Brevet FR2714203A1 — publié le 19950623

LIGNE A HAUTE TENSION A ISOLATION GAZEUSE POUR LONGUE DISTANCE La présente invention concerne le transport de l'électricité par ligne à haute tension, supérieure ou égale à 225 kV, à isolation gazeuse, ladite ligne comprenant une enveloppe métallique étanche à l'intérieur de laquelle sont placés des conducteurs, l'isolement étant assuré par un gaz. On sait que le matériau utilisé pour réaliser l'enveloppe doit être l'acier, préféré à l'aluminium, car l'acier a une meilleure tenue à l'arc interne et une meilleure résistance à la pression interne, en particulier lorsque le gaz isolant est l'azote sous une pression d'une dizaine d'hectopascals. En outre, l'acier est moins cher, plus facile à protéger contre la corrosion et plus facile à15 souder sur le site d'installation de la ligne. Si on utilise une enveloppe en acier pour le transport du courant alternatif, elle est le siège de pertes thermiques dues au courant induit dans l'acier. Il est alors nécessaire d'insérer, entre les conducteurs et l'enveloppe,20 un écran magnétique qui peut être avantageusement une enveloppe en aluminium. On pourra se référer à cet égard à l'article "Porticle trops in gus-insul1ted systems" de R.W. Afzelius et al., Gaseous dielectrics, Tome II, Pergamon Press. La plupart des câbles à isolation gazeuse par l'hexafluorure de soufre (SF6) sont constitués d'une enveloppe en aluminium, réalisés en tronçons de 10 mètres de longueur environ et boulonnés à chaque extrémité, l'étanchéité étant assurée par des joints (Voir par exemple Electra n 94, 1984). Les conducteurs intérieurs sont30 également des tronçons de 10 mètres environ reliés électriquement les uns aux autres par des contacts glissants. L'utilisation des brides et joints à chaque jonction de tronçon n'est pas économique, surtout pour des lignes à grande distance; les risques de fuite de gaz sont accrus. Sur une ligne de grande longueur, la multiplicité des contacts glissants entraîne une valeur relativement élevée de la valeur globale des résistances de contact, ce qui entraîne des échauffements qui peuvent être prohibitifs,5 surtout dans le cas de lignes enterrées. C'est pourquoi le Demandeur estime que la solution la plus économique pour réaliser une ligne à haute tension de grande longueur à isolation gazeuse est de souder les tronçons d'enveloppe et les tronçons de conducteur. La10 soudure entraîne l'apparition de copeaux métalliques et des solutions doivent être trouvées pour les éliminer ou réduire leurs effets. Un but de la présente invention est de définir une ligne électrique, pouvant être de grande longueur (plusieurs kilomètres à plusieurs dizaines de kilomètres), à isolation gazeuse, réalisée par soudage de tronçons d'enveloppes et de conducteurs, dont le coût de fabrication et de mise en place est modéré, dont le coût d'exploitation est faible grâce à des pertes Joule réduites, et dont la sûreté de20 fonctionnement est grande. L'invention a pour objet une ligne gazeuse comprenant une enveloppe cylindrique en acier et trois conducteurs disposés parallèlement à l'axe de ladite enveloppe, un écran magnétique constitué d'une enveloppe cylindrique en25 aluminium placée à l'intérieur de l'enveloppe en acier et très près de cette dernière, caractérisé par le fait que les conducteurs sont maintenus par une pluralité d'ensembles de trois bras isolants solidaires les uns des autres, lesdits conducteurs pouvant coulisser librement à l'intérieur30 d'ouvertures pratiquées dans lesdits bras, l'enveloppe en aluminium étant séparée de l'enveloppe en acier par des bandes en matière plastique ou polymère chargé à faible coefficient de frottement. Selon un mode de réalisation, le matériau desdites bande est le polytétrafluoro-éthylène, connu commercialement sous la marque "Téflon". Selon une caractéristique de l'invention, les extrémités desdits bras sont enserrées deux à deux par les extrémités d'arceaux métalliques, lesdites extrémités étant boulonnées.5 Les extrémités des arceaux forment un triangle équilatéral renversé à base en haut et horizontale. L'enveloppe d'acier est constituée d'éléments d'enveloppe de longueur comprise entre 5 et 12 mètres et soudés deux à deux.10 L'enveloppe d'aluminium est constituée d'éléments d'enveloppe soudés chacun aux arceaux de maintien d'un même ensemble de bras. Les