Brevet FR2710184A1 — publié le 19950324

Câble d'énergie à rigidité diélectrique améliorée. La présente invention concerne les câbles d'énergie en haute tension et à courant continu. Elle porte plus particulièrement sur un tel câble d'énergie à rigidité diélectrique améliorée. Ce câble d'énergie comporte un isolant polymérique de préférence extrudé. En général l'isolant recouvre un écran semi-conducteur interne, recouvrant lui-même l'âme conductrice du câble, et est recouvert d'un écran semiconducteur externe. Cet isolant polymérique présente une rigidité diélectrique intrinsèque élevée. Sa rigidité diélectrique pratique, obtenue sur le câble, est inférieure à sa rigidité intrinsèque. Cette différence est due essentiellement à la présence d'impuretés ou de cavités, qui se sont introduites ou formées avant et/ou pendant la mise en oeuvre de l'isolant sur le câble, donnent lieu à des concentrations locales de champ électrique dans l'isolant et sont à l'origine de possibles défauts électriques à travers l'isolant du câble. Le document JP-A-2-18811 décrit un câble d'énergie à isolant polymérique contenant de 0,2 à 1,5% en poids de noir de carbone. L'isolant ainsi modifié peut être mis en oeuvre directement sur l'âme conductrice du câble. La faible quantité de noir de carbone qu'il contient réduit les risques de défauts électriques pouvant être dûs aux irrégularités périphériques de l'âme et aux impuretés ou cavités internes de l'isolant, en améliorant l'homogénéité de répartition du champ électrique et donc la fiabilité du câble. Elle confère à l'isolant une légère conductivité électrique, en tant que telle faible mais non nulle. Cette conductivité est constante et directement liée à la conductivité électrique intrinsèque du noir de carbone, typiquement de 10 à 100 S/cm, contenu dans l'isolant. Elle favorise les courants de fuite dans l'isolant et augmente ses pertes diélectriques. Elle diminue la rigidité diélectrique intrinsèque de l'isolant ainsi modifié et par là sa rigidité diélectrique pratique sur le câble, ceci indépendamment de la présence ou non d'irrégularités ou de cavités internes. La présente invention a pour but de réaliser un câble d'énergie dont l'isolant polymérique est de rigidité diélectrique élevée, qui ne s'adapte que localement à de possibles impuretés ou cavités. Elle a pour objet un câble d'énergie à rigidité diélectrique améliorée, comportant une âme électrique et une première couche diélectrique polymérique d'isolation de ladite âme, caractérisé en ce que ladite première couche diélectrique est constituée par une matrice polymérique isolante contenant au moins un polymère conducteur, incorporé avec un taux massique au plus égal à 5% dans ladite matrice polymérique et choisi parmi des polymères non dopés, des polymères dédopés et des polymères autodopés. Le câble selon l'invention présente avantageusement en outre au moins l'une des caractéristiques additionnelles suivantes: - le câble comporte en outre un écran semi-conducteur interne, entre l'âme et la première couche polymérique d'isolation, et un écran semi-conducteur externe, entre ladite première couche polymérique d'isolation et une gaine extérieure de protection, chacun constitué par une matrice polymérique isolante contenant de 5 à 70% en masse d'au moins un polymère conducteur choisi parmi les polymères non dopés, les polymères dédopés et les polymères autodopés; - il comporte en outre une deuxième couche diélectrique supplémentaire interne, sous-jacente à ladite première couche diélectrique, et une troisième couche diélectrique, supplémentaire externe, recouvrant ladite première couche diélectrique, chacune constituée par une matrice polymérique isolante contenant un taux compris entre 5 et 20% en masse de polymère conducteur, choisi parmi les polymères non dopés dédopés et autodopés et de préférence parmi les seuls polymères non dopés et dédopés; - au moins l'une desdites deuxième et troisième couches diélectriques comporte plusieurs couches élémentaires, ayant entre elles des taux différents de polymère conducteur, ces taux étant décroissants dans les couches élémentaires de ladite deuxième couche