Brevet FR3026977A1 — publié le 20160415

DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention se rapporte à un dispositif de perforation d'un papier imprégné d'isolation de câble électrique et à son utilisation. ARRIERE PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Le réseau de distribution d'électricité à Haute Tension A (en abrégé "HTA" - 20kV pour l'essentiel) ou Basse Tension Souterrain (en abrégé BTS) 10 en France comprend encore aujourd'hui environ 25 000 kilomètres de câble dont l'isolation est assurée par du - papier imprégné » (en abrégé CPI). Ces câbles sont jugés sensibles car ils sont en place depuis plusieurs dizaines d'années et sont situés pour l'essentiel dans les grandes agglomérations comme par exemple Paris ou Lyon. 15 Ils sont sujets à des défauts d'isolation conduisant à des courts- circuits et des interruptions de la fourniture d'électricité. Le retour d'expérience actuel montre que 25% des défauts sur le réseau HTA (hors arrachage) sont dus à des défaillances - plein câble » sur des câbles CPI par rupture du caractère diélectrique du papier. Cette rupture est due 20 au vieillissement du papier sous l'influence de divers facteurs (échauffement du câble, humidité). Au bout d'une certaine "durée de vie", c'est à dire une durée d'utilisation optimale du câble, le papier n'est plus en mesure d'assurer l'isolation et les défauts se multiplient. Il faut alors changer le câble. Pour éviter les défauts et les coupures d'alimentation en résultant, 25 il est donc important pour le distributeur d'électricité de pouvoir disposer d'un outil, à la fois intuitif et transportable sur le terrain, pour mesurer de manière simple la "durée de vie" résiduelle du câble à partir d'un critère physique élémentaire, et prévoir, le cas échéant, des interventions de maintenance sur ces câbles. De telles mesures effectuées systématiquement lors de ces 30 interventions devraient permettre d'orienter les gestionnaires du réseau de distribution d'électricité sur la priorité des câbles à renouveler, à partir de leur durée de vie résiduelle. Or, il est connu que l'évaluation des propriétés mécaniques des papiers est un indicateur de leur vieillissement. 35 La résistance mécanique à la traction d'un papier est mesurée par deux tests normalisés de laboratoire, dont les résultats sont corrélés, à savoir : 3026977 2 - le test utilisant un éclatomètre à membrane (tel que défini par les normes ASTM D 2529, ISO 2759 et NFQ03053) et - le test utilisant un appareil de traction linéaire à mors non-jointifs. 5 Par ailleurs, les propriétés mécaniques sont propres à chaque type de papier car elles résultent du procédé de fabrication et de la nature des fibres et adjuvants entrant dans la composition du papier. Pour un papier donné, elles sont corrélées au degré de polymérisation (DP) de la molécule de cellulose, laquelle peut être considérée 10 comme la "brique moléculaire élémentaire" des fibres du papier. Le DP de la cellulose varie sous l'effet du procédé utilisé pour fabriquer le papier, et après fabrication, varie continuellement sous l'effet des conditions d'usage et de vieillissement du papier. La baisse de DP est à l'origine de la dégradation mécanique du papier, pour un papier donné. 15 La mesure du DPv (degré de polymérisation moyen viscosimétrique) est un test chimique normalisé non réalisable sur le terrain. Pour les applications diélectriques, il sert donc d'indicateur de vieillissement et de dégradation des papiers. Il est de l'ordre de 1200 pour un papier kraft neuf. La mesure du DP est également utilisée dans d'autres domaines tels que, par 20 exemple, la conservation du patrimoine culturel (dégradation des livres et documents papier anciens, évaluation du besoin de restauration). Dans l'ouvrage - Pulp Bleaching, Principles and Practices » (TAPPI ed., 1996) on montre, d'une part, la très bonne corrélation entre la résistance à la traction à mors non-jointifs et la résistance à l'éclatement du papier selon les 25 tests normalisés précités, et d'autre part, le lien entre le DPv (représenté par la viscosité intrinsèque de la cellulose) et la résistance mécanique du papier (représentée par le produit des indices de traction et d'éclatement). D'autre part, des mesures systématiques de résistance mécanique à la traction ont été réalisées sur les papiers des couches d'isolation les plus 30 proches de l'âme des câbles électriques, partie censée être la plus chaude dans le câble lorsqu'il est parcouru par le courant électrique. Ces mesures sont bien corrélées avec un modèle d'évolution de la résistance mécanique à la traction en fonction du degré de polymérisation mesuré par méthode viscosimétrique, basé sur une étude réalisée par SINTEF 35 (institut de recherche norvégien). 