Brevet FR2501897A1 — publié le 19820917

La présente invention concerne des câbles isolés à haute tension d'un type perfectionné. Plus précisément, elle concerne un perfectionnement à la réalisation des câ- bles, réduisant les pertes diélectriques dans l'ensemble de la construction du câble. Les câbles isolés habituels, destinés à supporter des charges d'énergie élevée, par exemple des tensions de 2000 à 130 000 V, présentent un inconvénient sérieux car des imperfections et plus précisément des imperfections sous forme de cavités peuvent se former entre le conducteur et l'isolement, et entre l'isolement et le blindage exté- rieur. La dégradation électrique qui apparaît au niveau de ces imperfections se manifeste pas une ionisation et éven- tuellement d'autres phénomènes électriques et provoque une rupture rapide de l'isolement à ces points d'imperfection. La rupture se manifeste par des pertes diélectriques impor- tantes ou par une cassure totale de l'isolement par un phé- nomène de ramification. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 287 489 décrit un dispositif destiné à remédier aux inconvénients présentés par les câbles isolés classiques, par isolement du conducteur d'un câble à haute tension à l'aide d'une ma- tière isolante stratifiée de construction particulière. L'iso- lement stratifié a une couche épaisse d'une matière isolan- te de faible capacité inductive spécifique ou permittivité relative P, par exemple comprise entre 2 et 4,5 environ, et une couche mince d'une matière isolante de permittivité élevée, par exemple comprise entre environ 10 et 25. Ainsi, selon les enseignements de ce brevet précité des Etats-Unis d'Amérique n' 3 287 489, le câble isolé à haute tension formé comprend une âme centrale d'un métal de conductivité élevée et un blindage métallique externe. L'isolement stratifié est disposé entre l'âme et le blindage. Cet isolement stratifié comporte une couche épaisse d'une matière isolante de faible permittivité relative et une mince couche de matière isolante de forte permittivité relative recouvrant au moins une face de la couche épaisse de matière isolante de faible permittivité relative. L'explication de l'expression "permittivité relative élevée", et la croissance de la valeur de la permittivité lorsque la température augmente, reposent sur une caractéris- tique fondamentale de certains polymères, appelée "moment dipolaire". Certains polymères contiennent des molécules polaires qui présentent un moment dipolaire. Cette carac- téristique de la structure polymère est bien connue et elle est due à un type particulier d'atomes ou de groupes d'ato- mes, par exemple d'halogène, avant une charge et disposés dans l'espace d'une maniere telle qu'ils permettent un dépla- cement dans un champ alternatif. Une mesure de l'effet du moment dipolaire d'un élémenc ou d'un groupe dans un champ alternatif a été appelée de manière laxiste "frot-temient molé- culaire", dont une indication est donnée par la permittivité relative et le facteur de puissance. Ainsi, des polymères hydrocarbonés sans molécules polaires ont une faible permit- tivité, par exemple inférieure à 4 à température ambiante, et sont stables lorsque la température varie. Les polymères contenant des molécules polaires ont une permittivité élevée à température ambiante (de 4 à 12) et ne sont pas stables lorsque la température augmente, c'est-à- dire que certains ont un coefficient positif et d'autres un coefficient néga- tif de variation avec la température. Le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique n 3 287 489 n'attribue pas de valeur au facteur de puissance ou tg D des couches isolantes, car ceci est considéré comme une propriété reliée à la permittivité lors de la réalisation de la composition isolante. En fait, le rapport tg 6/P (P représentant la permittivité relative) des couches isolantes décrites dans ce brevet dans la plage des températures de fonctionnement est compris entre 0,006 et 0,022. Ceci peut créer des pertes diélectriques dans les couches de permitti- vité relative