conducteurs sont constitués d'éléments de conducteurs soudés deux à deux. Les bras sont munis d'une chemise munie d'une gorge délimitant deux surfaces d'appui sur deux conducteurs adjacents, la soudure des conducteurs se trouvant à l'intérieur de ladite gorge. La chemise métallique des bras isolants est munie de joints de part et d'autre de la gorge et d'un contact électrique. Les arceaux se trouvent près de la soudure des enveloppes en acier. Selon une autre caractéristique de l'invention, la ligne électrique est réalisée en compartiments montés en usine, chaque compartiment comprenant un élément d'enveloppe en acier de longueur comprise entre 5 et 12 mètres, un élément d'enveloppe en aluminium de longueur égale à l'enveloppe d'acier, trois éléments de conducteur de longueur égale à celle desdites enveloppes et un ensemble de bras supports et d'arceaux auquel est solidarisée une extrémité de ladite enveloppe en aluminium. Plusieurs compartiments sont solidarisés pour former un tronçon, l'extrémité du tronçon étant munie de moyens de remplissage et de vidange du gaz, de moyens d'étanchéité du tronçon, de moyens pour assurer la libre dilatation des conducteurs et des enveloppes, et de moyens de désassemblage des deux tronçons ajacents. L'invention sera bien comprise à la lecture de la descrition donnée ci-après d'un mode préféré de réalisation, en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une ligne selon l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe axiale d'une portion de ligne selon l'invention. - la figure 3 est une vue pertielle à plus grande échelle d'un bras support de conducteur, - la figure 4 est une section transversale d'une ligne selon l'invention, - la figure 5 est une vue en plan d'une grille utilisée dans une ligne selon l'invention, - les figures 6A à 6D illustrent un premier mode de réalisation d'une ligne selon l'invention, les figures 7A à 7E illustrent une variante de réalisation d'une ligne selon l'invention, - les figures 8A et 8B représentent en coupe axiales les extrémités de deux tronçons de ligne, respectivement en position assemblée et en position desassemblée. Dans la figure 1, les référence 3, 4 et 5 désignent trois conducteurs sous forme de tubes d'aluminium ou de cuivre, disposés parallèlement entre eux et logés respectivement dans les ouvertures 6, 7 et 8 de bras isolants 9, 10 et 11. Les extrémités des bras sont maintenues serrées deux à deux dans des mâchoires telles que 13 et 14 constituant les extrémités d'arceaux métalliques 19, 20 et 21; les mâchoires sont serrées par des vis 12 et écrous 12A. Les extrémités des arceaux forment un triangle équilatéral renversé à base en haut et horizontale. L'ensemble des organes supports des conducteurs forme ainsi un ensemble compact (voir également Fig.2). Ces enveloppes en aluminium coulissent, à l'intérieur d'une enveloppe 1 en acier, sur des bandes 22 en matériau plastique ou en polymère chargé, à bas coefficient de frottement et à dureté suffisante, tel que le polytétrafluoroéthylène connu sous la marque déposée Téflon. Les enveloppes d'aluminium forment, vis-à-vis de l'enveloppe 1 en acier, un écran magnétique permettant de réduire l'échauffement dans l'enveloppe en acier. Les bandes en téflon permettent aux enveloppes d'aluminium de glisser sur l'enveloppe en acier 1, en cas de dilatations différentes au cours du fonctionnement, et10 également lors du montage de la ligne. Eventuellement, d'autres bandes de "Téflon", telle que 23, placées au droit des extrémités des bras, permettent de centrer l'enveloppe d'aluminium 2 par rapport à l'enveloppe d'acier 1.15 On donne aux arceaux 19, 20, 21 des profils arrondis pour assurer une bonne tenue diélectrique par rapport aux conducteurs. Les enveloppes d'aluminium sont constitués d'éléments de tubes cylindriques tels que 2 et 2' (Fig.2) dont les extrémités A et B sont emboîtées dans des gorges 39 des arceaux 19, 20, 21, puis soudés à ces arceaux. Cette disposition permet d'éviter, lors de la soudure, l'injection de particules métalliques dans l'espace intérieur à l'enveloppe 2. Par contre, l'injection de particules lors de25 la soudure des enveloppes d'acier 1, 1' dans l'espace entreles enveloppes 1 et 2 ou dans l'espace entre les enveloppes 1' et 2' n'est pas gênant, les enveloppes d'acier et d'aluminium étant pratiquement au même