Brevet FR2990047A1 — publié le 20131101

Câble de transmission électrique à haute tension La présente invention se rapporte à un câble électrique. Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement, aux câbles de transmission électrique à haute tension ou câbles aériens de transport d'énergie, bien connus sous l'anglicisme OHL "OverHead Unes". Plus particulièrement, l'invention concerne un câble électrique apte à réduire l'effet couronne. Les lignes aériennes sont traditionnellement constituées par des éléments conducteurs nus tendus sur un ensemble approprié de pylônes. Ces lignes sont classiquement destinées au transport de l'énergie électrique sous une haute tension alternative (225 à 800 kV). Chaque conducteur a donc un diamètre de quelques centimètres et peut être composé d'un corps métallique tubulaire unique ou, plus fréquemment, de plusieurs fils métalliques assemblés. Le long du conducteur nu, il se manifeste toujours un effet appelé effet couronne. L'effet de couronne se produit en effet sur tous les conducteurs et lignes soumis à une haute tension. Dés que le champ électrique à la surface du conducteur, notamment dépendant des rayons de courbures locaux, devient localement suffisamment grand (i.e. supérieur au champ d'ionisation de l'air humide, de l'ordre de 10kV/cm ; voire supérieur au champ d'ionisation de l'air sec, de l'ordre de 30 kV/cm), l'air s'ionise et forme autour du conducteur une couronne lumineuse. L'une des conséquences de l'effet couronne est la production de bruit. Toutefois, lorsque le conducteur est sec, le bruit est très limité et il est pratiquement négligeable en ce qui concerne la gêne qu'il engendre. Au contraire, lorsque le conducteur est mouillé, le bruit est beaucoup plus intense et ceci est une source de gêne notable et de désagréments importants pour ceux qui se trouvent ou demeurent au voisinage de ce type de conducteur. En effet, dans ces conditions, la conductibilité de l'air augmente, et de ce fait, il se produit une ionisation plus intense et plus efficace. L'effet couronne cause également des déperditions d'énergie et peut provoquer des risques sanitaires liés aux rayonnements électromagnétiques, au bruit acoustique et aux pertes de puissance. Afin de palier ce problème, une solution consiste à isoler les conducteurs en les revêtant d'une couche de matière plastique isolante, afin de diminuer par effet capacitif le champ électrique à la surface des parties métalliques sous tension, et ainsi supprimer l'effet couronne. Le document EP 1 626 415 décrit un dispositif de réduction de l'effet couronne d'un conducteur aérien à haute ou très haute tension, consistant en une gaine en matière plastique entourant au moins partiellement le conducteur, caractérisé en ce que la gaine est réalisée principalement en un matériau plastique (polyamide) dont la mouillabilité est supérieure ou égale à WC 6 selon la norme IEC TS/62073 et/ou présente une tension de surface supérieure à 60mN/m, et/ou présente une valeur d'angle de contact au retrait (raceding angle) qui est inférieure à 10 degrés. Cette technique n'a toutefois pas donné entièrement satisfaction. En effet, celle-ci améliore l'écoulement des gouttelettes d'eau le long du câble par temps de pluie sans pour autant les supprimer entièrement et son efficacité est très limitée dans le temps. Elle perd complètement son efficacité dés que la surface du polymère est contaminée par la pollution ou par la poussière. En outre, cette technique n'a aucun effet par temps sec. Dans une autre approche, il a été proposé d'augmenter le diamètre du câble. Le document DE 44 24 007 décrit un câble comprenant un élément support formé à partir de fibres de carbone et au moins une couche, de préférence deux, d'un élément conducteur électrique, l'élément conducteur électrique étant disposé soit au coeur du câble soit entre deux couches d'éléments conducteurs, soit entoure une couche d'élément conducteur. Le fait d'augmenter le diamètre du câble permet de réduire le champ électrique superficiel (i.e. champ électrique maximum à la surface de l'élément conducteur électrique) et par conséquent, permet de réduire l'effet couronne. Toutefois, ce type de câble présente l'inconvénient d'être soit trop lourd, soit de ne pas réduire assez efficacement l'effet couronne. En outre, la capacité en courant est limitée. Le but de l'invention est d'éliminer les inconvénients précités c'est-à- dire de supprimer ou, du moins, de réduire considérablement l'effet couronne. A cet effet, l'invention a