élevée, ces pertes approchant et dépassant la perte dans l'isolement primaire, selon l'isolement pri- maire utilisé et son épaisseur relative par rapport aux cou- ches normalement plus minces de permittivité élevée. Les pertes diélectriques augmentent les pertes d'énergie dans le câble et augmentent ainsi le coût de la transmission d'éner- gie électrique. Bien que les pertes diélectriques sur un court tronçon de câble puissent ne pas être très importantes, dans des applications qui nécessitent un câble dont la lon- gueur dépasse 1 ou 2 km, ces pertes s'accumulent sur toute la longueur du câble et peuvent affecter de façon importante les possibilités d'utilisation d'un câble particulier dans ces applications, du fait de leur coût. On constate selon l'invention que les pertes diélec- triques peuvent être considérablement réduites, dans un câble isolé à haute tension, par isolement du conducteur d'un câble à haute tension à l'aide d'au moins deux couches stratifiées de matière isolante. Une première couche de matière isolante au moins est relativement épaisse et a une faible permitti- vité relative. Une autre couche au moins de matière isolante, qui est au contact d'une surface de la couche de faible per- mittivité et qui forme une interface avec elle, est relati- vement mince et a une permittivité relative P élevée ainsi qu'un rapport tg 6/P qui ne dépasse pas 0,005 et de préfé- rence qui ne dépasse pas 0,004 dans une plage de tempéra- tures de fonctionnement comprise entre environ 40 et 90'C. En outre, il est avantageux que la rigidité diélectrique de la matière isolante formant la couche de permittivité relative élevée ait une valeur qui n'est pas inférieure à /P kV/mm, lorsque la valeur de la permittivité relative est égale ou supérieure à 7. Il est aussi avantageux que ce rapport tg 6/P ait un coefficient négatif de variation avec la température entre 20 et 1500C. L'invention assure l'isolement du câble avec une protection contre la concen- tration de contraintes dues à la tension ou d'énergie élec- trique en un point quelconque, pouvant provoquer une panne et réduire prématurément la durée du câble, sans augmenta- tion notable des pertes diélectriques présentées par le câble. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe d'un câble selon l'inven- tion; la figure 2 est une coupe d'un câble selon un autre mode de réalisation de l'invention; la figure 3 est une coupe d'un câble selon un autre mode de réalisation de l'invention; les figures 4 et 5 sont des graphiques représentant la variation de la permittivité P, de tg 6 et du rapport tg '/P lorsque la température varie, dans le cas des cou- ches de permittivité relative élevée de l'isolement connu, décrit dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique n0 3 287 489; et les figures 6A à 6C et 7A à 7C représentent les variations de la permittivité relative P, de tg 6 et du rap- port tg S/P avec la température, dans la couche de permitti- vité relative élevée de l'isolement selon l'invention. La terminologie utilisée dans le présent mémoire est celle de la technique des câbles à haute tension. La permittivité qui est une permittivité relative, est aussi parfois appelée constante diélectrique. L'expression "ma- tière conductrice" s'applique à des résistivités inférieures à 0,001 S.cm, et l'expression "matière semi-conductrice" s'applique à des résistivités comprises entre 1 et 1 000 000 n.cm. L'expression "matière isolante" s'applique à des résistivités supérieures à 10 Q2.cm. Le câble représenté sur la figure 1 comporte un conducteur 10 formé d'une matière conductrice telle que le cuivre ou l'aluminium, entouré par une couche relativement mince, par exemple d'épaisseur inférieure à 1,25 mm, d'un isolant 12 formé d'une matière isolante ayant une permittivité relative élevée, par exemple comprise entre environ 7 et 1500, et un rapport tg (/P de 0,005 ou moins, dans une plage de températures comprise entre environ 40 et 90 C. Un exem- ple d'une telle matière est un polymère hydrocarboné contenant une molécule polaire, du