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MÉMOIRE DESCRIPTIF
DÉPOSÉ A L'APPUI D'UNE DEMANDE
DE BREVET D'INVENTION la Société dite: IMPERIAL CHEMICAL INDUSTRIES LIMITED Perfectionnements à la fabrication de câbles électriques.
Demandes de brevets anglais du 4 Mai 1939 et du 17 Avril 1940 en sa faveur et en faveur de MM.E.G. WILLIAMS,G.C. SWALLOW et M.W. PERRIN.
L'invention se rapporte à la fabrication de câbles pour la transmission d'énergie électrique à des voltages relativement bas, c'est-à-dire jusque' environ 1000 volts. Le terme câble désigne ici non seulement les conducteurs qui transportent des courants de grande intensité, par exemple de plusieurs centaines d'ampères, mais aussi ceux qui transportent des courants d'intensité moindre comme ceux que l'on rencontre dans la transmission d'énergie pour usages domestiques, et qui sont souvent appelés fils, cordons etc.
Il est bien connu d'utiliser comme isolants pour les conducteurs de ce genre de câbles du caoutchouc, des matières synthétiques, simili-caoutchouc ou plastiques, du papier huilé et des composés contenant du bitume, mais ces matières ,présentent certains désavantages.
Certaines de ces matières ne sont pas entièrement inertes chimiquement et sont exposées à des attaques par les acides, les alcalis et l'ozone. En outre, la plupart de ces matières absorbent l'humidité en perdant, comme conséquence, leurs ropriétés isolantes. Pour ces raisons, on munit ordinairement le cable de certaines protections, par exemple une gaine de plomb pour empêcher l'introduction de l'humidité et une armature spéciale de fils en acier pour la protection mécanique. Cette armature outre qu'elle augmente le prix de fabrication, augmente le poids et réduit la flexibilité des câbles, qui sont alors plus difficiles à manipuler. En outre, il est préférable de ne pas poser des câbles gainés de plomb pendant les époques froides, car la gaine de plomb peut devenir cassante et se briser lorsqu'elle est pliée.
Il est aussi difficile de réunir les câbles gainés de plomb, car le plomb lui-même doit être scellé et il faut prendre grand soin pour assurer que les joints soient tout à fait imperméables à l'humidité.
Les propriétés mécaniques de certaines matières isolantes diminuent avec l'âge, de sorte que certains câbles, bien que propres à l'usage à l'époque de teur installation, deviennent bientôt tout à fait hors d'usage. Par exemple le caoutchouc a la propriété de "vieillir" c'est-à-dire de se détériorer lorsqu'il est exposé ; les compositions de bitume deviennent dures, cassantes et inflexibles avec le temps.-
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Un autre désavantage de beaucoup de matières isolantes connues est leur tendance au fluage à froid. En particulier cela est vrai des divers genres d'isolants plastiques, spécialement lorsque la température est supérieure à la température normale.
Un résultat du fluage à froid de la matière isolante est oue le fil conducteur est déplacé de l'axe central, et par conséquent des parties de l'isolement s'amincissent et il y a un danger de disruption. Avec le type de câble isolé au papier huilé, si le conducteur n'est pas horizontal, il y a aussi une certaine tendan- ce de la matière isolante de s'écouler des parties les plus éle- vées du conducteur, laissant le fil nu ou insuffisamment isolé.
L'invention fournit un câble dont la matière isolante ne souffre pas des désavantages cités plus haut, et qui peut être employé sans gaine de plomb.
L'invention est basée sur la découverte que des polythè- nes normalement solides présentent un ensemble de propriétés physiques, chimiques et électriques qui les rendent particulière- ment propres à la fabrication de câbles électrioues de l'espèce décrite.
