Brevet FR2553227A1 — publié le 19850412

' L'invention concerne un procédé de régulation pour une installation de câble refroidie par liquide, comprenant comme câble conducteur un conducteur creux traversé par un réfrigérant et dont l'espace creux est subdivisé par des parois intermédiaires dans le sens longitudinal, de manière qu'il en résulte des canaux séparés pour l'arrivée et le retour du réfrigérant, ce dernier se trouvant alors en contact avec le conducteur à un potentiel de tension élevée, et des réfrigérants à reflux étant prévus respectivement au début et à la fin de l'installation de câble ou bien à des stations intermédiaires Une telle installation de câble refroidie par liquide est connue de par le document DE-PS 22 52 925 De l'eau est alors utilisée comme réfrigérant. L'utilisation de courant continu à tension élevée pour la transmission d'énergie par l'intermédiaire de câble a l'avantage essentiel qu'aucune puissance de charge n'est nécessitée par le câble La section transversale de cuivre du câble peut alors être utilisée pleinement pour la trans20 mission du courant efficace, en particulier du fait qu'également aucun "effet de peau" n'a lieu Un autre avantage très essentiel vis-à-vis de l'utilisation de courant triphasé est qu'on peut utiliser dans le diélectrique du câble une intensité de champ bien plus élevée, c'est-àdire qu'avec 25 la même tension on a une épaisseur d'isolation bien plus faible Par conséquent, avec un câble de mêmes dimensions on peut transmettre, en utilisant du courant continu, un courant bien plus grand et, en outre, employer une tension bien plus élevée Ainsi, on peut transmettre dans chaque 30 câble,par comparaison avec la technique des courants triphasés,un multiple de la puissance. On a essayé de compenser ou à tout le moins de diminuer cet inconvénient lors de la transmission de courant triphasé par l'emploi de câbles refroidis artificiellement. On a employé à cet effet aussi bien le refroidissement externe du câble que le refroidissement interne et, dans ce cas, l'âme du câble est réalisée comme un conducteur creux Le refroi- dissement externe pose moins de problème car le réfrigérant, qui est la plupart des cas de l'eau à cause de ses propriétés thermiques, n'est pas mis en contact avec des pièces soumises à une tension. Il est évident d'utiliser les avantages des câbles à refroidissement forcé également pour la transmission du courant continu On se heurte cependant à un problème spécifique des courants continus pour ce qui concerne le refroidissement extérieur du câble La décroissance de la tension 10 dans l'isolation d'un câble à courant continu est déterminée au contraire de la tension alternative par la résistance ohmique de la matière d'isolation (en général du papier trempé dans de l'huile) dans le cas de la tension continue. Selon ce qu'on pouvait attendre, l'intensité de champ la s 15 plus haute se trouve sur le bord interne de l'isolation, c'est-à-dire à la surface du câble conducteur, car ici la résistance ohmique par millimètre d'épaisseur d'isolation est la plus grande à cause de la géométrie Cependant, la résistance ohmique du papier du câble dépend fortement de la température; par rapport à la température ambiante, le papier chauffé à la température habituelle de fonctionnement d'un câble peut présenter une résistance spécifique plus faible de quelques ordres de grandeur Ce qui a pour conséquence que lorsque le câble pour courant continu est entièrement chargé, les rapports d'intensité de champ s'inversent carrément,c'est-à-dire que l'intensité dechamp la plus grande se trouve maintenant sur la périphérie externe de l'isolation et ainsi, à l'extrémité froide. De ce fait, un refroidissement extérieur du câble 30 accroît le gradiant de température sur l'isolation du câble et provoque ainsi une élévation relative encore plus grande de l'intensité du champ sur le bord externe de l'isolationpar comparaison avec le bord interne Cette technique a donc des limites étroites, c'est-à-dire qu'on ne peut augmenter notablement, avec un refroidissement externe, la capacité de transmission d'un câble à courant continu. Tout à fait à l'opposé, la charge de courant peut 255392 ' être grandement accrue avec un cable à courant continu refroidi intérieurement,car le flux thermique est dévié principalement vers l'intérieur, à savoir vers le réfrigérant, et non au contraire vers l'extérieur par l'isolation ducâble L'effet non désiré,mentionné cidessus, de l'élévation dépendant de la charge de l'intensité du champ sur le bord externe de l'isolation du câble est ici largement évité Lors du refroidissement interne, il y a naturellement le problème consistant en ce-que le réfrigérant, par 10 exemple de l'eau, soit élevé au potentiel du câble conducteur. Dans le cas connu, ce problème est pallié du fait que