fait de la présence d'un constituant tel que le chlore, l'acétate de vinyle ou l'acrylonitrile, auquel on a ajouté de 25 à 35 parties pour cent en poids de polymère, de noir de carbone ayant une structure à longue chaîne et une faible granulométrie. Il est avantageux d'uti- liser le noir de carbone du type ASTM 358. Des polymères qui peuvent être utilisés sont notamment un composé réti- culable de polyéthylène tel que la "Bakelite" HFDE-4201, et des composés du type d'un alliage de chlorure de polyvi- nyle tel que "Geon" 8720, "Tenneco" 2920 ou 2921, et "Pantasote" n0 1149 (copolymère greffé de chlorure de poly- vinyle, d'éthylène et d'acétate de vinyle). Des précautions doivent être prises lors de l'addition du noir de carbone afin que la matière ne devienne pas semi-conductrice. Sui- vant la nature du noir de carbone et/ou du polymère, une conductivité peut apparaître pour 35 parties pour cent de noir de carbone ou plus. Le mélange, pour se comporter de la manière voulue, doit encore être considéré comme isolant et non conducteur. Le polymère et le noir de carbone sont combinés dans un mélangeur interne tel qu'un "Banbury", pen- dant un temps de mélange d'environ 8 à 10 min. La tempéra- ture maximale de la composition, dans le cas d'un chlorure de polyvinyle, doit atteindre 149 à 1630C. La température de la composition à base de polyéthylène réticulable ne doit pas dépasser 1270C. On considère maintenant une compo- sition particulière qui peut être utilisée. On ajoute dans un mélangeur interne "Banbury" chauffé par circulation de vapeur d'eau, de taille n09, environ 108 kg de "Geon" 8720 et 37,1 kg d'un noir de carbone à lon- gue chaîne. Le polymère est mis à l'état fluide avant l'ad- dition du noir de carbone. Ce dernier est ajouté lentement afin qu'il ait le temps de s'incorporer à la matière plasti- que au lieu d'être ajouté en une seule fois. L'opération de mélange est la suivante Temps, min 0 Ajouter la résine, exercer une pression sur le piston 2 Laisser flotter le piston, ajouter lentement le noir de carbone 4-5 Appliquer la pression maximale au piston Temps, min ,5 Lever le piston et introduire l'excès de carbone dans la composition 6 Appliquer la pression maximale au piston 7 Soulever le piston et essuyer soigneusement -12 Au cours du mélange, la température (abaque de température du "Banbury") atteint 127 C, verser ensuite la composition. La composition est ensuite mise sous forme de granu- lés afin qu'elle puisse être introduite dans une extrudeuse. Elle est aussi conservée sous faible humidité afin que le prélèvement d'humidité par le noir de carbone ne pose pas de problème. Lorsque la composition sèche et granulée est disponible, elle est appliquée à un conducteur torsadé d'un câble d'alimentation en énergie, formé de cuivre ou d'alumi- nium, ou sur une âme isolée, au cours d'une opération normale d'extrusion, mettant en oeuvre les opérations classiques. Celles-ci impliquent l'utilisation d'une extrudeuse à tête d'équerre. Le produit extrudé est refroidi à l'eau franche. Une couche relativement épaisse d'isolement princi- pal 14 entoure la couche d'isolement 12 et elle est constituée d'une matière isolante ayant une faible permittivité relati- ve P, par exemple comprise entre environ 2 et 4,5, telle que le caoutchouc naturel ou synthétique ou une matière thermo- plastique telle qu'un polyéthylène de qualité isolante. Les couches respectives 12 et 14 sont incorporées au câble de manière qu'elles présentent un bon contact physique entre leurs surfaces en regard. L'opération peut être commodément effectuée par mise en oeuvre de procédés connus d'extrusion. Un semi-conducteur 16 de construction classique est alors enroulé autour de la couche isolante 14. Ce semi- conducteur peut être une couche extrudée ou peut être formé d'un ruban d'étoffe de coton ou autre, imprégné d'une matière qui conduit l'électricité. Le semi-conducteur 16 est alors recouvert d'un blindage métallique conducteur 18 d'une manière connue. Ce blindage peut comprendre des éléments conducteurs, par exemple