Brevet FR2498000A1 — publié le 19820716

La présente invention concerne des perfec- tionnements apportés aux cables revêtus de rubans isolants imprégnés d'un mélange, que ce soient des cables à imprégna- tion totale ou descables contenant un gaz sous pression, ces câbles étant spécialement destinés à être utilisés en courant continu et à des tensions de service au moins comprises entre et 1000 kV. Les câbles perfectionnés suivant l'inven- tion sont spécialement mais non exclusivement destinés à être utilisés comme cables sous-marins. En particulier, les câbles suivant l'inven- tion se montrent efficaces lorsqu'il s'agit de couvrir de lon- gues distances sous l'eau (par exemple plus de 100 km). L'homme du métier connatt bien la situation critique que présente un câble à haute tension et qui se mani- feste en service par l'apparition de vides ou de bulles dans la couche isolante, en raison des cycles thermiques qui inter- viennent pendant la phase de refroidissement. Les cêbles connus sous la dénomination de câbles à huile fluide et dont les rubans isolants sont impré- gnés d'un diélectrique liquide à basse viscosité sont ceux qui offrent la meilleure garantie contre la formation de bulles. En effet, lorsque la température croit, le diélectrique ou l'huile fluide, comme on l'appelle habituelle- ment, se répand par dilatation dans des réservoirs appropriés, de préférence à pression variable, ces réservoirs étant prévus à cet effet à l'une ou à chacune des extrémités du câble. Pendant la phase de refroidissement le retrait est compensé par l'huile fluide qui reflue des réser- voirs dans le cable. C'est pourquoi la formation de bulles dans l'isolant des cables à huile fluide est impossible. En bref, les câbles à huile fluide sont indépendants des variations de tem- pérature, ou mieux encore thermiquement stables. En outre, l'huile fluide normalement uti- lisée ayant un poids spécifique proche (aussi proche que possi- ble) de celui de l'eau, la pression intérieure des câbles à huile fluide est approximativement égale à la pression du milieu dans lequel le câble est immergé. Ce fait confère aux cables à huile fluide la propriété de n'être pratiquement soumis à aucune limite en ce qui concerne la profondeur de pose. Comme on l'a vu plus haut, pendant la phase de refroidissement, le fluide se rétracte et doit se déplacer des extrémités extérieures du câble vers le milieu de la liaison. En raison de la résistance hydraulique ren- contrée et qui est due, en partie, à la viscosité de l'huile,il se produit le long du cable des chutes de pression considérables. On comprend que ces chutes de pression soient d'autant plus fortes que la longueur du cable à huile fluide est plus grande. En conséquence pour éviter que, dans le cas de cables de très grande longueur, le cable ne soit en dépression pendant la phase de refroidissement, il est nécessaire d'augmenter la pression d'alimentation de l'huile fluide. Cepen- dant comme de toute évidence, cette pression ne peut pas être augmentée indéfiniment, les cables à huile fluide sont tribu- taires de certaines limitations lorsqu'on les utilise sur de très grandes distances. Pour les grandes distances, on a proposé l'utilisation de cables à rubans de papier préimprégné d'un mé- lange non migrant dans une atmosphère de gaz sous pression. Plus particulièrement, ces cables sont connus dans la technique sous la dénomination de cables du type Glover. Ils comprennent pratiquement des papiers préimprégnés d'un mélange et qui sont contenus dans une atmosphère de gaz sous pression, par exemple de l'azote entre 14 et 25 atmosphères. Les câbles sous pression de gaz ne sont pas adaptés aux grandes profondeurs. En effet, un câble de ce type ne peut pas être posé à la pression de service sous peine de ne pas être flexible. En outre, si la pression extérieure de l'eau est supérieure à la pression intérieure du gaz, le cable peut s'écraser. L'expérience montre qu'avec un cable con- tenant un gaz sous pression on ne peut pas dépasser des pro- fondeurs supérieures à 250 m. En outre, dans un cable du type Glover, et pendant sa fabrication des bulles peuvent se former dans les interstices, ou déjoints du diélectrique. Lorsqu'on les en- roule et qu'on les tend sur le cable, les rubans imprégnés de mélange expriment vers l'extérieur du mélange qui, ne remplit que