Brevet FR2836591A1 — publié le 20030829

Domaine d'application : La présente invention concerne la fabrication d'un fil composite conducteur destiné à la fabrication de conducteurs d'électricité aériens. Domaine de l'art Le transport de l'électricité par les conducteurs aériens est une technologie éprouvée depuis longue date. L'augmentation de la consommation d'électricité dans les villes ainsi que la dérégulation obligent les compagnies d'électricité à accroître la capacité d'acheminement de l'électricité. Le coût très élevé de nouvelles lignes HT ainsi que le rejet écologique de la construction de ces nouvelles lignes ouvrent la voie à des conducteurs composites. Les caractéristiques mécaniques et électriques de ceux-ci permettent de transporter plus d'électricité sur des conducteurs de même diamètre. Le domaine de l'art utilise actuellement des conducteurs toronnés de type ACSR. Ils sont constitués de fils d'aluminium pour transporter l'électricité, et de fils d'acier pour renforcer le conducteur toronné. Ces conducteurs de type ACSR présentent cependant un défaut : le fléchissement des lignes aériennes dès que la température de service atteint 100oC. Ils ont en effet un poids spécifique élevé dû à la présence de fil d'acier dont la densité est de 7.8. Plusieurs alternatives destinées au remplacement du conducteur de type ACSR ont été développées par les Sociétés 3M aux USA et Hitachi câbles au Japon. A titre d'information, le brevet US6329056 de la Société 3M est décrit ci-dessous. Le principe de fabrication est l'imprégnation de fibres continues de céramique ou de fibres de carbone par une matrice d'aluminium. Cette technologie présente plusieurs handicaps quant à son utilisation généralisée dans le remplacement des conducteurs ACSR. En effet, le coût du matériau est élevé et le procédé de fabrication est très onéreux et lent. Un autre principe de fabrication de câbles conducteurs susceptibles de remplacer le conducteur ACSR est le procédé développé et breveté sous le numéro EP 1124235 par la Société W. Brandt Goldsworthy and Associates, Inc. Aux USA. Ce principe est basé sur le remplacement des fils de renfort en acier par des fils ou roving de fibres de verre imprégnés par une résine thermodurcissable. L'imprégnation est réalisée par le procédé de pultrusion. Ce produit, très récent, ne permet pas d'avoir un recul suffisant pour évaluer son potentiel de remplacement des conducteurs ACSR. Toutefois, le procédé de pultrusion met en oeuvre des matériaux bon marché. Le handicap principal se situe au niveau de la lenteur relative du procédé de fabrication. Description de l'invention La présente invention décrit un fil composite (14 ou 15) tressé, revêtu d'une couche d'aluminium fondu et mis en forme dans une filière pour constituer, par l'assemblage et le retordage de plusieurs fils composites, un conducteur aérien d'électricité. Ce fil composite possède des caractéristiques électriques et mécaniques lui permettant de remplacer avantageusement le fil de renfort acier et le fil d'aluminium du conducteur de type ACSR. Le fil composite est constitué d'une âme de renfort (1) dans une fibre organique ou inorganique. La liste de fabricants et de marques de fibres de renfort ci-après n'est pas exhaustive. Elle présente toutefois les principaux producteurs de fibres de renfort. Par fibre organique, nous entendons les fibres haute résistance à la traction supérieure à 2,5 GPA. Kevlar : fibre aramide fabriquée par Dupont de Nemours, U. S. A. Twaron : fibre aramide fabriquée par TEIJIN TWARON, Hollande. M5 PIPD ou poly {2, 6-diimidazo [4, 5-b4', 5'-e]pyridinylene-1, 4 (2,5-dihydroxy) phenylen} fibre fabriquée par Magellan, Hollande. PBO : fibre poly (p-phenylene-2, 6-benzobisoxazole) fabriquée par Toyobo, Japon. Par fibre inorganique, nous entendons les fibres haute résistance à la traction supérieure à 2,5 GPA : Fibres de verre A, R, C, E, S fabriquées par Saint-Gobain, France, PPG UK., etc. par S2 : fibre fabriquée par Advanced Glass Fiber, U. S. A (Société détenue par Owens Corning Fiber Glass, U. S. A. et Porcher Industries, France). Torayca : fibre de carbone fabriquée par Toray, Japon représentée par Soficar, France. Thomel : fibre de carbone fabriquée par Cytec Carbon Fibers, U. S. A. Tenax : fibre de carbone fabriquée par Tenax Fibers GMBH, Allemagne (filiale de TOHO TENAX Japon). Nextel : fibre céramique fabriquée par 3M, U. S. A. Tyranno : fibre céramique fabriquée par UBE, Japon. Nicalon : fibre céramique fabriquée par Nippon Carbon, Japon. x Quartzel : fibre de quartz fabriquée par Saint-Gobain SG QUARTZ, France. Il est préféré, dans l'exécution du fil composite, l'emploi de fibres de renfort possédant un faible coefficient de dilatation. Plus particulièrement, et par ordre de préférence, les fibres de carbone, les fibres de verre de type S2 , les fibres organiques M5 