tous les dispositifs nécessaires pour la circulation et le refroidissement de l'eau se trouvent également au potentiel de haute tension, par exemple les échangeurs de chaleur doi15 vent être montés de façon isolée et les ensembles d'aération doivent être commandés par l'intermédiaire d'arbres isolés. De même, les pompes doivent être entraînées par des arbres isolés ou doivent être alimentés par un transformateur ayant des enroulements isolés les uns des autres Un tel arrange20 ment a alors pour conséquence naturelle de devoir prévoir des dispositifs pour une transmission sans contact de données et de grandeurs derégulation entre le potentiel de la haute tension et la masse. Ceci est désavantageux,car la maintenance des dis25 positifs de refroidissement n'est possible que lors de la mise hors circuit du câble et la régulation ne peut être adaptée que très grossièrement par un refroidissement d'air forcé aux conditions de température. Sur ces-entrefaites, la technique de transmission 30 d'énergie avec courant continu haute tension a développé et utilisé des valves à thyristor refroidies par eau qui permettent, de façon techniquement fiable avec des dépenses économiquement admissibles, de shunter une différence de potentiel allant jusqu'à 500 k V de tension continue avec de l'eau dé35 sionisée et avec une chaleur de perte à dériver qui correspond au total à une étendue de câble d'une longueur de 30 à 50 km. Par l'utilisation de la technique connue des courants 255322 ' continus à haute tension, il est également possible de mettre au potentiel de la masse une étendue de câble suffisamment longue avec des installations de refroidissament à maintenance ú avorable et des dispositifs de régulation. Lors de la réalisation évidente du cable avec un conducteur creux qui est traversé par le réfrigérant dans une direction, un chauffage de l'eau de refroidissement a lieu à peu près selon un gradient de température constant par unité de longueur De ce fait, il y a forcément une différence en température absolue du réfrigérant et ainsi également du câble entre l'emplacement d'entrée et l'emplacement de sortie de l'eau de refroidissement Cet effet,même affaibli,mène alors à l'influence négative mentionnée ci-dessus sur la répartition de l'intensité de champ dans le diélectrique du câble en fonc15 tion de la charge du câble. On peut éviter cet effet négatif lorsque le conducteur interne creux du réfrigérant est subdivisé, comme dans le cas connu, par des parois intermédiaires, de manière que des canaux séparés en résultent pour l'arrivée et le retour 20 du réfrigérant, des canaux d'arrivée et de retour présentant alors la même surface de contact par rapport au câble conducteur et, de ce fait, la valeur moyenne respective ( 4)) de la température du fluide d'arrivée) et du fluide de retour (l R) demeure constante à peu près sur toute la lon25 gueur du câble avec le même apport de chaleur par unité de longueur, et ainsi la température sur le bord externe du câble conducteur demeure pratiquement constante sur toute la longueur de la section de câble. Bien que la réalisation de câble ainsi décrite fournisse la même température sur toute la longueur du câble, malgré tout la température de surface du cable conducteur demeure dépendante de la charge à cause de la montée en température du réfrigérant qui dépend de la chaleur fournie. Le problème qui est à la base de la présente in35 vention est donc d'obtenir un procédé de régulation pour une installation de câble refroidie par liquide du type mentionné ci-dessus, et à l'aide duquel on puisse maintenir constante 255322 ' la température à la surface du conducteur métallique creux et ainsi l'intensité de champ dans le diélectrique du câble indépendamment du courant de charge ou de la charge du câble. Ce problème est résolu selon la présente invention en ce que la température d'arrivée au câble du réfrigérant, par l'influence des réfrigérants à reflux,est réduite lorsque la charge du cable augmente, et à l'inverse est augmentée lorsque la charge diminue, de telle manière que la valeur moyenne dufluide réfrigérant demeure constante. Les avantages obtenus selon la présente invention sont, en particulier, qu'une température très uniforme est produite sur toute la longueur du câble A cause de la régulation exacte de température, l'intensité de champ demeure également constante le long de l'étendue du câble, ce qui rend possible une conception à tolérance étroite et donc économique de l'installation de câble, sans craindre des percements dus à la tension à la suite d'une élévation de l'intensité de champ. D'autres caractéristiques et avantages de la pré20 sente invention résulteront de la description détaillée qui va suivre d'exemples de réalisation, qui est faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels: la figure 1 