Brevet FR2141577A1 — publié le 19730126

La présente invention concerne la technique de réalisation des câbles permettant de réduire les pertes de puissance et d'augmenter la capacité ou le courant limite du câble dans le cas des conducteurs ou câbles de grandes dimensions utilisés pour la transmission d'une énergie électrique en courant alternatif. La réalisation du câble selon l'invention est particulièrement destinée aux systèmes de câbles souterrains. La capacité de charge des systèmes à câbles souterrains destinés à la transmission d'énergie électrique en courant alternatif dépend essentiellement des pertes apparaissant dans l'enveloppe ou le blindage du câble, des pertes apparaissant dans la canalisation ou le conduit dans lequel est logé le câble, de la résistance à chaud du système câblé et de la résistance électrique du câble. Pour réduire ces pertes à une valeur minimale et obtenir de plus grandes capacités de charge pour des câbles présentant des sections droites relativement importantes, dépassant par exemple 1.000.000 de circular mils (environ 500 mm2), les câbles sont habituellement constitués par plusieurs brins conducteurs disposés en secteurs (généralement quatre secteurs de forme analogue à celle des éléments dénommés "quarts de rond"), les brins de chaque secteur étant torsadés hélicoldalement les uns par rapport aux autres. Les secteurs peuvent être isolés les uns des autres grâce à une mince couche d'un matériau diélectrique tel que du papier cellulosique ou une matière plastique du type résine synthétique. Dans un système de transmission d'énergie en courant alternatif, la résistance est augmentée et, par conséquent, la capacité ou le courant limite d'un système câblé est réduite par la distorsion ou variation de la densité relative du courant le long de la section droite du conducteur. L'un de ces effets à distorsion est l'effet dé peau, qui est la tendance du courant alternatif à se concentrer,au niveau de la partie extérieure du conducteur ou du secteur isolé. L'amplitude ou l'importance de l'effet de peau dépend de la résistivité du matériau conducteur, de la fréquence du courant alternatif, de la disposition des trins bobinés hélicoldalement en secteurs et (ou) bobinés concentriquement, et de la valeur de la résistance de contact entre les brins.La distribution de la densité de courant le log de la section droite d'un conducteur est également modifiée par la proximité des autres conducteurs, par exemple dans une installation du type sous tube ou sous canalisation dans laquelle un certain nombre de câbles ou conducteurs sollt disposés à proximité irnmédiate les uns des autres dans un tube ou une canalisation. Les matériaux conducteurs les plus largement utilisés pour réaliser les brins conducteurs des câbles souterrains destinés à la transmission de la puissance électrique sont le cuivre et l'aluminium, L'aluminium présente une résistance de contact électrique entre brins voisins qui est plus importante que celle du cuivre, mais le cuivre est un meilleur conducteur. L'invention a pour but de permettre la réalisation d'un câble à brins conducteurs disposés en secteurs, dont la charge ou le courant limite soit augmenté grâce à la réduction des effets de peau et de proximité du fait qu'on prévoit au moins un certain nombre de brins de cuivre recouverts d'aluminium dans le câble. L'invention est matérialisée dans un câble destiné à être utilisé pour la transmission souterraine de l'énergie électrique, comprenant plusieurs brins réunis, caractérisé en ce qu'au moins certains de ces brins sont constitués par du cuivre revêtu d'une couche extérieure d'aluminium, cette couche d'aluminium constituant environ 10 à 20% de la section droite de chaque brin. La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés, donnés à titre non limitatif, permettra de mieux comprendre l'invention. La fig. 1 est une représentation schématique en perspective montrant un brin conducteur de cuivre recouvert d'aluminium et utilisé selon l'invention, et montrant une partie de ce conducteur au niveau de laquelle on a éliminé le dépôt d'aluminium. La figo 2 est une représentation en perspective montrant l'extrémité d'un câble à brins conducteurs disposés en secteurs selon l'invention, une partie de l'enveloppe'externe du câble ayant été supprimée pour montrer les brins individuels, La fig. 3 est une vue en bout d'un câble à brins disposés en secteurs et montrant un autre mode de réalisation de