ou PBO . Il est préféré, dans l'exécution du fil composite, l'emploi de fibres de renfort possédant un poids spécifique peu élevé. Plus particulièrement, et par ordre de préférence, les fibres de carbone, les fibres de verre de type S2 , les fibres organiques M5 ou PBO . Il est préféré, dans l'exécution du fil composite, l'emploi de fibres de renfort possédant une résistance à la température suffisante, pour être immergée dans un creuset, durant une période de temps supérieure ou égale à 1 seconde, sans contact direct avec l'aluminium fondu, à une température d'environ 700 C. Plus particulièrement, et par ordre de préférence, les fibres de carbone, les fibres de verre de type S2 , les fibres organiques M5 ou PBO . Dans cette invention, le mot fibre a la signification suivante : il s'agit d'une mèche, ou de plusieurs mèches, composées chacune d'une pluralité de filaments continus assemblés. Suivant le type de mèche ou de roving désiré, cette mèche peut être composée de 5 à 24000 filaments. Le diamètre du filament unitaire varie de 3 microns à 25 microns suivant le type de fibre utilisé. La longueur des bobines peut varier de quelques centaines de mètres à plusieurs kilomètres selon le nombre de filaments constituant la mèche et le conditionnement du fabricant. Les filaments continus sont commercialement enduits d'un ensimage pour être traités sur des machines textiles. Cet ensimage protège les filaments, réduit les casses, l'abrasion etc.... Cet ensimage peut être enlevé par dissolution ou brûlage avant l'imprégnation du fil composite. L'âme de renfort (1) qui est constituée des fibres susmentionnées est entourée par un tressage de fils d'aluminium (2). Différents grades d'aluminium (de 1 xxx à 7xxx) peuvent être utilisés. Une préférence peut cependant être accordée au type 137050 (équivalent au grade 1350) car il possède une conductibilité électrique élevée et une résistance à la traction de 70 à 220 MPA suivant le type de nuance et de diamètre. Cette référence est disponible chez Pechiney (France). Toutefois, il peut être nécessaire d'utiliser, pour les fils de tressage en aluminium, des alliages d'aluminium possédant une conductibilité électrique moins élevée mais ayant une résistance à la traction supérieure. Le diamètre du fil d'aluminium utilisé pour constituer la couche tressée varie de 100 microns à 1 mm. De préférence, il est de 200 à 500 microns. Cette couche de fils d'aluminium tressés serrés sur l'âme de renfort permet le trempage du fil dans un bain d'aluminium fondu. Cette couche tressée empêche le contact de l'âme de fibre de renfort avec l'aluminium fondu. On doit comprendre par tressage serré un entrelacement de fils d'aluminium suffisamment compact pour empêcher la pénétration de l'aluminium fondu entre les fils d'aluminium tressés. Le type de métiers à tresser qui est utilisé pour déposer la couche de tressage est de type circulaire. On peut trouver ce type de machines chez les fabricants tels que Herzog ou Spirka en Allemagne. Le fil, que nous appellerons fil semi-fini (6), est constitué d'une âme de renfort et d'une couche de fils d'aluminium tressés. Il est nécessaire de déposer, sur la couche de fils tressés, une couche d'aluminium fondu (3) de haute pureté > à 99 %, vendu sous la référence 137050 et disponible chez Pechiney, France, ou une qualité équivalente. Le fil semi-fini qui est enroulé sur une bobine de dévidage (5), passe au travers d'un orifice étanche (9) positionné à l'entrée de la chambre sous atmosphère contrôlée (8), puis pénètre dans la chambre sous atmosphère contrôlée afin de réduire ou d'enlever l'ensimage et l'humidité. Il passe ensuite dans le creuset (7) où se trouve l'aluminium fondu puis passe au travers d'une filière (10) afin de lui donner la forme désirée. A la sortie de la filière, qui est positionnée à l'extrémité opposée de l'orifice d'entrée de la chambre sous atmosphère contrôlée, le fil est refroidi par contact avec un liquide ou un gaz (11) (air, argon etc..) pour lui donner sa forme définitive. Il est alors enroulé sur une bobine réceptrice (13). Le tirage du fil est effectué par le procédé caterpillar (12). Typiquement, il est désiré une forme ronde tout le long du fil. Mais, il est possible, en modifiant la forme de la filière, d'obtenir d'autres formes de fils composites. Le diamètre final du fil composite peut varier de 1 mm à 6 mm suivant le type de fil conducteur désiré. Dans cette exécution, le fil composite est constitué d'une âme de fibres de renfort, d'une couche tressée de fils d'aluminium et d'une couche d'aluminium fondu. Le pourcentage des matériaux constituant le fil composite peut varier selon les caractéristiques électriques et mécaniques requises. Le pourcentage (volume) de fibres de renfort contenu dans le fil composite peut varier de 10 % à 70 % selon les caractéristiques mécaniques et électriques