est une vue en coupe longitudinale de la structure d'une installation de câble refroidie par liquide; 25 la figure 2 montre l'évolution de la température le long de sections individuelles du câble; la figure 3 est une vue en section transversale du câble refroidi par liquide; la figure 4 montre la commande de la température 30 d'arrivée a câble en fonction de la charge; et la figure 5 montre la commande en fonction de la charge de la valeur moyenne de température de l'arrivée et du retour. La figure 1 montre la structure d'une installation 35 de câble refroidie par liquide en coupe longitudinale Il s'agit du câble d'une installation de transmission à courant continu et haute tension dans lequel le réfrigérant, de pré- 255322 ' férence de l'eau désionisée, est déplacé en va-et-vient dans le conducteur creux intérieur du câble Le câble courant continu haute tension est subdivisé pour rendre possible une meilleure régulation en plusieurs sections de câble reliées directement électriquement, mais cependant séparées hydrauliquement, la figure 1 montrant, par exemple, quatre de telles sections de câble. Lorsqu'il y a des étendues de câble assez courtes, on peut se passer totalement de la subdivision en sections séparées 10 hydraultquement, ce qui fait que l'installation de câble ne contient qu'un dispositif de refroidissement a reflux. Une telle section de câble 1 courant continu et haute tension présente une couche externe d'isolation 2 (diélectrique du câble, par exemple papier trempé dans l'huile) 15 ainsi qu'un conducteur métallique creux interne 3 La structure des autres sections de câble indiquée ci-dessous, est du même type La couche externe d'isolation 2 peut être munie d'une enveloppe de protection non représentée pour améliorer la résistance mncanique Le conducteur creux métallique interne 20 3 est subdivisé en deux par une paroi intermédiaire dans le sens longitudinal pour produire deux canaux de refroidissement séparés hydrauliquement De cette manière, on forme un premier canal de retour 4 et un premier canal d'arrivée 5 Ces deux premiers canaux sont reliés à un premier réfrigérant à reflux 7 par l'intermédiaire d'une première section de raccord 6 Les-flèches se trouvant dans les canaux caractérisent respectivement la direction d'écoulement du réfrigérant. La section de raccord 6 sert, en outre, à rac30 corder hydrauliquement un deuxième canal de retour 8 et un deuxième canal d'arrivée 9 d'une deuxième section de câble 10 courant continu et haute tension sur le réfrigérant à reflux 7 Les deux sections de câble 1 et 10 sont au même potentiel de tension continue mais sont séparées l'une de l'autre cependant hydrauliquement et présentent des circuits respectifs de refroidissement séparés. Une troisième section de câble 11 courant continu et haute tension avec un troisième canal de retour 12 et un troisième canal d'arrivée 13 est raccordé par l'intermédiaire d'une deuxième section de raccord 14 sur un deuxième réfrigérant à reflux 15 Cette troisième section5 de câble 11 présente à peu près la même longueur que la première section de câble 1 et elle est reliée à cette dernière électriquement et directement Pour obtenir une séparation hydraulique des deux sections de câble 1, 11, on prévoit une paroi de séparation 16 dans la cavité du conducteur métallique 10 3, cette paroi séparant à la fois les deux canaux de retour 4, 12, et les deux canaux d'arrivée 5, 13 Au moyen d'unorifice de traversée 17 près de la paroi de séparation 16, on réalise une liaison hydraulique entre le canal de retour 4 et le canald'arrivée 5 de la première section de câble 1 De même, un orifice de traversée 18, près de la paroi de séparation 16, sert à un raccordement direct du canal d'arrivée 13 sur le canal de retour 12 de la troisième section de câble 11. Le réfrigérant à reflux 15 est, en outre, relié par l'intermédiaire du raccord 14 à un qua20 trième canal de retour 19 et à un quatrième canal d'arrivée20 d'une quatrième section de câble 21 courant continu et haute tension. Le câble de l'installation de courant continu et haute tension peut présenteren plus des quatre sections de 25 câbles 1, 10, 11 et 21 représentées et décrites, d'autres sections de câble possédant respectivement leur propre circuit de refroidissement avec un réfrigérant à reflux Ainsi, il est, par exemple, possible que les deux sections de câble 10 et 21 soient respectivement reliées avec d'autres sections decâbie (non représentées) qui sont refroidies à nouveau par leur propre réfrigérant à reflux On prévoit alorspour la séparation hydraulique, d'autres parois de séparation dans le conducteur métallique creux 3, chaque fois à l'emplacement du milieu du câble 35 entre deux réfrigérants à reflux. On peut également monter hydrauliquement en série deux sections respectives, la paroi de séparation 16 