Brevet FR2337455A1 — publié le 19770729

La présente invention, qui résulte des recherches de Monsieur Claude SIMON, a pour objet un procédé permettant d'utiliser, à des niveaux élevés de puissance, les câbles isolés d'une ligne de transport de courant continu haute-tension, ainsi que les lignes de transport mettant ce procédé en oeuvre. Elle relève du secteur des câbles électriques pour courant continu. Une ligne de transport de courant continu se compose de câbles isolés dont chacun comprend une âme constituant le conducteur, entourée dtun isolant souvent protégé par une gaine extérieure métallique. Ces câbles sont posés séparément dans le sol ou dans liteau de mer; dans ce dernier cas, on utilise parfois l'eau de mer comme conducteur, ce qui permet d'économiser un ou plusieurs des câbles de la ligne. On sait que l'utilisation de tels câbles, isolés aux matières plastiues ou aux élastomères, pour le transport de courants continus de puissance élevée, se heurte à des difficultés considérables dès que la température du conducteur et de l'isolant s'élève quelque peu au-dessus de celle du milieu ambiant. On constate alors une rupture diélectrique prématurée à des tensions que le câble supporte indéfiniment à l'état froid ou isotherme. Cette rupture survient au bout de quelques dizaines à quelques centaines d'heures après la mise sous tension, et elle paraît pratiquement indépendante du rapport de la tension à l'épaisseur de l'isolant. On a essayé de pallier cet inconvénient par l'adjonction, au matériau plastique constituant l'isolant, de divers produits d'addition, mais on n' a pu que retarder le phénomène dont l'évolution amène toujours, à terme, la destruction de l'isolation du câble. L'objet de l'invention est un procédé permettant d'utiliser à des niveaux élevés de puissance les câbles isolés dtune ligne de transport de courant continu haute-tension, sans que survienne de rupture diélectrique de l'isolation. Un autre objet de l'invention est constitué par un câble mettant ce procédé en oeuvre. Dans le procédé selon l'invention, on renverse, à des intervalles de temps compris entre une demi-heure et 100 heures, le sens du courant continu qui parcourt les câbles de la ligne. Selon un premier mode préféré de mise en oeuvre du procédé, on munit la ligne d'un câble supplémentaire et on décale le renversement de sens du courant dans chaque câble de façon à assurer la continuité du transport d'énergie. La ligne de transport de courant continu selon l'invention comprend, en plus de ses n cabales habituels, un (n + 1)Q câble, un commutateur d'entrée comprenant (n 1 1) circuits de commutation régulièrement décalés les uns par rapport aux autres, et un commutateur de sortie identique au commutateur d'entrée et rétablissant la continuité du transport d'énergie. L'invention ainsi définie est illustrée par les figures jointes. Les figures 1 et 2 sont des graphiques indiquant la variation du potentiel relatif de prises installées dans l'isolation du câble, respectivement avec passage continu du courant et avec inversions périodiques du sens du courant. La figure 3 représente une ligne de transport de courant continu, donnée à titre d'exemple. On attribue la rupture diélectrique de l'isolant à une concentration du champ électrique au voisinage des électrodes, c'est-à-dire des conducteurs et, éventuellement, de la gaine métallique qui protège le câble. A l'aide de prises de potentiel incorporées dans l'isolant, la demanderesse découvre que cette concentration du champ s'établit de façon lente dans l'isolation, en un temps de l'ordre de la dizaine à la centaine d'heures, lorsque le conducteur est porté à une température de service compatible avec l'évacuation d'une puissance dissipée élevée et avec les possibilités de résistance au vieillissement thermique de l'isolant choisi. Dans ces essais, le câble est isolé au polyéthylène additionné d'un stabilisant, à savoir et la température du conducteur est de 500 C. La figure 1 montre comment évolue le potentiel des prises incorporées en divers points de l'isolation de ce câble : la droite en tirets illustre la répartition initiale des potentiels, tandis que la courbe en trait plein donne le potentiel en fonction du temps. On relève par exemple que, à une prise dont le potentiel initial relatif est de 0,75 (la valeur relative 1 correspondant à la tension à la surface du conducteur), le potentiel relatif passe à 0,8 au bout de 8 heures. Les temps mesurés, nécessaires à l'établissement de la concentration du champ électrique, sont en bonne concordance avec les durées de vie avant rupture diélectrique, à même température de l'âme, relevées en pratique. Afin d'empêcher cette concentration d'atteindre des valeurs dangereuses, on renverse le sens du courant de chaque câble à des intervalles de temps tels que les potentiels locaux de l'isolation soient maintenus à des valeurs ne subissant que des variations de faible amplitude, non susceptibles d'altérer la durée de vie du câble par un accroissement fatal du potentiel électrique. La valeur minimale de ces intervalles de temps, qui ne peut guère être inférieure à une demi-heure, est choisie lorsque les variations des potentiels locaux doivent être maintenus à des valeurs négligeables, par exemple dans le cas de températures élevées de l'âme. La valeur maximale qui, en général, ne peut dépasser une centaine d'heures, est choisie lorsque des variations élevées des potentiels locaux peuvent être acceptées, par exemple dans le cas de températures modérées de l'âme. Les intervalles de temps considérés peuvent être variables, mais on a avantage à les choisir égaux, c'est-à-dire à opérer périodiquement, pour des raisons de simplicité de l'appareillage. La mise en oeuvre de ce procédé implique une courte coupure du transport de force à la fin de chaque intervalle de temps, ce qui est en général inacceptable. On y remédie en munissant la ligne de transport d'un câble supplémentaire et on décale le renversement de courant dans chaque câble de façon que tout câble