potentiel, celui de la masse.30 La figure 3 montre que les ouvertures des bras supports des conducteurs, tel que le bras 9, sont pourvues intérieurement d'une chemise métallique 25 solidarisée au bras correspondant. La chemise 25 comprend une gorge 32 délimitant deux surfaces d'appui munies de joints 29, 30 coopérant respectivement avec deux éléments adjacents 3 et 3' de conducteur; la gorge 32 entre les surfaces d'appui permet d'emprisonner les poussières provenant du frottement des pièces pendant leur dilatation thermique. Un contact électrique 31 disposé dans la chemise 25 assure le contact électrique entre le conducteur 3' et la chemise 25. Les éléments 3 et 3' de conducteur sont soudés le long d'un cercle 33. La soudure est cachée dans la gorge 32 pour assurer une meilleure tenue diélectrique.10 Des anneaux anti-corona 37, 38 sont fixés oou soudés à la chemise 25 et permettent d'en réduire les contraintes diélectriques. Les mâchoires 13, 14 et les fixations 12-12A se trouvent sur un axe vertical de la ligne, c'est-à-dire dans la partie inférieure de l'enveloppe (Fig. 1). Ceci permet aux poussières et aux particules métalliques de rester dans une zone à faible champ électrique. On évite ainsi l'attraction forte de ces particules par les conducteurs 3 et 4.20 Pour piéger les particules, on peut utiliser une trappe formée d'une plaque métallique 80 (Fig. 5) munie de trous 81 et posée sur la partie basse de l'enveloppe 2, entre deux lignes d'arceaux. La plaque 80 est soutenue par des pieds 82, 83 (Fig. 4). Les particules métalliques libres tombent dans l'espace 84 par les trous 81 ou les fentes latérales 85 et 86. On peut utiliser l'espace 84 sous la plaque 80 pour y loger des fibres optiques utilisées comme capteurs ou comme supports de transmission des informations le long de la ligne triphasée. Les constituants de la ligne, à savoir conducteurs, enveloppe d'aluminium et enveloppe d'acier sont fabriquées en élémentss de longueur comprise entre 5 et 12 mètres, de préférence 10 mètres. Les constituants sont soudés bout à bout pour réaliser un tronçon de ligne d'une longueur comprise entre 50 et 150 mètres, préférentiellement 100 mètres; les extrémités du tronçon de ligne sont munis de constituants particuliers pour assurer l'étanchéité du5 tronçon de ligne vis-à-vis du tronçon adjacent et résoudre les problèmes liés à la dilatation des constituants. Les figures 6A à 6D illustrent un premier mode de réalisation dans lequel on préassemble, de préférence en usine, des compartiments comprenant chacun, comme le montre10 la figure 6A, un élément d'enveloppe en acier (1, 1'), un élément d'enveloppe en aluminium (2, 2'), des éléments de conducteur (3, 3'; 4, 4'; les troisièmes conducteurs ne sont pas visibles dans la figure), les conducteurs étant soutenus par les bras tels que 10, 10' 11, 111', etc.., et pouvant15 glisser par rapport à ces bras. Les bras sont solidaires des arceaux 20, 20' etc. L'enveloppe d'aluminium 2' du compartiment de droite est soudée en A aux arceaux. Les compartiments sont alignés l'un par rapport à l'autre, le compartiment de gauche étant agencé pour que les conducteurs 3, 4 dépassent hors de l'enveloppe d'aluminium 2 et que cette dernière dépasse hors de l'enveloppe acier 1. Au début du processus d'assemblage des deux compartiments adjacents, les extrémités des enveloppes (1', 2') et des conducteurs (3', 4') du compartiment de droite sont alignés.25 On tire les conducteurs 3', 4', etc. du compartiment de droite pour les amener en contact avec les conducteurs homologues du compartiment de gauche et on les soude (Figure 6B). On tire ensuite l'enveloppe d'aluminium 2', solidaire du groupe de bras 10', 11', etc.. et on l'amène au contact avec l'enveloppe d'aluminium 2 du compartiment de gauche. L'enveloppe 2' glisse aisément à l'intérieur de l'enveloppe d'acier 1', grâce aux bandes de "téflon". On soude l'enveloppe 2 en B aux arceaux (Figure 6C).35 On tire enfin (Figure 6D) l'enveloppe d'acier 2' du compartiment de droite pour l'anmener en contact avec l'enveloppe d'acier 2 du compartiment de gauche, et on soude les deux enveloppes l'une à l'autre. L'opération est répétée jusqu'à obtention d'un tronçon de ligne (de longueur comprise entre 50 et 120 mètres), dont l'extrémité est équipé de pièces particulières, comme il sera décrit plus loin en référence aux