pour objet un câble électrique, comprenant : - au moins un élément électriquement conducteur s'étendant longitudinalement le long du câble, et - au moins un élément polymère semi-conducteur entourant au moins en partie ledit élément électriquement conducteur en section transversale, ledit élément polymère semi-conducteur étant apte à réduire l'effet couronne le long dudit câble, caractérisé en ce que ledit élément polymère semiconducteur présente une épaisseur constante autour de la partie de l'élément électriquement conducteur qu'il entoure. La Demanderesse a en effet constaté, de manière surprenante, que le câble selon l'invention permettait, de par ses caractéristiques, de réduire l'effet couronne, et notamment d'augmenter la capacité en courant. En effet, par rapport à des câbles OHL traditionnels le câble selon l'invention présente un diamètre plus grand tout en gardant le même poids. La présence de l'élément polymère semi-conducteur permet d'augmenter le diamètre apparent du câble, tout en augmentant de très peu son poids (par exemple par l'utilisation d'une mousse légère ou d'une couche polymère creuse ou alvéolée). Par conséquent, en configuration opérationnelle, le champ électrique superficiel est relativement bas, notamment de l'ordre de 0,5 kV/mm, permettant ainsi de réduire l'effet couronne qui apparaît à partir d'un champ électrique de 3 kV/mm. Selon l'invention, on considère plus particulièrement que l'élément polymère est semi-conducteur lorsque sa conductivité électrique est d'au moins 0,00001 S.m-1 (siemens par mètre), cette conductivité électrique pouvant notamment aller jusqu'à 1000000 S.rn-1. Dans un mode de réalisation particulier, ledit élément polymère semiconducteur peut entourer complètement ledit élément électriquement conducteur en section transversale. Ledit élément polymère semi-conducteur, qu'il entoure au moins en partie ou complètement l'élément électriquement conducteur, peut s'étendre sur une ou plusieurs portions le long du câble électrique. Par ailleurs, l'élément polymère semi-conducteur peut avoir une surface externe sensiblement lisse, afin d'effacer avantageusement les irrégularités de surface de l'élément électriquement conducteur. Plus particulièrement, la surface externe de l'élément polymère semi-conducteur est plus lisse que la surface externe de l'élément électriquement conducteur. Ainsi, cette surface externe lisse de l'élément polymère semi- conducteur permet de réduire le champ électrique à la surface du câble électrique et permet ainsi de réduire l'effet couronne. Selon un premier exemple de réalisation, l'élément polymère semiconducteur peut être une couche de type mousse polymère. Cette mousse polymère peut être notamment obtenue par extrusion autour de l'élément 10 conducteur. Selon un second exemple de réalisation, l'élément polymère semiconducteur peut être un tube dont l'épaisseur comporte des alvéoles qui s'étendent le long dudit tube. De préférence, la section transversale des alvéoles est de forme trapézoïdale. 15 Préférentiellement, l'élément polymère semi-conducteur peut être directement en contact physique avec l'élément électriquement conducteur. L'élément polymère semi-conducteur de l'invention peut être obtenu à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère organique et au moins une charge électriquement conductrice. 20 Le terme « polymère » en tant que tel signifie de façon générale homopolymère ou copolymère. A titre d'exemple, le polymère organique peut être choisi parmi un polymère d'oléfine, un polymère fluoré et un polymère aminé, ou un de leurs mélanges. 25 Le polymère d'oléfine peut être notamment un polymère d'éthylène ou un polymère de propylène. Le polymère fluoré peut être notamment choisi parmi un poly(tétrafluoroéthylène-cohexafluoropropylène) (FEP), un copolymère perfluoro(alkyvinyléther)/tétra-fluoroéthylène (PFA), un polytétrafl uoro- 30 éthylène (PTFE), et un poly(éthylène-co-tétrafluoroéthylène) (ETFE), ou un de leurs mélanges. Le polymère aminé peut être une polyaniline. La charge électriquement conductrice peut être choisie avantageusement parmi les noirs de carbone, les nanotubes de carbone, et les graphites, ou un de leurs mélanges. La composition polymérique comprend notamment une quantité suffisante de charge électriquement conductrice pour rendre semi-conducteur l'élément polymère. A titre d'exemple, la composition polymérique peut comprendre de 0,1% à 40% en poids de charge électriquement conductrice, et de préférence au moins 15% en poids de charge