3026977 3 L'état de l'art permet donc de mesurer la résistance mécanique du papier et le degré de polymérisation, mais il ne relie pas ces grandeurs à la durée de vie résiduelle d'un câble à papier imprégné et, de plus, les outils de mesure connus sont des outils de laboratoire non utilisables sur le terrain à l'occasion 5 des opérations de réparation des câbles. Aussi la mise au point d'un appareil de terrain, de type perforateur de papier, adapté à la largeur des bandelettes des papiers constituant l'isolant des câbles de réseau HTA ou BTS à isolation papier imprégné, correspond à un besoin réel des gens de terrain, pour mesurer la durée de vie résiduelle des câbles sur le terrain. Comme indiqué ci-dessus, il est souhaitable que le fonctionnement de cet outil repose sur le principe de la mesure de la force mécanique de perforation d'un papier. Ce type de mesure se rapproche du principe de mesure d'un éclatomètre à membrane de laboratoire (normalisé, ainsi que cela est précisé plus haut), mais n'est pas strictement équivalente au niveau physique. En effet, l'éclatonnètre à membrane de laboratoire utilise une membrane élastomère qui, sous l'effet d'une pression d'air appliquée, se gonfle sous le papier en étirant les fibres et les liaisons inter-fibres, jusqu'à provoquer l'éclatement du papier. La pression d'air à l'éclatement est mesurée comme indicateur. Les forces d'élongation qui s'appliquent au papier au moment de la rupture sont isotropes. L'utilisation d'un perforateur ne respecte pas, de par sa conception mécanique fondée sur l'enfoncement d'une tige métallique (percuteur) perforant le papier, le principe d'isotropie des forces appliquées au papier. Le présent demandeur a donc mené de plus amples investigations en testant un perforateur à tige de percussion. Des premiers tests ont été effectués, en faisant d'abord usage de percuteurs de forme cylindrique à bout rond (c'est à dire dont l'extrémité est configurée en demi-sphère), puis d'autre percuteurs à extrémité de forme 30 tronconique. Avant le test de perforation, une bandelette de papier est disposée à plat au-dessus d'un trou (alésage) cylindrique au travers duquel la tige de perforation pénètre. La bandelette est maintenue immobile sans glissement dans toutes les directions au cours du test : la même force d'appui et donc la même 35 pression de maintien est exercée sur toute la surface de la bandelette au voisinage du trou. Le diamètre de l'alésage est inférieur à la largeur minimale de 3026977 4 la bandelette, et supérieur à celui de la tige du percuteur. Le déplacement de la tige du percuteur est guidé sans frottement, perpendiculairement au papier, dans l'axe de l'alésage, sans toucher les parois de celui-ci. Les tests effectués ont été nombreux et ont permis de déterminer 5 un certain nombre de principes et phénomènes : indépendance de l'appareil vis-à-vis de la largeur de la bandelette et du sens de prélèvement, les tiges à bout rond sont à exclure : la force de rupture est faible et la reproductibilité des mesures n'est pas obtenue. En effet, la dispersion des 10 résultats est telle que la force mesurée peut varier du simple au double pour un même papier, d'une mesure à l'autre. celles de forme tronconique (ou à angle vif) entraînent également une grande dispersion des mesures et l'on constate de nombreux blocages mécaniques ; 15 le non-serrage de l'échantillon entraine un - engouffrement » du papier dans le trou et augmente ainsi considérablement la force à la rupture, du fait de la friction engendrée. Le présent demandeur a poursuivi encore ses investigations en testant des percuteurs dont l'extrémité de la tige présente la forme d'une calotte 20 sphérique. Divers diamètres de tiges et différents rayons de calotte ont été testés. Les tests réalisés avec des percuteurs dont la calotte présente un faible rayon de courbure montrent que la force d'éclatement est faible et que le dispositif ne sollicite que certaines parties de l'échantillon. Ce dernier présente 25 des disparités locales, ce qui se traduit par une absence de reproductibilité des mesures. Toutefois et contre toute attente, le présent demandeur a déterminé une gamme de diamètres de tige et une gamme de rayons spécifiques de calotte donnant des résultats tout à fait reproductibles. Par ailleurs, il a constaté une très forte corrélation entre les résultats obtenus avec ce percuteur spécifique et ceux de l'appareil de référence (éclatomètre à membrane de laboratoire). 