Brevet FR2471031A1 — publié le 19810612

La présente invention concerne une structure électrique comprenant des corps métalliques soumis à une tension élévée et isolés avec du papier imprégné. Elle con- cerne en particulier l'isolation de ces corps au moyen d'un papier synthétique imprégné d'une huile ayant des propriétés diélectriques élevées. L'expression "structure électrique" a, dans le présent mémoire, un sens très général. elle désigne des installations, dispositifs et appareillages dans lesquels sont présents en tout état de cause des corps métalliques soumis à de très hautes tensions (transformateurs, conden- sateurs, câbles électriques etc..)0 Cependant, l'application préférée de la présente invention concerne des câblés élec- triques du type à huile fluide (câbles HoFo) et en particu- lier des cCbles pour très hautes tensions (750-1000 kiv) dont on prévoit, pour toute une série de raisons techniques et économiques, qu'ils seront de plus en plus demandés sur le marché. Pour cette raison, on se référera principalement, dans la description et dans l'exemple, à des c&bles électriques, mais cette application est préférée, et non exclusive. On sait que dans de nombreuses structures électriques les corps métalliques soumis à des tensions éle- vées ont une isolation constituée de papier cellulosique enroulé autour de ces corps et imprégné d'huiles. Ces huiles sont en général des composés hydrocarbonés (alkylbenzènes, huiles minérales, polybutènes etc...) et aussi des hydro- carbures chlorés, des dérivés siliconiques etc.0 Dans le cas o l'on opère en courant alter- natif, l'isolation ainsi disposée ne convient pas lorsque la tension atteint des valeurs très élevées. En effet, comme les pertes dans le diélectrique augmentent rapidement avec la tension, la température des structures électriques peut augmenter jusqu'à atteindre des valeurs intolérables. Ceci se produit par exemple avec les câbles électriques pour très hautes tensions (750-1000 kV) dans lesquelles on n'a pas prévu de système de refroidissement convenable, dont le rendement est d'autre part influencé par les dissipations internes de chaleur. Dans le cas des cables électriques du type ci-dessus, l'isolant (papier imprégné d'huile) doit posséder, à titre indicatif, au moins les caractéristiques suivantes perte diélectrique (tg È) inférieureà 1.103; rigidité en courant alternatif de 60 à 70 kV/mm; rigidité en courant con- tinu et rigidité à l'impulsion de 150 à 160 kV/mm. Le papier cellulosique a une valeur de perte diélectrique (tg&) plutôt élevée; et même avec les papiers cellulosiques les plus propres, on ne réussit pas à obtenir, pour l'isolant formé3de papier et d'huile, une valeur de tg& inférieure à 1,5.10. Il est donc nécessaire, pour pouvoir conférer à l'isolant les propriétés diélectriques que l'on exige de lui, de modifier convenablement la combinaison du papier avec l'huile d'imprégnation. Une solution consiste à utiliser du "papier synthétique" en remplacement du papier cellulosique. On sait que les matières plastiques les plus couramment utilisées comme isolants (polyéthylène, poly- propylène etc..) ont une valeur de perte diélectrique (tg c) qui est en général au plus 1/10 de celle du papier cellu- losique. Ces matières ont aussi, théoriquement, une rigidité diélectrique, déterminée sur de faibles épaisseurs, très élevée. Avec ces matières, on construit les- cables à isolant extrudé en masse, qui conviennent pour des tensions certes élevées mais certainement pas de l'ordre de 750 - îooo kV, ceci du fait de la formation inévitable de défauts dans la masse plastique tant au cours de la fabrication que pendant le fonctionnement du cable. Cependant, on peut travailler opportunément ces mêmes matières plastiques de façon à en modifier la for- me et la structure physico-chimique, et les rendre avanta- geusement utilisables sous forme de feuilles, plus préci- sément sous forme de "papier synthétique" à enrouler autour des corps métalliques des structures électriques et à im- prégner d'huiles isolantes. Ces feuilles sont constituées soit d'un ensemble de fibrilles mises en oeuvre par calandrage, soit d'une pellicule. On connait divers types de papier synthé- tique: polyéthylène haute densité, de cristallinité élevée; polyéthylène étiré et orienté biaxialement, fibres de poly- éthylène compactées par une action mécanique, thermique etc.. L'isolement