Brevet FR2934411A1 — publié le 20100129

Domaine de l'invention L'invention est relative à un câble ou fil, destiné à transporter à la fois du courant électrique et des informations ou données à destination de différents appareils. L'invention peut en particulier trouver application pour les réseaux d'énergie domestiques ou les réseaux d'énergie tertiaires et industriels d'un ensemble immobilier. Art antérieur 10 Les réseaux électriques actuels sont soit constitués de fils électriques individuels isolés qui sont tirés dans des gaines ou goulottes et posés de façon non organisée dans cette gaine ou goulotte, soit de câbles électriques constitués de fils individuels assemblés ensemble et gainés. 15 Ces fils ou câbles d'énergie (électriques) répondent à un ensemble de normes relatives à: - leurs capacités à transmettre l'énergie électrique ; - leurs propriétés de protection électrique des biens et des 20 personnes ; - leur comportement à la flamme et à l'incendie. Depuis plusieurs années, on cherche des solutions pour que des fils ou câbles d'énergie puissent également transmettre des informations. 25 On trouve ainsi comme application : - la transmission d'informations à bas ou moyens débits sur ces fils ou câbles d'énergie permettant d'assurer un pilotage d'appareils dans l'habitat, comme, par exemple, la télécommande d'appareils 30 domestiques par réseau d'énergie ; ou encore - la transmission de données informatiques pour relier des ordinateurs entres eux ou assurer la transmission de services aussi divers que les sons ou les images. 35 Pour cela, il a été mis en place la technique dite de � Courant Porteur en Ligne � (CPL). La technique CPL est basée sur le multiplexage en fréquence de porteuses transportant les données. Ces porteuses sont typiquement 40 étalées sur un spectre de fréquence allant de 2 à 30 MHz assurant des transmissions de données à un débit de l'ordre de 200 Mbits/s. Il est par ailleurs prévu que les produits en cours de développement puissent atteindre un débit de transmission de données de l'ordre de 1 Gbits/s, 15 en s'appuyant sur des méthodes d'encodage optimisées, et en utilisant un spectre de fréquences porteuses allant de 2 à 100MHz. On utilise donc actuellement des solutions basées sur des techniques de multiplexage de l'information véhiculée dans des câbles ou fils dont la structure a été uniquement adaptée et pensée pour le transport de l'énergie électrique. En effet, dans le cas de fils d'énergie, du fait d'un positionnement anarchique des fils dans la goulotte, l'impédance caractéristique est extrêmement variable et non prédictible. De plus, l'atténuation de ces fils sur la puissance de transmission des informations a tendance à fortement augmenter au delà d'une fréquence de 40 MHz (Ce comportement est illustré par la courbe 3 de la figure 2). Dans le cas des câbles d'énergie, du fait d'un positionnement plus rigoureux des fils conducteurs, l'impédance caractéristique est prédictible et relativement lisse, mais l'atténuation linéique de ces câbles est très élevée (voir courbe 2 de la figure 2). Un exemple d'un tel câble d'énergie est illustré dans le brevet FR 2 848 718. Par ailleurs, ces fils ou câbles d'énergie ne sont pas prévus pour se 25 protéger des perturbations électromagnétiques environnantes ce qui a une influence néfaste sur le rapport signal sur bruit et donc sur la qualité de la transmission de données. Qui plus est, ces fils ou câbles d'énergie ne sont pas conçus pour protéger l'environnement des perturbations électromagnétiques qu'ils génèrent, et ces perturbations 30 augmentent dès qu'ils sont utilisés comme support de transmission de données. Il n'existe donc pas aujourd'hui de fils ou câbles d'énergie conçus pour tirer le meilleur parti possible des solutions CPL actuelles ou à venir en 35 termes de débit de transmission, d'atténuation du signal, et également en termes de protection électromagnétique par rapport à l'environnement. Résumé de l'invention Un objectif de l'invention est donc de proposer un fil ou câble de transport d'énergie, dont les caractéristiques de transmission de données sont améliorées. 