Brevet FR2195826A1 — publié le 19740308

La présente invention concerne le domaine du transport et de la distribution de lténergie électrique, et plus particulièrement les cibles électriques à haute tension, et elle peut être appliquée dans les ensembles de distribution fermes des centrales électriques et des sous-stations, pour l'amenée de la haute tension au coeur des localités, dans les puissantes lignes électriques fermées à très haute tension. Jusqu'à maintenant, le transport de l'électricité le plus éco- nomique en haute tension se faisait par lignes ouvertes avec disposition de la plus grande partie des ouvrages (conducteurs et isolement extérieur des appareils) à ciel ouvert. Cependant, au fur et à mesure de l'accroissement de la capacité de débit et donc de la tension qui en dépend, on remarque que l'atmosphère extérieure devient de moins en moins convenable en tant qu'isolant pour les tensions très élevées.D'une part, ceci est déterminé par l'effet de potentiel absolu, c'est-à-dire par une nette réduction de l'augmentation de la tension disruptive par unité de hauteur avec l'accroissement de la distance entre les conducteurs et la terre; d'autre part, les moyens traditionnels pour empocher les pertes d'énergie et de puissance, ainsi que les perturbations à haute fréquence engendrées par l'effet de couronne sur les conducteurs sont pleinement utilisés. On peut dorénavant affirmer que les lignes de transport ouvertes sont arrivées à une limite de saturation de leurs possibilités. C'est pourquoi on a réalisé des études très poussées dans le domaine des lignes de transport souterraines à haute tension, en particulier avec des cables électriques à garnissage d'huile, pour des tensions de l'ordre de 400 kV et plus. Cependant, la solution est plus efficace avec des cibles à haute tension dont l'isolant principal est constitué par du gaz comprimé.Les câbles de ce type présentent toute une série d'avantages, en comparaison avec les lignes de transport de l'électricité à ciel ouvert, les cibles à garnissage d'huile ou les cibles à isolant de papier et d'huile, à savoir : une capacité de débit plus élevée trice à l'utilisation de conducteurs rigides de forte section et de la conductibilité thermique élevée du gaz comprimé; de faibles pertes diélectriques et l'absence pratiquement totale de pertes par effet de couronne; la protection contre l'action atmosphérique (givre, encrassage des isolateurs, coups de foudre, etc); l'absence de perturbations radio; l'accroissement de la longueur critique du câble grâce à sa capacité spécifique réduite (la constante diélectrique du gaz est de 7 quelles que soient les pressions de service); la possibilité d'exécution de l'isolement à un niveau quelconque de la tension (jusqu'à plusieurs millions de volts); la simplicité de la construction et du montage. Dans les dispositifs de ce type, le conducteur de transport de courant et l'enveloppe sont maintenus en position coaxiale par 1'intermédiaire d'éléments d'appui isolants réalisés en matière diélectrique dure, l'espace entre ces derniers étant rempli de gaz comprimé. Au cours du montage de ces dispositifs, dans les zones de contact entre les éléments d'appui isolants, les conducteurs et la gaine apparaissent des inclusions gazeuses dans lesquelles le gradient de potentiel électrique augmente sensiblement par suite de la différence des perméabilités diélectriques des isolants solides et gazeux. Il en résulte que dans les inclusions gazeuses mentionnées a lieu une ionisation prématurée et le recouvrement par une décharge superficielle de l'élément d'appui isolant, se produit à des tensions bien inférieures à celle de disruption du gaz ambiant.Cet effet d'abaissement s'amplifie avec l'accroissement de la pression du gaz, et en présence d'une pression de plusieurs atmosphères la tension de recouvrement par la décharge superficielle de l'élément d'appui isolant ne constitue que 50 % de la tension de disruption du gaz, et même moins. Pour remédier à cet inconvénient en atténuant les décharges partielles dans les inclusions gazeuses, on fait appel à des électrodes de blindage, incorporées dans l'élément d'appui isolant, en contact électrique respectivement avec le conducteur et la gaine, qui affaiblissent le champ électrique dans les inclusions gazeuses mentionnées. Cependant, l'application dans les câbles électriques mentionnés des éléments d'appui isolants avec surface latérale rainurée entrain inévitablement la déformation du champ électrique, l'amplification du gradient à proximité du conducteur et de la gaine, la formation d'une composante normale considérable de l'intensité du