Brevet FR2547945A1 — publié le 19841228

Nouvelle structure de cable électrique et ses applications. La présente invention concerne une nouvelle structure de cable électrique, dans laquelle le conducteur est revtu de plusieurs couches successives de matériaux comprenant une gelée d'étanchéité hydrophobe et semiconductrice, disposée entre une gaine polymère, également semiconductrice et un écran métallique. L'invention concerne également 1 ' application de cette structure à la mise à la terre en continu de conducteurs électriques et à la radialisation du champ dans les cables d'énergie. L' apparition des matières polymères semi-conductrices a, on le sait, amené une grande amélioration dans la fabrication des cables électriques, tant pour les câbles de télécommunication que pour les c Ables de transport d'énergie De telles structures de câbles connus seront décrites ci-après, en référence aux figures la et lb des 15 dessins annexés, sur lesquels: Les figures la et lb sont des coupes transversales de deux types de câable de la technique antérieure; Les figures 2 a et 2 b sont des coupes analogues des mêmes câbles présentant un perfectionnement conforme à l'invention; La figure 3 est une vue en perspective avec arrachés illustrant une structure de câble conforme à la présente invention. La structure de câble représentée sur la figure la est celle d'un câble de télécommunication d'un type classique Ce câble comporte, par exemple, une pluralité de fils conducteurs 1 en un matériau conducteur tel que le cuivre ou l'aluminium, entourés d'une couche isolante 2 L'ensemble des fils conducteurs ainsi gainés est ceinturé par un blindage métallique conducteur 3, faisant écran, qui est lui-meme entouré par une gaine protectrice constituée par un polymère semi-conducteur 4, assurant un bon contact physique avec la surface m-étallique 3 L'espace 5 laissé libre entre les gainages isolants 2 et la surface métallique 3 peut être rempli de manière classique avec un produit d'étanlchéité. Le cable de transport d'énergie représenté sur la figure lb, qui est également d'un type connu, comporte, pour sa part, un toron de fils conducteurs 6, qui est entouré par une gaine polymère semiconductrice 7 Autour de cette gaine 7 est disposée une matière isolante 8, elle-meme entourée d'une seconde gaine polymère semiconductrice 9, ceinturée par une couche de métal conducteur 10 10 formant écran et constituée par exemple de cuivre, d'acier ou d' aluminium La ceinture externe 11 peut elle-même être constituée par une gaine de polymère isolant ou semi- conductrice Les câbles usuels du type de ceux illustrés par les figures la et lb ou constitués d' assemblage de torons tels que les cables mnultipolaires, présentent cependant l'inconvénient de ne pas tre parfaitement étanches vis-à-vis de l'humidité et de ne pas assurer un contact parfait entre gaine semi-conductrice et surface métallique En effet, la zone comprise entre le polymère semiconducteur (référencé 4 sur la figure la et 9 sur la figure lb) et 20 l'écran métallique (référencé 3 sur la figure la et 10 sur la figure lb) est toujours susceptible, à la suite d'un choc, d'une torsion de câble, d'une fissuration, d'une condensation se produisant au niveau des espaces libres ou d'une propagation longitudinale à partir des jonctions ou des épissures du câble, de laisser des traces d'humidité parvenir au contact du métal, en provoquant ainsi la détérioration de ce dernier par un phénomène de ramification, d'oxydation et/ou de corrosion On peut limiter partiellement cet inconvénient en incorporant entre la couche métallique et le polymère semi-conducteur une couche d'un matériau hydrophile tel que 30 la carboxyméthylcellulose ou d'un matériau hydroscopique tel qu'une argile semi-conductrice, dont le gonflement en présence d'humidité empêche l'eau de se répandre le long du métal conducteur lnéanmoins, ces produits n'empêchent pas les phénomènes de corrosion locale des écrans. L'objet de la présente invention est donc de réaliser une parfaite étanchéité entre l'écran métallique et la gaine polymère semi-conductrice de telles structures de cablés électriques. A cet effet, l'invention a pour objet une structure de câble électrique du type comprenant au moins un écran métallique et au 10 moins une gaine polymère semi-conductrice entourant au moins un c Uble conducteur, caractérisée en ce qu'entre ledit écran métallique et ladite gaine polymère semi-conductrice est interposée une couche d'étanchéité comprenant une gelée semi-conductrice et hydrophobe. Au sens de