Les polythènes sont des polymères de l'éthylène dont la composition correspond la substance à (CH2)x. Il existe des polythènes semi-solides ou semblables à la graisse, et des polythènes normalement solides, mais l'invention concerne seule- ment les polythènes qui sont solides à la température ordinaire; ces polythènes peuvent avoir un poids moléculaire de l'ordre de 2000 à 50.000 ou plus, dépendant des conditions particulières de la fabrication. Des polythènes d'un poids moléculaire de 4.000 à 30.000 fondent ou se ramollissent à environ 110 à 120 C. en un liquide très visqueux, et sont modérément solubles dans certains solvants organiques à chaud, bien qu'étant seulement très faible- ment solubles à froid.
Des procédés de fabrication de polythènes sont décrits dans le brevet belge n .419.817, suivant lesquels l'éthylène, contenant peu ou pas d'oxygène, est soumis à de très hautes pressions à une température modérément élevée dans des conditions permettant une élimination rapide de la chaleur de réaction.
Certaines propriétés des polythènes solides ont été mentionnées dans le dit brevet n .489.817, par exemple leur ré- sistance à l'eau, aux acides, aux alcalis et leurs propriétés diélectrioues qui sont extraordinairement bonnes. Il n'était cependant pas prévisible que ces polythènes remplissaient les conditions exactes exigées des matières isolantes pour câbles, et que des câbles de bonne oualité et de longue durée pouvaient être obtenus en munissant les conducteurs de revêtements relati- vement minces de polythènes solide. En particulier, il n'était pas prévisible que des câbles isolés au polythène donneraient un service satisfaisant dans des conditions où ils sont exposas à la corrosion et à l'humidité, par exemple lorsqu'ils sont enfouis dans le sol sans gaine protectrice extérieure en plomb.
On ne pouvait en outre pas prévoir eue des fils recouverts de po- lythène résisteraient à des flexions et manipulations répétées, sans que l'enveloppe ne se déta.che du fil.
Suivant l'invention, on munit un câble électrique pro- pre au transport de courants de bas voltages, par exemple jusqu'à 1000 volts, qui comprend une âme conductrice centrale entourée d'une couche de matière isolante dont l'épaisseur ne dépasse pas 2,5 mm et oui consiste essentiellement en du polythène normale- ment solide.
Les polythènes solides ont toute une gamme de poids moléculaires, qui dépendent des conditions de réaction employées ,pour leur production. Bien que les propriétés électriques soient
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presque également bonnes quelque soit le poids moléculaire, les polythènes d'un poids moléculaire plus élevé possèdent des pro- priétés mécaniques supérieures. Pour cette raison , on préfere utiliser comme matières pour la réalisation de l'invention, des polythènes de poids moléculaire élevé, convenablement d'au moins 10.000, par exemple de 25.000 à 30. 000. De tels polythènes mon- trent une très faible tendance ou fluage, même à des températures approchant 100 C.
Le mode d'application préféré du polythène consiste à l'extruder sur le conducteur à des températures élevées par exem- ple au-dessus de 110 C. Cependant, d'autres procédés peuvent être employés comme de recouvrir le conducteur avec du polythène en feuille, ou bien d'enrouler une bande de polythène autour du conduc- teur, puis de chauffer afin de fixer l'enveloppe de polythène. Des matières fibreuses telles que le papier et le tissu qui ont été enduites ou imprégnées de polythène peuvent aussi être employées dans le'même but.
Un autre mode d'application du polythène consiste à l'utiliser en solution dans un solvant volatil approprié qui est ensuite éliminé par évaporation à une température au-dessus de la température de ramollissement du polythène. Comme variante, le sol- vant peut être éliminé par évaporation en-dessous de la tempéra- ture de ramollissement du polythène la couche résultante non-cohé- rente de polythène étant alors chauffée au-dessus de la'tempéra- ture de ramollissement pour provoquer la cohésion des particules de polythène.
Des câbles isolés avec du polythène de l'espèce décrite présentent de nombreux et importants avantages techniques et éco- nomiques. Ainsi, pour la plupart des usages, le câble ne nécessite pas une protection au moyen d'une gaine en plomb comme les câbles isolés avec du papier, de la toile vernie et des produits sembla- bles, car le polythène possède à la fois des propriétés d'isola- tion et de protection contre l'humidité. De plus, l'inertie chi- mique elevée du polythène permet d'utiliser ces câbles, sans qu'ils soient protégés par des gaines de plomb, pour des lignes aérien- nes, de les enfouir dans le sol, ou de les utiliser dans des condi- tions d'humidité, d'acidité ou alcalinité, sans qu'aucune dété- rioration ne survienne.