des rubans métalliques ou des éléments d'enroule- ment à base de fil métallique, tel que le cuivre, l'alumi- nium ou autre, appliqués en hélice ou en direction longitudi- nale. Le câble représenté sur la figure 2 comporte un conducteur 20 recouvert d'une couche 22 d'une matière semi- conductrice puis d'une couche relativement mince 24 de matière isolante ayant une permittivité relative P élevée et un rapport tg 5/P de 0,005 ou moins, dans une plage de températures com- prise entre environ 40et 90C. La couche 24 est revêtue d'une couche relativement épaisse 26 d'une matière isolante ayant une faible permittivité relative. La couche 26 est recouverte d'une couche 27 d'une matière semi-conductrice qui elle- même est revêtue d'un blindage métallique 28 d'une manière classique. Le câble représenté sur la figure 3 comporte un conducteur 30 recouvert d'une couche relativement mince 32 d'une matière isolante ayant une permittivité relative éle- vée et un rapport tg (/P inférieur ou égal à 0,005 dans la plage de températures comprise entre 40 et 900C. La couche 32 est recouverte d'une couche relativement épaisse 34 de matière isolante ayant une faible permittivité relative. La couche 34 est couverte d'une autre couche relativement mince 36, d'épaisseur ne dépassant pas 2,5 mm par exemple, d'une matière isolante ayant une permittivité relative éle- vée et un rapport tg (/P qui ne dépasse pas 0,005 dans une plage de températures comprise entre environ 40 et 900C. La couche 36 est recouverte d'une couche 38 d'une matière semiconductrice. Cette dernière est elle-même revêtue d'un blindage métallique 40, de manière connue. Il est avantageux que le rapport de l'épaisseur de la couche de matière de permittivité relative élevée à celle de la couche de matière de faible permittivité rela- tive soit inférieur à 0,3 environ. Les constructions des câbles décrits en référence aux figures 1, 2 et 3 présentent des pertes diélectriques suffisamment faibles pour qu'un déclassement particulier des câbles ne soit pas nécessaire, compte tenu de ces pertes. Dans les câbles réalisés de ma- nière classique, c'est-à-dire dans lesquels la couche iso- lante de permittivité relative élevée a un rapport tg 6/P de 0,02, considérés à titre comparatif, les pertes diélec- triques affectent la capacité nominale du câble de 1,0 à 2,8 % alors qu'un câble réalisé selon l'invention, c'est- à-dire dans lequel la couche isolante de permittivité rela- tive élevée a un rapport tg 6/P qui ne dépasse pas 0,005 dans une plage de températures allant de 40 à 90C environ, les pertes diélectriques n'affectent la capacité nominale du câble en ampérage que de 0,7 à 1,8 %. En outre, le facteur résultant de dissipation d'un câble réalisé selon l'inven- tion est notablement réduit, d'une valeur comprise entre ,4 et 5,6 % à une valeur comprise entre 3,5 et 3,7 %, lors- qu'on le compare à celui d'un câble connu. Comme les coûts de l'énergie augmentent, ces réductions prennent une impor- tance croissante, surtout parce qu'on installe chaque année des millions de mètres de ce type de câble. La relation selon laquelle le rapport tg 6/P ne dépasse pas 0,005 dans la plage des températures normales de fonctionnement du câble (40 à 90C) peut être avantageu- sement comparée au rapport quatre fois plus grand de 0,02 d'un câble connu. On se réfère maintenant aux figures 4, 5, 6A à 6C et 7A à 7C; les figures 4 et 5 représentent graphiquement les variations de la permittivité relative P, de tg 6 et du rapport tg 6/P lorsque la température varie, dans la cou- che de permittivité relative élevée de l'isolement décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 287 489. La surface délimitée sous les courbes est représentative de la quantité d'énergie perdue dans un câble. Les figures 6A à 6C représentent graphiquement les résultats obtenus avec une couche isolante de permittivité relative élevée, à base d'une composition de polyéthylène réticulable "Union.Carbide" DFD 4201, avec 35 % en poids de noir de carbone N-358 par rapport au poids du polyéthylène. Les