diélectrique, depuis celle des couches élémentaires la plus interne, et étant croissants dans les couches élémentaires successives de ladite troisième couche diélectrique, depuis la couche élémentaire la plus interne de cette troisième couche diélectrique. Les caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après en référence aux dessins ci-annexés. Dans ces dessins: - La figure 1 est une vue en coupe d'un câble d'énergie selon l'invention. - La figure 2 est une vue en coupe d'une variante de réalisation du câble de la figure 1. Le câble représenté dans la figure 1 comporte une âme conductrice 1, formée par un toron conducteur mais pouvant aussi bien formée par un conducteur unique, qui est entourée d'un écran semi-conducteur interne 2, lui-même entouré d'une couche diélectrique d'isolation 3, à son tour entourée d'un écran semi-conducteur externe 4. Une gaine de protection 5 entoure l'écran semi-conducteur externe 4 et assure la protection du câble. Elle est en particulier en plomb ou en alliage de plomb. Elle peut être isolante et alors de préférence associée à un écran métallique de masse directement sous-jacent. Dans ce câble, la couche diélectrique d'isolation 3 est constituée par une matrice polymérique isolante et au moins un polymère conducteur, qui est choisi parmi les polymères non dopés, les polymères dopés et alors dédopés et les polymères autodopés et est incorporé dans la matrice, avec un taux inférieur ou égal à 5%, en masse. Cette couche diélectrique 3 présente une conductivité électrique quasi-nulle, en l'absence d'impuretés, cavités ou autres, dites globalement défauts, dans l'une de ses zones le long de câble. Sa conductivité ou sa constante diélectrique, selon le type de polymère conducteur qu'il contient en quantité limitée, croît de manière substantielle localement, en présence d'un défaut en un point quelconque, en étant variable d'un point à un autre en fonction des défauts en ces points. Cette couche diélectrique 3 est dite en conséquence auto-adaptative localement selon les différents défauts qu'elle présente. Elle permet ainsi d'homogénéiser la répartition du champ électrique à travers elle sur toute la longueur du câble, en réduisant les risques de claquage dûs à ces défauts. L'un ou chacun des écrans semi-conducteurs interne 2 et externe 4 est avantageusement du type de celui décrit dans le document EP-A-0507676, qui est constitué par une matrice polymérique isolante et au moins un polymère conducteur, ce dernier étant choisi parmi des polymères dopés et des polymères dopés et alors dédopés et étant incorporé dans la matrice polymérique avec un taux de 5 à 70% en masse. En variante tout aussi avantageuse, l'un ou chacun de ces écrans semi-conducteurs est constitué par une matrice polymérique isolante et au moins un polymère conducteur autodopé en particulier du type de celui décrit dans le document EP-A-0512926, qui est incorporé avec un taux massique supérieur à 5% dans la matrice polymérique. La matrice polymérique de la couche diélectrique 3 comprend, comme celle des écrans semi-conducteurs 2 et 4, au moins un polymère thermoplastique, choisi parmi les résines acryliques, styréniques, vinyliques et cellulosiques, les polyoléfines, les polymères fluorés, les polyéthers, les polyimides, les polycarbonates, les polyuréthannes, les silicones, leurs copolymères, et les mélanges entre homopolymères et entre homopolymères et copolymères. En particulier, ce polymère thermoplastique est choisi parmi le polypropylène (PP), le polyéthylène (PE), le copolymère d'éthylène et d'acétate de vinyle (EVA), 1 'éthylène-proprylène-diène-monomère (EPDM), le polyvinylidène fluoré (PVDF), 1 'éthylène-butylacrylate (EBA), seuls ou en mélange. En variante, la matrice polymérique comprend au moins un polymère thermodurcissable choisi parmi les polyesters, les résines époxydes et les résines phénoliques. Le ou les polymères non dopés ou dopés et alors dédopés de la couche semi-conductrice 3, comme celui ou ceux possibles des écrans semi-conducteurs 2 et 4, sont choisis dans le groupe comprenant la polyaniline, le polythiophène, le polypyrrole, le polyacétylène, le