ainsi 25532 Z 7 que les orifices 17 et 18 de la figure I étant alors absents. Les deux réfrigérants à reflux 7 et 15 correspondants sont alors montés également hydrauliquement en série. Le shuntage de la différence de potentiel frappant 5 le liquide de réfrigération entre le conducteur creux 3 conduisant la tension du câble courant continu et haute tension, et la masse, a lieu dans les réfrigérants à reflux 7 et 15 La technique utilisée ici est analogue à la technique généralement connue de courant continu et de haute 10 tension pour le refroidissement par liquide des valves de convertisseur de courant Lors de l'introduction d'eau comme réfrigérant, on forme, par une conformation appropri 4 e des canaux éventuellement sinueux, des trajets hydrauliques allongés de manière à réduire de façon fiable le potentiel 15 élevé de tension continue. Après réduction de la différence de potentiel, le refroidissement du liquide réfrigérant a lieu à l'aide d'échangeurs de chaleur eau-eau ou eau-air (circuits externes de refroidissementàreflux De ce fait, tous les dispositifs auxiliaires et les dispositifs de mesure du circuit de refroidissement se trouvent avantageusement au potentiel de la masse. On peut nommer comme dispositifs auxiliaires, en particulier, la soufflante éventuellement nécessaire pour refroidir en reflux le liquide de refroidissement (avec des échangeurs de chaleur eau-air) et les pompes de circulation nécessaires pour faire circuler le liquide de refroidissement primaire et secondaire (avec des échangeurs de chaleur eau-eau) On prévoit comme dispositifs de mesure des appareils de mesure de débit et des appareils de mesure de température sur les canaux 30 d'arrivée et de retour. La figure 2 représente l'évolution de la temperature le long de-sections séparées de câble -de l'installation de câbles courant continu et haute tension Au canal d'arrivée de la première section de câble 1, on amène le liquide 35 de refroidissement du- réfrigérant à reflux 7 par l'intermédiaire du raccord 6 à une température d'arrivée au câblejz* Le liquide de refroidissement,à la suite de la chaleur de puissance de perte qui survient lors du fonctionnement du câble à courant continu, est chauffé de façon continuelle le long de l'étendue de câble 1 et atteint, sur la paroi de séparation 16 ou l'orifice de traversée 17,une valeur moyenne de température Gm L'évolution de la température d'arrivée au câble est alors désignée par 'Z, l'évolution linéaire de la température - Z 1 correspondant alors à l'hypothèse irréaliste d'une isolation thermique entre le canal d'arrivée et le canal de retour,tandis que l'évolution 10 courbe de température 4 Z 2 tient compte de l'isolation thermique incomplète entre les canaux. Le liquide de refroidissement parvient après la traversée de l'orifice 17 dans le canal de retour 4 et y est davantage chauffé L'évolution de la température de retour 15 au câble est alors désignée par OR Lors de la sortie hors du canal 4 et de l'entrée dans le réfrigérant à reflux 7 par le raccord 6, le liquide de refroidissement présente la température de retour au câble -R* L'évolution Ri de température ^FR 1 est alors valable à nouveau lors d'une 20 isolation thermique idéale entre les deux canaux longitudinaux et l'évolution de température R 2 correspond à l'isolation thermique réaliste incomplète. On voit de par la figure 2 que cette isolation thermique incomplète n'a aucune influence sur le mode d'agis25 sement du schéma de refroidissement, car l'évolution O m de la valeur moyenne de température de l'arrivée et du retour = (^ + 'Z)/2 est constante le long de la section de câble 1. Cette valeur moyenne de température Vm demeure 30 également constante le long de la section de câble 11 qui s'y raccorde et elle est de la même hauteur qu'avec la section de câble 1 Le liquide de refroidissement est alors amené au canal d'arrivée 13 par l'intermédiaire du raccord 14,par le réfrigérant à reflux 15 avec une température A z*, traverse l'orifice de passage 18 avec une température m et parvient par le canal de retour 12 et le raccord 14 à nouveau dans le réfrigérant à reflux 255322 ? avec une température-R* Les courbes de température le long de la section de câble 11 sont désignées à nouveau par V Rl VLR 2, f Z\' Z 2 La figure 3 représente la câble refroidi par li5 quide en section transversale On peut y voir la couche externe d'isolation 2 ainsi que le conducteur métallique 3 interne en forme de cylindre creux Pour former des canaux d'arrivée 4, 8, 12, 19 d'une part, ainsi que des canaux de retour 5, 9, 13, 20, d'autre part, le conducteur creux 3 est 10 subdivisé de façon semi-circulaire dans sa-cavité. La cavité du conducteur creux 3 peut en outre être divisée également par des corps de séparation à peu près en forme de croix de manière que deux canaux d'arrivée et