Brevet FR2133830A1 — publié le 19721201

i 2133830 La présente invention concerne les câbles électriques et, plus particulièrement, un papier pour former des couches de blindage dans les câbles électriques. Dans la fabrication des câbles, un papier ayant des caractéristiques 5 partiellement conductrices, pouvant être appelé demi-conducteur sous la forme d'un ruban, est couramment enroulé autour du conducteur du câble de façon que les bords reviennent à recouvrement pour constituer une couche de blindage électrique en contact avec le conducteur. De même, quand l'isolant a été appliqué sur le conducteur blindé, une bande de papier demi-conductrice est 10 couramment enroulée autour de l'isolant, aussi pour que les bords viennent à recouvrement pour former un blindage supplémentaire en contact avec la gaine métallique appliqués consécutivement. Le terme "demi-conducteur" est utilisé dans le présent texte pour éviter l'ambiguité par rapport au terme "semiconducteur", dont le sens est bien connu en électronique. 15 Un papier initialement proposé pour former ces blindages est un papier à couche unique chargé de noir de carbone, appelé aussi carbon-black, qui communique les caractéristiques demi-conduction au papier uniforme isolant par ailleurs. Une difficulté avec ce papier est que, dans les câbles dans lesquels le blindage est formé avec ce papier, une dissipation substantielle 20 de l'énergie a lieu dans le diélectrique d'isolement, en particulier dans les films d'imprégnation par un liquide situés contre les blindages. Un papier proposé depuis un certain temps pour réduire cette difficulté, et qui a obtenu un succès considérable, est un papier stratifié à deux couches, l'une des couches étant en papier demi-conducteur, et l'autre 25 couche en papier isolant uniforme. Dans des câbles comportant des blindages formés avec ce papier, il a été constaté une réduction substantielle de la dissipation d'énergie dans le diélectrique. Un tel papier à deux couches est décrit dans le brevet anglais n° 815.394. Il est courant que les deux couches de ces papiers de blindage aient 30 des imperméabilités similaires. Cela provient du fait qu'il a été de pratique courante jusqu'à un temps relativement récent, dans la fabrication des papiers à plusieurs couches, que les couches aient des caractéristiques similaires, parmi lesquelles la densité et l'imperméabilité, afin de réduire au minimum les difficultés de fabrication. 35 Le terme "imperméabilité" du papier est utilisé pour désigner une mesure de la résistance du papier à l'écoulement d'un liquide ou d'un gaz à travers le papier. Dans la suite du présent texte, référence sera faite à des valeurs spécifiques de l'imperméabilité, et cette imperméabilité peut être 72 13484 2 2133830 exprimée en unités Emanueli (U.E.). L'unité Emanueli est bien connue, et une définition de cette unité est donnée dans la publication TAPPI (Technical Association of the Pulp and Paper Industry), volume 44 n° 10, octobre 1961, pages 175A à 182A, dans laquelle est aussi donnée une description d'un poro-5 simètre Emanueli modifié pour mesurer l'imperméabilité à l'air du papier en unités Emanueli. De même, le terme "densité", utilisé dans le présent texte pour le papier, désigne la densité apparente, c'est-à-dire celle obtenue en divisant la masse d'un volume donné de papier par son volume global, ce volume global 10 comprenant à la fois le volume des fibres du papier et le volume de l'air emprisonné entre ces fibres. La tendance récente à la transmission de courants électriques sous des tensions jusqu'à 500 kV a conduit à la recherche de caractéristiques diélectriques sévères pour le papier utilisé pour l'i solement proprement dit 15 des câbles. Ce papier d'isolement doit supporter des gradients de potentiel très élevés, et il doit avoir un facteur de pertes bien inférieur à ceux nécessaires précédemment, quand l'électricité était transmise sous des tensions bien inférieures. Cette demande a conduit à l'utilisation d'un papier isolant à plusieurs couches, dont des formes préférées comportent des couches ayant 20 des caractéristiques sensiblement différentes. Ainsi, suivant des formes préférées de ce papier isolant, il existe au moins une couche ayant une imperméabilité relativement élevée et au moins une couche ayant une perméabilité relativement faible. En général, un papier à imperméabilité relativement élevée a une rigidité diélectrique élevée, mais aussi un facteur de pertes élevé, 25 tandis qu'un papier à imperméabilité relativement faible a un facteur de pertes faible, mais aussi une rigidité diélectrique faible. Cependant, il a été constaté qu'un papier isolant à plusieurs couches a des caractéristiques diélectriques globales très bonnes avec une rigidité diélectrique élevée (presque aussi élevée que cdle de la couche à imperméabilité élevée) et un 30 facteur de pertes faible (presque aussi faible que celui de la couche à imperméabilité faible). En général aussi, dans ce papier, la couche à imperméabilité la plus élevée a aussi une densité supérieure