l'invention0 Si l'on se réfère maintenant aux figures, celles-ci représen- tent un câble selon l'invention qui comprend au moins plusieurs brins conducteurs 10 constitués par un fil de cuivre 11 rev8tu d'une couche extérieure 12 d'aluminium lié par processus métallurgique au cuivre. Le revêtement d'aluminium peut être appliqué sur le fil de cuivre de n'importe quelle façon convenable. Par exemple, un procédé consiste à revêtir le fil de cuivre avec de ltargent, à introduire le fil revêtu dans un tube d'aluminium ou à extruder une couche d'aluminium directement sur le revêtement d'argent, et à laminer, étirer ou faire ensuite passer dans une filière le brin composite de manière à obtenir par écrasement un contact intime entre l'aluminium, l'argent et le cuivre de façon à réaliser une liaison métallurgique complète en liant d'une part le cuivre à l'argent et d'autre part l'argent à l'aluminium, ces éléments étant respectivement susceptibles de liaisons métallurgiques. Dans le mode de réalisation visible sur la fig. 2, tous les brins conducteurs 10 du câble sont des brins de cuivre revêtus d'aluminium. Comme le montre la figure, il est prévu quatre secteurs du type quart de rond dans chacun desquels les brins sont bobinés hélicoidalement. Les secteurs opposés 13 sont isolés et déterminent ainsi l'isolement des quatre secteurs les uns par rapport aux autres. Les secteurs non isolés 13a présentent de préférence desrdimensions légèrement plus importantes que celles des secteurs isolés de manière à compenser l'épaisseur de l'isolant et à permettre ainsi la fabrication d'un câble à section parfaitement circulaire.Seul l'un des secteurs 13 est représenté en détail et il s'agit d'un secteur isolé, étant entendu que les trois autres secteurs 13 et 13a sont identiques à ce dernier sauf en ce qui concerne les secteurs placés entre les secteurs isolés et ne nécessitant pas la présence d'un isolant. Les secteurs sont réunis de manière à constituer un câble composite en les recouvrant d'un ruban conducteur de l'électricité 14 qui peut être constitué par un matériau convenant bien pour obtenir ce résultat, par exemple un ruban d'un alliage tel que du bronze, par rapport auquel il est prévu d'intercaler du papier ou un autre ruban métallique lorsque ce ruban présente une résistance suffisante pour ne pas nécessiter d'intercaler du papier, et qui sert d'agent de liaison mécanique et de blindage conducteur. Comme indiqué précédemment, les secteurs 13 peuvent être isolés les uns des autres grâce à un matériau diélectrique convenable appliqué sur les secteurs opposés, par exemple en utilisant un ruban isolant 16 tel que celui visible sur les figures. Pour permettre de réaliser l'invention, le revêtement d'aluminium 12 constitue de préférence d'environ 10 à 20 de la surface de la section droite du brin conducteur 10 et convient plus particulièrement lorsqu'il représente 10% de cette surface comme le montrent les tableaux I et II ci-après. Ces tableaux montrent la capacité limite relative de câbles dans lesquels le matériau conducteur est constitué par du cuivre, par de l'aluminium, par du cuivre émaillé, et par des fils de cuivre revêtus d'aluminium et pour lesquels l'aluminium constitue respectivement 10% et 20% de la surface de la section droite. le tableau I montre les résultats des essais. Le tableau II montre les résultats calculés. les câbles essayés ont été utilisés de manière unifilaire sous 138 kV et à température ambiante, et étaient des câbles à secteurs présentant une section de 2.000.000 de circular mils (environ 1000 mm2) du type rempli d'huile sous pression. flans le tableau I, la résistance des conducteurs en courant alternatif (Rac) a été mesurée dans l'air (essais effectués avec un montage dit "triangulaire" et à nouveau avec un montage du type berceau mis à la terre). La capacité ou intensité limite des conducteurs dans les systemes à câble du type sous tube est donnée par l'équation expression dans laquelle I = la capacité limite du câble en ampères, #Tc = l'augmentation maximale de la température permise pour le câble en OC, 1,7 Rdc (1 + Yc) = la résistance électrique effective de l'ensem- ble conducteur lorsque les câbles sont installés dans une canalisation ou tube d'acier, exprimée en microhms par pied (environ 9 microhms par mètre), Rdc = la résistance en courant continu du conducteur exprimée en microhms par pied (environ 3 microhms par mètre) Yc = l'augmentation de la résistance du