soit, au moment de l'inversion du courant qui le traverse, schunté par un autre câble, ce qui assure la continuité du transport d'énergie. A titre d'exemple, on considère une ligne de transport de courant continu constitueepar deux câbles A et B. On munit cette ligne d'un troisième câble C. Chaque double intervalle de temps entre inversions successives de même sens est partagé en douze intervalles partiels. Chaque câble est sous tension positive durant cinq intervalles partiels, à la masse durant un intervalle partiel, sous tension négative cinq autres intervalles partiels et enfin à la masse durant un autre intervalle partiel. Le moment de la mise à la masse de chaque câble est décalé de deux intervalles partiels par rapport à celui du câble voisin. Le tableau 1 précise cette répartition des temps. TABLEAU I Intervalle câble A câbale B câble C partiel 1 sous tension + sous tension - à la masse 2 2 sous tension + . sous tension - . sous tension + 3 3 à la masse . sous tension - . sous tension + 4 : sous tension sous tension : sous tension + 5 . sous tension - à la masse sous tension + 6 . sous tension - sous tension + . sous tension + 7 . sous tension - . sous tension + à la masse 8 . sous tension - . sous tension + . sous tension 9 à à la masse . sous tension + sous tension 10 sous tension + . sous tension + sous tension il . sous tension + à la masse . sous tension 12 . sous tension + sous tension - . sous tension L'intervalle de temps partiel suivant l'intervalle 12 est identique à l'intervalle 1, et le cycle recommence. On voit que, sans rupture de transport d'énergie, on peut faire occuper successivement aux trois câbles - cinq intervalles partiels sous tension positive, - un intervalle partiel au repos, - cinq intervalles partiels sous tension négative. La durée des cinq intervalles sous tension d'un signe donné peut être limitée à une valeur compatible avec la durée de vie du câble. Pour un câble isolé au polyéthylène dont l'amie est portée à SOC C, la durée de mise sous tension (cinq intervalles partiels) peut être choisie, de préférence, entre 5 et 20 heures. L'intervalle de temps entre inversions consécutives, c'est-à-dire de sens opposé, est donc compris entre 6 et 24 h. La figure 2 montre ce que deviennent les potentiels relatifs de la figure 1 lorsque l'inversion se produit toutes les 10 heures. La forme quasi sinusoldale des courbes est due à la partie réactive de l'impédance du câble. On voit que les variations de potentiel sont contenues dans des limites très acceptables. Le choix de l'intervalle entre deux commutations peut se faire de façon précise par l'établissement d'un graphique tel que celui de la figure 1, et en choisissant la durée de l'intervalle en fonction de la varia maximale tion/de potentiel relatif que l'on s'est imposée. La figure 3 représente les commutateurs d'entrée et de sortie des trois câbles A, B et C : les contacts sont numérotés comme l'intervalle partiel correspondant selon le tableau 1. Les contacteurs de sortie (droite de la figure) présentent un montage identique à celui des commutateurs d'entrée (gauche de la figure). Il est précisé que ce dispositif, décrit comme appliqué à une ligne de deux câbles munie d'un troisième câble, s'applique de façon générale à une ligne à n câbles munie d'un (n + 1)0 câble. Il s'applique, plus particulièremuent, à une ligne à un seul câble avec polarité inversée du courant par le sol ou la mer, munie d'un deuxième câble venant prendre successivement la place du premier câble, et celle du sol ou de la mer. Il est d'autre part avantageux de faire circuler, dans le câble non utilisé, indiqué comme à la masse dans ce qui précède, un courant auxiliaire alternatif ou continu ayant pour but de maintenir l'isolant à une température telle que la mobilité des ions demeure suffisante pour assurer leur diffusion ou leur transit de façon suffisante. Ce courant est, évidemment, d'intensité inférieure à celle du courant continu à transporter. L'invention s'applique à toutes les lignes de transport de courant continu haute-tension, quel que soit l'isolant utilisé. On cite, à titre d'exemples - les lignes constituées par des câbles isolés au polyéthylène extrudé, réticulé ou non, haute ou basse densité, et contenant éventuellement des additifs ou charges connus, destinés à en diminuer le coût ou à en accroître les performances électriques, - les lignes constituées par des câbles isolés à l'aide de complexes constitués par des rubans à base de matière synthétique, films ou agglomérats de fibres, en polypropylène, oxydes de phényle, polycarbonates ou polysulfones, polyamides divers, avec ou sans imprégnation de liquides, huiles minérales ou polymères de faible poids moléculaire, ou de gaz. L'invention s'applique aux lignes de transport de courant continu hautetension. REVENDICATIONS 1 / - Un procédé permettant d'utiliser à des niveaux élevés de puis sance les câbles isolés d'une ligne de transport de courant continu haute tension, sans que survienne de rupture diélectrique de l'isolation, caractérisé en ce que l'on munit la ligne d'un câble supplémentaire et que l'on renverse, à des intervalles de temps compris entre une demi heure et 100 heures, le sens du courant continu qui parcourt les câbles dP is ligne, en décalant le renversement du sens du courant dans chaque câble de façon à assurer la continuité de trans prt d'énergie. 20/ - Un procédé selon la revendication 1,caractérisé en ce que l'on injecte dans chaque cable, au moment où il il test pas traversé par le courant continu à transporter, un courant auxiliaire, alternatif ou continu, d'intensité in férieure à celle d courant transporté. 30/ - Une ligne de transport mettant en oeuvre le procédé selon la revendication 1 ou 2, comprenant # câbles, caractérisé par un (n + 1)0 cable, un commutateur d'entrée comprenant (n = 1) circuits de commutation régulièrement décalés les uns par rapport aux autres, et un commutateur de sortie identique au commutateur d'entrée et rétablissant la continuité du transport d'énergie.