45 Un objectif de l'invention est de proposer un fil ou câble de transport d'énergie, offrant à la fois une impédance caractéristique relativement constante sur une large gamme de fréquences et une atténuation de la puissance du signal d'information relativement faible, sur cette même gamme de fréquences. 40 Un autre objectif de l'invention est de proposer un fil ou câble de transport d'énergie, présentant les caractéristiques techniques mentionnées ci-dessus, ainsi qu'une amélioration de la protection électromagnétique par rapport à l'environnement, à savoir une diminution de la sensibilité aux perturbations électromagnétiques environnantes, et une diminution des perturbations électromagnétiques générées sur l'environnement. L'un au moins de ces objectifs est atteint au moyen d'un câble comportant une gaine extérieure définissant une cavité dans laquelle sont disposés un ou plusieurs fils conducteurs de l'électricité, le ou chaque fil conducteur étant entouré d'une gaine isolante électriquement, ledit câble étant par ailleurs destiné à véhiculer un courant haute tension et des données sur courant porteur à une fréquence f, caractérisé en ce que, le ou chaque fil conducteur, maintenu dans une position géométrique rigoureuse au sein de la gaine extérieure, comporte une gaine isolante électriquement en un matériau présentant un facteur de dissipation diélectrique inférieur ou égal à 5.10-2 sur une gamme de fréquences f comprise entre 1MHz et 100MHz. Le câble selon l'invention pourra également comprendre au moins l'une des caractéristiques techniques suivantes, prise en elle-même, ou en combinaison : - la gaine isolante est faite en un matériau présentant une permittivité diélectrique Er quasi-constante sur la gamme de fréquences allant de 1MHz à 100MHz, c'est-à-dire présentant une variation maximum de 10%, et préférentiellement de 5%, de sa 30 valeur nominale mesurée à 1MHz ; la gaine isolante est faite en un matériau présentant une permittivité diélectrique inférieure à 3,2 sur la gamme de fréquences allant de 1MHz à 100MHz ; la gaine isolante électriquement est faite en polyéthylène chargé 35 ou non, ou encore en polypropylène chargé ou non, le polyéthylène ou le polypropylène pouvant être réticulé ou non ; - la gaine isolante électriquement est faite en polysiloxane réticulé ou non ou en polyéthylène téréphtalate réticulé ou non ; les fils conducteurs sont maintenus avec un ruban entourant 40 lesdits fils conducteurs, par exemple en polyester ; - le ou les fils conducteurs sont maintenus en position rigoureuse les uns par rapport aux autres à l'aide d'un matériau de bourrage ; - le ou les fils conducteurs sont maintenus en position rigoureuse les uns par rapport aux autres à l'aide d'une gaine en matériau polymère ; - les fils conducteurs sont torsadés ensemble ; - le pas de torsadage est compris entre 100mm et 300mm, de préférence de l'ordre de 200mm ; il est prévu un ou plusieurs écran(s) électromagnétique(s), le ou chaque écran est disposé de manière géométriquement rigoureuse au sein du câble, à savoir à distance constante des autres éléments électriques constituant le câble ; - le ou l'un au moins des écran(s) électromagnétique(s) comprend un ruban constitué d'au moins une couche d'aluminium et d'une couche de polyester ; - le ou l'un au moins des écrans est disposé sur la périphérie 15 intérieure de la cavité formée par la gaine extérieure dudit câble le câble prévoit, entre la périphérie intérieure de la cavité formée par la gaine extérieure dudit câble et le ou l'un des écran(s), une nappe de continuité en un matériau conducteur de l'électricité, par exemple en cuivre étamé, en contact électrique avec une face 20 métallique de l'écran et permettant un raccordement à la terre aux extrémités du câble installé. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre. 25 Brève description des dessins - la figure 1-a représente un schéma de coupe d'un câble selon l'invention ; - la figure 1-b représente un schéma de coupe d'un autre mode de 30 réalisation d'un câble selon l'invention - la figure 2 représente des résultats de tests fournissant l'atténuation d'un signal transmettant des données sur plusieurs types de câble d'énergie pour le transport d'électricité, en fonction de la fréquence dudit signal. 