Le polythène est aussi inerte à l'action de l'ozone qui, se développant à proximité de câbles électriques, endommage souvent les matières isolantes connues. Contrairement au caoutchouc, le polythène ne souffre pas du désavantage de "vieillir", par exemple de se détériorer à l'exposition; il ne devient non plus pas dur, cassant et inflexible avec l'âge comme les compositions de bitume. Le polythène contrairement au caout- chouc, n'est pas susceptible de se détériorer au contact du cuivre, de sorte qu'il n'est pas nécessaire d'étamer les conducteurs en cuivre pour empêcher un tel contact, comme cela se fait souvent pour l'isolement au caoutchouc.
Certains autres avantages résultent de fait qu'une gaine de plomb n'est pas nécessaire. Par exemple le coût de la fabrica- tion est considérablement plus réduit. Il n'est pas nécessaire de sceller les extrémités du câble comme avec les câbles gainés de plomb. Les câbles sont extrêmement légers puisqu'il ne faut pas de plomb et que le poids spécifique du polythène est seulement de 0,92 à 0,94. De tels câbles sont flexibles à de basses températures par exemple - 20 et moins, et ils peuvent être posés a des températures basses sans danger d'endommaer le câble.
Un avantage important des câbles isolés au polythène sur ceux à isolant huilé et gaine de plomb, est la plus grande faci- lité de jonction, soit terminale soit entre câbles. Sans gaine de plomb, la jonction ne nécessite pas le soudage du plomb et comme le polythène lui-même est imperméable à l'eau, la nécessité de prendre soin d'exclure l'humidité n'existe plus. La jonction est
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aussi facilitée par la legèreté et la flexibilité de ces câbles isolés au polythène.
Le polythène a des propriétés d'isolation électrique extrêmement bonnes, en particulier une résistance d'isolation très élevée et une forte résistance à la disruption. La résistance à la disruption asymtotique, par exemple la force disruptive après un temps infini est de 200 a 400 kilovolts par cm. Cela signifie que pour des câbles à bas voltage des isolations extrêmement min- ces peuvent être employées avec comme conséquence une diminution du coût de fabrication et du poids du câble. Il n'est pas necessai- re d'ajouter des plastifiants au polythène. Avec la plupart des matières plastiques des plastifiants doivent être ajoutes, avec comme conséquence la perte de bonnes propriétés isolantes. En outre, ces plastifiants s'évaporent parfois lentement de la matiè- re, la laissant cassante ou dure.
Des câbles isolés au polythène peuvent être employés à des températures élevées allant jusqu'à environ 80 à 100 C.sans que le fil ne se décentre, car jusqu'à ces températures le poly- thène ne montre qu'une tres faible tendance au fluage. A ce point de vue, ils présentent une supériorité marquée sur des câbles isolés avec du bitume vulcanisé et des matières plastiques.
Comme l'extrudage du polythène sur l'âme du câble est aisée et qu'une vulcanisation telle qu'elle est pratiquee avec des câbles isoles au caoutchouc n'est pas nécessaire, la fabrica- tion de câbles isolés au polythène est à la fois simple et bon marché.
Bien qu'une gaine de plomb ne soit généralement pas né- cessaire, l'invention n'exclut pas son emploi si l'on pense qu'il est desirable. Elle n'exclut pas non plus l'emploi de renforce- ments extérieurs, tels que bandes, armatures, tresses, gaines de caoutchouc et autres formes de recouvrement extérieurs là où ils seraient désirables pour des raisons mécaniques ou autres.
Les câbles peuvent être du type à une seule âme ou à âmes multiples, et les âmes peuvent être des fils pleins ou toron- nés. Dans les câbles à âmes multiples, une ou plusieurs des âmes peuvent être isolées avec des matières autres que le polythène.