obtenu en imprégnant d'huiles usuelles du papier synthétique présente en général des améliorations notables du point de vue diélectrique, par rapport au même genre d'iso- lation en papier cellulosique. Cependant,-quel que soit le type de papier synthétique préparé par les techniques connues, il n'est pas exempt, bien que dans une mesure variable d'un cas à l'autre, d'un inconvénient, à savoir le gonflement provoqué par l'absorption d'huile d'imprégnation dans les interstices intermoléculaires de la matière plastique, gonflement qui est une fonction directe de la température, et est donc d'autant plus fort que la tension de fonctionnement de la structure électrique est plus élevée. Le gonflement du papier synthétique, et par conséquent de l'isolant dans son ensemble, peut causer des dégâts considérables à la structure électrique tout entière. En effet, le gonflement du papier synthé- tique engendre des tensions mécaniques internes qui peuvent modifier la géométrie de l'isolation et, par conséquent, induire des déformations irréversibles de cette structure électrique. Un remède approprié consiste à gonfler le papier synthétique avec l'huile d'imprégnation avant de l'enrouler autour des corps métalliques de la structure électrique, mais cette solution est compliquée du point de vue technique et le traitement préliminaire du papier syn- thétique provoque souvent des abaissements indésirables des propriétés mécaniques du papier synthétique lui-même. On peut au contraire obtenir des améliora- tions substantielles en utilisant, comme "papier synthéti- que", des isolants composites de très faible épaisseur. Ces isolants composites sont constitués d'un stratifié plas- tique (polypropylène, copolymère éthylène-propylène fluoré etc..) accouplé à une couche de papier cellulosique ou in- séré entre deux couches de papier cellulosique (tel quel ou renforcé de matières synthétiques). L'utilisation d'éléments composites asso- ciés à des huiles d'imprégnation usuelles améliore fortement, comme on pouvait facilement le prévoir, le comportement au gonflement. Mais il existe encore des inconvénients liés aux caractéristiques diélectriques et à la réalisation de ces isolants composites. En effet, la présence d'une ou deux cou- ches de papier cellulosique ne permet pas de profiter complè- tement des caractéristiques diélectriques de la matière plastique. En outre, comme on peut facilement le com- prendre et comme on peut le vérifier dans la pratique, il n'est pas du tout simple du point de vue technique de com- biner de manière parfaite plusieurs couches de matières différentes pour former une pellicule mince (et ceci a des conséquences non négligeables sur le plan économique également). De toute façon, il parait assez avanta- geux, d'un point de vue tant technique qu'économique, d'uti- liser le "papier synthétique" (sous la forme d'un ensemble de fibrilles mis en oeuvre à la calandre ou d'une pellicule ou d'un composite) dans les structures diélectriques en l'imprégnant d'huiles isolantes qui ne compromettent pas les propriétés diélectriques du papier synthétique et, à la différence des huiles isolantes usuelles, ne provoquent pas le gonflement du papier synthétique; ou du moins le provoquent dans une mesure assez réduite pour ne pas mettre en péril la structure électrique en fonctionnement. Tel est le but de la présente invention, qui permet de surmonter tous les inconvénients de la techni- que connue. En particulier, le but de l'invention est une structure électrique, en particulier un cSable électrique du type à huile fluide, comprenant au moins un corps métallique maintenu sous une tension élevée, isolé avec du papier synthé- tique disposé autour de ce corps métallique et imprégné d'une huile isolante, cette huile isolante ayant une perte diélec- -3 trique (tgt) inférieure à O05olO310 structure électrique ca- ractérisée en ce que ladite huile isolante est constituée d'un composé de type organique contenant au moins des atomes de carbone et des atomes de fluoro En outre, cette huile isolante peut contenir éga- lement des atomes d'osygèneo La présente invention sera mieux comprise par la description d'un e-emple particulier se rapportant à une appli- cation préfére iais non rclusive un csable électrique du type à huile fluide (cSble H0Fo)o Il reste d'autre part enten- du0 comme on l'a déja souligné, que la présente invention s'applique