utilisé tout au lor.-r de son itinéraire, la température du. ? inducteur varie in le lonn; du câble. Du fait que la température "naximals du conducteur ne doit BAD ORiO'^l 7 0 39969 2067048 2 pas dépasser une certaine limite gouvernée par le type du câble, la tension de fonctionnement, etc, ces conditions doivent être considéréeslorsqu'on calcule les dimensions du câble. La partie de l'itinéraire qui présente les plus faibles propriétés de dissipation thermique constitue, par conséquent.le facteur critique lorsqu'il s'agit de déterminer les dimensions-du câble. De ce fait, dans les parties du câble qui traversent les zones dotées de meilleures propriétés de dissipation thermique, le conducteur est à une température inférieure à la température admissible, du ''ait que ces parties ne sont pas chargées au maximum de leur courant limite. Il est souvent très coûteux de prévoir de telles dimensions excédentaires. T1 en est t>artIculièrement ainsi pour les câbles sous-marins de grande longueur où la majeure oartie du câble est exposée à des conditions thermiques extrêmement favorables, c'est-à-dire la partie du câble qui est immergée, tandis qu'une petite partie seulement, à chacune des extrémités du câble est enterrée > dans des conditions thermiques relativement défevaables ce qui constitue par conséquent le facteur critique pour la détermination des dimensions de l'ensemble du câble. Afin d'éviter une utilisation peu rentable résultant des variations des propriétés de dissipation thermique le long de l'itinéraire du câble, il a i été suggéré de modifier la section transversale du conducteur en raccordant les uns aux autres des tronçons de câble de sections transversales différentes au moyen de raccords spéciaux. Ce procédé est compliqué et coûteux, en particulier dans le cas de câbles à remplissage d'huile. De plus, de tels raccords spéciaux sont peu souhaitables pour des motifs techniques et électriques, en - particulier dans le cas de câbles sous-marins. Ainsi, quel que soit le soin apporté h la conception et à l'exécution d'un raccordement, la perte diélectrique du câble au raccord ou près de celui-ci est fréquemment sensiblement inférieures celle de l'isolant du reste du câble. De plus, par suite de la "couche supplémentaire d'isolant nécessaire au raccord, le conducteur peut fréauement n'échauffer davantage au centre -3'un raccord que dans le reste du câble. Pour réaliser la meilleure installation possible d'un câble, celui-ci doit être conçu pour que la température de fonctionnement sur l'isolant du câble, en tous les points, soit tout juste inférieure à la température maximale - admire!r-le. Cependant il pourrait s'avérer souhaitable de prévoir aux raccords une température sensiblement plus basse. Dans le passé, les conducteurs des câbles isolés étaient ordinairement en cuivre en raison des propriétés d'excellente ccnductivité du courant électrique et la faible perte d'énergie de ce métal. Cependant, au cours des toutes ?- -récentes années, son coût élevé a conduit à rechercher une autre solution BAD ORfO'MAl - i» "ÏJHç 70 39969 2067048 "T en particulier son remplacement par 1'aluminium, moins.coûteux, en dépit du fait que la conductivité de ce dernier est d'environ 60% de celle du cuivre. Cependant, le remplacement du cuivre par l'aluminium pour certains types d'applications, en particulier pour les câbles pour haute tension,a été lent. Ceci est 5 dû à certains inconvénients présentés par l'aluminium par rapport au cuivre, par exemple son coefficient de dilatation thermique plus élevé et le processus plus compliqué qu'implique le raccordement des conducteurs. Pour les câbles destinés à être directement enterrés, les inconvénients ci-dessus sont sans importance du fait qu'un câble enterré est confiné de 10 telle..manière que 1'échauffement du câble, lorsqu'il est en charge, ne peut entraîner son déplacement longitudinal ou transversal. De même, dans le cas des câbles sous-marins le problème est mineur du fait • que les portions du câble immergées s'échauffent normalement peu en raison du refroidissement efficace assuré par l'eau, tandis que les extrémités à terre 15 sont directement enterrées. Pour les câbles installés dans des canalisations,les conditions sont tout à fait différentes du fait que le câble peut se déplacer longitudinalement