L'invention n'est pas limitée à l'emploi de matières isolantes consistant seulement en polythène. Si on le désire, on peut employer une composition consistant en du polythène mélangé avec une proportion, ne dépassant pas 50%, de cire de paraffine.
L'invention se distingue de celle décrite dans le bre- vet anglais n 505.76, en ce que les câbles faisant l'objet du dit brevet sont de l'espèce employée pour la transmission de courants de haut voltage, par exemple d'au moins 1000 volts, et par conséquent ont une epaisseur d'isolation considérable, tan- dis que les câbles suivant la présente invention ont seulement une faible épaisseur d'isolation, ne dépassant genéralement pas 2,5 mm. Donc pour des voltages jusqu'à 1000 volts l'épaisseur de l'isolation de polythène nécessaire est de l'ordre de 0,025 mm. à 2,5 mm, tandis que pour 50. 000 volts, par exemple, une épais- seur d'environ 6,35 mm. à 12,70 mm. serait nécessaire.
L'invention est illustree, sans y être limitée, par les exemples suivants : EXEMPLE 1.
Un câble à une seule âme pour transporter l'énergie électrique jusqu'à 1.000 volts est fabriqué en extrudant à 140"C une couche de polythène (poids moléculaire 20.000) épaisse de 2,5 mm. sur un conducteur en cuivre toronné, ayant une section
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conductrice de 0,65 cm2. Du jute est enroulé sur l'isolant en polythène, et le câble est armé d'un'-' certain nombre de fils d'acier enroulés en une seule couche, disposés de la façon ordinaire pour les câbles électriques souterrains.
EXEMPLE 2,
Un câble semblable à celui de l'exemple 1 est fabriqué, dans lequel quatre des fils d'acier de l'armature sont remplacés par des fils de cuivre, qui fournissent un retour à la terre plus efficace.
EXEMPLE 3.
Un conducteur fabriqué de neuf conducteurs en cuivre toronnés est isolé avec une couche de polythène (poids moléculaire 15.000), épaisse de 1,27 mm. Le polythène est d'abord coloré en y mélangeant 0,5% d'une teinture rouge, et est ensuite extrudé sur le fil. La. câble résultant convient pour des usages domestiques.
EXEMPLE 4.
Un câble est fabriqué en enroulant étroitement autour d'un conducteur en cuivre toronné une bande de polythène large de 5 cm. et épaisse de 0,076 mm préparée d'un polythène d'un poids moléculaire de 25.000. La bande est enroulée hélicoldalement en trois couches et les couches sont scellées en chauffant à une température d'environ 120 C.
EXEMPLE 5.
----------Un fil propre au transport d'énergie électrique jusqu'à 1.000 volts est fabriqué en faisant passer un conducteur en cuivre toronné dans une solution de polythène (poids moléculaire 15.000), solution contenant 20 % de polythène dans du xylène à 120 C, et en évaporant le solvant de la couche adhérente à 120 C.
EXEMPLE 6.
Un câble est fabriqué en enroulant une bande large de 5 cm, épaisse de 0,13 mm de toile imprégnée de polythène autour d'un conducteur en cuivre toronné. On chauffe ensuite à environ 120 C pour sceller l'enveloppe de polythène.
EXEMPLE 7.
Un mélange de 90 parties en poids de polythène (poids moléculaire 20.000) et de 10 parties eh poids de cire de paraffine est extrudé à environ 140 C. sur un conducteur en cuivre toronné d'une section conductrice de 3,23 cm2 pour former une enveloppe isolante de 1,27 mm d'épaisseur. Le câble est armé de fils d'acier sur du jute, et est propre à transporter des courants intenses de 1.000 volts.
EMI5.1
RE V END 1 CATIONS
1) Câble électrique propre à transporter des courants de bas voltages, par exemple jusqu'à 1000 volts,comprenant une ou plusieurs âmes conductrices centrales entourées d'une couche de matière isolante dont l'épaisseur ne dépasse pas 2,5 mm et qui consiste essentiellement en du polythène normalement solide.