partiellement les intervalles entre les rubans, en laissant subsister de petites cavités à l'intérieur. Cela n'a pas d'importance en courant al- ternatif, o la répartition du gradient de potentiel est fonc- tion de la constante diélectrique de l'isolant. Avec les cables utilisés en courant conti- nu et pour lesquels on sait que les potentiels se répartissent en fonction de la résistivité la présence d'une bulle dans les intervalles entre les spires des rubans isolants représente un risque important de décharge. En effet, la résistivité de la bulle étant pratiquement infinie, il apparalt sur cette dernière un gra- dient très élevé comparativement au gradient qui s'établirait de part et d'autre de la bulle si cette dernière était remplie de mélange. Les cables capables de bien fonctionner tant sur de longues distances qu'à de grandes profondeurs sont ceux à imprégnation totale de mélange et qui sont recouverts de plomb, le périmètre de leur section pouvant être circulaire ou elliptique. L'Homme du métier sait que, ces cables ne contiennent pas de substances en mouvement longitudinal mais seulement des substances en mouvement radial. En effet, pendant les cycles thermiques, on observe alternativement des dilata- tions et des contractions du mélange; à égalité de pression extérieure pendant l'échauffement et la dilatation radiale du mélange, on observe un accroissement de la pression intérieure. Pendant le refroidissement qui suit, la pression intérieure diminue sous l'effet de la contraction ther- mique du mélange jusqu'à atteindre le vide absolu en certains points. En ces points, il peut se former dans le mélange, des cavités qui sont soumises au moins initialement à un vide poussé et qui, dans les cables à courant continu, peuvent entraîner la perforation électrique de l'isolant. C'est pourquoi les cables contenant un mé- lange, n'ont pas fait l'objet d'applications comportant l'uti- lisation de tensions de service très élevées. Les cables à courant continu à inmrégnation totale de mélange, ont été utilisés autrefois, jusqu'à une époque remontant à quelques décennies, pour des tensions bien inférieures à 200 kV et habituellement de l'ordre de 100 kV. L'homme du métier sait également que la tension de service des cables à courant continu a été progres- sivement augmentée et que le sens que l'on peut attribuer à l'expression "Haute tension" a subi une dérive progressive. Actuellement, on entend par hautes tensions des tensions ayant des valeurs au moins supérieures à 200 kV. Tandis que les tensions de service que l'on peut faire transporter par un câble ont augmenté la technique a progressivement adapté l'isolant aux sollicitations croissan- tes en en augmentant l'épaisseur et en utilisant des mélanges qui possèdent de meilleures caractéristiques isolantes. Cependant, les perforations dues aux cy- cles thermiques ne sont pas éliminées. Au contraire, on a cons- taté expérimentalement la chose suivante. Alors que, dans un échantillon de cable pour courant continu isolé au papier de cellulose imprégné d'un mélange et d'une épaisseur de 9 mm, des décharges apparaissent quand on applique une tension d'essai d'environ 400 kV; pour un cable à courant continu isolé, avec le même papier imprégné mais d'une épaisseur de 18 mm, on n'observe aucune perforation par décharge après l'applica- tion d'une tension d'essai de 800 kV tandis que cette décharge se produisait déjà aux environs de 600 kV. Ce phénomène peut être attribué à la formation de cavités que l'on observe en grand nombre et qui ont des effets d'autant plus graves que la masse du mélange q en jeu est plus grande, ce qui accroît la possibilité que de telles perforations se produisent. Si l'on pose un câble sous-marin à impré- gnation totale à une profondeur suffisante (supérieure à 120 m), la pression extérieure de l'eau peut se transmettre à l'iso- lant à travers les gaines plastiques, ce qui supprime le phé- nomène ainsi décrit. Malheureusement, pour des profondeurs in- férieures à 120 m, la contribution de la pression extérieure n'est pas suffisante et le bon fonctionnement des câbles à courant continu à hautes tensions, à imprégnation totale et de grande longueur est purement aléatoire. La présente invention a pour but de cons- truire des cables pour courant continu et pour tensions élevées spécialement, mais non