Câble électrique unipolaire isolé, pour courant à haute tension, et procédé pour sa fabrication. La présente invention comprend un câble électrique unipolaire à haute tension, isolé par exemple au moyen de papier imprégné, et un procédé pour sa fabrication.
Il est connu qu'il existe pour ce genre de câbles un rapport optimum entre le diamètre D mesuré sur le revêtement en papier et le diamètre d du conducteur proprement dit, rapport correspondant à la contrainte mini mum du diélectrique pour un diamètre D donné. Suivant la théorie, ce rapport op timum est de<I>D : d =</I> 2,718.
Lors du calcul de la section nécessaire, on trouve, souvent, pour le transport d'énergie à. très haute tension, que le diamètre d du conducteur correspondant à la section trouvée est inférieur à D 12,718, de sorte que de nom breux constructeurs ont tenté d'agrandir par des artifices le conducteur en vue d'obtenir le diamètre optimum. Ces artifices consistent généralement dans la disposition de fils élé mentaires formant le conducteur autour d'un support fibreux ou métallique ou de toute autre matière moins coûteuse que le cuivre constituant le conducteur. .
On sait également que l'une des difficul tés les plus graves rencontrées par les cons tructeurs de câbles pour de très hautes ten sions est la détermination du temps néces saire pour le séchage du papier et l'imprégna tion complète de ce dernier par les mélanges isolants, lors de la fabrication du câble.
Il est d'importance extrême de pouvoir reconnaître avec certitude quand toute l'hu midité contenue dans le papier a été extraite, car le prolongement excessif de l'opération peut nuire aux propriétés physiques du pa pier, tandis qu'un séchage imparfait donne rait lieu à un mauvais fonctionnement du câble.
L'imprégnation est faite généralement après avoir déterminé le temps nécessaire, la viscosité du mélange, la température, la pression employée, l'épaisseur et la perméa bilité du diélectrique étant connus. Toutefois, en considération du grand nombre de facteurs intervenant, il n'est pas possible de limiter la durée de l'imprégna tion au temps strictement nécessaire et il ar rive souvent que, tout en employant pour cette opération un temps bien supérieur celui qui avait été calculé, on trouve au moment de l'épreuve des points où l'impré gnation a été défectueuse, parfois sur des zones très étendues et toujours à proximité du conducteur, c'est-à-dire où l'effort du dié lectrique est le plus fort.
Ces zones repré sentent des points dangereux, sujets à se sur chauffer et par conséquent à briller lors du fonctionnement du câble.
Le câble selon la présente invention est caractérisé en ce qu'il comporte un revête ment en papier poreux disposé autour d'une âme conductrice servant au transport du cou rant, sur lequel revêtement est enroulée en hélice, à spires rapprochées mais non join tives, une bande métallique reliée électrique ment à la partie centrale conductrice en di vers points de sa longueur et sur laquelle est disposé le revêtement isolant, la face externe de la bande se trouvant à un rayon tel de l'axe du câble que le diamètre de l'hélice qu'elle forme soit très sensiblement dans le rapport optimum avec celui du revêtement isolant.
Son procédé de fabrication se caractérise par le fait que l'on enroule autour de l'âme conductrice la couche de papier poreux et sur celle-ci la bande métallique, sur laquelle est ensuite disposé le revêtement isolant, le câ ble ainsi formé étant séché, puis imprégné d'un isolant, des mesures électriques étant effectuées sur le revêtement de papier Po reux au cours du séchage et de l'imprégna tion, en vue de suivre la marche de ces deux opérations et de les interrompre en temps utile.
Le dessin annexé montre, à titre d'exem ple, une forme d'exécution de l'objet de l'in vention et des détails de construction.
Fig. 1 et 2 sont respectivement une coupe transversale et une vue latérale, les différen- tes couches étant successivement enlevées de cette forme d'exécution; Fig. 3 et 4 montrent respectivement une coupe transversale et une coupe axiale par tielle du raccordement de deux tronçons de câble, montrant la connexion entre l'hélice et l'âme du câble; Fig. 5 est une vue analogue à fig. 4, re lative à un mode de connexion entre l'hélice et l'âme du câble, sur une borne terminale.
