Brevet FR2753844A1 — publié le 19980327

EQUIPEMENT POUR EXTREMITE DE CABLE ET MATERIAU DE CONSTITUTION DE L'EQUIPEMENT Il ne faut pas entendre par extrémité de câble ce que l'homme du métier entend généralement. Une extrémité de cable, dans le domaine des câbliers, est la partie terminale d'un câble plongée dans un milieu ambiant générateur de problèmes électriques sur cette partie terminale. Dans une jonction ou une dérivation, il y a au moins deux parties terminales de câble. Au sens de la présente invention, et par souci de simplicité, il faut entendre par extrémité de câble, sa partie terminale. Les réseaux de transport et de distribution de l'énergie électrique sont constitués de lignes, le plus souvent aériennes, reliant un générateur d'énergie électrique, une centrale nucléaire par exemple, à une pluralité d'installations électriques d'usagers, afin de fournir ces derniers en électricité. Les lignes comprennent des cables de transport de l'énergie électrique sous des tensions élevées (moyennes, hautes et très hautes tensions), les lignes de grande longueur comprenant une pluralité de cables joints les uns aux autres à leurs extrémités. Structurellement, de tels câbles comprennent une âme métallique supportant les hautes tensions, et entourée d'une gaine isolante comportant un manchon intermédiaire d'isolation électrique entouré par une gaine-écran métallique recouverte d'une gaine extérieure de protection classique. En outre, le manchon isolant est généralement entouré de deux couches semi-conductrices. En fonctionnement, l'âme métallique est portée au potentiel de haute tension et la gaine-écran au potentiel de masse. 2 2753844 Rappelons que la mise sous tension des deux armatures métalliques d'un condensateur, voisines et séparées par un isolant, à des potentiels respectifs différents V1 et V2, créé entre les armatures un champ électrique E d'intensité proportionnelle à la différence de potentiels et inversement proportionnelle à la distance d séparant les armatures: E = K V2 - V1, K étant une constante de proportionnalité d Dans le cas d'un condensateur cylindrique, d doit être considéré comme la distance radiale séparant les deux armatures. Le câble précédemment évoqué se comporte comme un condensateur cylindrique avec une armature interne, l'âme, et une armature externe, la gaine-écran, le manchon isolant intermédiaire étant prévu pour supporter le champ électrique intense apparaissant entre les deux armatures. Aux extrémités de câble, de connexion avec le générateur ou avec l'une des installations d'usager, ou de jonction avec un autre câble, la gaine-écran et la gaine de protection sont interrompues. Une telle interruption crée, en fonctionnement, d'importantes contraintes diélectriques, un effet de pointe, caractérisé par une très forte concentration des lignes équipotentielles et donc un champ électrique intense, pouvant apparaître aux hautes tensions et provoquer le claquage de l'air environnant, pouvant provoquer la destruction du câble. Pour diminuer de telles contraintes diélectriques, il faut rendre le champ électrique loin de la gaine-écran interrompue compatible avec l'environnement. Une solution connue consiste à monter, sur l'extrémité interrompue du câble, un cône déflecteur en matériau conducteur présentant une forme de trompette divergeant depuis la gaine-écran, et favorisant un étalement des lignes équipotentielles. Cependant, un 3 2753844 tel cône ne suffisant pas à éviter les claquages, aux hautes tensions notamment, on l'associe généralement à un système d'isolation électrique comprenant un matériau isolant présentant des caractéristiques diélectriques, de rigidité notamment, supérieures à celles de l'air, avec lequel on entoure l'extrémité de câble dénudée. Le matériau isolant peut être une huile minérale ou de synthèse, un gaz (l'hexafluorure de soufre SF6 par exemple), ou un élastomère (Ethylène Propylène Diène Monomère EPDM, Silicone, Ethylène Vynile Chloryde EVC, etc.). Cependant, tous