dans les canalisations durant l'échauffement et le refroidissement. Pour compenser cette dilatation, il est normalement nécessaire de prévoir des 20 chambres souterraines ou des trous d'homme à chaque point d'épissure afin de permettre le cintrage en "U" du câble de part et d'autre de l'épissure. Cette pratique a été utilisée durant de nombreuses années, dans le cas des câbles comportant des conducteurs en cuivre, et des procédés ont été trouvés pour raccorder les deux conducteurs en cuivre d'une manière qui, par expérience, Pr s'est révélée comme permettant au conducteur de résister à cette flexion et cette tension répétées. Le procédé pour raccorder les deux conducteurs en cuivré consiste normalement à placer sur les conducteurs un manchon en cuivre et à comprimer celui-ci au moyen d'une presse hydraulique, le manchon assurant ainsi le support nécessaire pour permettre au conducteur de résister à la fle-.30 xion répétée. Les procédés de raccordement ci-dessus se sont révélés moins efficaces dans le cas de conducteurs en aluminium du fait de la résistance à la tension plus faible d'un manchon d'aluminium, jointe au coefficient de dilatation thermique plus élevé de 1'aluminium,ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus. Les y-, raccords dans les conducteurs en aluminium pour les câbles à haute tension sont donc obtenus normalement oar snudare. Bien que ce procédé se soit révélé totalement satisfaisant en ce qui concerne les câbles enterrés di rectement, pour les -motifs exposés ci-dessus, la perte de rigidité de l'aluminium à l'endroit de la soudure peut rendre c.e procédé iroins approprié dans le cas 40 d'tin câble installé dans des canalisations. Pour un conducteur composé de fils ; - B&D ORIGINAL 70 39969 2067048 4 d'aluminium demi-dur ou aux trois quarts dur, la zone molle au raccord constitue un point faible lorsque le câble est soumis aux cycles de flexion décrits ci-dessus. La présente invention a pour objet de prévoir un câble plus efficace en 5 évitant les dimensions exagérées qu'entraîne l'utilisation des procédés classiques et en éliminant la nécessité de raccords supplémentaires indésirables. Le problème des dimensions excessives peut être résolu en modifiant la résistance électrique du conducteur du câble en fonction de la résistivité thermique le long de l'itinéraire du câble. Les propriétés de résistivité thermique ou de 10 dissipation thermique doivent être mesurées le long du parcours du câble ou estimées au stade de la planification avancée, afin de décider quelle valeur de résistance doit être utilisée pour le conducteur sur les diverses portions de son itinéraire, afin d'assurer une utilisation optimale de la capacité en courant limite sur toutes les parties du câble. 15 Un autre objet de la présente invention est de prévoir un câble de puissance comprenant un conducteur entièrement ou partiellement fait d'aluminium et à prévoir les tronçons de câble de manière que la température aux raccords entre les tronçons successifs soit maintenue à un point aussi bas que. possible. On y parvient,selon la présente invention,en assurant une transition graduelle 20 de l'aluminium au cuivre de -la section transversale du conducteur, aux extrémités de chaque tronçon. Suivant la présente invention, le conducteur du câble est conçu pour que la résistance électrique par unité de longueur de ce conducteur, en un point quelconque le long du parcours du câble, soit choisie en fonction de la tempéra-25 ture recherchée pour ce conducteur à ce point particulier. La variation indispensable de la résistance électrique du conducteur est obtenue par une transition partielle ou totale d'un matériau à un autre, et vice versa, dans le sens longitudinal du conducteur. Les matériaux utilisés pour constituer le conducteur sont de préférence l'aluminium et le cuivre et la variation de la jO résistance du conducteur est obtenue tout en maintenant constante les dimensions géométriques du conducteur. Lorsqu'un câble de puissance est conçu selon l'invention, la température du conducteur dans le raccord est beaucoup plus faible qu'elle ne le serait autrement. Cela veut dire que l'isolant, au raccord et près de 35 celui-ci est soumis à une température plus faible que l'isolant sur le reste' ~ du câble. Dans la plupart des cas, ceci entraîne