la présente demande, on désigne par le terme "écran 15 métallique" non seulement un blindage conducteur du type illustré par les figures la et lb, mais également toute nappe de fils métalliques, tissés, tressés ou "guippés", pour reprendre le terme en usage dans la technique. La gelée semi-conductrice et hydrophobe utilisée conformément à 20 l'invention est désignée par les références 12 et 13, respectivement, sur les figures 2 a ou Zb, sur lesquelles les éléments déjà décrits en référence aux figures la et 2 a conservent les memes chiffres de référence Cette gelée est interposée entre les écrans métalliques 3, respectivement O l O,et les gaines polymères 25 semi-conductrices 4, respectivement 9 De par ses propriétés hydrophobes, elle isole les câbles élecztriques de 1 ' humidité, tout en assurant de façon efficace une mise à la terre en continu. Bien entendu, une telle mise à la terre en continu est également applicable, selon le meme principe, à d'autres types de 30 cables, notamment les câbles de transport d'énergie. L'introduction de la gelée d'étanchéité semi-conductrice et hydrophobe entre écran métallique et gaine polymère semi-conductrice permet en outre d'assurer de façon efficace la radialisation du champ dans les cables de transport d'énergie. Un premier avantage de la présente invention est lié au fait que la gelée semi-conductrice est parfaitement compatible tant avec le feuillard métallique, auquel elle adhère complètement et qu'elle protège des traces éventuelles d'humidité ou d'autres formes de corrosion du métal, qu'avec la gaine polymère semi-conductrice, du 10 fait de la nature même de ses constituants, dans la mesure ou ceuxci ne peuvent diffuser dans la gaine et ou sont ajoutés de préférence des additifs et des charges conductrices de même nature que ceux entrant dans la composition de la gelée. Un autre avantage de la présente invention réside dans le fait 15 que, compte tenu de la présence de la gelée semi-conductrice, la gaine polymère semi-conductrice n'a plus à assurer simultanément une protection efficace du feuillard métallique et une adhérence maximale au métal: la gaine polymère semi-conductrice peut donc être choisie en fonction des seules propriétés mécaniques requises 20 pour la protection du câble, outre les propriétés électriques désirées. Un avantage supplémentaire de cette structure de ceinture de câble réside dans le fait que la gelée semi-conductrice assure, par sa fluidité et par sa plasticité, outre une parfaite étanchéité et, 25 donc, un excellent contact électrique entre la gaine polymère semiconductrice et l'écran métallique qui l'entourent, quelles que soient les déformations mécaniques imposées au câble, tout en maintenant une protection eficace de ces éléments. Cette structure de ceinture de câble facilite enfin considérablement les opérations de raccordement des câbles lors de leur installation Ce nouveau type de structure de ceinture de câble protège donc, avec une fiabili-té accrue, l'écran métallique contre la corrosion et assure une excellente mise à la terre ou une excellente radialisation du champ électrique, tout en protégeant mieux le cable lui-même en renforçant sa gaine externe. Dans les compositions d'étanchéité de gelées semi-conductrices susceptibles d'etre introduites dans la structure de ceinture de cable électrique objet de la présente invention, on utilise de 10 préférence une proportion de l'ordre de 50 à 95 % en poids de composés hydrocarbonés paraffiniques ou naphténiques, qui sont par nature incapables de diffuser à des températures de l'ordre de 50 C et plus dans le polyéthylène, polypropylène, 'polybutylène, polychlorure de vinyle ou tout autre matériau d'isolation cellulaire 1 5 entrant dans la composition de la gaine de ceinture. Ces composés hydrocarbonés peuvent être d'origine pétrolière, végétale ou synthétique On utilise avantageusement des coupes de distillation ou des huiles et/ou pétrolatum obtenues à partir de ces dernières D'une façon générale, moins de 5 % de ces huiles 20 possèdent un point d'ébullition inférieur à 350 C. Lorsqu'ils sont d'origine synthétique, ces composés hydrocarbonés sont avantageusement constitués par des polymères obtenus à partir d'oléfines possédant trois ou quatre atomes de carbone, ou par des mélanges de celles-ci On utilise alors avantageusement des coupes d'huiles synthétiques possédant une masse moléculaire en poids comprise entre 200 et 4000 et, plus particulièrement, entre 400 et 1500. A ces huiles, on ajoute, de fagon connue en soi, une charge conductrice