ces isolants ont des permittivités relatives E r classiques (de l'ordre de 3 à 5), c'est pourquoi de tels systèmes d'isolation doivent être volumineux pour être suffisamment efficaces. Une autre solution, enseignée par le document FR-2 656 962- B1, propose d'entourer l'extrémité interrompue de câble d'un manchon déflecteur conducteur ou semi-conducteur autour duquel est disposé un matériau à haute permittivité (E r de l'ordre de 10) dont l'épaisseur diminue depuis le manchon déflecteur vers l'extrémité du câble. Un tel équipement d'extrémité de câble favorise l'étalement des lignes équipotentielles sans l'inconvénient d'un volume trop important. Néanmoins, cette solution n'est pas non plus satisfaisante. La présente invention propose d'abord de réduire le volume de tels équipements d'extrémité de câble de façon plus économique. A cet effet, l'invention concerne un équipement, pour extrémité de câble sous tension, destiné à diminuer le champ électrique au voisinage de l'extrémité de câble, comprenant un manchon déflecteur, caractérisé par le fait que le matériau constitutif du manchon déflecteur présente des caractéristiques diélectriques non linéaires, sa permittivité augmentant avec l'intensité du champ électrique. Grâce à cela, on résoud bien les problèmes de l'art antérieur, l'équipement de l'invention étant constitué, au moins en partie, d'un 4 2753844 matériau ayant une permittivité relative non linéaire et supérieure à 10 aux hautes tensions. Avantageusement, ledit matériau est un mélange comprenant $ un élastomère et des charges de conduction. De préférence, le mélange comprend des charges de cohésion. Grâce à cela, on améliore la tenue mécanique du cône déflecteur. Avantageusement encore, l'élastomère est un silicone élastomère silicone liquide. Non seulement le dispositif réduit le champ électrique en son sein sans être de volume encombrant, mais encore il n'est pas le siège de phénomènes thermiques gênants, grâce à une bonne rigidité diélectrique, des pertes diélectriques et une conductivité faibles. En outre, les caractéristiques mécaniques du matériau constitutif du dispositif (dureté, résistance au déchirement, rémanence, allongement) permettent une fabrication et des transformations du dispositif au moindre coût. A titre de produit intermédiaire, l'invention concerne aussi un mélange comprenant un élastomère et des charges de conduction, caractérisé par le fait que l'élastomère est un élastomère silicone liquide. Un tel mélange présente des caractéristiques diélectriques non-linéaires, et notamment une permittivité augmentant avec l'intensité du champ électrique auquel il est soumis. Avantageusement, le mélange comprend des charges de cohésion. $ 2753844 En introduisant dans le mélange ces charges de cohésion, on modifie les propriétés mécaniques du mélange en fonction des exigences souhaitées pour son utilisation. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation avantageuse de l'équipement de l'invention, en référence à la figure unique annexée qui représente une vue en coupe d'une extrémité de câble avec l'équipement de l'invention. Un câble, destiné à transporter de l'énergie électrique aux hautes tensions, peut être connecté, à ses extrémités, à un générateur ou à une installation électriques, ou encore joint à un autre câble. L'équipement est destiné à modifier la structure de l'extrémité du câble afin de diminuer le champ électrique et les contraintes diélectriques au voisinage de l'extrémité du câble à hautes tensions, en favorisant un étalement des lignes équipotentielles. Dans l'exemple particulier de la description, l'équipement est monté sur une extrémité de câble, au sens o l'entend l'homme du métier, à savoir la partie terminale du câble plongée dans un milieu ambiant générateur de problèmes électriques sur cette partie terminale. Structurellement, le câble comprend une âme métallique 1, supportant les hautes tensions entourée d'un manchon isolant intermédiaire 3, une