exclusivement, destinés à être uti- lisés sur de longs parcours sous-marins et qui donnent les meilleures garanties de service, même dans les zones o la pression du milieu o ils sont placés ne favorise pas ce ser- vice. A cette fin, la demanderesse propose d'utiliser un mé- lange moins isolant que les mélanges communément utilisés et qui soit capable de blinder électriquement ou de court- circuiter les bulles éventuellement contenues dans cet isolant. Plus précisément, l'invention a pour objet un cable électrique perfectionné spécialement conçu pour être utilisé en courant continu et sous des tensions de service comprises entre 200 et 1000 kV, ce cable comprenant au moins un conducteur, un écran semi-conducteur intérieur, un diélec- trique constitué par au moins une ou plusieurs couches de rubans isolants de papier de cellulose enroulés hélicolda- lement autour dudit écran semi-conducteur intérieur et impré- gnés d'un mélange, le tout entouré d'au moins un écran semi- conducteur extérieur et d'une gaine métallique- Un tel cable est caractérisé en ce que, dans l'intervalle des températures prévues en service, ledit mélange possède une résistivité suffisamment faible, au moins 100 fois inférieure à celle 6 2498000 des rubans de papier de cellulose imprégnés, de manière à former un écran électrique contre des bulles éventuellement contenues dans ce mélange. La faible valeur de la résistivité du mélange est déterminée par la présence dans celui-ci d'au moins un composé contenant des groupes polaires. Les figures du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, feront bien comprendre comment. l'invention peut être réalisée. La figure 1 représente schématiquement un tronçon de câble pour courant continu à imprégnation totale. La figure 2 représente schématiquement un tronçon de cable pour courant continu contenant un gaz sous pression. La figure 3 est un diagramme qui illustre la résistivité de volume de quelques mélanges comparativement à celle du papier. La figure 4 est un diagramme qui montre l'intensité de la décharge dans un mélange suivant l'invention comparativement à l'intensité de décharge dans un mélange connu de la technique antérieure. Le câble pour courant continu de la figure 1 comprend au moins un conducteur 10 sur lequel est disposé un écran semi-conducteur intérieur Il obtenu, par exemple, en enroulant un ruban semi-conducteur. Sur l'écran semi-conducteur Il se trouve le diélectrique qui comprend au moins une ou plusieurs cou- ches d'un ruban isolant 12 en papier de cellulose enroulé hélicoldalement et imprégné d'un mélange. Sur le ruban isolant 12 est disposé l'écran semi-conducteur 13. Ce dernier pourrait être constitué, par exemple, par un ruban semi- conducteur enroulé. Le tout est enfermé dans au moins une gaine en plomb 14. Cette der- nière pourrait également être revêtue de couches protectrices connues ou que certaines considérations particulières rendent nécessaires. Dans l'exemple, la gaine en plomb 14 est revêtue d'une gaine anti-corrosion 15. La Demanderesse a constaté de façon sur- prenante qu'il est possible de remédier aux dangers de voir ap- paraître d'éventuelles cavités ou des bulles occluses dans le mélange, (que ces cavités soient déjà présentes ou qu'elles se forment pendant les cycles thermiques) lorsque le mélange pré- sente aux températures de service prévues, une résistivité suf- fisamment faible et qui reste constante pendant toute la durée de service. Un mélange possédant ces caractéristiques est capable de former un écran électrique protecteur contre les cavités ou bulles que ce mélange peut éventuellement contenir. On a constaté expérimentalement que, pour obtenir un effet d'écran efficace, le mélange doit avoir une résistivité au moins 100 fois inférieure à celle des rubans en papier de cellulose imprégnés. Toutefois, on préfère mais de façon non exclusive que la résistivité soit d'environ 1000 fois inférieure à celle des rubans en papier imprégnés. On obtient un mélange conforme à l'ensei- gnement de l'invention en ajoutant à une huile d'hydrocarbure communément utilisée pour l'imprégnation des câbles électri- ques, au moins un composé contenant des groupes polaires. On entend par là que le composé peut contenir un ou plusieurs groupes polaires, (pour la définition du composé contenant des groupes polaires, se reporter