à celle de l'autre couche. La production de ces papiers isolants à plusieurs couches, ayant des 35 caractéristiques différentes pour les différentes couches, a été rendue possible par les techniques perfectionnées de fabrication du papier qui sont actuellement disponibles, depuis que le ruban de blindage à deux couches est apparu. Ces papiers isolants à plusieurs couches sont décrits dans le brevet 72 13484 3 2133830 anglais n° 1.190.962. Dans les câbles isolés, soit avec ce papier isolant avec plusieurs couches, soit avec du papier standard, ce sont les caractéris-tiques diélectriques des blindages, en particulier du blindage en contact avec le conducteur, qui ont une importance critique, et il a été constaté 5 qu'une certaine amélioration des caractéristiques électriques du papier de blindage en deux couches est désirable pour obtenir une rigidité diélectrique supérieure de l'ensemble de l'isolant du câble, en particulier quand le câble est utilisé pour des tensions approchant de 500 kV. Il doit être noté que le blindage en contact avec le conducteur, en particulier la couche 10 isolante du papier de blindage dans le cas d'utilisation d'un papier de blindage à deux couches, est soumis aux contraintes électriques les plus élevées de l'isolant du câble et, par suite, il est la partie la plus critique de l'isolant. L'invention a par suite pour objet un papier pour former les couches 15 de blindage des câbles électriques, ce papier permettant d'obtenir une rigidité diélectrique supérieure dans l'isolant des câbles, dans lesquels il est utilisé, cette rigidité étant supérieure à celle possible en utilisant dans les mêmes câbles le papier de blindage à deux couches disponible jusqu'ici. Suivant un a s'p e et, l'invention concerne ainsi un papier pour 20 former des couches de blindage dans les câbles électriques, ce papier comportant deux couches, l'une étant une couche de papier demi-conducteur et l'autre une couche de papier isolant, l'imperméabilité du papier de la couche isolante étant au moins de 20 x 10^ U.E. La couche de papier demi-conducteur peut être formée de papier normal, 25 chargé de noir de carbone, qui communique des caractéristiques de demi- conduction au papier normal,normalement isolant. A titre d'exemple, la couche demi-conductrice peut avoir une densité et une imperméabilité, toutes deux courantes pour un tel papier dans l'industrie de la fabrication des câhles. 3 Des valeurs typiques pour la densité sont comprises entre 0,84 et 0,90 g/cm , g 30 et des valeurs typiques pour l'imperméabilité sont comprises entre 10 et 2 x 106 U.E. Il a été constaté qu'une rigidité diélectrique considérablement supérieure sous des impulsions est obtenue dans l'isolant des câbles électriques, quand les blindages sont formés de papier de blindage, tels que défiris dans 35 l'avant-dernier paragraphe à la place du papier de blindage à deux couches décrit précédemment. Par exemple, en utilisant un papier de blindage selon la définition ci-dessus, une valeur de 115 MV/m pour la contrainte électrique maximale de claquage a été obtenue pour l'isolant d'un câble imprégné d'huile, 72 13484 4 2133830 tandis qu'avec un blindage formé avec le papier à deux couches antérieur ne permet qu'une valeur de 100 MV/m. Des améliorations similaires ont été constatées pour la rigidité diélectrique à la fréquence du courant, une augmentation de 43 MV/m à 52 MV/m étant typique. 5 Cependant, une autre amélioration majeure a été constatée en ce qui concerne le facteur de puissance. Un essai important effectué sur un câble, imprégné d'huile après sa fabrication, est une comparaison du facteur de puissance mesuré à la moitié de la tension de service, à la tension de service et au double de la tension de service. Il est désirable que le 10 facteur de puissance augmente aussi peu que possible quand la tension augmente. Dans des câbles comportant des blindages,formés d'après le deuxième paragraphe avant le précédent, il est constaté une amélioration très substantielle, du fait qu'à la moitié de la tension de service, le facteur de puissance est légèrement inférieur et qu'il augmente très peu quand la tension est 15 augmentée au double de la tension de service, par comparaison arec les câbles ayant des blindages en papier à deux couches du type antérieur. Par exemple, dans des câbles imprégnés d'huile pour 66 kV, des facteurs de puissance ayant hA - /{ _ A. des valeurs de 23 x 10 , 27 x 10 et 32 x 10 respectivement sont obtenus à la température ambiante dans des câbles comportant le papier à deux couches 20 antérieur, tandis que des valeurs correspondantes de 21 x 10 22 x 10 -4 et 24 x 10 ont été obtenues pour des câbles identiques comportant des blindages formés de papier du type défini dans le deuxième paragraphe avant le paragraphe précédent. Il a été constaté que les améliorations indiquées ci-dessus sont 25 augmentées si la densité du papier de la couche isolante n'est pas inférieure 3 à 1,0 g/cm . A titre d'exemple, les valeurs critiques pour la densité de la couche isolante de papiers formés et essayés expérimentalement sont 3 comprises entre 1,1 et 1,2 g/cm , contrairement à la densité normale de 3 0,84 à 0,90 g/cm citée précédemment pour la couche demi-conductrice. 