champ électrique à la surface de l'élément d'appui, ce qui a pour effet de réduire la tension de recouvrement superficiel de 15 à 20 > au moins par rapport au potentiel disruptif du gaz environnant pour des pressions ne dépassant pas 5 à 6 atmosphères. Cela signifie que l'élément d'appui isolant reste l'endroit le plus faible du point de vue de la rigidité diélectrique. Etant donné qu'il est préférable d'augmenter la pression du gaz jusqu'à une valeur de l'ordre de 20 atmosphères (par exemple lors de l'utilisation des gaz tels que l'azote ou l'air), l'utilisation des éléments d'appui isolant de ce type provoque l'abaissement consécutif de la rigidité électrique du câble. Le but de l'invention est de remédier aux inconvénients mentionnés ci-dessus. Dans cette invention, on se propose de renforcer la rigidité électrique d'un câble coaxial dont l'isolant principal est du gaz comprimé, en augmentant la tension de recouvrement superficiel des éléments d'appui isolants jusqu'au niveau de la tension de disruption du gaz comprimé dans une large gamme des pressions.Cet objectif est atteint par le fait que dans le câble électrique à haute tension proposé, dont l'isolant principal est du gaz comprimé qui comporte des éléments d'appui isolants en forme de tore centrant le conducteur par rapport à la gaine métallique, ces éléments d'appui ayant des gorges annulaires recevant des électrodes en contact électrique avec le conducteur de courant et la gaine métallique, conformément à l'invention, la génératrice de la surface latérale des éléments d'appui isolants est choisie de façon à cotncider avec la ligne de force du champ électrique du câble en tous les points de laquelle le gradient du potentiel électrique est inférieur à celui de la surface du conducteur dans la zone entre les éléments d'appui isolants mentionnés. Dans le câble électrique à haute tension, il est préférable de réaliser sur les éléments d'appui isolants en forme de tore des gorges annulaires avec un rayon r égal à 0,2 à 0,25 fois la distance entre le conducteur et la gaine métallique coaxiale du câble électrique considéré, tandis que la surface latérale des éléments d'appui isolants en forme de tores est exécutée avec une génératrice dont l'équation dans un système de coordonnées rectangulaire (X, Y) avec origine au centre de la section semi-circulaire de la gorge annulaire mentionnée, à la forme suivante où A est un coefficient égal à 0,005 pour un câble électrique à haute tension, pourvu d'électrodes de blindage montées aussi bien du côté du conducteur que du c8té de la gaine métallique, ce chiffre étant nul pour un câble électrique à haute tension pourvu d'électrodes de blindage seulement du côté du conducteur. D'-autres caractéristique-s de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels - la Fig. 1 représente en coupe longitudinale un câble électrique à haute tension suivant l'invention; - la Fig. 2 montre un mode de réalisation d'un câble électrique à haute tension suivant l'invention avec une gorge annulaire du côté du conducteur et une du côté de la gaine métallique; - la Fig. 3 représente un autre mode de réalisation d'un câble électrique à haute tension suivant l'invention dans lequel les gorges annulaires sont exécutées seulement du côté du conducteur;; - la Fig. 4 représente encore un mode de réalisation d'un câble électrique à haute tension suivant l'invention dans lequel une seule gorge est réalisée du c8té du conducteur. Le câble électrique à haute tension suivant l'invention comporte un conducteur 1 (Fig. 1) et une gaine métallique 2 coaxialement disposée par rapport au conducteur 1. Le conducteur 1 est fixé à l'intérieur de la gaine métallique 2 par l'intermédiaire d'éléments d'appui isolants 3 en forme de tore qui sont réalisés en matériau isolant, par exemple en porcelaine, en époxyde, en céramique, etc. Sur les surfaces de contact des éléments d'appui isolants 3, adhérant à la surface du conducteur 1 et à la gaine métallique 2, sont ménagées des gorges annulaires 4 de section semi-circulaire dans lesquelles sont serties des électrodes de blindage 5 en contact électrique respectivement avec le conducteur de courant 1 et la gaine métallique 2. Les électrodes 5 sont réalisées soit par remplissage des gorges 4 par du métal soit par revêtement de leur surface par une couche conductrice, par exemple par pulvérisation, soit en sertissant dans les gorges 4 des bagues métalliques creuses façonnées suivant leur profil. L'espace entre le conducteur de courant 1 et la gaine métallique 2 est rempli de gaz comprimé, par exemple d'azote ou d'hexa fluorure de soufre SFg. 6 Dans le mode de