à l'ouvrage de Samuel Glasstone "Trattato di Chimica-Fisicd' de l'édition américaine, traduc- tion italienne, Carlo Manfredi éditeur, de 1956, pages 114-115). Selon un exemple, ce mélange comprend: Une huile d'hydrocarbure visqueuse dans les proportions d'au moins 60 parties en poids pour 100 parties de mélange; un composé organique polaire dans lequel la polarité est due à la présence dans la molécule d'un ou de plusieurs groupes carboxy -CO-OH; dans une proportion allant jusqu'à 40 parties en poids pour 100 parties en poids de mélange. Outre ces deux composants, d'autres peuvent également être présents, par exemple pour régler la viscosité du mélange, dans des proportions allant jusqu'à 15% du poids des deux composants précédents. En particulier, un mélange qui a donné d'excellents résultats comprend: - 63 parties en poids d'une huile hydro- carboné ayant un indice de viscosité de 75 et une viscosité à 380C de 800 cSt. - 27 parties en poids d'un composé organi- que essentiellement composé d'une résine naturelle à base dàaci- de abiétique, - 10 parties en poids d'une cire micro- cristalline ayant un point de fusion compris entre 103 à 1070C. Cette dernière formule s'est révélée par- ticulièrement efficace, non seulement pour le câble de la fi- gure 1 mais également pour celui qui est représenté sur la figure 2. Ce dernier cable comprend au moins un con- ducteur 16 revêtu d'un écran intérieur 17 et dont le diélectri- que est constitué par des rubans isolants en papier de cellu- lose 18 enroulés hélicoidalement. Un écran extérieur 19 recouvre les rubans isolants 18. Le tout est contenu dans au moins une gaine métal- lique 20, par exemple une gaine ondulée et en aluminium. La gaine pourrait être revêtue d'une ou de plusieurs gaines protectrices 21. Les rubans isolants du cable de la figure 2 sont du type imprégné d'un mélange assis- té par une pression de gaz, par exemple d'azote, à des pres- sion's qui peuvent atteindre 25 atmosphères.- La figure 3 représente la courbe (a) de variation de la résistivité volumique en fonction des tempéra- tures de ce dernier mélange, comparée à la courbe de varia- tions de la résistivité volumique du papier imprégné de ce mélange (courbe b). Comparé au produit ILO 3 (vaseline blanche de la firme WITCO (EUA) qui était communément utilisé antérieu- rement (courbe d) qui possède une résistivité à peu près égale ou supérieure à celle du papier imprégné de ce produit (courbe c) ce mélange a donné des résultats très satisfaisants. Examinons à ce sujet le diagramme de la figure 4 qui représente les variations de l'intensité de la dé- charge exprimée en picocoulombs (pC) à 14 atm en fonction du gradient E appliqué exprimé en kV/mm, pour des bulles contenues dans des échantillons constitués d'un diélectrique imprégné de chacun des deux mélanges. On note qu'avec un gradient trois fois supérieur à celui pour lequel s'amorcent les décharges dans le mélange connu classique (courbe d) , on n'observe aucune décharge dans le mélange suivant l'invention (courbe a). Les autres mélanges préférés sont ceux qui comprennent outre une huile d'hydrocarbure d'une viscosité de 800 cSt à 380C, l'un des acides organiques suivants dans des proportions pouvant atteindre jusqu'à 10%: l'acide oléique l'acide linoléique l'acide ricinoléique l'acide palmitique l'acide stéarique divers acides naphténiques divers acides terpéniques. D'autres mélanges conformes à l'invention peuvent comprendre, par exemple, une huile hydrocarbonée vis- queuse à laquelle sont ajoutés des sels d'acides organiques ayant une bonne solubilité dans les hydrocarbures. Un mélange de ce type qui s'est révélé convenir particulièrement bien comprend une huile d'hydrocarbure ayant une viscosité à 381C de 600 cST dans la proportion d'au moins 95 parties en poids pour 100 parties en poids de mélange et du naphténate de cuivre dans une proportion pouvant atteindre 5 parties en poids pour 100. Un autre mélange préféré peut être consti- tué par une huile hydrocarbonée comme celle qui a été citée dans les exemples précédents et à laquelle est garantie la pré- sence de composés contenant des groupes polaires ou des parti- cules conductrices qui proviennent des rubans de papier en cellulose, lorsque ces rubans proviennent d'un extrait aqueux ayant une conductivité de 50 à 200/usiemens. Pour la détermination