telle qu'une poudre métallique ou d'oxyde métallique, 30 dont le métal peut être avantageusement du zinc, du cuivre ou de 1 ' aluminium, ou du noir de carbone, un mélange de noir de carbone de granulométrie en proportion variée, ou du graphite ou, enfin, un mélange de ces derniers La proportion de la charge conductrice, par rapport à celle de l'huile, est déterminée avant tout par des considérations de résistivité électrique et de viscosité de la gelée semi-conduetrice et hydrophobe recherchée, en fonction des conditions de fabrication et d' utilisation du cable électrique dans la ceinture duquel elle sera introduite Cette proportion peut donc varier entre 5 et 50 % en poids de la gelée d'étanchéité, suivant 10 les cas, et, plus particulièrement, entre 5 et 40 % Une composition particulièrement intéressante selon l'invention est obtenue par l'emploi de noirs de carbone très conducteurs du type KETJEN EC ou PITILLIPS XE 2; ces noirs, utilisables en plus faible concentration que les noirs classiques, pour une même résistivité, permettent 15 d'obtenir des compositions d'autant plus hydrophobes; la concentration de ces noirs est comprise entre 5 et 15 % en poids, selon qu'ils sont utilisés seuls ou non et selon la résistivité désirée. Dans la composition de la gelée, on peut enfin ajouter, sans 20 toutefois que cette addition soit nécessaire pour toutes les huiles, des passivateurs de métaux tels que des benzotriazoles, substitués ou non, ou toute autre substance connue en soi capable d' assurer une fonction analogue, en proportion pouvant être comprise entre O et 2 %, suivant la nature de l'huile, de la charge conductrice ou du métal entrant dans la composition du feuillard (ou armure) du cable. Les gelées semi-conductrices et hydrophobes entrant dans la structrure de ceinture de câble objet de la présente invention, présenteront de préférence les propriétés physiques suivantes: une résistivité électrique allant de 100 à 100 000 ohms/cm, 30 lorsque le cable est destiné a être mis à la terre, ou une résistivité allant de 10 à 10 000 ohms/cm pour les c bles dits homopolaires; une viscosité à 100 C comprise entre 10 000 et 100 000 centipoises une bonne adhérence au métal à basse température ( C, conformément à la norme CNET CM 35), et une température bille- anneau, mesurée selon la norme NFT 66008, supérieure à 50 C et, plus particulièrement, efrtre 100 et 2000 C. Des essais ont été effectués depuis de nombreuses années pour rendre les matériaux de gainage thermoplastique semi-conducteurs, en incorporant dans ceux-ci des métaux, des oxydes métalliques ou des noirs de carbone de qualité courante Mais, pour obtenir une conductibilité électrique suffisante, il fallait introduire des quantités importantes de charge conductrice, ce qui avait pour conséquence de détériorer les propriétés mécaniques des thermoplastiques et de nuire à leurs propriétés d' adhérence au feuillard métsallique qu'elles devaient protéger L'introduction d'une gelée semi-conductrice qui assure l'étanchéité complète entre 20 la gaine et le métal permet donc l'utilisation de matériaux de gaines aux propriétés améliorées. Parmi les polymères semi-conducteurs susceptibles d'être utilisés dans la structure de câble électrique objet de la présente invention, on trouve les compositions comprenant principalement un 25 polymère d'éthylène, ou un mélange d'un homopolymère et d'un copolymère d'éthylène, ou encore un mélange copolymère d'éthylène avec un monomère de propylène, d'acétate de vinyle, d'acrylate d'éthyle ou de tout autre monomère, de façon connue en soi On utilisera en particulier des compositions contenant plus de 70 % de 30 copolyrnère d'éthylène ou de polyéthylène haute ou moyenne densité, en vue de conférer à cette gaine la rigidité et la solidité requises Le polyéthylène utilisé pourra avoir avantageusement une densité comprise entre 0,90 et 0,95 et un indice de fluidité compris entre 0,1 et 2 On peut également utiliser tous matériaux plastiques 5 susceptibles d'incorporer les charges conductrices et, notamment, le polychlorure de vinyle plastifié. La composition de polymère contient en outre une charge conductrice, qui sera avantageusement de meme nature que celle contenue par la gelée semiconductrice entrant dans la structure de 10 ceinture de câble La proportion de cette charge peut également varier entre 5 % et 45 %, en fonction de la résistivité et de la robustesse que l'on peut attendre de ce type de gaine et des conditions d'utilisation attendues du câble électrique Pour les besoins de la