recherchées. Exemple n01 : un fil composite, fabriqué suivant cette exécution, peut être composé de 25% de fibres de renfort, 25% de fils d'aluminium tressés et 50% d'aluminium fondu. Exemple n 2 : un fil composite, fabriqué suivant cette exécution, peut être composé de 25% de fibres de carbone TORAYCA , 25% de fils d'aluminium tressés et 50% d'aluminium fondu. Exemple n 3 : un fil composite, fabriqué suivant cette exécution, peut être composé de 30% de fibres de verre S2 , 20% de fils d'aluminium tressés et 50% d'aluminium fondu. Exemple n 4 : un fil composite, fabriqué suivant cette exécution, peut être composé de 30% de fibres M5 , 25% de fils d'aluminium tressés et 45% d'aluminium fondu. Exemple n 5 : comparatif : un conducteur ACSR dénommé type LYNX , chez Aluminium Wire and Conductor Plc Palco , U. K possède une résistance à la traction de 79.78 kN et pèse 0. 842Kg/m. Un conducteur composite, dont le diamètre est identique au câble ACSR LYNX , composé de fils composites tressés, (15) suivant l'invention dont les composants sont une âme de fibres de renfort de type S2 dont le volume est d'environ 18. 91 % du conducteur composite, un tressage de fils d'aluminium 137050 , et une couche d'aluminium fondu haute pureté, possède une résistance théorique à la traction d'environ 211kNetpèse0. 610Kg/m. Alternativement, il peut être décider, dans le cas ou l'on souhaite augmenter la résistance à la traction transversale du fil composite, d'insérer une couche de tressage supplémentaire. Dans cette exécution, le fil composite (14) est constitué d'une âme de fibres de renfort (1), d'une couche tressée de fibres de renfort (4), d'une couche tressée de fils d'aluminium (2) et d'une couche d'aluminium fondu (3). Dans cette exécution, la couche tressée de fils d'aluminium se superpose à la couche tressée de fibres de renfort. Dans cette exécution, la couche tressée (4), constituée de fibres de renfort, peut être, soit d'un matériau identique à l'âme de fibres de renfort (1), soit d'un matériau différent, selon les propriétés mécaniques recherchées. Exemple n 6 : un fil composite, fabriqué suivant cette exécution, peut être composé de 20% de fibres de renfort (1) de type S2 , 10% de fibres de renfort tressées (4) de type PBO , 20% de fils d'aluminium tressés (3) et 50% d'aluminium fondu (4). A titre d'information, un composite unidirectionnel carbone epoxy de type polyacrilonitrile T300 de TORAY, Japon possède une résistance à la traction axiale de 1760Mpa et une résistance à la traction transversale de 80Mpa. L'ajout d'une couche tressée de fibres de renfort, dont l'angle de tressage varie de 300 à 800 par rapport à l'axe de l'âme de fibres de renfort, augmentera, de manière très significative, la résistance à la traction transversale du fil composite. Revendications 1) Fil composite conducteur d'électricité caractérisé en ce qu'il comporte une âme de renfort en matériau organique ou inorganique, revêtue d'une ou plusieurs couches de fils tressés, dont au moins une couche est composée de fils d'aluminium et est recouverte d'une couche d'aluminium fondu et mis en forme dans une filière. 2) Fil composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'âme de renfort est composée de fibres organiques ou inorganiques de résistance à la traction supérieure à 2.5 GPA. 3) Fil composite selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'âme de renfort est composée de fibres de carbone. 4) Fil composite selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'âme de renfort est composée d'une ou plusieurs mèches constituées chacune d'une pluralité de filaments continus. 5) Fil composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pourcentage (volume) de fibres organiques ou inorganiques est compris entre 10 % et 70% du volume total du fil composite. 6) Fil composite (14) de la revendication 1, caractérisé en ce que les couches tressées sont constituées de fibres de renfort (4) et de fils d'aluminium (2). 7) Fil composite selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de fibre de renfort (4) est, soit d'un matériau identique à l'âme de fibre de renfort (1), soit d'un matériau différent 8) Fil composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre du fil tressé d'aluminium est compris entre 100 microns et 1mm et de préférence entre 200 et 500 microns. 9) Fil composite selon la revendication 8, caractérisé en ce que le grade de l'aluminium est de la famille de 1 xxx à 7xxx et de préférence du type 1350 ou équivalent. 10) Fil composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche d'aluminium fondu est du grade ultra pur, supérieur à 99%. 11) Fil composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que le diamètre final est compris entre 1 mm et 6 mm. 12) Fil composite selon la revendication 1, caractérisé en ce que la forme finale est de préférence ronde.