conducteur due aux effets du courant alternatif, exprimé comme une valeur fractionnai- re de la résistance en courant continu, R@@ = la résistance effective à chaud du circuit thernique expri mée en ohms-pieds (environ 0,33 ohms-mètres). Du fait que les termes tSTc et RCa peuvent être considérés comme des constantes pour des conditions particulières du fonctionnement de l'ensemble conducteur correspondant à la température, au diélectrique, à la canalisation et à l'environnement du câble, une manière d'augmenter la capacité limite e 1' ensemble conducteur sans modifier ses dimensions consiste à réduire sa résistance ef ficace. Ce résultat est obtenu selon l'invention en utilisant un ensemble conducteur constitué par des brins de cuivre totalement ou partiellement revêtus d'aluminium. Les câbles essayés étaient du type comportant des secteurs, présentant une section droite de 2.000.000 de circular mils (envi ron 1000 mm2, rempli d'huile sous pression et ont été essayés de manière unifilaire sous 138 kV à température ambiante. Pour le tableau I, la résistance en courant alternatif de cha que conducteur (Rac) a été essayée dans l'air, les câbles étant montés selon un système dit "triangulaire" et sur un berceau mis à la terre, et est donnée par l'expression Rdc (1 + Yc), dans laquelle Yc est un facteur déterminé par les effets de peau et de proximité apparaissant dans les conducteurs. TABLEAU I pontage triangulaire Montage berceau dans l'air dans l'air Matériau Rdc Rac Rac conducteur microhm/pied 1+Yc microhm/pied i +Yc microhmXpied (env.3 #/m) (env.3 #/m) (env.3 #/m) Cuivre 5,42 1,26 6,82 1,23 6,68 Aluminium* 8,80 1,02 8,97 - Cuivre émaillé (92% cuivre 8% émail) 5,86 1,05 6,15 1,04 6,10 * Résultats basés sur des valeurs mesurées pour un eemble conduc teur de 2.250.000 de circnlar mils (environ 1125 mm2) et extrapo lés pour un ensemble conducteur de 2.000.000 de circular mils (environ 1000 mm2) Comme le mo*e ce tableau, la résistance effective des ensembles conducteurs en cuivre pur est apparemment augmentée d'une manière très importante par les effets de peau et de proximité, mais tel n'est pas le cas pour les ensembles conducteurs en aluminium ou en cuivre émaillé. Les effets de eau et de proximité réduits qui correspondent a ces derniers ensembles conducteurs sont aéterminés par une meilleure distribution de la densité de courant le long de leur section droite. Dans le cas de l'ensemble conducteur en aluminium, l'amélicration de la distribution du courant est apparemment la conséquence d'une résistance de contact électrique élevée entre les brins. Dans le cas de l'ensemble corducteur en cuivre émaillé, elle est apparamment la conséquence de l'effet d'isolement entre brins qui est fourni par l'émail. Le tableau I montre les avantages d'un ensemble conducteur en cuivre revêtu d'aluminium par rapport aux ensembles conducteurs en cuivre pur et aux ensembles conducteurs en aluminium pur. En ce qui concerne le tableau II, l'intensité ou capacité limite donnée par l'équation précitée a été obtenue e: utilisant l'équation : expression dans laquelle p = 1/Rdc = conductivité. En supposant l'existence de conditions similaires concernant les dimensions de l'ensemble conducteur, le diélectrique, les conditions d'installation et l'environnement, cette dernière équation a été reéerite sous la forme suivante et les valeurs correspondant à la capacité limite ont ensuite été calculées tour un câble à secteurs, présentant une section droite de 2.000.000 de circular mils (environ 1000 mm2) rempli d'huile sous pression et utilisé de manière unifilaire sous 138 kV selon un montage triangulaire dans 'air. TABLEAU II Matériau Conductivité Intensité Intensité limite conducteur % 1+Yc limite (différence en % par rapport au cuivre) Cuivre 100 1,26 8,9 K 0 Aluminium 60 1,02 7,7 K -13 Cuivre revêtu d'aluminium (20% Al 80% Cu) 92 1,04 9,4 K 46 Cuivre revêtu d'aluminium (10%Al) 96 1,04 9,6 K 48 90%Cu) Si l'on tient compte du fait que dans le montage en berceau mis à la terre, la résistance effective (1 + Yc) est généralement quelque peu inférieure à la résistance en montage triangulaire, la capacité ou intensité limite correspondante sera légèrement supérieure. Cependant, l'augmentation ou la aiminution en pour cent de la capacité limite par rapport à celle calculée pour le montage triangulaire est négligeable. Au premier abord, la dernière colonne du tableau IL'OII est quelque peu déroutante. L'augmentation indiquée de 