des pertes diélectriques moins importantes. Un avantage supplémentaire résulte du fait que le problème posé par le raccordement de deux tronçons de câble est considérablement simplifié du fait qu'il est plus facile de raccorder deux conducteurs en cuivre 40 deux conducteurs en aluminium* 70 39969 2067048 5 Suivant l'une des caractéristiques de l'invention, la résistance du conducteur sur le trajet d'un câble, lorsque la résistivité thermique de l'environnement du câble peut .varier, est modifiée en fonction de cette variation de la résistivité thermique de l'environnement du câble en changeant le matériau S du conducteur, de manière que les dimensions géométriques du câble soient maintenues constantes sur tout le parcours. Avec un câble de puissance conçu selon l'invention, on parvient à une utilisation optimale de la capacité en courant limite sur toutes les parties du câble, sans qu'il soit nécessaire de prévoir des sections 10 de câble de dimensions différentes et des raccords spéciaux entre ces sections. La présente invention permet d'éviter les inconvénients qu'entraine l'utilisation de l'aluminium comme matériau pour le conducteur, tout en permettant de conserver les économies que permet l'utilisation de ce matériau plutôt que le cuivre. Dans le cas de câbles installés dans des canalisations,un faible 15 pourcentage de la longueur du câble doit comporter du cuivre comme matériau pour le conducteur. . Les objets et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins ci-annexés dans 20 lesquels : - Les figures la, lb et 1c représentent des vues en coupe transversale d'un conducteur dans lequel les matériaux conducteurs des diverses couches passent graduellement de 1'aluminium au cuivre. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un conducteur, prise 25 suivant son axe, montrant les différentes sections transversales telles qu'elles sont figurées aux figures la, lb et le. La figure 3 représente six fils conducteurs d'une couche où le matériau conducteur est.modifié sur une certaine longueur. Les figures la, lb et le représentent un câble de puissance 50 se composant d'une âme tubulaire creuse 1 et de deux couches 2 et 7> faites d'une pluralité de torons de fils profilés. A la figure. la_, l'âme tubulaire 1 et la couche profilée 2 sont en aluminium,tandis que la couche située le plus à l'extérieur est en cuivre. A la figure lb, le matériau conducteur de la couche intérieure 2 a été remplacé par le cuivre tandis qu'à la figure le 35 l'âme tabulaire 1 est également en cuivre. Les vues en coupe transversale de ces trois figures représentent des conducteurs d'un câble de puissance dont le matériau conducteur est choisi en fonction d'une température souhaitée -pour le conducteur. La transition dans le matériau conducteur est réalisée de préférence en 40 prévoyant des conducteurs qui, dans le sens longitudinal, sont constitués par 70 39969 2067048 6 des fils d'au moins deux matériaux conducteurs différents. Pour les câbles de grande dimension, le conducteur se présente habituellement sous la forme d'un conducteur à torons multiples, le nombre des fils constituant le conducteur , la dimension transversale et la forme géométrique 5 de ces fils étant maintenus constants sur tout le parcours du câble. Quand le conducteur est un conducteur à torons multiples, les variations souhaitées de la résistance du conducteur sont obtenues en modifiant le matériau conducteur dans l'un au moins des fils . La transition souhaitée d'un matériau conducteur à l'autre est obtenue par épissure de fils faits de matériaux 10 conducteurs différents les uns avec les autres par soudage, assemblage par compression ou autre procédé semblable, préalablement à l'assemblage du fil ou du conducteur sous sa forme et sa dimension transversale définitives. Un avantage de ce procédé consiste en ce que le raccordement est contrôlé automatiquement durant la fabrication finale du câble, par exemple durant son tirage. En 15 variante, un court tronçon de fil fait de 1'un de ces deux métaux peut être épissé avec un court tronçon fait de l'autre métal, au préalable, en laboratoire, pour obtenir des raccords ou des soudures parfaits, de sorte que seuls les raccordements entre fils de métaux semblables restent à faire durant l'opération de toronnage. 