figures 8A et 8B. Une variante de montage de la ligne est décrite en référence aux figures 7A à 7E. Un compartiment assemblé est représenté dans la partie gauche de la figure 7A. Il comprend comme précédemment une enveloppe en acier 1, une enveloppe en aluminium 2 dépassant de l'extrémité de l'enveloppe d'acier, et des conducteurs 3, 4, etc. soutenus à gauche par des bras et éventuellement par des supports provisoires amovibles non représentés. Les conducteurs dépassent de l'extrémité de l'enveloppe d'aluminium 2. Des conducteurs 3', 4', etc. sont approchés et soudés respectivement aux conducteurs 3, 4, etc.. (Figure 7B). Un bloc constitué par des bras 10, 11, etc.. avec arceaux est enfilé sur les conducteurs 3', 4', etc... et amené en contact avec l'extrémité B de l'enveloppe d'aluminium 2; l'enveloppe 2 est soudée en B aux arceaux (Figure 7C). Une enveloppe d'aluminium 2' est engagée autour des conducteurs 3', 4', etc... et son extrémité A est amenée en contact avec les arceaux auxquels elle est soudée ((Figure 7D). Enfin, une enveloppe d'acier 1' est engagée autour de l'enveloppe d'aluminium 2', avec interposition de manchons de "téflon" et amenée au contact, en C, avec l'enveloppe d'acier 1 à laquelle elle est soudée. L'opération est répétée jusqu'à obtention d'un tronçon qui est équipé de pièces d'extrémités particulières, permettant la dilatation des conducteurs, le desassemblage35 de deux tronçons de ligne adjacents et l'étanchéité individuelle des tronçons de ligne. On se référera aux figures 8A et 8B. Dans ces figures, les références 1', 2', 3', 4' désignent respectivement l'enveloppe d'acier, l'enveloppe d'aluminium et les conducteurs du tronçon de ligne électrique à la gauche de la figure, (partie gauche de la figure), les références 1", 2", 3", 4" désignant les éléments homologues du tronçon adjacent (partie droite de la figure). La figure 8A montre le tronçon de gauche raccordé au tronçon de droite en fonctionnement normal. On voit que les conducteurs, tel que 4' et 4", sont munis de portions d'extrémité soudées et de section rétrécie respectivement 50 et 51, et que ces portions sont reliées par un manchon de15 contact 52 muni de contacts glissants 53 et 54. Les conducteurs peuvent ainsi se dilater librement sans subir de déformations latérales. Le manchon 52 peut être fixé au conducteur 51 par une vis de blocage 74. A l'enveloppe d'acier 1' est soudée une bride 61 à laquelle s'appuie un cylindre métallique 60 s'engageant dans l'enveloppe d'aluminium 2' et soudée à celle-ci. De même, à l'enveloppe d'acier 1" est soudée une bride 58 à laquelle s'appuie un cylindre métallique 56 s'engageant dans l'enveloppe cylindrique 2", mais cette fois le cylindre 56 et l'enveloppe 2" glissent l'un par rapport à l'autre pour permettre le jeu des dilatations. Le cylindre 56 est solidaire d'une plaque transversale 56A munie de trois ouvertures sur les bords desquelles s'appuient des cônes isolants tel que le cône 55 servant de supports aux30 conducteurs 4". La plaque transversale assure l'étanchéité du tronçon de droite de la figure lorsque ce dernier est séparé du tronçon de ligne de la gauche de la figure. Les cylindres 60 et 56 sont munis respectivement de contacts glissants 65 et 66 coopérant avec un cylindre conducteur 59. L'étanchéité est assurée par des joints 67, 68, 69 et 70. Les cylindres 56, 60 et 59 sont maintenus par des tiges filetés passant dans des brides appropriées; un couvercle 63 protège l'ensemble du dispositif. Des vannes ou électrovannes 71 de remplissage de gaz isolant, de vidange 72, des capteurs de pression et de détection d'arc interne 73 peuvent être installés sur le cylindre 59. L'alimentation en gaz est assurée soit par une canalisation 75 longeant à l'extérieur les enveloppes en acier, soit en cascade par l'intermédiaire des ouvertures 76 à travers les filtres 77. Le démontage s'effectue de la façon suivante: on enlève le couvercle 63, on ferme l'alimentation en gaz, on vide le gaz par la vanne 72, les conducteurs n'étant plus15 sous tension. On enlève ensuite les tiges filetées 62 et on déplace le cylindre 59 par glissement vers la gauche (Figure 8B). On fait glisser vers la gauche le manchon de contact 52, après avoir dévissé la vis de blocage 74. On fait de même pour les deux autres phases. Le tronçon de ligne de gauche est alors complètement