Brevet FR2257985A1 — publié le 19750808

La présente invention concerne un câble amortisseur de surtensions. D'une manière générale on sait que dans des installations électriques comportaat divers ensembles exposés à recevoir la foudre et reliés entre eux par des câbles enterrés, ces cabales sont parfois détériorés par amorçages entre conducteurs et gaine, ou par amorçage à la terre. De plus, ils véhiculent la surtension prenant nais-sance dans celui des ensembles atteint par la foudre, jusqu'à un autre ensemble qu'ils relient au premier, et la surtension ainsi transmise risque fort de provoquer des avaries de ma tériels dans ce second ensemble. le mécanisme des phénomènes est le suivant Un ensemble tel que la tour de contrôle d'un aérodrome ou une station d dtémission de radiotélécommunications ou de radio- diffusion, est électivement frappé par la foudre du fait de la grande hauteur au-dessus du sol de la tour de contrôle ou du mat d'antenne, que ces éléments soient ou non surmontés d'un paratonnerre. En s'écoulant à la terre, le courant de foudre élevé le potentiel du sol à une valeur très élevée, égale au produit de la résistance de terre par l'intensité du courant de foudre, par exemple 10 ohms x 20 000 ampères = 200 000 volts, ou même beaucoup plus.Il en résulte que tous les matériels présents dans l'ensemble prennent ce potentiel transitoire, soit parce qu1tiîs sont réunis à un même réseau général de terre équipotentiel, soit par amorçage s'ils sont réunis à des prises de terre distinctes, ce qui est beaucoup plus dangereux. les gaines équipotentielles métalliques des câbles, très généralement isolées du sol par une gaine isolante.les protégeant contre la corrosion,sont obligatoirement réunies au réseau équipotentiel de terre de l'ensemble et propagent son potentiel transitoire avec un amortissement exponentiel dd à leur résistance longitudinale et à la résistivité du sol dans lequel les câbles sont enfouis. Le potentiel du sol autour du réseau de terre de l'ensemble dEcroit en fonction de la distance,suivant une loi hyperbolique (cas d'un sol de résistivité homogène) ou suivant une loi assez voisine (cas d'un sol de résistivité hétérogène). Il en résulte que des différences de potentiel dangereuses peuvent apparalatre entre le câble et le sol à une certaine distance de l'ensemble atteint par le coup de foudre. De plus, la surtension transmise par le c ble (gaine et conducteurs) arrive sur l'autre ensemble auquel il est relié et peut y provoquer des destructions de matériels. Pour supprimer ces inconvénients, l'invention dispose d'un câble amortisseur de surtensions, destiné à entre enfoui en tranchée dans le sol, constitué par exemple par un câble standard avec ou sans gaine équipotentielle, autour duquel est réalisée une gaine métallique extérieure en contact avec le sol, cette gaine assurant un couplage électrostatique et électromagnétique aussi étroit que possible avec les conducteurs du cabale, de telle maniere que le potentiel de ces conducteurs et celui de cette gaine extérieure soient pratiquement égaux lors de la propagation d'une onde mobile, la perditance de cette gaine extérieure assurant l'amortissement rapide de l'onde mobile. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ciaprès, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est un diagramme montrant la répartition de la contrainte diélectrique à laquelle est soumis un câble ordinaire, en fonction de la distance; La figure 2 represente, en coupe transversale, un câble recouvert, selon l'invention, par une gaine conductrice en contact avec le sol; La figure 3 représente schématiquement en coupe longitudinale un capable du type de celui représenté figure 2 dont la gaine conductrice est annelée; La figure 4 représente un câble dont la gaine conductrice est constituée par deux feuillards enroulés en sens inverse l'un de l'autre;; La figure 5 représente un cible dont* la gaine conductrice est constituée par deux feuillard enroulés, à pas long, parallèlement; La figure 6 représente un câble dont la gaine conductrice est constituée par trois fils enroulés parallèlement. Avec la référence à la figure 1, la lettre ù représente le potentiel transitoire du réseau équipotentiel de terre de l'ensemble, la courbe 1 représente la répartition du potentiel du sol, et la courbe 2 la répartition du potentiel le long de la gaine isolée du câble. On voit clairement que c'est à une certaine distance de l'ensemble atteint par la foudre que la contrainte (courbe 2 - courbe 1) est maximum. Si l'on prend la précaution d'encadreur le câble à faible distance par deux conducteurs de terre parallèles issus du réseau équipotentiel de terre, de chacun des ensembles reliés par le crible, la répartition du potentiel de ces conducteurs est rbpré- sentée par la courbe 3 de la figure 1 et l'on voit que la contrainte diélectrique (courbe 2 - courbe 3) sur le câble est