Aux fig. 1 et 2, 1 indique le conducteur calculé en vue d'avoir la section de cuivre nécessaire pour le transport de l'énergie. Le diamètre du revêtement hélicoïdal 3 en lame métallique conductrice est au contraire cal culé en vue d'obtenir le meilleur rapport en tre ledit diamètre<I>d</I> et celui<I>D</I> résultant de la contrainte de la couche d'isolant 4 consti tué en papier par exemple et qui est, comme mentionné ci-dessus, DId <I>=</I> 2,718.
Entre le conducteur 1 et la bande 3 est interposée une couche 2 en papier à porosité très élevée.
Une gaine clé plomb 5 protège la couche isolante 4 des agents extérieurs.
Aux fig. 3 et 4, les conducteurs 2 por tent à l'extrémité une borne 6, celle-ci étant simplement une bague conductrice enfilée sur les conducteurs, dont les deux bouts sont mis en face, l'hélice 3 recouvrant les bornes et les bouts des conducteurs. Un alliage de soudure 8 est coulé par la fente résultant entre les bords de la bande 3 au moyen d'un dispo sitif convenable et forme un corps rigide entre les bornes 6, et un contact excellent entre le conducteur 1 et l'hélice 3.
A la fig: 5 est représentée une borne ter minale comportant un manchon cylindrique 7 enfilé sur le bout du conducteur dépourvu de tout revêtement et évasé à une extrémité dépassant le conducteur; on coule dans cet évasement l'alliage de soudure 8, aussi bien que dans les interstices de la bande entou rant le manchon 7 en substitution de la cou che 2? de papier poreux. Le manchon 7 porte un prolongement fileté pour les connexions.
Il est bien entendu que les bornes de jonc tion et terminales pourront varier des exem- Ales représentés, sans sortir du cadre de l'in- Vention.
Pour fabriquer un câble tel due décrit, un enroule autour de l'aame conductrice 1 (dont: le diamètre est déterminé par la section fb@ cuivre nécessaire), la couche de papier po- 1"(-Iux \? et, sur celle-ci, la mince bande mé tallique 3, en cuivre ou en laiton par exem ple. L'épaisseur de la couche 2 devant être telle que le diamètre extérieur de l'hélice for- nlée par la bande 3 ainsi enroulée soit égal à la valeur satisfaisant au rapport fixé.
Cette hélice 3 est connectée électrique ment à l'âme 1 aux points de jonction des tronçons du câble et à ses extrémités, aux bornes terminales.
Les spires de l'hélice 3 sont placées tout près l'une de l'autre sans toutefois être en contact, dans le double but de maintenir au râble la flexibilité nécessaire et de permettre la pénétration parfaite du mélange isolant jusqu'au conducteur interne lors de l'impré gnation. Sur l'hélice est disposé le revête ment isolant 4 (constitué par exemple par une ou plusieurs couches de papier) par les méthodes usuelles jusqu'à ce qu'on ait at- ti,int le diamètre extérieur D. On applique rInfin à l'extérieur le revêtement normal en plomb.
La. couche de papier interposée entre le conducteur et l'hélice métallique a les fonc tions -suivantes: Pendant le séchage, le papier permet clé r@@rifier par (les mesures électriques le pro- @\lès du séchage et d'interrompre l'extraction il- l'humidité au moment convenable, en ob- ti@nant le double effet de ne pas prolonger inutilement un procédé très coûteux et de ne Inis maintenir la matière isolante à haute @c lllpérai ire au delà du temps nécessaire.
Les mesures électriques que l'on peut ef- fectuet sont des mesures d'isolement, ou @@iisux encore de pertes du diélectrique par 1w. ill.ntliode à pont à. fréquences tél.#"@pho- Illqlles.