35 Description détaillée de l'invention La figure 1-a illustre un câble 1 selon l'invention destiné à véhiculer un courant haute tension, typiquement de l'ordre de 220V, et des données sur courant-porteur. Le câble 1 comporte une gaine extérieure 10 définissant une cavité dans laquelle sont disposés un ou plusieurs fils conducteurs. Dans l'exemple illustré sur la figure 1-a, on a représenté trois fils conducteurs 20, 30, 40 de l'électricité dits de phase, de neutre et de terre respectivement. Le câble ainsi illustré comporte également un ou plusieurs écrans 50 électromagnétique(s), mais un câble selon l'invention pourrait éventuellement ne comporter aucun écran électromagnétique de ce type. Sur la figure 1-a, les fils conducteurs 20, 30, 40 et le ou les écrans électromagnétique(s) sont maintenus dans une position géométrique 15 rigoureuse au sein de la gaine extérieure 10 du câble. A titre d'exemple non limitatif, il faut entendre par là que le ou chaque fil conducteur, ainsi que le ou chaque écran est disposé à distance constante des autres éléments électriques constituant le câble. Plus particulièrement, lorsque plusieurs fils conducteurs sont prévus, il 20 faut aussi entendre par là que ceux-ci peuvent être disposés parallèlement (à distance constante l'un de l'autre) les uns par rapport aux autres sur toute leur longueur. De façon alternative, on pourra prévoir que les (au nombre de trois dans l'exemple illustré sur la figure 1-a) fils conducteurs sont serrés, voire 25 torsadés ensemble. Pour maintenir plusieurs fils conducteurs 20, 30, 40 en position géométrique rigoureuse l'un par rapport à l'autre (qu'ils soient parallèles ou torsadés entre eux), on pourra prévoir un ruban 60 les enveloppant, par exemple constitué de polyester. On peut également, de manière 30 additionnelle ou alternative, employer un matériau polymère 801 déposé par extrusion (technique dite du bourrage consistant à boucher les trous pour rendre la section du câble cylindrique) pour maintenir les fils à l'intérieur du câble dans une position géométrique prédéterminée. Dans le cas où les fils conducteurs 20, 30, 40 sont torsadés entre eux, le 35 pas de torsadage pourra être compris entre 100mm et 300mm, de préférence de l'ordre de 200mm. Un tel pas, en particulier lorsqu'il est de l'ordre de 200mm, permet de donner au câble une certaine flexibilité, améliorant ainsi sa mise en oeuvre et facilitant son lovage sur touret. 5 La figure 1-b représente une variante de réalisation du câble selon l'invention. Dans cet exemple, au sein du câble 2, les conducteurs 20, 30, 40 sont maintenus dans une position géométrique rigoureuse grâce à une gaine 802 en matériau polymère, et éventuellement, de façon additionnelle, par un ruban 60, par exemple en polyester; les autres caractéristiques techniques du câble restant similaires. Dans le cas des figures 1-a ou 1-b, les trois fils conducteurs 20, 30, 40 sont par ailleurs isolés électriquement l'un de l'autre du fait que chaque fil conducteur est entouré d'une gaine isolante électriquement 21, 31, 41. A titre d'exemples non limitatifs, la gaine isolante électriquement 21, 31, 41 peut être en polyéthylène (haute densité ou basse densité), polypropylène, et plus spécialement pour les applications nécessitant le respect de normes incendie, du polyéthylène ou du polypropylène chargé (plus généralement appelés � zéro halogène �) ; ou encore le polysiloxane, ou le polyéthylène téréphtalate; ou encore tous les matériaux polymères cités précédemment, réticulés pour présenter une meilleure résistance thermique et mécanique. Or, il a été constaté qu'un tel câble permettait d'obtenir des niveaux d'atténuation extrêmement faibles, et quasiment constants sur une très large gamme de fréquences, typiquement entre 1MHz et 100MHz. Un tel effet peut notamment être visualisé sur la courbe 4 de la figure 2, 25 pour lequel la gaine est en polyéthylène. Sur cette courbe 4, le niveau d'atténuation est effectivement très faible, quelle que soit la fréquence (ex : inférieure ou de l'ordre de 10 dB sur une distance de 100m jusqu'à 70 MHz, et inférieure à 20 dB sur une distance de 100m à une fréquence de 100MHz). 