électriquement conductrice, et encore plus préférentiellement au moins 25% en poids de charge électriquement conductrice. Selon une caractéristique de l'invention, l'élément polymère semi- conducteur présente une résistivité longitudinale de 0,000001 à 100000 Ohm.m, de préférence de 0,06 à 0,6 Ohm.m. Concernant l'élément électriquement conducteur de l'invention, il peut être de préférence métallique, notamment à base d'aluminium, à savoir soit uniquement en aluminium, soit en alliage d'aluminium tel que par exemple en alliage d'aluminium et de zirconium. L'aluminium ou l'alliage d'aluminium a l'avantage de présenter un couple conductivité électrique/poids spécifique optimisé de façon significative, notamment par rapport au cuivre. L'élément électriquement conducteur de l'invention peut être classiquement un assemblage de fils (ou brins) métalliques dont la section transversale peut être de forme ronde ou non, ou une combinaison des deux. Lorsqu'ils ne sont pas de forme ronde, la section transversale de ces fils peut être par exemple de forme trapézoïdales ou de forme Z. Les différents types de forme sont définis dans la norme IEC 62219. Le câble électrique de l'invention peut être plus particulièrement un câble de transmission électrique à haute tension, notamment de type ligne aérienne (OH L) à haute tension alternative d'au moins 225kV et pouvant aller jusqu'à 800 kV. Pour une meilleure compréhension de l'invention, la description fera référence aux dessins annexés et qui figurent uniquement à titre illustratif et non limitatif. Dans ces dessins : - la figure 1 est une vue schématique de section transversale d'un câble électrique convenant pour la présente invention selon un premier mode de réalisation ; et - la figure 2 est une vue schématique de section transversale d'un câble électrique convenant pour la présente invention selon un second mode de réalisation. EXEMPLES DE REALISATION : Pour des raisons de clarté, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique, et ceci sans respect de l'échelle. Exemple 1 Le câble électrique 1, illustré sur la figure 1, correspond à un câble de transmission électrique à haute tension du type OHL. Ce câble 1 comprend un élément électriquement conducteur 2 entouré coaxialement par un élément polymère semi-conducteur 3. Dans cet exemple, l'élément polymère semi-conducteur se présente sous la forme d'un tube polymère 3 comprenant dans son épaisseur des alvéoles qui présentent une section transversale de forme trapézoïdale. L'élément conducteur 2 est directement en contact avec le tube polymère 3. L'élément électriquement conducteur 2 est dans cet exemple un assemblage de brins en alliage d'aluminium et de zirconium dont la section transversale de chaque brin est de forme trapézoïdale, ces brins étant torsadés entre eux. Le tube polymère 3 alvéolé est obtenu à partir d'une composition polymérique semi-conductrice extrudée autour de l'assemblage de brins en alliage d'aluminium et de zirconium. Cette composition polymérique comprend 80% en poids de polyaniline et 20% en poids de noir de carbone (i.e. charge électriquement conductrice). L'épaisseur du tube polymère 3 de ce câble est de l'ordre de 10 à 50 mm, et son poids est de l'ordre de 10 grammes par mètre linéaire. L'épaisseur du tube 3 est en outre constante tout le long de l'élément électriquement conducteur 2. La composition polymérique peut être extrudée sous forme de tube directement sur l'élément électriquement conducteur 2. Elle peut également être extrudée sous forme de tube séparément, puis le tube ainsi formé est enfilé autour de l'élément électriquement conducteur 2 une fois ce dernier installé sur le pilonne grâce à une fente longitudinale le long du tube, prévue à cet effet. La fente longitudinale peut être réalisée lors de l'extrusion du tube ou bien une fois le tube extrudé, en utilisant des techniques bien connues de l'homme du métier. Exemple 2 Le câble électrique 10, illustré sur la figure 2, correspond à un câble de transmission électrique à haute tension du type OHL. Ce câble 10 comprend un élément électriquement conducteur 20 20 entouré coaxialement par un élément polymère semi-conducteur 30. Dans cet exemple, l'élément polymère semi-conducteur se présente sous la forme d'une couche en mousse polymère 30. L'élément conducteur 20 est directement en contact avec la couche en mousse polymère 30. 