3026977 5 RESUME DE L'INVENTION Ainsi, la présente invention se rapporte principalement à un 5 perforateur dynamométrique d'un papier imprégné d'isolation de câble électrique qui comprend : - une embase de réception d'un échantillon dudit papier, avec une surface de positionnement dudit échantillon, qui présente une ouverture circulaire traversante ; 10 - un corps en appui sur ladite embase comportant une ouverture traversante dans laquelle est reçue une tige de perforation cylindrique à embout de diamètre D qui se termine par une calotte sphérique de rayon R, ledit corps comprenant également une partie reliée à ladite tige, ladite tige étant mobile en direction de ladite embase à l'encontre d'un moyen de rappel, pour perforer 15 l'échantillon à travers ladite ouverture de l'embase, ladite tige présentant un rapport D/R supérieur à 0.2 et inférieur à 1. Selon d'autres caractéristiques avantageuses et non limitatives : - le rapport D/R est de l'ordre de 0.53 ; 20 - ledit moyen de rappel est un ressort hélicoïdal ; - ledit moyen de rappel est un vérin ; - ledit moyen de rappel est une pompe, préférentiellement manuelle ; - le dispositif présente des moyens de visualisation de l'amplitude de déplacement de la tige ; 25 - lesdits moyens de visualisation comprennent une échelle graduée ; et - lesdits moyens de visualisation comprennent des codes de couleur. Un autre aspect de l'invention se rapporte à l'utilisation d'un dispositif selon l'invention pour l'estimation du degré de vieillissement d'un papier imprégné d'isolation de câble électrique. 30 BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre. Elle sera faite en référence 35 aux dessins annexés dans lesquels : 3026977 6 - la figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif conforme à la présente invention, montré détaché de son embase ; - la figure 2 est une vue de face d'un dispositif de perforation conforme à la présente invention ; 5 - la figure 3 est une vue de dessus de l'embase de ce dispositif ; - la figure 4 est une vue simplifiée de l'extrémité de la tige de perforation dudit dispositif ; - la figure 5 est une vue en coupe, selon le plan V-V, du dispositif de la figure 2 dans une position que l'on peut qualifier de position de repos ; 10 - les figures 6 et 7 sont des vues analogues à la figure 5, dans des positions de travail, respectivement avant et après perforation du papier. - la figure 8 est un graphique qui montre la corrélation qui existe entre les mesures faites avec le présent dispositif et celles réalisées avec un outil de référence. 15 DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION Un exemple d'un dispositif 1 conforme à l'invention est visible aux figures 1, 2, 5 à 7 annexées. 20 Il s'agit d'un dispositif de perforation de préférence réalisé en métal. Il comprend essentiellement une embase 2 sur laquelle est agencé un corps 4. Tous les deux sont alignés par rapport à un axe longitudinal X-X'. L'embase 2 est particulièrement visible aux figures 1 et 3. 25 Il s'agit d'une plaque épaisse qui est percée d'une ouverture traversante 21 centrée sur l'axe X-X'. Autour de cette ouverture s'étend une surface 20 de réception d'un échantillon de papier (non représenté). Cette surface présente avantageusement un relief strié formé de nervures circulaires concentriques 200 ayant pour fonction de retenir l'échantillon de papier. 30 Dans l'embase, et plus précisément au voisinage de son bord, sont percés trois trous 22 qui, comme on le verra plus loin, servent à la mise en place de paires boulon/écrou 3. Ces trous sont régulièrement répartis angulairement autour de l'axe X-X'. Bien entendu, dans un autre mode de réalisation, ce nombre pourrait être différent, par exemple égal à quatre. Par ailleurs, ces paires 35 boulon/écrou 3 peuvent être remplacées par un autre dispositif visant à en faciliter l'utilisation mais assurant parfaitement la liaison entre l'embase 2 4. 