mise à la terre en continue, cette proportion variera 15 avantageusement entre 8 et 15 % en poids. Les gaines polymères semi-conductrices pourront avantageusement avoir la composition suivante (% en poids) polyéthylène: 20 à 90 %, copolymère éthylène-acrylate d 'éthyle ou copolymère éthylèneacétate de vinyle 10 à 100 %, noir de carbone 5 à 20 %, mélange d' antioxydant 0,1 à 2 %. Les gaines polymères entrant dans la structure de ceinture de cable objet de la présente invention présentent de préférence les propriétés physiques suivantes résistivité allant de 100 à 100 000 ohms/cm, lorsque l'écran est destiné à la mise à la terre, ou de 10 à 10 000 ohms/cm 30 lorsqu'il s'agit de radialiser le champ au sein d'un isolant allongement à la rupture supérieur à 100 % et, de préférence, à 300 %, (Norme NFT 51 034); dureté Shore D comprise entre 35 et 70 et, de préférence, entre 50 et 70. Les gaines doivent enfin posséder une bonne résistance à la fissuration sous contrainte. Afin de vérifier la robustesse, la longévité et la qualité de la mise à la terre des structures de câbles conformes à la présente invention, la Demanderesse a procédé à des essais comparatifs entre celles-ci et des structures de câble d'un type classique. Trois câbles A, B et C, d'une longueur de 50 mètres, possédant une structure telle que celles schématisées à la figure la, pour le cable A, et à la figure 2 a, pour les cables B et C, ont ainsi été enterrés dans des terrains de nature variée. Les compositions de ces câbles sont énumérées dans le Tableau I 15 suivant: 1 C I _ _ _ __A B c. = _ l 15 20 25 Gelée d ' étanchéité semiconductrice et hydrophobe. Huile 600 H 64,5 % ( 4) APP 5 Vestoplast ( 3) 11,5 % Noir de carbone (XE 2) ( 1) 4,0 % Graphite 20,0 % JPF/B 8/7 C( 6) Antioxydant Reomet 38 ( 7) 0,05 % Petrolatum GATSCH 5 ( 4) 48 % Polybutène N'APVIS de 10 ( 5) 15 % Polyoléfine VESTOPLAST 508 ( 3) 12 % Noir de carbone XE 2 ( 1) ó Graphite JPF/B 8/7 C( 6) % Antioxydant (Reomet 38 ( 7) 0,05 % i Gaine polymère semi conductrice MARLEX 3802 ( 1) 69,8 % LVAX 360 ( 2) ,0 % Nioir de carbone XE 2 ( 1) ,0 % Antioxydant Réomet 38 0,2 MARLEX 3802 ( 1) ,8 % ELVAX 360 ( 2) ,0 % b Noir de carbone XE 2 ( 1) 9,0 % Graphite 5 % Antioxydant 0,2 r MARLEX 3802 ( 1 27,0 % ELVAX 360 ( 2) 62,9 % Noir de carbone XE 2 ( 1) 10,0 % Antioxydant Réomet 38 ( 7) 0,2 % ) e Ecran :mnéts alli que Acier Acier Aluminium J; ( 1) Produit commercialisé par PHILLIPS PETROLEUMT ( 2) Produit commercialisé par DUPONT DE NEMOURS ( 3) Produit commercialisé par VERA CHIMIE ( 4) Produit commercialisé par TOTAL ( 5) Produit commercialisé par NAPHTACHIMIE ( 6) Produit commercialisé par J, PARADE ET FILS ( 7) Produit commercialisé par CYBA GEIGY. Bien que les résistances des écrans par rapport à la terre soient comparables pour les trois types de câbles;lors de leur mise 10 en terre (de l'ordre de 10 à 25 ohms par 50 mètres), seule la résistance des écrans des câbles B et C par rapport à la terre demeure sensiblement constante dans le temps et se situe déjà entre 40 et 60 % en dessous de la résistance du cable A, au bout de deux ans,dans les mêmes conditions d'utilisation. l 5 Ainsi, dans les câbles étanches possédant la structure conforme à la présente invention, la présence d' une gelée semi-conductrice hydrophobe entre l'écran métallique et la gaine polymère semiconductrice permet à l'écran et à la gaine de demeurer constamment en contact électrique sans utilisation d'aucune mise à la terre auxiliaire de l'écran, et sans risque de corrosion accidentelle de ce dernier par suite de phénomènes de ramification consécutif S à des contacts imparfaits entre écran et gaine semi-conductrice. Des essais comparatifs additionnels ont été effectués avec deux autres types de cables, D et E, enterrés dans les menes conditions, 25 en vue de montrer la meilleure continuité électrique des structures de câble conformes à l'invention. Un premier cable D présente la structure illustrée par la figure 3 Un écran métallique annelé 14, en cuivre, entoure les fils conducteurs 21, gainés d'un isolant 22 Autour de l'écran 14 sont successivement disposés une gaine polymère semi-conductrice successivement disposés une gaine polymère semi-conductrice intermédiaire 15, un écran en acier 16 disposé en hélice et une gaine polymère externe semi-conductrice 17 o Entre les couches 14 et 15, 15 et 16, et 16 et 17 a été injectée une gelée semiconductrice, respectivement 18, 19 et 20, assurant l'étanchéité du cable. Les gaines polymères et la gelée semi-conductrice entrant dans la composition