La mesure intéresse la partie la plus dif ficile à sécher, qui est précisément la, cou- clie de papier interposée entre l'hélice mé- tallique et le conducteur en cuivre. Si l'on suit méthodiquement le procédé de séchage, il est possible de déterminer le maximum, de la résistance d'isolement, ou bien le mini mum des pertes du diélectrique correspondant à un séchage parfait.
Pendant l'imprégnation, on a la possibi lité de reconnaître quand le mélange d'impré gnation atteint la couche de papier poreux interposé entre l'hélice conductrice et le con ducteur proprement dit, puisqu'on remarque une variation brusque de la résistance d'iso lement due à la forte conductivité du mé lange à la température d'imprégnation.
Si, au lieu de la résistance d'isolement, on mesure la capacité entre les deux arma tures susdites, on remarque une augmenta tion considérable de la capacité et des pertes lorsque le mélange atteint la couche de pa pier très poreux.
Comme cette couche est la dernière mouil lée par le mélange, l'imprégnation du câble s'effectuant de l'extérieur vers l'intérieur, on a la certitude que lorsque la couche com prise entre l'hélice et le conducteur est im prégnée, tout le revêtement isolant externe est complètement saturé de mélange.
Afin de réaliser cette condition, il est nécessaire d'empêcher au mélange l'entrée dans les interstices du câble en cuivre aux extrémités du câble. La détermination d'une façon très sûre de la durée exacte d'impré gnation représente, ainsi qu'on l'a déjà dit, un avantage considérable, soit au point de vue technique, soit au point de vue économi que.
Pendant le fonctionnement du câble (:n service, la couche de papier à porosité élevée interposée entre l'hélice et le conducteur n'est soumise à aucun effort électrique, car, ainsi due l'on a dit ci-dessus, l'hélice mé tallique est reliée électriquement aux jonc tions des tronçons et aux bornes extrêmes du câble avec le conducteur proprement dit, de sorte due la couche susdite se trouve entre deux surfaces équipotentielles au même ni veau électrique. Les bords de la bande métallique consti tuant l'hélice sont repliés vers l'intérieur du câble, évitant ainsi le danger de créer des saillies à petit rayon de courbure vers la ma tière isolante proprement dite.
Toutefois, la couche susdite ayant une épaisseur calculée de façon à avoir un diamètre d de l'hélice satisfaisant au rapport optimum, il en résulte sur la surface de contact entre la couche iso lante et le métal formant l'hélice un gradient de potentiel sensiblement inférieur à celui que l'on aurait sur la surface du conducteur pro prement dit, si l'écran métallique représenté par l'hélice n'existait pas;
d'autre part, comme il résulte d'études et d'expériences effectuées en Italie et en Amérique, la surface de l'hélice conductrice étant lisse et parfaitement cy lindrique, l'effort au point de gradient maxi mum est considérablement inférieur à celui que l'on aurait en agrandissant artificielle ment le conducteur, car la surface comportant des fils élémentaires enroulés autour d'un noyau de support donne lieu à un effort du diélectrique supérieur de 15-20 % à celui dû à un conducteur cylindrique à surface lisse.
En outre, la couche de papier à porosité élevée forme -une espèce de réservoir des mélanges isolants équilibrant en partie les dilatations subies pendant le fonctionnement du câble et empêchant que les dilatations mêmes tendent à déformer le tube en plomb, ce qui donnerait lieu, lors du refroidissement du câble, à des espaces vides dus à la con traction du mélange à son volume primitif.
Unipolar insulated electric cable, for high voltage current, and method for its manufacture. The present invention comprises a high voltage single core electrical cable, insulated for example by means of impregnated paper, and a method for its manufacture.
It is known that for this type of cable there is an optimum ratio between the diameter D measured on the paper coating and the diameter d of the conductor proper, a ratio corresponding to the minimum stress of the dielectric for a given diameter D. According to the theory, this optimum ratio is <I> D: d = </I> 2.718.