de l'extrait aqueux et pour la mesure de sa conductivité, on se reportera à la méthode ASTM D 202-62 T. La conductivité de l'extrait aqueux du pa- pier peut être utilisée comme mesure des électrolytes solubles dans l'eau chaude présents dans le papier. Bien que quelques exemples de mélanges seu- lement aient été cités, la portée de l'invention doit être con- sidérée comme pouvant s'étendre à tous les types de mélanges dont les caractéristiques de résistivité appartiennent à son domaine, et qu'on utilise pour des cables à imprégnation totale ou pour des câbles soumis à une pression extérieure. Il va de soi que des modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, notamment par substitution de moyens techniques équivalents, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Câble électrique perfectionné spécia- lement conçu pour être utilisé en courant continu et sous des tensions de service comprises entre 200 et 1000 kV, comprenant au moins un conducteur (10, 16), un écran semi-conducteur inté- rieur (11, 17), un diélectrique (14, 18) constitué par au moins une ou plusieurs couches de rubans isolants (12, 19) en papier de cellulose, enroulé hélicoidalement autour de l'écran semi- conducteur intérieur et imprégnés d'un mélange, le tout étant entouré d'au moins un écran semi-conducteur (13) extérieur et d'une gaine métallique, ce cable étant caractérisé en ce que, dans l'intervalle de température prévu en service, ce mélange possède une résistivité suffisamment faible et au moins 100 fois inférieure à celle des rubans en papier de cellulose im- prégnés, de manière à exercer un effet d'écran électrique contre les bulles éventuellement contenues dans ce mélange, la faible valeur de la résistivité du mélange étant due à la pré- sence dans ce dernier d'au moins un composé contenant des grou- pes polaires. 2.- Cable électrique perfectionné suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la résistivité dudit mélange est environ 1000 fois inférieure à celle des rubans de papier de cellulose imprégnés. 3.- Càble électrique suivant l'une des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que ce composé contenant des groupes polaires est un composé organique. 4.- Cable électrique suivant la revendica- tion 3, caractérisé en ce que la polarité est conférée audit composé organique par la présence d'au moins un groupe carboxy -CO-OH, ce composé étant contenu dans des proportions pouvant atteindre 40 parties en poids pour cent parties en poids d'un mélange qui comprend au moins 60 parties en poids pour cent parties d'une huile hydrocarbonée visqueuse. 5.- Cable électrique suivant la revendi- cation 3, caractérisé en ce que ledit composé organique est une résine naturelle à base d'acide abiétique, ce composé étant contenu dans des proportions de 27 parties en poids pour cent dans un mélange comprenant 63 parties en poids pour cent d'une huile d'hydrocarbure possédant un indice de viscosité de 75 et une viscosité à 381C de 800 cSt et 10 parties en poids pour cent d'une cire microcristalline ayant un point de fusion com- pris entre 103 à 107'C. 6.- Cable électrique suivant l'une des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit mélange com- prend une huile d'hydrocarbure d'une viscosité à 380C de 600 cSt, dans la proportion d'au moins 95 parties en poids pour cent et du naphténate de cuivre dans une proportion pouvant atteindre jusqu'à 5 parties en poids pour cent. 7.- Ccble électrique suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ledit mélange comprend une huile d'hydrocarbure ayant une viscosité à 380C de 600 à 800 cSt et au moins un composé contenant des groupes polaires, ce composé provenant des rubans de papier de cellulose, ces rubans présentent un extrait aqueux ayant une conducti- vité de 50 à 200 MuSiemens. 8.- Cable électrique suivant la revendi- cation 3, caractérisé en ce que ledit composé organique est un acide organique ajouté dans des proportions pouvant atteindre parties en poids pour cent à au moins une huile d'hydrocar- bure, ayant une viscosité de 800 cSt à 381C. 9.- Cable électrique suivant la reven- dication 8, caractérisé en ce que l'acide organique est l'aci- de oléique. 10.- Cable électrique suivant l'une quel- conque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le mé- lange est assisté par une pression gazeuse.