6 ou 8%ó de l'intensité ou capacité limite représente en alité 15 a 20% de l'augmentation totale possible qui existerait si la résistance en courant alternatif était la même que la résistance en courant continu. Les pourcentages précités ont été obtenus en se basant sur le fait que la résistance totale en courant alternatif d'un ensemble conducteur en cuivre présentant les dimensions indiquées et faisant partie d'un système de trois câbles logés dans une canalisation ou conduit d'acier de 8 pouces (environ 20 cm) est 1,91 fois supérieure à la résistance en courant continu. Le;tableau NOII montre donc que les ensembles conducteurs de câbles a secteurs constitués par des brins de cuivre revêtu d'aluminium, dans lesquels l'aluminium constitue la surface extérieure de chaque brin dans une proportion de 10% à 20% de la section totale, ont une intensité ou capacité limite de 8 à 6ç/o supérieure à celle d'un ensemble conducteur présentant des dimensions similai- res et constitué par des brins de cuivre pur, et ont une capacité de charge limite de 19 à 21% supérieure a celle d'un ensemble conducteur présentant des dimensions similaires et constitué par des brins d'aluminium. Les brins de cuivre revêtu d'aluminium 10 peuvent être utilisés dans des ensembles conducteurs présentant des formes et des dimensions quelconques, mais leur application principale correspond aux câbles du type sous canalisation, alors que,pour d'autres systèmes, des considérations économiques imposent généralement la nécessité de pertes minimales et de capacité d charge limite maximale. La fi. 3 montre une réalisation différente de l'ensemble conducteur selon l'invention dans laquelle les brins du secteur 13 sont constitués par des brins en cuivre pur 15 et par des brins en cuivre revêtu d'aluminium 10 qui sont mélangés et disposés les uns par rapport aux autres, de sorte que deux brins de cuivre nu ne peuvent avoir leur surface en contact l'une avec l'autre. Par conséquent, la résistance de contact élevée de l'aluminium perrlîet de rduire les effets de peau et de proximité et, par conséquent, d'augmenter la capacité ou intensité limite du câble. Pour des câbles imprégnés à l'huile, les brins en cuivre pur 15 sont convenablement revêtus d'un matériau, tel qu'un alliage plomb-étain, de manière à constituer un revêtement imperméable à l'huile pour empêcher cette dernière de venir en contact avec le cuivre et maintenir ainsi une plus grande stabilité de l'huile. Des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits, dans le domaine des équivalences techniques, sans s'écarter de l'invention0 REVEDI CATIONS 1.- Câble conducteur destiné à une utilisation souterraine, comprenant plusieurs brins réunis, caractérisé en ce qu'au moins certains de ces brins sont constitués par du cuivre revêtu d'une couche extérieure d'aluminium, cette couche d'alelminium constituant environ 10% à 20% de la section droite de chaque brin. 2.- Câble conducteur suivant la revendicatio 1, caractérisé en ce que le revêtement d'aluminium constitue environ 10% de la surface totale de la section droite du brin. 3.- Câble conducteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que certains des brins so t en aluminium pur, les brins étant réunis et disposés les uns par rapport aux autres de manière que les surfaces de tous les brins en cuivre pur ne soient en contact qu'avec les surfaces des bris revêtus d'aluminium. 4.- Câble conducteur suivant la revendication 3, destiné à être imprégné à l'aide d'une huile isolante, caractérisé en ce que les brins en cuivre sont revêtus d'un matériau étanche à cette huile, de manière à empêcher cette dernière d'entrer en contact avec le cuivre. 5.- Câble conducteur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le revêtement étanche à l'huile est constitué par un ma tériau choisi dans le groupe comprenant l'étain et les alliages plomb-étain. 6.- Câble conducteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les brins sont groupés en secteurs (par exemple du type quart de rond) réunis à l'aide d'un ruban de recouvrement conducteur de l'électricité. 7.- Câble conducteur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les brins de chaque secteur sont bobinés hélicoidalement dans ce dernier. 8.- Câble conducteur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les secteurs sont isolés les uns d-s autres par des couches d'un matériau isolant du point de vue électrique placées entre des secteurs voisins.