avantageusement à tous les cas de structures élec- triques qui comuLprennent au moins un corps métallique maintenu sous une tension électrique élevée et qui est isolé par du papier imprégné d'huile (transformateurs, condensateurs etc.0)0 La figure unique du dessin annexé représente le câble à huile fluide C, qui comprend: le conducteur 10 par- couru longitudinalement par le canal 11; un isolant 12 cons- titué d'un enroulement de papier synthétique (sous la forme duLn ensemble de fibrilles mis en oeuvre à la calandre, ou d'une pellicule ou d'un composite) sur ce conducteur 10; une gaine métallique 13 servant de fourreau disposée sur cet iso- lant 12o Une huile isolante occupe ce canal longitudinal ll et imprègne l'isolant de papier synthétique 12o Conformément à la présente invention, cette huile, qui possède une "perte diélectrique" (tg) au moins infé- -3 rieure à 0,5.10 3, est constituée d'un composé du type orga- nique contenant au moins des atomes de carbone et des atomes de fluor. Cette huile peut aussi contenir des atomes d'oxygène. Deux composés se sont révélés avoir une importan- ce particulière dans l'invention: la trifluorométhyl- perfluorodécaline et un polyéther perfluoré ayant un poids moléculaire.compris entre 200 et.5000. Le premier est un composé contenant exclusive- ment des atomes de carbone et des atomes de fluor et répon- dant à la formule F2F F CF F2 f+3 F2O F2 F2F F2 Le second est un polymère contenant des atomes de carbone, des atomes de fluor et des atomes d'oxygène, d'un poids moléculaire compris entre 200 et 5000, et répondant à la formule suivante: CF CF3 - - SF--CF - CF2 - CF 2 0 - CF2- La structure chimique est fondamentalement celle d'un polyéther de l'hexafluoropropylène. Les avantages offerts par les composés de l'in- vention utilisés comme huiles d'imprégnation de papiers syn- thétiques, par rapport aux composés de la technique anté- rieure, ressortent clairement des résultats du tableau 1, relatifs à des essais de gonflement effectués à diverses tem- pératures. Dans ces essais on maintient un échantillon de pa- pier synthétique (pellicule de polyéthylène haute densité de cristallinité élevée) plongé dans l'huile à la température désirée pendant 72 heures consécutives et on mesure ensuite la variation volumique en pourcentage résultant de ce trai- tement. Des valeurs figurant dans le tableau I, on déduit que le gonflement du papier synthétique est, à température égale, beaucoup moindre dans les huiles de l'invention (exemple N 1 avec la trifluorométhyl-perfluorodécaline et exemple N 2 avec un polyéther perfluoré ayant un poids molé- culaire compris entre 200 et 5000) que dans une huile de la technique antérieure (exemple N 3 avec le décyl-benzène). Dans la pratique, le gonflement enregistré avec les huiles de l'invention n'est pas dangereux dans les condi- tions habituelles de fonctionnement des structures électri- ques, et jusqu'à des températures voisines des températures de fusion des papiers synthétiques. T A B L E A U I Essais de gonflement d'une pellicule de polyéthylène haute densité de cristallinité élevée dans diverses huiles et à diverses températures. Variation volumique en % Exemple NO Huile au bout de 72 heures 1000C 1100C 1200C 130C 1 Trifluorométhyl- perfluoro-décaline + 3,8 + 4,5 + 5,2 +35 2 Polyéther perfluoré (poids mol. moyen = 1000) + 0,5 + 1,8 + 3,7 +28 3 Décyl-benzène + 5,5 + 21,0 début diss. de com- dissol. plète REVENDICATIONS l.- Structure électrique, en particulier cable électrique du type à huile fluide, comprenant au moins un corps métallique maintenu sous une tension élevée, isolé avec un papier synthétique disposé autour de ce corps métallique et imprégné d'une huile isolante, cette huile isolante ayant une perte diélectrique (tg &) inférieure à 0,5.l0 3, structure caractérisée en ce que ladite huile isolante est constituée d'un composé de type organique contenant au moins des atomes de carbone et des atomes de fluor. 2.- Structure électrique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'huile isolante contient aussi des atomes d'oxygène. 3.- Structure électrique suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l'huile isolante est de la trifluoro- méthyl-perfluorodécaline. 4.- Structure électrique suivant la revendication 2, caractérisée en ce que l'huile isolante est un polyéther perfluoré ayant un poids moléculaire compris entre 200 et 5000.