3026977 7 Le corps 4 est destiné à être positionné sur l'embase 2 et rendu solidaire de celle-ci. Sauf exception précisée ci-après, les différentes pièces qui le composent sont de révolution et d'axe longitudinal X-X'. Ce corps est principalement formé d'un élément inférieur 5, d'un 5 vernier 6 et d'un écrou 7. L'élément inférieur 5 comporte une base 51 sensiblement de même épaisseur et de même contour que l'embase 2. Des ouvertures traversantes 53 sont prévues et disposées de telle manière qu'elles coïncident avec les trous 22 de l'embase 2 quand les deux objets sont superposés. 10 Des paires de boulon/écrou 3, comme cela est visible à la figure 2, permettent de les solidariser ou désolidariser à la demande. Le centre de la base 51 est percé d'une ouverture à profil en forme de marche d'escalier 52, dans laquelle prend place une pièce de guidage 54 à faible coefficient de frottement. Il s'agit par exemple d'une pièce en Téflon 15 (marque déposée). L'ouverture axiale de la pièce de guidage 54 présente un diamètre égal, au jeu près, à celui d'une tige de perforation 8 qui sera décrite ultérieurement. D'une seule pièce avec la base 51 s'élève un fût 50 dont la paroi 20 intérieure 500 présente un diamètre notablement supérieur à celui de l'ouverture 52. Le fût 50 présente, au niveau d'au moins la partie supérieure de la paroi précitée 500, un taraudage 501. Sa fonction sera explicitée plus loin. Sur sa face externe est fixée une réglette H à échelle en 25 millimètres, dont le repère "zéro" de référence est situé à l'extrémité inférieure du vernier 6, dans la position de repos de la figure 5. L'écrou 7 comprend une partie supérieure 75 massive traversée par un alésage dans lequel prend place une douille de guidage 72. Le sommet de l'écrou est coiffé d'un chapeau de fermeture 73 maintenu en place par un 30 ensemble de vis 74. Sa partie inférieure 76 est principalement constituée d'une jupe 76 à faible épaisseur de paroi. On note la présence d'un filetage 760 sur la face externe de la jupe 76. Cette dernière ainsi que le diamètre du fût 50 sont dimensionnés 35 de manière à ce que les taraudage 501 et filetage 760 coopèrent. 3026977 8 Un vernier 6 est rendu solidaire de l'écrou 7 par un ensemble filetage/taraudage 71, respectivement 61. Il s'étend vers le bas sous la forme d'une jupe 62 de faible épaisseur qui est dimensionnée de telle manière que son diamètre est légèrement supérieur à celui du fût 50. Dans la position de repos de 5 la figure 5, la base du vernier s'étend à hauteur de l'extrémité supérieure du fût 50. Dans cette région où les surfaces sont en regard est prévue une pièce 60 qui a pour fonction de limiter la translation du vernier 6 vers le haut, mais pas vers le bas. Il s'agit par exemple d'un circlips ou d'une pièce pourvue de tétons aptes à venir se loger dans une rainure prévue dans la paroi du vernier 6. 10 Une tige de perforation 8 centrée sur l'axe X-X' traverse l'écrou 7. Elle comporte en son sommet une tête 81 en forme de disque, constituée d'un écrou frein 81 à rondelle 85 qui, dans la position de repos de la figure 5, repose et est en butée contre le chapeau 73 de l'écrou 7. La tige 8 traverse le chapeau 73 et est maintenue en 15 place/centrée dans l'écrou 7 par la douille 72 et une butée à billes 9. Sous cette dernière est présente une entretoise E contre la face inférieure de laquelle s'applique un ressort hélicoïdal S. La seconde extrémité de ce ressort S s'appuie contre une collerette périphérique 82 qui équipe la partie basse de la tige 8. Cette collerette constitue 20 par ailleurs une butée qui, comme on le verra plus loin, limite la translation de la tige 8 dans le sens de la descente. La forme particulière de l'embout 83 de la tige est bien visible à la figure 4. Cet embout 83 présente un diamètre D et se termine par une 25 calotte sphérique 84 de rayon R. Le diamètre D est très légèrement inférieur à celui de l'ouverture de la pièce de guidage 54. Conformément à l'invention, ladite tige 8 présente un rapport D/R supérieur à 0.2 et inférieur à 1. Avantageusement, ce rapport est de l'ordre de 0.53. 30 Nous allons maintenant expliquer comment s'utilise ce dispositif. L'embase 2 et le corps 4 sont désolidarisés, comme montré à la figure 1 pour pouvoir placer sur l'embase 2 un échantillon de papier à perforer. On positionne alors le corps 4 sur l'embase 2 et on les solidarise au moyen des vis/écrous 3. Ainsi, le papier à perforer est parfaitement centré et 35 maintenu en place, sans risque de déplacement au cours de l'utilisation du dispositif. 