du cable D sont réalisées avec des Formulations identiques à celles du câble C précédemment décrit. Les propriétés électriques de ce câble D ont été comparées avec 10 celles d'un cable E construit sur le meme modèle, mais sans introduction de gelée semi-conductrice d'étanchéité en 18, 19 et 20. Le Tableau II ci-après donne les valeurs de résistance des écrans en ohms pour 50 mètres de câble enterrés de ces câbles D et E. TABLEAU II D E Résistance entre écran acier 16 et terre 8,15 8,5 Résistante entre écran cuivre 14 et terre 26,6 317 Résistance entre écran cuivre 14 et écran acier 16 18,8 309,5 Ce Tableau montre donc que les meilleurs résultats sont obtenus avec le cable D; en effet, si les valeurs de résistance de l'écran 1 G par rapport à la terre sont comparables, la valeur de résistance par rapport à la terre de l'écran 14, dans la version étanche ( est plus faible d'un facteur 15 environ par rapport à celle de la version Q non étanchée dudit câble, tandis que la résistance entre écrans est divisée d'un facteur de l'ordre de 10. 3 O Ainsi, dans la structure du câble D étanche, conforme à la surface métallique du ou des écrans et la gaine polymère semiconductrice, une gelée d'étanchéité semi-conductrice et hydrophobe, favorise la conductibilité électrique entre écrans et gaines, tout en assurant 1 ' étanchéité longitudinale Les trois constituants de 5 cette ceinture de câble se trouvent donc mis en contact continuel parallèle, ce qui permet d'éviter les fréquentes mises à la terre de la structure externe des câbles et de favoriser l'effet réducteur. RE VE ?;Di CATI Orf S 1. Structure de câble électrique du type comprenant au moins un écran rmétallique ( 3,10) et au moins une gaine polymère semiconductrice ( 4,9) entourant au moins un câble conducteur ( 2,6), caractérisée en ce qu'entre ledit écran métallique et ladite gaine polymère semi-conductrice est interposée une couche d'étanchéité ( 12,12) comprenant une gelée semi-conductrice et hydrophobe. 2. Structure de câble électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite gelée semi-conductrice et hydrophobe 10 possède une température bille-anneau supérieure à 50 C. 3. Structure de cble électrique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que ladite gelée semi-conductrice hydrophobe contient entre 50 et 95 % en poids d'un composé hydrocarboné de nature paraffinique ou naphténique, d'origine 15 pétrolière, végétale ou synthétique. 4. Structure de cable électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que ladite gaine polymère semiconductrice et ladite gelée semi-conductrice et hydrophobe comprennent les mêmes charges et additifs destinés à les rendre 20 semiconductrices et à les protéger. 5. Structure de câble électrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que lesdites charges et additifs comprennent du noir de carbone, et/ou du graphite, ou une poudre métallique ou d'oxyde métallique d'un métal tel que le zinc, le cuivre ou 25 1 ' aluminium. 6. Structure de câble électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que la gaine polymère semi-conductrice contient, en % en poids, entre 20 et 90 % de polyéthylène, entre 10 et 100 % d'un copolymère éthy 1 lène-acrylate d'éthyle ou d'un copolymère é 6thylène-acétate de vinyle, entre 5 et 20 % de noir de carbone et enl-re 0,1 à 2 % d' au moins un antioxydant. 7. Structure de cable électrique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les résistivités de la 5 gaine et de la gelée semi-conductrice sont chacune comprises entre 10 et 100 000 ohms/cm, lorsque la structure de ceinture de cable est, destinée à mettre l' écran métallique à la terre. 8. Structure de câble électrique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les résistivités de la gaine et 1 O de la gelée semi-conductrice sont chacune comprises entre 10 et 000 ohms/cm, en vue de radiatiser le champ au sein de l'isolant. 9- Structure de câble électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que la gelée et la gaine contiennent en outre des pnssivateurs de métaux. 1 5 10 Structure de câble électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'écran métallique est constitué en acier, en zinc, en cuivre ou en aluminium. 11. Utilisation des câbles possédant une structure selon 1 ' une des revendications 1 à 10, pour la mise à la térre continue de 20 conducteurs électriques. 12. Utilisation des cables possédant une structure de ceinture selon 1 ' une des revendications 1 à 10, pour la radialisation des champs électriques au sein de l'isolant.