20 Suivant une autre variante de l'invention, dans une section transversale Quelconque du câble comprenant des fils d'aluminium aussi bien que des fils de cuivre, les fils d'aluminium sont disposés dans l'âme et les couches intérieures tandis que les fils de cuivre sont disposés dans les autres couches. La figure 2 représente une vue en coupe d'un conducteur semblable à celui 2~ des figures la à le, les sections A-A, B-B, C-C correspondant à celles des figures la, lb, le, respectivement. A la gauche, le conducteur est entièrement en aluminium tandis qu'à la droite la section transversale tout entière est en cuivre. Cette figure montre que la transition dans le matériau du conducteur n'est pas effectuée brutalement dans toute la section transversale du conducteur. 30 Les couches 'J-, 5 et 7 sont les portions en aluminium de la couche la plus extérieure, la couche profilée intérieure et l'âme tubulaire, respectivement tandis que 6, 7 et 8 désignent les portions en cuivre. Quand le conducteur est fait de deux ou plusieurs fils comportant un raccordement de deux métaux différents, il est préférable d'espacer les raccor-Jv dements des deux métaux uniformément sur une certaine longueur du conducteur afin d'éviter des variations trop brusques des propriétés mécaniques et électriques dudit conducteur. La distance entre chaque raccordement est de préférence d'au moins 10 centimètres. La figure 3 représente r.ix des nombreux fils profilés représentant six des '•10 dix-huit fils de la couche extérieure de fils profilés à torons multiples d'un ? . 7° 39969 2067048 ? conducteur semblable à celui des figures la, lb et le et 2, Il est considéré avantageux de constituer la transition d'un matériau conducteur'à un autre sur une certaine longueur et,à la figure 3, on a représenté comment ceci peut être réalisé dans les torons individuels. A l'extrême 5 gauche tous les fils sont en aluminium tandis qu'à l'extrême droite ils sont tous en cuivre. Ainsi que le montre la figure, chaque raccordement entre des fils est placé à une certaine distance des raccordements voisins ce qui permet d'obtenir une forme intercalée. Le raccordement de fil 1J est placé entre les portions non raccordées des fils voisins 12 et 14. 10 Un. autre facteur qui contribue à répartir les raccordements entre fils sur une certaine•longueur est l'effet de toronnage du câble. Si tous les raccordements étaient alignés sur l'équipement débiteur de fil, ils se présenteraient en ordre décalé une fois les fils toronnés sur l'âme creuse ou sur une couche inférieure. 15 Dans le cas des câbles sous-marins à remplissage d'huile,de grande longueur qui sont fabriqués en sections séparées raccordées en usine, il est également avantageux de passer du cuivre à l'aluminium juste avant le raccordement. Un avantage est qu'on obtient ainsi un raccordement mécaniquement plus solide. Ceci est particulièrement important dans les câbles sous canalisation et dans 20 les câbles sous tube. Dans le ca's de câbles sous tube qui se composent normalement de plusieurs tronçons raccordés,il est très important que la résistance des raccordements à la traction ne soit pas inférieure à celle du câble. La contrainte mécanique que subit le câble sous tube est considérable lorsque le câble se dilate et 2e; se rétracte à l'intérieur de la conduite par suite des variations de température En ce qui concerne les câbles sous canalisation dont les tronçons sont raccordés ensemble dans des trous d'homme prévus à cet effet, le passage au cuivre doit,de préférence,être réalisé en des points où le câble est encore dans la canalisation. Ainsi, toute la portion du câble qui subit les efforts 30 de - flexion les plus sévères, par exemple la portion située dans le trou d'homme, Gbmporte comme matériau conducteur le cuivre, et les nombreuses années d'expérience acquises en ce qui concerne les câbles sous canalisation faits de conducteurs en cuivre sont également valables en ce qui concerne un câble conducteur en aluminium et en cuivre. La transition au cuivre doit 3*; cependant être prévue tout près de l'entrée du trou d'homme, par exemple à un mètre à l'intérieur de la canalisation, pour réduire au minimum l'utilisation du cuivre.: Il est également avantageux de passer au cuivre près d'un raccordement, même quand le câble n'est pas installé dans une canalisation