3026977 9 Le corps 4 est alors dans la position de repos de la figure 5 dans laquelle l'embout 83 est en retrait de l'embase. Le vernier 6 est alors actionné dans le sens du vissage. Dans la mesure où le vernier 6 et l'écrou 7 forment un ensemble solidaire, le mouvement 5 de rotation qui leur est impartit se traduit par une translation vers le bas, relativement à l'élément inférieur 5. Lors de ce mouvement, il s'opère un bandage du ressort S et un mouvement de translation vers le bas de la tige 8. On a alors atteint la position intermédiaire de travail de la figure 6. 10 En actionnant à nouveau le vernier 6, la collerette 82 vient en butée contre la pièce de guidage 52. On parvient à perforer le papier quand l'effort généré par le ressort S est supérieur à la résistance dudit papier. Le déplacement relatif de l'ensemble vernier 6 et écrou 7 vis-à-vis de l'élément inférieur 5 est directement proportionnel à l'effort de bandage du 15 ressort S. Dans le mode de réalisation décrit ici, on lit directement sur la réglette H, la valeur du déplacement. En lieu et place d'une réglette, on peut par exemple faire usage d'un code de plusieurs couleurs qui renseignent l'utilisateur sur le degré de 20 vieillissement du papier, lequel lui donne une indication sur la "durée de vie" résiduelle du papier. Ainsi, le technicien sait si le câble électrique peut rester en place ou s'il doit être remplacé prochainement. Le présent demandeur s'est livré à une comparaison entre des 25 résultats de perforation mécanique faisant usage du présent dispositif et ceux obtenus avec un éclatomètre à membrane de référence. Le graphique de la figure 8 montre une corrélation évidente et très forte entre perforation mécanique et éclatement à membrane, puisque l'on obtient une droite. Par ailleurs, les coefficients de variation sont faibles pour l'un 30 comme pour l'autre. En lieu et place du ressort S, il peut être fait usage d'un vérin ou d'une pompe préférentiellement manuelle. Toutefois, l'utilisation d'un ressort est particulièrement appréciée notamment pour des raisons de fiabilité, de faible encombrement et de prix de revient avantageux. 3026977 10 Au-delà de ces résultats, le présent dispositif s'avère particulièrement satisfaisant dans la mesure où il est simple, maniable, facilement transportable et utilisable sur le terrain. REVENDICATIONS1. Dispositif de perforation (1) d'un papier imprégné d'isolation de câble électrique qui comprend : - une embase (2) de réception d'un échantillon dudit papier, avec une surface (20) de positionnement dudit échantillon, qui présente une ouverture 5 circulaire traversante (21) ; - un corps (4) en appui sur ladite embase (2) comportant une ouverture traversante dans laquelle est reçue une tige (8) de perforation cylindrique à embout (83) de diamètre D qui se termine par une calotte sphérique (84) de rayon R, ledit corps (4) comprenant également une partie (7) 10 reliée à ladite tige (8), ladite tige (8) étant mobile en direction de ladite embase à l'encontre d'un moyen de rappel (S), pour perforer l'échantillon à travers ladite ouverture (21) de l'embase (2), caractérisé par le fait que ladite tige (8) présente un rapport D/R supérieur à 0.2 et inférieur à 1. 15 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le rapport D/R est de l'ordre de 0.53. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit moyen de rappel (S) est un ressort hélicoïdal. 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par 20 le fait que ledit moyen de rappel (S) est un vérin. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que ledit moyen de rappel (S) est une pompe, préférentiellement manuelle. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, 25 caractérisé par le fait qu'il présente des moyens de visualisation de l'amplitude de déplacement de la tige (8). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdits moyens de visualisation comprennent une échelle graduée (H). 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que 30 lesdits moyens de visualisation comprennent des codes de couleur. 9. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 8 pour l'estimation du degré de vieillissement d'un papier imprégné d'isolation de câble électrique.