polyparaphénylène, les polyalkylthiophènes, leurs dérivés et leurs mélanges. Ces polymères non dopés et dédopés ne contiennent pas de groupements ioniques. Leur conductivité électrique intrinsèque est très faible et de l'ordre de 10-7 à 10-8 S/cm. La conductivité de la couche diélectrique 3, contenant au plus 5% du polymère non dopé ou dédopé, est de l'ordre et même inférieure à 10-16 S/cm aux bas champs électriques, c'est-àdire en l'absence de défauts ou en présence de défauts négligeables, ce qui ne dégrade pas la rigidité diélectrique élevée de cette couche. Elle peut être localement de l'ordre de 10-9 S/cm aux champs électriques élevés en présence de défauts, ce qui ne dégrade que localement et de manière adaptée aux défauts la rigidité diélectrique mais permet la répartition des champs élevés en ces points en évitant les risques de claquage résultants. Le ou les polymères autodopés de la couche semiconductrice 3, comme celui ou ceux possibles des écrans semi-conducteurs 2 et 4, sont choisis parmi les polyanilines autodopées présentant des noyaux benzéniques ou benzéniques et quinoniques, qui portent des greffons constitués pour les uns par un radical hydrocarboné, comportant de 2 à 8 atomes de carbone et interrompu par au moins un hétéro-atome, et pour les autres par une fonction acide fort ou un de ses sels, ledit hétéro-atome étant lui-même choisi parmi O et S et la fonction acide fort parmi les résidus d'acides sulfonique, phosphonique et phosphorique ou de leurs sels. La conductivité électrique intrinsèque de ces polymères autodopés est en moyenne de l'ordre de 10-3 à 10-2 S/cm. Elle est en outre ajustable à souhait entre 10-5 à 1 S/cm, par variation du rapport moléculaire des deux types de greffons. La conductivité électrique de la couche diélectrique, constituée par la matrice polymérique ci-avant à laquelle est ajouté au plus 5% en masse de ce polymère autodopé, est elle-même ajustable et en moyenne de l'ordre de 10-5 à 10-6 S/cm aux bas champs électriques. Cette rigidité diélectrique baisse avec l'augmentation du champ électrique. Par contre, la constante diélectrique d'une telle couche diélectrique croît fortement avec les champs électriques élevés et permet alors de supporter sans problème une concentration locale importante de charges d'espace et de répartir ces charges. En variante donnée par rapport à cette figure 1 et non représentée, la couche diélectrique 3 précitée entoure directement l'âme du câble et est directement recouverte par la gaine de protection 5, les deux écrans semi-conducteurs interne et externe étant supprimés. Dans la variante de réalisation selon la figure 2, les références identiques à celles de la figure 1 désignent des parties identiques à celles de cette figure 1. Le câble représenté dans cette figure 2, comporte une couche diélectrique interne 7, entre l'âme conductrice 1 et la couche diélectrique 3, et une couche diélectrique externe 8, entre la couche diélectrique 3 et la gaine de protection 5. Chacune de ces deux couches diélectriques 7 et 8 est constituée par au moins l'un des polymères de la matrice polymérique isolante précitée et au moins un polymère conducteur incorporé dans cette matrice, avec un taux de 5 à 20% en masse. Son polymère conducteur est au moins l'un des trois types polymères conducteurs précités, mais est de préférence choisi parmi les seuls polymères non dopés ou dédopés. Il est ajouté à la matrice polymérique de la couche diélectrique à taux inférieur ou égal à 20% en masse et supérieur à 5%. La conductivité électrique de ces couches diélectriques interne et externe à polymère dopé ou non dopé peut en atteindre quelques Siemens/cm, lorsqu'elles sont soumises à des champs électriques élevés. En variante donnée par rapport à cette figure 2, le câble comporte deux écrans semi-conducteurs comme dans la figure 1, celui interne étant recouvert par la couche diélectrique interne 7 et celui externe recouvrant la couche diélectrique externe 8. En variante également, illustrée en pointillés sur cette même figure 2, l'une ou chacune des couches diélectriques interne 7 et externe 8 est divisée en plusieurs couches