gaine-écran métallique 5 disposée autour du manchon isolant 3, et une gaine extérieure 6 de protection classique entourant la gaine-écran 5. En outre, la paroi externe de l'âme métallique 1 et la paroi interne de la gaine-écran métallique 5 sont ici chacunes recouvertes d'une couche semi-conductrice 2, 4 constituée en l'espèce en plastique polyéthylène chargé de noir de carbone, et présentant une résistivité d'environ 100 Ohms.cm. 6 2753844 A l'extrémité du câble, la gaine de protection extérieure 6, la gaineécran 5 et sa couche semi-conductrice 4 sont interrompues, l'âme métallique 1 et le manchon isolant 3 se prolongeant. Un manchon déflecteur 8 est disposé autour du manchon isolant 3 dénudé et a la forme, en section transversale, d'un cône divergeant depuis l'extrémité de la couche semi-conductrice 4 et présentant une extrémité libre arrondie. Le cône déflecteur 8 est constitué d'un matériau, décrit plus précisément par la suite, à caractéristiques diélectriques non linéaires, sa permittivité augmentant avec l'intensité du champ électrique. L'équipement comprend en outre un isolant 7, ici un élastomère en silicone, entourant la partie d'extrémité interrompue de la gaine de protection extérieure 6, le cône déflecteur 8 et l'extrémité dénudée du câble. On notera que l'isolant 7 pourrait aussi être un élastomère en EPDM (Ethylène Propylène Diène Monomère) ou en EVC (Ethylène Vinyle Chloride). Après la description structurelle du câble et de son extrémité équipée pour une connexion, le matériau constitutif du cône déflecteur 8 va maintenant être décrit. Matériau constitutif du manchon déflecteur Le matériau constitutif du manchon déflecteur 8 est un mélange comprenant: - un élastomère silicone liquide isolant, en l'espèce du silicone isolant LSR (Liquid Silicone Rubber) fabriqué par la société BAYER, et - des charges de conduction rendant le matériau semi- conducteur. Ce mélange présente des caractéristiques diélectriques non linéaires, sa tangente d'angle de pertes diélectriques et sa permittivité 7 2753844 relative augmentant avec l'intensité du champ électrique auquel il est soumis. Les charges de conduction sont constituées de noir de carbone de basse structure, mais pourraient aussi comprendre du noir de carbone de moyenne ou de haute structure ou de l'élastomère silicone liquide conducteur LSR, ou encore un mélange de ces charges. Différents mélanges du matériau constitutif du déflecteur 8, et leurs caractéristiques mécaniques et diélectriques vont maintenant être décrits. Exemples de mélange Tous les mélanges décrits dans le tableau suivant comprennent 53 % d'élastomère silicone liquide isolant de référence LSR 2530 de la société BAYER, et 47 % de charges de conduction (les pourcentages étant en poids), ces charges étant de trois types différents: - charges B en noir de carbone de la marque déposée THIERMAX, de la société CANCARB, - charges C en noir de carbone de référence MT N990, de la société DEGUSSA, - charges D d'élastomère silicone liquide conducteur de référence LSR 2345/01, de la société BAYER. Tableau 1 % relatif en poids des charges Références des Noir de Carbone Noir de Silicone mélanges THERMAX Carbone MT N conducteur LSR 990 2345/01 Mi 100 0 0 M2 0 100 0 M3 0 0 100 M4 33,3 66,7 0 8 2753844 M5 66,7 33,3 0 M6 33,3 0 66,7 M7 66,7 0 33,3 M8 0 33,3 66,7 M9 0 66,7 33,3 M1O 33,3 33,3 33,3 Pour chacun de ces mélanges M1 à M10, trois échantillons sont réalisés. s Pour chaque échantillon, la rigidité électrique, l'allongement à la rupture, la résistivité transversale, la permittivité relative (sous 250 V/mm, sous 500 V/mm et sous 1 000 V/mm), et la tangente de l'angle de perte (sous 250 V/mm, sous 500 V/mrm, et sous 1 000 V/mm), sont mesurés. Le tableau suivant fait l'inventaire des résultats de ces mesures (tableau 2 voir pages suivantes). l _ _ _ _ m _ _Tableaiu 2 /Eiage Flgidcité i A rjaT R isistivité Penfittivité laiive Taigale da l'an e de pate FErx:aillo Dledrim b lanure!ra-b-_-'. _e (kVI/mr El 9, 5 t3.tS 48 3,9.4S' 6,S2, 6>52- 6, 53>Z01 241A 3,2- m E2 94 4, 6,4:,, 4. 