figures 7A à 7C repré- sentent graphiquement les mêmes résultats pour une couche -isolante de permittivité relative élevée, à base d'un mélange de chlorure de polyvinyle "Geon" 8720 de B.F. Goodrich, avec un polymère acrylonitrilebutadiène contenant 30 % en poids, par rapport au poids du polymère, de noir de carbone N-358. A titre comparatif, les rapports tg 6/P, à diverses températures, sont indiqués pour la couche isolante connue, c'est-à-dire que la courbe inférieure de la figure 5 est représentée en traits interrompus sur les figures 6C et 7C. La surface comprise entre les deux courbes tg 6/P est repré- sentative de la quantité d'énergie perdue dans un câble de construction classique et qui n'est pas perdue dans un câble de construction selon l'invention. Les caractéristiques élec- triques représentées sur les figures 4, 5, 6A à 6C et 7A à 7C sont mesurées sur un échantillon blindé de fil de cuivre n'14 (s) (1,6 mm) isolé avec 0,76 mm de la composition. La tension d'essai utilisée est de 100 V alternatifs (60 Hz). Le blindage est isolé par rapport à la masse. Les mesures sont effectuées à l'aide d'un pont capacitif à haute tension "Tettex". Les échantillons de fil sont chauffés dans une étuve à circulation. 250 1 8 9 7 REVENDICATIONS 1. Câble isolé à haute tension, caractérisé en ce qu'il comprend un conducteur (10) isolé par au moins deux couches stratifiées (12, 14) d'une matière isolante, une couche au moins (14) étant relativement épaisse et ayant une faible permittivité relative, une autre couche au moins (12) ayant une permittivité relative élevée et étant au contact d'une surface de la couche (12) de faible permittivité avec la- quelle elle forme une interface, la couche (12) de permitti- vité relative élevée étant relativement mince et ayant un rapport tg U/permittivité relative qui ne dépasse pas 0,005 dans une plage de températures comprise entre 40 et 90 C. 2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur (10) est revêtu de couches successives comprenant une mince couche (12) de matière de permittivité relative élevée, une couche épaisse (14) de matière de fai- ble permittivité relative, une couche (16) d'une matière semi-conductrice, et une couche (18) d'une matière conduc- trice. 3. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur (10) est revêtu de couches successives comprenant une couche (22) d'une matière semi-conductrice, une mince couche (24) d'une matière de permittivité relative élevée, une couche épaisse (26) d'une matière de faible per- mittivité relative, une couche (27) de matière semi-conduc- trice, et une couche (28) d'une matière conductrice. 4. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur (30) est revêtu de couches successives comprenant une mince couche (32) d'une matière de permittivité relative élevée, une couche épaisse (34) d'une matière de faible permittivité relative, une couche mince (36) d'une matière de permittivité relative élevée, une couche (38) de matière semi-conductrice, et une couche (40) de matière conductrice. 5. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la permittivité relative de la mince couche de permittivité relative élevée est au moins égale à 7, et celle de la couche épaisse est inférieure à 4,5. 250 1897 6. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la permittivité relative de la couche épaisse de faible permittivité relative est comprise entre environ 2 et 4,5, et celle de la couche min- ce est comprise entre environ 7 et 1500. 7. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche épaisse, la couche mince ou les deux couches d'isolement sont réticulées. 8. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche épaisse, la couche mince ou les deux couches d'isolement sont thermo- plastiques. 9. Câble selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche mince d'isolement a une épaisseur inférieure à 1,25 mm. 10. Câble selon la revendication 4, caractérisé en ce que la seconde couche mince de matière de permittivité relative élevée a une épaisseur qui ne dépasse pas 2,5 mm.