réalisation du câble électrique décrit plus haut, l'élément d'appui isolant 3 comporte deux électrodes de blindage 5 sur chacune des surfaces de contact (du côté du conducteur 1 et de la gaine métallique 2); cependant, il est possible de réaliser une seule électrode de blindage 5 sur chacune des surfaces de contact (Fig. 2). Dans ce cas, les électrodes incorporées 5 sont exécutées sous forme de bagues métalliques creuses suivant la section de la gorge 4, tandis que l'espace libre est garni d'un matériau de remplissage quelconque 7. L'utilisation d'électrodes incorporées à l'élément d'appui isolant modifie la forme du champ électrique à l'intérieur du câble, grâce à quoi, le long des lignes de force du champ à proximité des électrodes, le gradient de potentiel est réparti de telle façon, qu'à un point quelconque d'une ligne de force, il est toujours inférieur à celui de la surface du conducteur du câble dans l'espace entre les éléments d'appui isolants. Dans les secteurs des lignes de force mentionnés, à proximité du conducteur et de la gaine métallique, le champ électrique est alors nettement affaibli, en comparaison aux mêmes secteurs des lignes de force situés dans l'espace entre les éléments d'appui isolants, tandis qu'à la partie médiane de la ligne de force, le champ est légèrement amplifié. On obtient ainsi un effet d'égalisation du champ électrique le long des lignes de force mentionnées. La môme répartition du gradient de potentiel a lieu à la surface de l'élément d'appui isolant 3 dont la génératrice coïncide avec l'une des lignes de force mentionnées. C'est en se basant sur l'exposé donné plus haut qu'on détermine la surface latérale de l'élément d'appui isolant. Il est avantageux que le rayon r (Fig. 1) des gorges annulaires 4 soit compris dans une plage de 0,2 à 0,25 fois la distance entre le conducteur 1 et la gaine métallique 2. La surface latérale de l'élément d'appui 3 a alors une génératrice dont 11 équation dans le système de coordonnées rectangulaires (X, Y), avec origine au centre de la section semi-circulaire de la gorge annulaire, prend la forme suivante où A = 0,005. Dans ce cas, la formule devient Dans les cas d'exécution du câble électrique, dans lesquels le rapport entre le diamètre intérieur de la gaine métallique et le diamètre du conducteur est supérieur à 3, il est possible de ne monter des électrodes de blindage que du côté du conducteur (Fig. 3, 4). La surface latérale de l'élément d'appui isolant 3 (Fig. 3, 4) a une génératrice dont l'équation dans le système rectangulaire des coordonnées (X, y), avec origine au centre de la section semi-ciroculaire de la gorge annulaire, a la forme suivante D'après la formule, on voit que le coefficient A = O. Dans les câbles dont la description a été donnée plus haut, on obtient pratiquement la coincidence de la tension de recouvrement superficiel des éléments d'appui isolants en forme de tore et de la tension disruptive du gaz comprimé, dans une gamme de pressions atteignant jusqu'à 21 atmosphères. - REVENDICATIONS. 1 - Cable électrique à haute tension dont L'isolant principal constitué par du gaz comprimé et pourvu d'éléments d'appui isolants en forme de tore centrant le conducteur de façon coaxiale par rapport à la gaine métallique, et dotés de gorges annulaires dans lesquelles sont serties des électrodes en contact électrique avec le conducteur et la gaine métallique, caractérisé en ce que la génératrice de la surface latérale des éléments d'appui isolants en forme de tore (3) est choisie de façon à colncider avec une ligne de force du champ électrique du câble en un point quelconque de laquelle le gradient de potentiel électrique est inférieur à celui de la surface du conducteur (1) dans la zone entre les éléments d'appui isolants (3). 2 - Câble électrique à haute tension suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les gorges annulaires des éléments d'appui isolants en forme de tore (3) sont réalisées avec un rayon r égal à 0,2 à 0,25 fois la distance entre le conducteur (1) et la gaine métallique coaxiale (2) du câble électrique, tandis que la surface latérale des éléments d'appui isolants est décrite par une génératrice dont l'équation dans le système rectangulaire de coordonnées (X, Y), avec origine au centre de la section en smi-circonférence d'une gorge annulaire, a la forme suivante ou A est un coefficient égal à 0,005 pour un câble électrique à haute tension pourvu d'électrodes de blindage (5) montées du côté du conducteur (1) et du côté de la gaine métallique (2), ce coefficient étant nul pour les câbles pourvus d'électrodes (5) disposées seulement du côté du conducteur (1).