25 L'élément électriquement conducteur 20 est dans cet exemple un assemblage de brins en alliage d'aluminium et de zirconium dont la section transversale de chaque brin est de forme trapézoïdale, ces brins étant torsadés entre eux. La couche en mousse polymère 30 est obtenue en moussant puis en 30 extrudant une composition polymérique semi-conductrice comprenant 75% en poids de polyaniline, et 25% en poids de noire de carbone (i.e. charge électriquement conductrice). Le moussage de ladite composition polymérique peut être réalisé par des techniques bien connues de l'homme du métier, soit par un moussage physique (e.g. injection d'un gaz), soit par un moussage chimique (e.g. en ajoutant à la composition polymérique un agent moussant, notamment de type exothermique). L'épaisseur de la couche en mousse polymère 30 de ce câble est de l'ordre de 10 à 50 mm, et son poids est de l'ordre de 50 grammes par mètre linéaire. L'épaisseur de la couche en mousse polymère 30 est en outre constante tout le long de l'élément électriquement conducteur 20. La composition polymérique moussée peut être extrudée directement sur l'élément électriquement conducteur 20. Elle peut également être extrudée séparément, puis la couche en mousse polymère ainsi formée est enfilée autour de l'élément électriquement conducteur 20 une fois ce dernier installé sur le pilonne grâce à une fente longitudinale le long de la couche en mousse polymère, prévue à cet effet. La fente longitudinale peut être réalisée lors de l'extrusion du tube ou bien une fois le tube extrudé, en utilisant des techniques bien connues de l'homme du métier. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec lesdits modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Câble électrique (1, 10) comprenant : - au moins un élément électriquement conducteur s'étendant longitudinalement le long du câble (2, 20), et - au moins un élément polymère semi-conducteur (3, 30) entourant au moins en partie ledit élément électriquement conducteur (2, 20) en section transversale, ledit élément polymère semi-conducteur étant apte à réduire l'effet couronne le long dudit câble, caractérisé en ce que ledit élément polymère semi-conducteur (3, 30) présente une épaisseur constante autour de la partie de l'élément électriquement conducteur (2, 20) qu'il entoure. 2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément polymère semi-conducteur entoure complètement ledit élément électriquement conducteur en section transversale. 3. Câble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit élément polymère semi-conducteur s'étend sur une ou plusieurs portions le long du câble électrique. 4. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément polymère semi-conducteur (3, 30) a une surface externe sensiblement lisse. 5. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément polymère semi-conducteur est une couche de type mousse polymère (30). 6. Câble selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément polymère semi-conducteur est un tube (3) dont l'épaisseur comporte des alvéoles qui s'étendent le long dudit tube. 7. Câble selon la revendication 6, caractérisé en ce que la section transversale des alvéoles est de forme trapézoïdale. 8. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'élément polymère semi-conducteur (3, 30) est directement en contact physique avec l'élément électriquement conducteur (2, 20). 9. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément polymère semi-conducteur est obtenu à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère organique et au moins une charge électriquement conductrice. 10. Câble selon la revendication 9, caractérisé en ce que le polymère organique est choisi parmi un polymère d'oléfine, un polymère fluoré et un polymère aminé, ou un de leurs mélanges. 11. Câble selon la revendication 10, caractérisé en ce que le polymère organique fluoré est choisi parmi un poly(tétrafluoroéthylène- cohexafluoropropylène) (FEP), un copolymère perfluoro(alkyvinyl-éther)/tétra- fluoroéthylène (PFA), un polytétrafluoro-éthylène (PTFE), et un poly(éthylèneco-tétrafluoroéthylène) (ETFE), ou un de leurs mélanges. 12. Câble selon la revendication 10, caractérisé en ce que le polymère organique aminé est une polyaniline. 13. Câble selon la revendication 9, caractérisé en ce que la charge électriquement conductrice est choisie parmi les noirs de carbone, les nanotubes de carbone, et les graphites, ou un de leurs mélanges. 14. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur (2, 20) comprend de l'aluminium. 15. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est un câble de transmission électrique à haute tension.