30 A titre d'exemple aussi, des valeurs critiques pour l'imperméabilité de la couche isolante de papiers formés et essayés expérimentalement sont comprises entre 200 x 10 et 750 x 10^ U.E., tandis qu'une valeur pouvant atteindre 2.000 x 10 U.E. est possible (auquel cas la densité peut atteindre 1,31 g/cm ). Des valeurs typiques pour la densité et l'imperméabilité du 35 papier de blindage final de ces papiers, ayant été produits et essayés 3 6 expérimentalement, sont comprises entre 1,0 et 1,15 g/cm et entre 100 x 10 6 q c et 300 x 10 U.E., tandis que des valeurs de 1,25 g/cm et 1.000 x 10 U.E. prédominent dans la couche isolante aux valeurs les plus élevées de densité 72 13484 5 2133830 et d'imperméabilité citées ci-dessus, bien qu'une imperméabilité pouvant ne pas dépasser 5 x 10^ U.E. soit possible aussi quand les deux couches ont l'imperméabilité inférieure. Typiquement aussi, dans des papiers formés et essayés expérimentalement, chaque couche ayant une épaisseur d'au moins 5 0,025 mm, l'épaisseur globale du papier final ne dépasse pas 0,2 mm et le rapport entre les épaisseurs des deux couches ne dépasse pas là 3 (dans les deux sens). Des plages préférées pour les valeurs sont de 0,030 à 0,080 mm pour l'épaisseur de chaque couche, de 0,050 à 0,140 mm pour l'épaisseur totale du papier final et de 0,5 à 2 pour le rapport entre l'épaisseur de la 10 couche demi-conductrice et de la couche isolante. Il est évident d'après les différentes valeurs indiquées ci-dessus que très souvent les deux couches ont des caractéristiques très différentes; à la fois en ce qui concerne la densité et l'imperméabilité, mais comme il est indiqué ci-dessus, cela est actuellement possible en raison des techniques 15 perfectionnées, actuellement disponibles pour la fabrication du papier. De même, la couche de papier isolant a souvent une densité très élevée, et ceci est typiquement obtenu par un surcalandrage du papier final. Pour former les blindages dans les câbles électriques, le papier décrit ci-dessus est enroulé sous la forme d'un ruban ou d'une bande autour 20 du conducteur avec chevauchement des bords des spires, la couche demi- conductrice étant du côté du conducteur et en contact avec celui-ci, ou bien pour le blindage extérieur autour de l'isolant avec la couche isolante contre l'isolant du câble. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative, 25 et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes, sans que l'on sorte de son cadre. 72 13484 6 2133830 REVENDICATIONS 1. Papier pour former les couches de blindage dans des câbles électrique, caractérisé en ce qu'il comporte deux couches, l'une étant une 5 couche en papier demi-conducteur et l'autre une couche en papier isolant, l'imperméabilité du papier de la couche isolante étant d'au moins de 20 x 10^ U.E. 2. Papier selon la revendication 1, caractérisé en ce que la densité 3 du papier de la couche isolante est au moins égale à 1,0 g/cm . 10 3. Papier selon la revendication 2, caractérisé en ce que la densité 3 du papier de la couche isolante est comprise entre 1,1 et 1,2 g/cm . 4. Papier selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'imperméabilité du papier de la couche isolante est comprise entre 20 x 10^ et 2.000 x 105 U.E. 15 5. Papier selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'imperméabilité du papier de la couche isolante est comprise entre 200 x 10^ et 750 x 10^ U.E. 6. Papier selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 5, caractérisé en ce que la densité globale du papier est comprise entre 1,0 et 20 1,15 g/cm'*. 7. Papier selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 5, 6, caractérisé en ce que l'imperméabilité globale du papier est comprise entre 100 x 106 et 300 x 106 U.E. 8. Papier selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé 25 en ce que chaque couche a une épaisseur d'au moins 0,025 mm. 9. Papier selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'épaisseur de chaque couche est comprise entre 0,030 et 0,080 mm. 10. Papier selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que son épaisseur totale ne dépasse pas 0,20 mm. 30 11. Papier selon la revendication 10, caractérisé en ce que son épaisseur totale est comprise entre 0,050 et 0,140 mm. 12. Papier selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le rapport entre les épaisseurs des deux couches ne dépasse pas 1 à 3 dans les deux sens. 35 13. Papier selon la revendication 12, caractérisé en ce que le rapport entre l'épaisseur de la couche demi-conductrice et celle de la couche isolante est compris entre 0,5 et 2. 14. Câble électrique, caractérisé par au moins une couche de blindage formée de papier, tel que spécifié dans l'une quelconque des revendications 1 à 13 et enroulé sous la forme d'un ruban ou d'une bande avec recouvrement des bords, la couche isolante du côté de l'isolant du câble.