When calculating the necessary cross-section, one finds, often, for power transmission to. very high voltage, that the diameter d of the conductor corresponding to the section found is less than D 12.718, so that many manufacturers have attempted to enlarge the conductor by means of tricks in order to obtain the optimum diameter. These devices generally consist in the arrangement of elementary son forming the conductor around a fibrous or metallic support or any other material less expensive than the copper constituting the conductor. .
It is also known that one of the most serious difficulties encountered by the constructors of cables for very high voltages is the determination of the time necessary for the drying of the paper and the complete impregnation of the latter by the mixtures. insulators, during the manufacture of the cable.
It is extremely important to be able to recognize with certainty when all of the moisture in the paper has been removed, as excessive prolongation of the process can adversely affect the physical properties of the paper, while imperfect drying will result. lead to cable malfunction.
The impregnation is generally carried out after having determined the time required, the viscosity of the mixture, the temperature, the pressure employed, the thickness and the permeability of the dielectric being known. However, in view of the large number of factors involved, it is not possible to limit the duration of the impregnation to the time strictly necessary and it often happens that, while using for this operation a much longer time than that which had been calculated, we find at the time of the test points where the impregnation has been defective, sometimes over very large areas and always close to the conductor, that is to say where the force of the electric dielectric is The Strongest.
These zones represent dangerous points, subject to overheating and consequently to glow during the operation of the cable.
The cable according to the present invention is characterized in that it comprises a porous paper covering arranged around a conductive core serving to transport the current, on which the covering is wound in a helix, with closely spaced but not joined turns, a metal strip electrically connected to the central conductive part at various points along its length and on which the insulating coating is placed, the outer face of the strip being at a radius such from the axis of the cable that the diameter of l 'helix which it forms is very substantially in the optimum ratio with that of the insulating coating.
Its manufacturing process is characterized by the fact that the porous paper layer is wound around the conductive core and the metal strip on it, on which the insulating coating is then placed, the cable thus formed being dried. , then impregnated with an insulator, electrical measurements being carried out on the coating of Po reux paper during the drying and the impregnation, in order to monitor the progress of these two operations and to interrupt them in good time.
The accompanying drawing shows, by way of example, an embodiment of the object of the invention and construction details.
Fig. 1 and 2 are respectively a cross section and a side view, the different layers being successively removed from this embodiment; Fig. 3 and 4 show respectively a cross section and a partial axial section of the connection of two cable sections, showing the connection between the helix and the core of the cable; Fig. 5 is a view similar to FIG. 4, relating to a connection method between the helix and the core of the cable, on a terminal terminal.
In fig. 1 and 2, 1 indicates the conductor calculated in order to have the copper section necessary for the transport of energy. The diameter of the helical coating 3 in conductive metal strip is on the contrary calculated with a view to obtaining the best ratio between said diameter <I> d </I> and that <I> D </I> resulting from the stress of the insulating layer 4 is made from paper for example and which is, as mentioned above, DId <I> = </I> 2.718.
Between the conductor 1 and the strip 3 is interposed a layer 2 of very high porosity paper.
A key lead sheath 5 protects the insulating layer 4 from external agents.
In fig. 3 and 4, the conductors 2 carry at the end a terminal 6, the latter being simply a conductive ring threaded onto the conductors, the two ends of which are placed opposite, the helix 3 covering the terminals and the ends of the conductors. A solder alloy 8 is cast through the resulting slot between the edges of the strip 3 by means of a suitable device and forms a rigid body between the terminals 6, and excellent contact between the conductor 1 and the helix 3.
In FIG: 5 is shown a terminal terminal comprising a cylindrical sleeve 7 slipped over the end of the conductor devoid of any coating and flared at one end projecting the conductor; the solder alloy 8 is poured in this flare, as well as in the interstices of the strip surrounding the sleeve 7 in substitution for the layer 2? porous paper. The sleeve 7 carries a threaded extension for the connections.
It is understood that the junction and terminal terminals may vary from the examples shown, without departing from the scope of the invention.