réduite. Cependant l'amortissement de la surtension se propageant sur le capable n'est pas sensiblement modifié. Le but de la présente invention est, par la réalisation d'un couplage électrostatique et électromagnétique étroit entre le cå- ble (conducteur et gaine équipotentielle) et les conducteurs de terre l'accompagnant, de supprimer pratiquement la contrainte diélectrique sur la gaine isolante recouvrant la gaine équipotentielle du crible et d'augmenter très considérablement l'amortissement de la surtension se propageant par le câble de manière à réduire la distance sur laquelle cette surtension conserve une amplitude dangereuse. En général le câble à protéger est constitué par un ensemble de conducteurs isolés avec gaine équipotentielle isolée du sol par un revêtement de protection. Selon l'invention ce cible est recouvert par une gaine conductrice en contact avec le sol, comme représenté figure 2, dans laquelle les références 4 et 5 représentent les conducteurs isolés et la gaine isolante de l'ensemble de ces conducteurs, la référence 6 la gaine équipotentielle, la référence 7 la couche isolante de protection, la référence 8 une gaine métallique en contact svec le sol.Un tel-cable ayant sa -gaine équipotentielle 6 et sa gaine conductrice extérieure 8 reliées au réseau de terre équipotentiel de l'ensemble d'ot il est issu, se-comporte de la manière suivante, lorsqu'un coup de foudre est écoulé à la terre par le réseau de terre équipotentiel de l'ensemble qui prend alors un potentiel élevé (positif ou négatif) par rapport au potentiel de la terre lointaine: : Une onde-mobile-de tension U égale à celle prise par le réseau de terre équipotentiel de l'ensemble se propage sur le câble en entraSnant un courant I = U/Z, Zetantl'impéaance d'onde effective du câble, impédance dont la valeur est fonction de la self-inductance et de la résistance-linéSque longitudinale, et de la capacité et de la résistance de fuite linéique radiale. Le courant se propage presque entièrement dans la gaine con ductrice extérieure 8 du câble. il en est ainsi parce que le flux électromagnétique produit par le courant se propageant dans la gaine extérieure est embrassé par les conducteurs internes du câble qui prennent donc un potentiel égal à celui de la gaine extérieure. Dans ces conditions, aucune différence de potentiel appréciable ne peut apparaetre entre les conducteurs 4, la gaine équipotentielle 6 et la gaine conductrice extérieure 8 si ce n'est du fait de la résistance longitudinale de cette dernière. Celle-ci étant en contact avec le sol, le courant qui la parcourt est dérivé progressivement à la terre, si bien qu'à une certaine distance de l'ensemble constituant le point d'origine du câble, la différence de potentiel entre tous les conducteurs du câble et le sol tend à s'annuler, si bien que la surtension arrivant à l'extrémité du câble n'a plus qu'une valeur très faible non dangereuse. L'autoprotection du câble ainsi assurée peut être améliorée en réduisant l'intensité du courant empruntant la gaine extérieure 8 du câble au départ de l'ensemble atteint par la foudre. C-e résultat peut être obtenu par l'extension du réseau équipotentiel de terre de cet ensemble en direction opposée à celle du câble. On peut aussi accroître l'écoulement transversal du courant dans le sol, à partir de la gaine extérieure du cabre, en dérivant sur celle-ci transversalement des conducteurs de terre (ou électrodes de terre quelconques) échelonnés sur son parcours. Lorsqu'un cAble,tel qu'un câble d'énergie,ne porte pas de gaine équipotentielle isolée du sol par une couche isolante de protection, l'adjonction d'une gaine conductrice extérieure en contact avec le sol conformément à l'invention, ramène exactement aux conditions précédemment exposées et le résultat est identique. La constitution d'une gaine-métallique cylindrique extérieure en contact avec le sol représente l'aspect théorique du problème mais ne préjuge pas de la manière dont cette gaine peut être réalisée. toute solution pratique assurant un couplage'électromagnétique et électrostatique plus ou moins parfait entre les conducteurs internes d'un câble et une gaine extérieure en contact direct avec le sol, fait évidemment partie de l'invention. Certaines conditions secondaires telles que la nécessité de conserver une certaine souplesse au câble protégé, tant pour pouvoir rouler sur des tourets ou pour lui faire épouser, à la pose, des courbes d'assez faible rayon et la nécessité d'emploi d'un métal capable de résister longtemps à la corrosion pour constituer la gaine de protection extérieure, limitent les solutions pratiques pouvant être retenues. On décrira oi-après, à titre d'exemple, quelques unes de ces solutions pratlques. Selon ces solutions, la gaine métallique extérieure peut être constituée: - - soit par une enveloppe métallique mince annelée , comme in- diqué sur la figure 3,ou par une