30 Ceci est tout à fait surprenant dans la mesure où les câbles d'énergie actuels présentant un arrangement géométrique rigoureux des fils conducteurs sont connus (comme rappelé dans la partie � art antérieur � de la présente demande) comme des câbles présentant une atténuation très élevée, qui ne fait par ailleurs qu'augmenter avec 35 l'augmentation de la fréquence du signal transmis. On peut notamment se reporter à la courbe 2 de la figure 2, qui présente en comparaison un câble de l'art antérieur, où l'atténuation est déjà de l'ordre de 20 dB sur 100m pour une fréquence de 20MHz, et 40 atteint environ 50 dB sur une distance de 100m à une fréquence de 100MHz. Afin de mieux caractériser les câbles susceptibles de répondre aux exigences d'amélioration des câbles existants, la Demanderesse a testé de nombreux câbles, et a pu constater que les câbles présentant un arrangement géométrique maîtrisé, rigoureux du ou des fils conducteurs de l'électricité et du ou des écrans éventuels, combiné au fait que la ou chaque gaine isolante 21, 31, 41 du fil conducteur présente un angle de perte diélectrique ô adapté, amélioraient les transmissions des signaux CPL. Plus précisément, les matières isolantes sont notamment caractérisées par le facteur de dissipation diélectrique (souvent noté tg(b) - tangente de l'angle ô) qui caractérise les pertes de charges électriques du fait que le matériau n'est pas un diélectrique parfait. On a ainsi pu montrer que les câbles développés dans le cadre de l'invention se caractérisent par un facteur de dissipation diélectrique tg(b) inférieur ou égal à 5.10-2 sur une gamme de fréquences f comprise entre 1MHz et 100MHz. Le câble selon l'invention présente également d'autres caractéristiques relativement intéressantes. Il est en effet connu que l'impédance caractéristique Zc du câble peut 20 s'écrire sous la forme : Zc EV In(d) (1) r r 25 Où K est une constante ; Vr est la vitesse relative du signal transmis dans le fil conducteur par rapport à la célérité de la lumière dans le vide ; 30 d est le diamètre du fil conducteur ; D est la distance séparant le centre de ces fils conducteurs ; Er est la permittivité diélectrique de la gaine isolante entourant le fil conducteur. 35 On comprend plus précisément par cette relation (1) qu'une construction géométriquement rigoureuse des fils assemblés dans le câble stabilise l'impédance caractéristique (la distance D est maîtrisée et relativement constante). 40 Là est donc la différence entre par exemple un câble avec trois fils conducteurs en cuivre de 2.5mm2 tirés en goulotte (D varie le long de la goulotte), et un câble avec trois fils conducteurs en cuivre de 2.5mm2 assemblés rigoureusement (D constant). Toutefois, comme on peut le voir par l'intermédiaire de la relation (1), l'impédance caractéristique Zc dépend également de la permittivité diélectrique de l'isolant 21, 31, 41 entourant chaque fil conducteur 20, 30, 40. Classiquement, les fils conducteurs (qu'ils soient disposés en goulotte ou assemblés de manière rigoureuse sur le plan géométrique, par un montage serré par exemple) sont entourés d'une gaine isolante en polychlorure de vinyle (PVC), choisi pour sa capacité à répondre aux normes de sécurité électrique. Or, on a remarqué que le PVC présente une permittivité diélectrique qui varie de façon très sensible en fonction de la fréquence, ce qui s'avère préjudiciable pour la transmission de données, l'impédance caractéristique Zc étant alors continument variable avec la fréquence. Or, les matériaux (à titre non limitatif polyéthylène chargé ou non, polypropylène chargé ou non, polysiloxane, polyéthylène téréphtalate, ces polymères étant réticulés ou non) mis en oeuvre pour la gaine isolante 21, 31, 41 du ou des fils conducteurs de l'électricité du câble selon l'invention présentent également une permittivité électrique quasi-constante sur une large gamme de fréquences, pouvant aller de 1MHz à 100MHz. Là encore, pour mieux caractériser les câbles présentant cette caractéristique, la Demanderesse a constaté qu'il fallait comprendre par quasi-constante le fait que la permittivité varie au maximum de �10%, de préférence