24,5 E3 J\,O9 4C, 31 qp E+15 6/2, 6,12 6113 45 46,6 2/, _ El À 23 5 1- 5 m.OOOOo.m o 4 4 - AOOl 4> 45 moo m E2 0,of24 A1,5/+ 4'o0ooo 4:1o S,' 40o 39- 6o5 S 'ooO E3 4,\5 464, 540C: C ,4 /-/ 40o00 4026o1 i5coo _El 2,22 4U%, z22,10 E*45 4A A'}/3 A-,3 290 39-1 5/16 (A M E2 A,9 4t&,13 892 A14 4, Z4R-,6 41,2. 296 386 5. 46 o _ B3 '\4 463,- 2ti14 43,/4 4 4A4. 2.B 236,6 52'.3 5 P mTableau 2 (Suite) IVlaa'ce Ftgddt6.lato:an Ristivit6 Pemituiité rdatits Tarxytde a l'rare de pate E=:dutillon aialectique àIla rpure trae ("V/Mi (9'4 (Ch'mmj sO250fi saJsSlCV/m s_.,'1000/rrr _,'-S0m5V/frn sousSCX) n qaJ1OwV/mm _ E1 -4,24 332,82. $31Zqi,w 49 30,t 34 ig 49,3 M6 E2 618,8 361,t1,8,,4 49 44,4 62 _0 i,65 31s,16 2,,412 3,1; 3,',, .3 M, Z 54,3 El Lé, 49 2.,1,53 _,0+44a, 9, 91,o,84 6; 3 g6 . ........ 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Les polynômes, ou modèles, comprennent chacuns: - trois variables représentant les pourcentages en poids compris entre 0 à 100 % des trois types de charges de conduction (B, C, D) et - des coefficients des variables, évalués à partir des résultats des mesures. En fonction des caractéristiques mécaniques et diélectriques souhaitées pour le matériau constitutif du cône déflecteur 8, on choisit des valeurs de variables, c'est-à-dire des pourcentages de charges B, C et D, pour que les modèles donnent les valeurs souhaitées de ces caractéristiques. D'après les modèles, pour obtenir un mélange, comprenant 53 % d'élastomère silicone liquide et 47 % de charges B, C et D, et présentant - un allongement > 200 %, - une rigidité diélectrique > 4 kV/mm, - une tangente de l'angle de > 1000.10-4 et - une permittivité relative MTN 990), - 73,57 % pour les charges D (élastomère silicone liquideconducteur). 12 2753844 Un autre exemple de mélange pour le cône déflecteur 8 comprend: - 20 % d'élastomère silicone liquide isolant de référence LSR 2530, - 70 % d'élastomère silicone liquide conducteur de référence LSR 2345/01, et -10 % de noir de carbone de la marque déposée Thermax, les pourcentages étant en poids. Ce mélange présente notamment une rigidité diélectrique supérieure à 3 kV/mm, et un allongement à la rupture supérieur à 300 %. Dans une variante avantageuse de réalisation du mélange, celui-ci comprend, outre l'élastomère silicone liquide isolant et les charges de conduction, des charges de cohésion destinées à modifier les propriétés mécaniques du mélange. Ces charges de cohésion sont en silice, mais pourraient tout aussi bien être de la craie ou du kaolin. Il pourrait également être envisagé d'introduire dans le mélange une huile silicone réactive, destinée à réduire la viscosité du mélange et permettant l'introduction d'un pigment de coloration. Dans ce cas, le mélange constituant le cône déflecteur pourrait contenir: - de 8 à 70 % d'élastomère silicone liquide isolant, - de 10 à 60 % de noir de carbone, - de 0 à 40 % de charges de cohésion, et - de 0 à 6 % d'huile silicone réactive, les pourcentages étant en poids. Enfin, à propos du mélange, il pourrait également être utilisé ou sous forme vaporisée à l'aide d'un vaporisateur, ou pour recouvrir des isolateurs de ligne, ou pour des isolateurs creux. 13 2753844 REVENDICATIONS 1 - Mélange comprenant un élastomère et des charges de s conduction, caractérisé par le fait que l'élastomère est un élastomère silicone liquide. 2 - Mélange selon la revendication 1, dans lequel il est prévu des charges de cohésion. 3 - Equipement (78), pour extrémité de cable (1-6) sous tension, destiné à diminuer le champ électrique au voisinage de l'extrémité dé-cable, comprenant un manchon déflecteur (8), dans lequel le matériau constitutif du manchon déflecteur (8) est un mélange selon l'une des revendications 1 et 2. 4 - Equipement selon la revendication 3, dans le lequel le mélange présente des caractéristiques diélectriques non linéaires, sa permittivité augmentant avec l'intensité du champ électrique.