gaine tressée. Il faut alors employer un métal capable de résister assez longtemps à la corrosion sans etre détruit; - soit par deux feuillards enroulés, à pas assez grana, en sens inverse l'un de l'autre, comme indiqué sur la figure 4, le contact entre les deux feuillards assurant la continuité longi tudinale rectiligne.Chacun de ces feuillards peut être remplacé par une pluralité de feuillards en parallèle - soit par au moins deux feuillards enroulés à pas long paral ululement, avec ou sans recouvrement, comme indiqué sur la figure 5, le couplage avec les conducteurs du câble étant alors moins parfait que dans le cas d'une gaine continue; - ou encore par, au moins deux fils enroulés parallèlement à pas long, comme indiqué sur la figure 6,et pouvant être maintenus par un ruban adhésif (non représenté sur la figure) enroulé en sens inverse et ne les recouvrant que très partiellement, ou encore par un ruban ou des fils métalliques de maintien. Le couplage avec les conducteurs du câble est moins parfait que dans le cas d'une gaine métallique continue, mais suffisant à partir de 3 ou 4 fils en parallèle. La section des fils est plus concentre que dans le cas des feuillards et les risques de destruction par corrosion sont moindres. Il est alors possible d'employer pour ces fils un métal peu honteux tel que du fer pur industriel. L'invention permet avantageusement d'utiliser des câbles standards sur lesquels il suffit de poser la gaine métallique qui sera en contact avec le sol. On notera enfin que l'amortissement de la surtension se propageant sur le câble peut être accru par un traitement du sol propre à réduire sa résistivités c'est-à-dire à accroStre la diffusion transversale du courant. R s V E N D I O A T I O N S 1.- Procédé pour amortir les surtensions, par exemple dans des installations électriques comportant divers ensembles exposés à recevoir la foudre et reliés entre eux par des câbles enterrés, caractérisé en ce qu'il consiste à assurer un couplage électromagnétique et électrostatique entre les conducteurs internes dudit câble et un élément conducteur en contact direct avec le sol. 2.- Procédé selon la revendication-1, caractérisé en ce que, pour améliorer llautoprotection dudit câble, il réduit l'intensité du courant empruntant ledit élément conducteur au départ de. l'ensemble atteint par la foudre, en étendant le réseau équipotentiel de terre dudit ensemble en direction opposée à celle du câble, ou encore, à partir du susdit élément conducteur en dérivant sur ledit ensemble conducteur, transversalement, des conducteurs ou des électrodes quelconques échelonnés sur son parcours. 3.- Câble amortisseur de surtensions, destiné à tre enfoui en tranchée dans le sol caractérisé en ce qu'il est constitué par un câble pouvant être standard avec ou sans gaine équipotentielle autour duquel est réalisée une gaine métallique extérieure en contact avec le sol, cette gaine assurant le couplage électrostatique et électromagnétique aussi étroit que possible avec les conducteurs du câble, de telle manière que le potentiel de ces conducteurs et celui de cette gaine extérieure soient pratiquement égaux lors de la propagation d'une onde mobile, la perditance de cette gaine extérieure assurant l'amortissement rapide de l'onde mobile. 4.- Câble amortisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit câble standard comprend un ensemble de conducteurs isolés avec gaine équipotentielle isolée du sol par un revêtement de protection. 5.- Cabre amortisseur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la susdite gaine métallique extérieure est constituée par une enveloppe métallique mince annelée ou par une gaine tressée en métal résistant à la corrosion. 6.- Câble amortisseur selon l'une des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la susdite gaine métallique extérieure est constituée par deux feuillards enroulés, à pas assez grand, en sens inverse l'un de l'autre, le contact entre les deux feuillards assurant la continuité longitudinale rectiligne. 7.- Câble amortisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits feuillards sont remplacés par une pluralité de feuillards en parallèle. 8-.Gâble amortisseur selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la susdite gaine métallique extérieure est constituée par au moins deux feuillards enroulés à pas long, avec ou sans recouvrement. 9.- Gâble amortisseur selon l1une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que la susdite gaine métallique extérieure est constituée par au moins deux fils métalliques enroulés parallèlement, à pas long, et pouvant être maintenus par un ruban adhésif enroulé en sens inverse et ne les recouvrant que très partiellement, ou encore par un ruban ou des fils métalliques de maintien. 10.- Câble amortisseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits fils métalliques enroulés sont réalisés en fer pur industriel.