To make a cable as described, a wrap around the conductive core 1 (whose diameter is determined by the section fb @ copper required), the layer of paper po- 1 "(- Iux \? And, on that here, the thin metal strip 3, in copper or brass for example. The thickness of the layer 2 must be such that the external diameter of the helix formed by the strip 3 thus wound up is equal to the value satisfying the fixed ratio.
This helix 3 is electrically connected to the core 1 at the junction points of the sections of the cable and at its ends to the terminal terminals.
The turns of the helix 3 are placed very close to one another without however being in contact, with the double aim of maintaining the necessary flexibility and allowing the perfect penetration of the insulating mixture to the internal conductor during impregnation. The insulating covering 4 (consisting for example of one or more layers of paper) is placed on the propeller by the usual methods until, int has been attained the outer diameter D. We apply rInfin to l 'outside the normal lead coating.
The layer of paper interposed between the conductor and the metal propeller has the following functions: During the drying, the paper allows to rify by (the electrical measurements the pro @ \ les of the drying and to interrupt extracting moisture at the right time, obtaining the double effect of not unnecessarily prolonging a very expensive process and of not maintaining the insulating material at high temperature for longer than necessary.
The electrical measurements that can be made are insulation measurements, or even dielectric losses per 1w. ill.ntliode to bridge at. frequencies tel. # "@ pho- Illqlles.
The measurement concerns the most difficult part to dry, which is precisely the paper cover interposed between the metal helix and the copper conductor. If the drying process is methodically followed, it is possible to determine the maximum of the insulation resistance, or the minimum of dielectric losses corresponding to perfect drying.
During the impregnation, it is possible to recognize when the impregnation mixture reaches the porous paper layer interposed between the conductive helix and the conductor proper, since we notice a sudden variation in the resistance of isolation due to the high conductivity of the mixture at the impregnation temperature.
If, instead of the insulation resistance, we measure the capacitance between the two aforementioned armatures, we notice a considerable increase in capacitance and losses when the mixture reaches the layer of very porous paper.
As this layer is the last wetted by the mixture, the impregnation of the cable taking place from the outside to the inside, it is certain that when the layer comprised between the helix and the conductor is impregnated, all of the outer insulating coating is completely saturated with the mixture.
In order to achieve this condition, it is necessary to prevent the mixture from entering the interstices of the copper cable at the ends of the cable. The determination of the exact duration of impregnation in a very reliable manner represents, as has already been said, a considerable advantage, either from the technical point of view or from the economic point of view.
During the operation of the cable (: n service, the layer of paper with high porosity interposed between the propeller and the conductor is not subjected to any electrical force, because, thus due to we said above, the propeller metal is electrically connected to the junctions of the sections and to the end terminals of the cable with the conductor proper, so that the aforesaid layer is located between two equipotential surfaces at the same electrical level. The edges of the metal strip constituting the propellers are folded towards the inside of the cable, thus avoiding the danger of creating protrusions with a small radius of curvature towards the insulating material itself.
However, the aforesaid layer having a thickness calculated so as to have a diameter d of the helix satisfying the optimum ratio, the result is on the contact surface between the insulating layer and the metal forming the helix a substantially potential gradient. lower than that which one would have on the surface of the conductor itself, if the metallic screen represented by the propeller did not exist;
on the other hand, as it results from studies and experiments carried out in Italy and America, the surface of the conducting propeller being smooth and perfectly cylindrical, the force at the point of maximum gradient is considerably lower than that that we would have by artificially enlarging the conductor, because the surface comprising elementary wires wound around a support core gives rise to a dielectric force 15-20% greater than that due to a cylindrical conductor with a smooth surface .
In addition, the layer of high porosity paper forms a kind of reservoir of the insulating mixtures partially balancing the expansions undergone during the operation of the cable and preventing that the expansions themselves tend to deform the lead tube, which would give rise, when from cooling the cable, to empty spaces due to the con traction of the mixture to its original volume.