ou un tube et 40 -qu'il est soumis à la contrainte mécanique supplémentaire qu'entraîne ce type 70 39969 2067048 8 de pose. Ceci est particulièrement vrai dans le cas des câbles sous-marins du fait que ces raccordements doivent être exécutés dans des conditions qui sont loin d'être idéales?par exemple à bord d'un navire,et la qualité du raccordement peut ne pas être la meilleure. Dans le cas des câbles sous-marins qui sont soumis 5 à des contraintes inhabituelles durant la pose (en eau profonde) ou ultérieurement, la résistance ajoutée du raccordement en cuivre peut également militer en faveur de l'adoption de cette forme de conducteur. En maintenant les dimensions géométriques du câble à une valeur constante sur tout le parcours de ce câble, le processus de fabrication est facilité. Une 10 fois que le conducteur a été constitué,il peut subir les autres étapes de la fabrication, par exemple la mise sous isolant, le gainage, et la pose d'armure en une seule opération. Il convient de noter que les différentes formes représentées aux figures ne sont que des illustrations de la forme du conducteur. 15 Un grand nombre de variantes sont possibles en ce qui concerne la forme et la disposition du câble sans s'écarter du domaine de l'invention. . Bien que les principes de la présente invention aient été décrits ci-dessus en relation avec des exemples particuliers de réalisations, on comprendra clairement que ladite description est faite seulement à titre d'exemple et ne limite 20 pas la portée de l'invention. 70 39969 o 2067048 RTV,E>jdicatjo:TS 1°) Câble de puissance soumis à des caractéristiques thermiques variables le long d'un parcours,caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur électrique comportant des .sections longitudinales de matériaux conducteurs dotés de résis-■■ tances électriques différente?: par unité de longueur, lesdites sections épousant sélectivement les variations des caractéristiques thermiques le long dudit parcours de manière h maintenir ledit conducteur au-dessous d'une température maximale prédéterminée et à minimiser les pertes de puissance le long du câble. 2°) Câble de puissance, tel que défini à la revendication 1, caractérisé 10 en ce qxie ledit câble présente des dimensions géométriques constantes sur toute sa longueur. 3°) Câble de puissance tel que défini à la revendication 2, caractérisé en ce que ledit conducteur est fait de sections d'aluminium et de cuivre raccordées en série. 15 4°) Câble de puissance tel que défini à la revendication 3, caractérisé » en ce qu'une portion substantielle d'un tronçon dudit conducteur est faite j d'aluminium et en ce que ses portions d'extrémité sont en cuivre. j 5°) Câble de puissance tel que défini à la revendication 4, j i caractérisé en ce que le conducteur est un conducteur à torons multiples dont j 20 un toron au moins présente des sections sélectives faites de matériaux différents'! 6°) Câble de puissance tel que défini à la revendication 5, caractérisé j en ce que le conducteur à torons multiples comprend le même nombre de fils sur î toute la longueur du câble. 7°) Câble de puissance tel que défini à la revendication 6, caractérisé en 25 ce que la section transversale et la forme de chacun des fils sont sensiblement uniformes sur toute la longueur du câble. 8°) Câble de puissance tel que défini à la revendication 7» caractérisé en ce que la section transversale du câble comprend des fils d'aluminium et des fils de cuivre disposés sélectivement en couches intérieure et extérieure, le J>0 long de différentes sections longitudinales de manière à ménager des transitions graduelles d'un matériau à l'autre sur la longueur du câble. ?°) Câble de puissance tel que défini à la revendication 8, caractérisé en ce que les fils d'aluminium étant dans les couches intérieures et les fils de cuivre dans les couches extérieures, les raccordements entre fils adjacents 35 dans tin conducteur fait de torons multiples superposés sont espacés les ions des autres dans un tronçon prédéterminé du câble. 10°} Câble de puissance tel que défini à la revendication 9> caractérisé en ce que les raccordements entre les fils adjacents autour de la circonférence dudit câble sont décalés de manière à se présenter suivant une disposition 40 intercalée sur la longueur de la couche. BAD.ORIQINAt