élémentaires, telles 7A et 7B et 8A et 8B, ayant un taux massique de polymère conducteur qui reste compris entre 5 et 20% mais est différent d'une couche élémentaire à l'autre. Ce taux de polymère conducteur des couches élémentaires de la couche interne 7 est décroissant successivement, depuis la couche élémentaire la plus interne 7A en contact avec l'âme. Il est par contre croissant dans la couche externe 8, depuis la couche élémentaire la plus interne 8A en contact avec la couche diélectrique 3 jusqu'à la couche élémentaire la plus extérieure 8B en contact avec la gaine de protection 5. Les couches diélectriques interne 7 et externe 8 ou leurs éventuelles couches élémentaires jouent le rôle d'écrans semi-conducteurs interne et externe lorsqu'elles sont soumises à des champs électriques élevés, qui sont dûs à leurs défauts internes et en outre aux irrégularités périphériques de l'âme conductrice ou à des défauts de la gaine de protection. Elles jouent le rôle de couche diélectrique aux bas champs électriques. Parmi les principaux avantages que présentent les câbles d'énergie selon l'invention et qui conduisent à une plus grande fiabilité de ces câbles d'énergie, on cite notamment: - l'augmentation globale de la rigidité diélectrique du câble, due d'une part à la rigidité diélectrique intrinsèque laissée élevée de la ou des couches diélectriques de ce câble et d'autre part à la rigidité diélectrique pratique résultante, qui reste égale à cette valeur intrinsèque dans toutes les zones exemptes de défauts et n'est modifiée que localement en présence d'un défaut et en fonction de ce défaut, - une augmentation du champ électrique maximal admissible localement, pouvant passer d'une valeur typique de l'ordre de 10 KV/mm dans certains types de câbles d'énergie selon l'art connu à une valeur de 20 à 30 KV/mm dans ces mêmes types de câbles selon l'invention, - une augmentation possible de l'énergie transmise par le câble, par augmentation de la haute tension de service des câbles, - diminution de l'épaisseur de la couche diélectrique d'isolation, à performances des câbles conservées. REVENDICATIONS 1/ Câble d'énergie à rigidité diélectrique améliorée, comportant une âme électrique et une première couche diélectrique polymérique d'isolation de ladite âme, caractérisé en ce que ladite première couche diélectrique est constituée par une matrice polymérique isolante contenant au moins un polymère conducteur, incorporé avec un taux massique au plus égal à 5% dans ladite matrice polymérique et choisi parmi des polymères non dopés, des polymères dédopés et des polymères autodopés. 2/ Câble selon la revendication 1, comportant en outre un écran semi-conducteur interne, entre l'âme et la première couche diélectrique, et un écran semi-conducteur externe, entre ladite première couche diélectrique et une gaine extérieure de protection, caractérisé en ce que chacun desdits écrans est constitué par une matrice polymérique isolante contenant de 5 à 70% en masse d'au moins un polymère conducteur choisi parmi les polymères non dopés, les polymères dédopés et les polymères autodopés. 3/ Câble selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une deuxième couche diélectrique supplémentaire interne (7), sous-jacente à ladite première couche diélectrique (3), et une troisième couche diélectrique supplémentaire externe (8), recouvrant ladite première couche diélectrique (3), chacune constituée par une matrice polymérique isolante contenant un taux compris entre 5 et 20% en masse de polymère conducteur choisi parmi les polymères non dopés, dédopés et autodopés. 4/ Câble selon la revendication 3, caractérisé en ce que au moins l'une des deuxième et troisième couches diélectriques comporte plusieurs couches élémentaires ayant entre elles des taux différents de polymère conducteur, ces taux étant décroissants dans les couches élémentaires de ladite deuxième couche diélectrique, depuis celle de ses couches élémentaires la plus interne, et étant croissants dans les couches élémentaires successives de ladite troisième couche diélectrique, depuis la couche élémentaire la plus interne de cette troisième couche diélectrique.