déconnecté du tronçon de droite. On notera que l'enveloppe d'aluminium peut être épaisse (10 mm environ) et être, en cas de court-circuit, traversée sans danger par le courant de court-circuit qui s'évacue à la terre par le cylindre 56, la bride 58 et le tube d'acier 1". Pour réaliser une économie notable dans la réalisation de la ligne, on peut utiliser une enveloppe d'aluminium plus mince, par exemple d'une épaisseur de 4 mm30 environ. Il faudre alors isoler, par une couche d'isolant non représentée dans la figure 8A, l'enveloppe 2" du cylindre 56; le courant de court-circuit percera l'enveloppe d'aluminium et s'évacura directement à travers l'enveloppe d'acier, sans traverser l'enveloppe d'aluminium qui ne35 risquera pas de s'échauffer et même de fondre. REVENDICATIONS 1/ Ligne électrique triphasée à haute tension à isolation gazeuse comprenant une enveloppe cylindrique en acier et trois conducteurs disposés parallèlement à l'axe de ladite5 enveloppe, un écran magnétique constitué d'une enveloppe cylindrique en aluminium placée à l'intérieur de l'enveloppe en acier et très près de cette dernière, caractérisé par le fait que les conducteurs (3, 4, 5) sont maintenus par une pluralité d'ensembles de trois bras isolants (9, 10, 11)10 solidaires les uns des autres, lesdits conducteurs pouvant coulisser librement à l'intérieur d'ouvertures pratiquées dans lesdits bras, l'enveloppe en aluminium (2) étant séparée de l'enveloppe en acier (1) par des bandes (22) en matière plastique ou polymère chargé à faible coefficient de15 frottement. 2/ Ligne électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau desdites bandes (22) est le polytétrafluoro-éthylène, connu commercialement sous la marque "Téflon".20 3/ Ligne électrique selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les extrémités desdits bras (9, 10, 11) sont enserrées deux à deux par les extrémités d'arceaux métalliques (19, 20, 21), lesdites extrémités étant boulonnées. 25 4/ Ligne électrique selon la revendication 3, caractérisée en ce que les extrémités des arceaux (19, 20, 21) forment un triangle équilatéral renversé à base en haut et horizontale. 5/ Ligne électrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enveloppe d'acier est constituée d'éléments d'enveloppe (1, 1') de longueur comprise entre 5 et 12 mètres et soudés deux à deux. 6/ Ligne électrique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'enveloppe d'aluminium est constituée d'éléments d'enveloppe (2, 2') soudés chacun aux35 arceaux (19, 20,21) de maintien d'un même ensemble de bras. 7/ Ligne électrique selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que les conducteurs sont constitués d'éléments de conducteurs (3, 3'; 4, 4') soudés deux à deux. 8/ Ligne électrique selon la revendication 7, caractérisée en ce que les bras (9) sont munie d'une chemise (25) munie d'une gorge (32) délimitant deux surfaces d'appui sur deux conducteurs (3, 3') adjacents, la soudure (33) des conducteurs (3, 3') se trouvant à l'intérieur de ladite gorge (32).10 9/ Ligne électrique selon la revendication 8, carctérisée en ce que la chemise métallique (25) des bras isolants (9, 10, 11) est munie de joints (29, 30) de part et d'autre de la gorge (32) et d'un contact électrique (31). / Ligne électrique selon la revendication 8, caractérisée en ce que les arceaux (19, 20, 21) se trouvent près de la soudure des enveloppes en acier (1, 1'). 11/ Ligne électrique selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle est réalisée en compartiments montés en usine, chaque compartiment comprenant un élément20 (1) d'enveloppe en acier de longueur comprise entre 5 et 12 mètres, un élément (2) d'enveloppe en aluminium de longueur égale à l'enveloppe d'acier, trois éléments de conducteur (3, 4, 5) de longueur égale à celle desdites enveloppes et un ensemble de bras supports (9, 10, 11) et d'arceaux (19, 20, 21) auquel est solidarisée une extrémité de ladite enveloppe en aluminium. 12/ Ligne électrique selon la revendication 11, caractérisée en ce que plusieurs compartiments sont solidarisés pour former un tronçon, l'extrémité du tronçon étant munie de30 moyens de remplissage et de vidange du gaz, de moyens d'étanchéité du tronçon, de moyens pour assurer la libre dilatation des conducteurs et des enveloppes, et de moyens de désassemblage des deux tronçons ajacents.