deux canaux de retour soient-formés et que deux canaux respectifs opposés 15 en diagonale soient montés en parallèle selon la technique du refroidissement. A cause du dégagement thermique réparti du câble, un échauffement du liquide de refroidissement a lieu selon à peu près un gradient constant de température par unité de longueur Comme les canaux d'arrivée et de retour présentent la même surface de contact par rapport au câble conducteur produisant de la chaleur, la fourniture de chaleur par unité de longueur est à peu près constante sur toute la longueur du câble A cause de la valeur moyenne constante 25 de température"'m sur toute la longueur du câble, la température du câble conducteur demeure également constante, ce qui a avantageusement pour conséquence une intensité de champ constante dans le diélectrique sur toute la longueur du câble. La structure du câble décrite ci-dessus garantit, 30 par l'emploi du principe du contre-courant,une valeur moyenne de température constante sur toute la longueur du câble. Malgré cela, la température du conducteur creux 3 demeure dépendante de la charge à-cause de la montée de température du réfrigérant dépendant de la chaleur amenée De ce fait, 35 la température d'arrivée au câble-Lz* du réfrigérant est commandée de telle manière,par l'influence du circuit secondaire de refroidissement (par exemple, soufflante) dans les réfrigérants à reflux, que la valeur moyenne de température 4 frm de l'arrivée et du retour est maintenue constante indépendamment de la charge. A cet effet, la figure 4 montre comment la tempé5 rature d'arrivée au câble est commandée en fonction de la charge On prend comme mesure de la charge du câble la différence Av R* e * entre les températures de retour et d'arriR Z vée Cette différence est proportionnelle à la charge lors d'un écoulement constant du liquide de refroidissement Lors10 que la charge augmente, la température d'arrivée au câble \z* diminue,de sorte que la valeur moyenne de température 2 m demeure constante. Cependant, le gradient de température dépendant de la charge entre les surfaces externe et interne du conduc15 teur creux 3 n'est pas considérée ici Si la température de surface du conducteur creux 3, et ainsi l'intensité de champ dans la couche d'isolation 2 (diélectrique du câble) sont déterminées indépendamment de la charge, la valeur moyenne de température v de l'arrivée et du retour doit être com20 mandée en fonction de la charge. A cet effet, la figure 5 représente comment la valeur moyenne de température 4 'em est commandée en fonction de la charge Comme mesure de la charge, on a pris à nouveau la différence de température 4 R* ez*, la constante de temps thermique du câble étant alors simultanément prise en compte Lorsque la charge augmente, la valeur moyenne de température ?m de l'arrivée et du retour diminue, de sorte que la température de surface du câble conducteur 3 et ainsi l'intensité de champ dans la couche d'isolation 2 demeurent 30 constantes Pour faire baisser la valeur moyenne de température en fonction de la charge, il faut abaisser plus fortement la température d'arrivée au câble 4 z* lorsque la charge augmente,par rapport au cas de la régulation constante de -\m illustré à la figure 4. 255322 ' REVENDICATIONS 1 Procédé de régulation pour une installation de câble refroidie par liquide comprenant comme câble conducteur un conducteur creux traversé par un réfrigérant et dont l'espace creux est subdivisé par des parois intermédiaires dans le sens longitudinal, de manière qu'il en résulte des canaux séparés pour l'arrivée et le retour du réfrigérant, ce dernier setrouvant alors en contact avec le conducteur à un potentiel de tension élevée et des réfrigérants -à reflux étant prévus respectivement au début et à la fin de l'installation de câble ou bien à des stations intermédiaires, procédé caractérisé en ce que la température d'arrivée au câble 44 *) du réfrigérant, par l'influence des réfrigérants à reflux ( 7, 15), est réduite lorsque la charge du câble augmente et à l'inverse est augmentée lorsque la charge diminue, de telle manière que la valeur moyenne du réfrigérant (l Fm) demeure onstan M 2 Procédé de régulation selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on prend comme mesure de la charge du 20 câble la différence entre la température de retour au câble v JR*) et la température d'arrivée au câble ( 3 Procédé de régulation selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la valeur 25 moyenne de température (/m) entre la température de retour au câble (AR*) et la température d'arrivée au câble Z*) du réfrigérant diminue lorsqu'augmente la charge du câble et,à l'inverse,augmente lorsque tombe ladite charge,de telle manière que la température de surface du cable conducteur 30 est maintenue constante indépendamment de la charge.