de �5%, autour de sa valeur nominale mesurée à 1 MHz et ceci sur l'ensemble de la bande de fréquences que l'on cherche à utiliser pour les applications CPL (à savoir de 1MHz à 100MHz). Ainsi, le fait d'avoir un câble avec une construction géométrique rigoureuse des fils conducteurs d'une part et une gaine isolante du ou de ces fils conducteurs en un matériau spécifique d'autre part permet d'améliorer encore la stabilisation de l'impédance caractéristique par rapport aux câbles existants, et permet de mieux contrôler la qualité de la transmission des données dans un câblage utilisant les câbles selon l'invention. Une amélioration de la qualité de la communication permet d'abaisser les contraintes imposées aux coupleurs CPL disposés aux extrémités du câble et donc de rendre plus efficace le système de transmission de données CPL tout en simplifiant et diminuant les coûts des coupleurs. De préférence, mais non limitativement, la gaine isolante 21, 31, 41 sera également faite en un matériau présentant une permittivité diélectrique inférieure ou égale à 3 sur la gamme de fréquences allant de 1MHz à 100MHz, ce qui est en particulier le cas des matériaux présentés à titre non limitatifs pour la gaine (polyéthylène chargé ou non, polypropylène chargé ou non, polysiloxane, polyéthylène téréphtalate). Ceci permet avantageusement de prévenir toute influence de la 5 permittivité diélectrique sur le niveau d'atténuation pour les fréquences faibles, à savoir de l'ordre du MHz ou inférieures à quelques MHz. Pour diminuer la sensibilité aux perturbations électromagnétiques extérieures, mais aussi pour diminuer le rayonnement 10 électromagnétique généré par le câble sur son environnement, on pourra prévoir un ou plusieurs écrans 50 électromagnétique(s), par exemple disposé sur la périphérie intérieure de la cavité formée par la gaine extérieure dudit câble. L'écran 50, ou s'il en est prévu plusieurs, l'un au moins des écrans 15 électromagnétique(s) est par exemple réalisé par un ruban complexe associant une couche d'aluminium et une couche de polyester. Dans le cas des transmissions de données, notamment par CPL, le débit maximum admissible par le réseau (c'est-à-dire la puissance maximale pouvant être injectée dans le réseau) est limité pour des questions de 20 pollution (rayonnement) de l'environnement. En effet, plus la puissance injectée est importante, plus le câble rayonne. Ainsi, moins le système de câblage rayonne, notamment en raison de l'emploi d'un ou plusieurs écran(s) 50 dans le câble selon l'invention, 25 plus la puissance potentiellement injectable par les émetteurs est forte, plus le débit transmissible est élevé, et meilleure est la communication de données. Par ce biais, l'invention présente également l'avantage de répondre aux 30 normes en vigueur, en particulier en ce qui concerne le décret 2006-1278 du 18 octobre 2006 (France) sur la compatibilité électromagnétique, qui stipule la responsabilité de l'installateur sur des dommages liés aux champs électromagnétiques. 35 La présence d'un ou de plusieurs écrans permet également la réalisation simple de liaisons équipotentielles fonctionnelles (utilisée pour améliorer la transmission de données et diminuer les pollutions CEM). Ces réalisations sont associées aux systèmes de câblage d'énergie en accord avec les préconisations des normalisations NFC 15 100 chapitre 40 545 "dispositions de mise à la terre et liaisons équipotentielles fonctionnelles" et du guide UTE C 15 900 chapitre 6.9. Le câble écranté de l'invention présente également l'avantage d'améliorer la compatibilité entre les technologies CPL et VDSL2, 45 technologies qui, utilisant le même spectre de fréquence et le même processus de multiplexage des données sont sujettes à des perturbations croisées quand ils utilisent des supports posés en parallèle. Par ailleurs, la présence d'un ou plusieurs écran(s) 50 participe à améliorer d'autres caractéristiques comme notamment la tenue au feu et le non dégagement de substances halogénées des fils ou câbles en cas d'incendie. Enfin, on pourra également prévoir, entre la périphérie intérieure de la cavité formée par la gaine extérieure dudit câble et le ou l'un des écran(s), une nappe 70 de continuité en un matériau conducteur de l'électricité, par exemple en cuivre étamé, en contact électrique avec la face métallique du ruban complexe et permettant un raccordement de cet écran à la terre aux deux extrémités du câble. REVENDICATIONS1. Câble (1) comportant une gaine extérieure (10) définissant une cavité dans laquelle sont disposés un ou plusieurs fils conducteurs (20, 30, 40) de l'électricité, le ou chaque fil conducteur étant entouré d'une gaine isolante électriquement (21, 31, 41), ledit câble étant par ailleurs destiné à véhiculer un courant haute tension et des données sur courant porteur à une fréquence f, caractérisé en ce que, le ou chaque fil conducteur, maintenu dans une position géométrique rigoureuse au sein de la gaine extérieure (10), comporte une gaine isolante électriquement en un matériau présentant un facteur de dissipation diélectrique inférieur ou égal à 5.10.2 sur une gamme de fréquences f comprise entre 1MHz et 100MHz. 2. Câble selon la revendication 1, dans lequel la gaine isolante (21, 31, 41) est faite en un matériau présentant une permittivité diélectrique �r quasi-constante sur la gamme de fréquences allant de 1MHz à 100MHz, c'est-à-dire présentant une variation maximum de 10%, et préférentiellement de 5°h, de sa valeur nominale mesurée à 1MHz. 3. Câble selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la gaine isolante (21, 31, 41) est faite en un matériau présentant une permittivité diélectrique inférieure à 3,2 sur la gamme de fréquences allant de 1MHz à 100MHz. 4. Câble selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la gaine isolante électriquement (21, 31, 41) est faite en polyéthylène chargé ou non, ou encore en polypropylène chargé ou non, le polyéthylène ou le polypropylène pouvant être réticulé ou non. 5. Câble selon les revendications précédentes, dans lequel la gaine isolante électriquement (21, 31, 41) est faite en polysiloxane réticulé ou non, ou en polyéthylène téréphtalate réticulé ou non. 6. Câble selon les revendications précédentes, dans lequel les fils conducteurs sont maintenus avec un ruban (60) entourant lesdits fils conducteurs, par exemple en polyester. 7. Câble selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le ou les fils conducteurs sont maintenus en position rigoureuse les uns par rapport aux autres à l'aide d'un matériau de bourrage (801). 8. Câble selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le ou les fils conducteurs sont maintenus en position rigoureuse les unspar rapport aux autres à l'aide d'une gaine (802) en matériau polymère. 9. Câble selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les fils conducteurs sont torsadés ensemble. 10. Câble selon la revendication précédente, dans lequel le pas de torsadage est compris entre 100mm et 300mm, de préférence de l'ordre de 200mm. 11. Câble selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il est prévu un ou plusieurs écrans (50) électromagnétique(s), le ou chaque écran est disposé de manière géométriquement rigoureuse au sein du câble, à savoir à distance constante des autres éléments électriques constituant le câble. 12. Câble selon la revendication précédente, dans lequel le ou l'un au moins des écrans électromagnétique(s) comprend un ruban constitué d'au moins une couche d'aluminium et d'une couche de polyester. 13. Câble selon l'une des revendications 11 ou 12, dans lequel le ou l'un au moins des écrans (50) est disposé sur la périphérie intérieure de la cavité formée par la gaine extérieure (10) dudit câble. 14. Câble selon l'une des revendications précédentes, dans lequel il est prévu, entre la périphérie intérieure de la cavité formée par la gaine extérieure (10) dudit câble et le ou l'un des écran(s), une nappe (70) de continuité en un matériau conducteur de l'électricité, par exemple en cuivre étamé, en contact électrique avec une face métallique de l'écran et permettant un raccordement à la terre aux extrémités du câble installé. 15. Utilisation d'un câble selon l'une des revendications précédentes, pour l'alimentation en énergie électrique domestique, tertiaire ou industriel d'un ensemble immobilier.