Ensemble comprenant un conducteur électrique isolé en métal alcalin et un dispositif pour localiser un défaut par surcharge dans un tronçon donné du conducteur
La présente invention a pour objet un ensemble comprenant un conducteur électrique isolé en métal alcalin et un dispositif pour localiser un défaut par surcharge dans un tronçon du conducteur. Le tronçon déterminé du conducteur peut être isolé thermiquement de façon telle que la chaleur engendrée par le chauffage par résistance du conducteur sous l'effet d'un courant de surcharge indésirable produise une discontinuité par défaut thermomécanique. On peut utiliser un organe de commutation actionné thermiquement afin d'actionner a son tour un signal d'alarme avant le défaut thermomécanique du segment choisi. Des organes supplémentaires peuvent être utilisés pour indiquer la présence d'une discontinuité électrique.
L'invention trouve une application pour les conducteurs en métal alcalin isolés par un polymère décrits dans les brevets USA Nos 3333049 et 3333050, le procédé de fabrication de ces conducteurs étant décrit dans le brevet USA No 3333037.
On connaît des conducteurs électriques isolés comprenant des métaux alcalins comme élément métallique conducteur de l'électricité. Le sodium métallique s'est révélé particulièrement approprié comme conducteur électrique pour des câbles de distribution de puissance.
Les conducteurs en sodium isolés par un polyéthylène ont été développés récemment dans l'industrie et présentent des avantages pratiques et économiques considérables sur les conducteurs en aluminium ou en cuivre couramment utilisés dans les installations de distribution de puissance électrique. Parmi les avantages importants des conducteurs en sodium isolés par un polyéthylène. on peut citer le faible poids, la grande souplesse, I'absence de durcissement par l'usage, des propriétés d'allongement supérieures, des propriétés supérieures en hautes tensions, et un prix de revient inférieur par unité de courant transporté. Ces avantages, avec d'autres, sont décrits en détail dans les brevets cités.
Dans la plupart des installations de distribution de puissance industrielles, les circuits primaires sont munis d'une protection contre une surcharge sous forme de disjoncteurs électromécaniques et de fusibles. Les circuits secondaires, tels que ceux intéressant les installations ménagères, ne comportent ordinairement pas de protection contre la surcharge pour des raisons de prix.
La protection contre la surcharge des circuits secondaires utilisant des conducteurs en métaux alcalins isolés par un polyéthylène est notablement plus critique que pour les circuits secondaires utilisant des conducteurs conventionnels en aluminium ou en cuivre. Quand il est surchargé de façon excessive, un conducteur en métal alcalin à isolation de polymère est déconnecté par suite de la production d'une discontinuité par fusion du noyau et dilatation thermique différentielle. Toutefois, le métal alcalin fondu dans l'isolant peut amollir le polymère par chauffage et créer la possibilité d'une rupture mécanique, particulièrement dans les conduites verticales.
Un but de l'invention est de fournir une protection contre la surcharge d'un faible prix de revient pour les installations de distribution de puissance utilisant des conducteurs en métaux alcalins. L'invention est particulièrement avantageuse dans la protection contre la surcharge pour des installations de distribution souterraines afin d'éviter des défauts dans les câbles souterrains.
L'ensemble selon l'invention peut être utilisé pour localiser un défaut par surcharge dans un conducteur en métal alcalin isolé par un polymère comprenant un élément conducteur en métal alcalin isolé électriquement par un polymère hydrocarbure présentant une limite de résistance thermique. La surface extérieure d'un tronçon déterminé du conducteur peut être isolée thermiquement par un caisson, un manchon ou tout autre dispositif d'isolation thermique afin de réduire efficacement le transfert de chaleur du segment choisi au milieu environnant par conduction, convexion ou radiation. En réduisant efficacement la dissipation de la chaleur produite par la résistance, on augmente notablement le chauffage par résistance du tronçon lors d'un courant de surcharge indésirable.
Quand la température du tron çon est augmentée par l'effet d'isolation thermique du caisson, la résistivité de ce tronçon du conducteur augmente également. L'effet de régénération thermique ainsi produit accélère le chauffage résistant du tronçon. Quand ce tronçon s'échauffe, un défaut peut se produire soit par déconnexion mécanique du noyau, soit par rupture du métal alcalin dilaté à travers l'isolant de polymère qui cède thermiquement, soit par écrasement mécanique et resserrement de l'isolant en polymère qui vient pincer l'élément conducteur en métal alcalin, Dans chaque cas, le défaut produit une discontinuité électrique qui déconnecte le reste du conducteur vis-à-vis du courant de surcharge indésirable. Le tronçon peut être choisi avantageusement dans une partie facilement accessible du conducteur pour permettre sa réparation ou son remplacement.
Dans les installations de distribution souterraines utilisant des câbles en métal alcalin isolés par un polymère, le tronçon choisi est avantageusement pris dans une conduite verticale où le câble sort du sol. Un défaut par surcharge dans une conduite verticale est plus rapide que dans un câble souterrain horizontal par suite de la pression hydraulique qui crée une augmentation de pression dans le câble pendant la surcharge, et parce que le sodium fondu peut être entraîné à distance de la partie supérieure de la conduite, assurant la déconnexion.
Le caisson d'isolation peut comporter un réservoir entourant le tronçon choisi du conducteur, de sorte que lorsque le défaut se produit, l'élément conducteur en métal alcalin fond et se rompt à travers l'isolant de polymère thermoplastique et reste emprisonné dans le réservoir du caisson. Ce dernier peut comporter aussi des organes qui chargent par compression la périphérie externe de l'isolant du tronçon afin que lorsque ce dernier est sévèrement surchargé, les organes de charge compriment l'isolant pour pincer le conducteur en métal alcalin et produire ainsi une discontinuité électrique. On peut utiliser avec avantage comme organes de compression une bande élastomérique qui peut être appliquée sous tension à la périphérie externe de l'isolant.
Des bandes élastomériques utilisées dans ce but peuvent présenter une limite de résistance thermique sensiblement supérieure à la température de défaut thermique du tronçon choisi.
Le caisson d'isolation peut comprendre une surface interne réfléchissant la chaleur afin d'augmenter ses propriétés d'isolation calorifique. On peut utiliser un interrupteur réglable actionné thermiquement sur le tronçon choisi pour actionner un signal d'alarme. L'interrupteur peut être réglé pour fonctionner à une température inférieure à la température de défaut thermique du tronçon.
Pour certaines applications, un relais actionné par le courant et commandant une alarme peut être utilisé pour indiquer une chute de courant dans le cas d'un défaut dans le tronçon choisi.
La limite de résistance thermique de l'isolant en polymère peut être légèrement supérieure au point de fusion du conducteur en métal alcalin. Comme limite inférieure, la limite de résistance thermique doit être suffisamment élevée pour qu'un courant de surcharge indésirable ne produise pas de défaut dans l'isolant, sauf dans le tron çon choisi et isolé thermiquement.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, deux formes d'exécution de l'ensemble selon l'invention, les fig. 1 et 2 étant des coupes de ces formes d'exécution, respectivement.
Dans la première forme d'exécution représentée à la fig. 1, le dispositif comprend un caisson d'isolation ï en aluminium, disposé le long d'un tronçon donné d'un conducteur 3 en métal alcalin isolé par un polymère de la composition indiquée dans les brevets USA Nos 3333049 et 3333050.
Bien que ces brevets décrivent des conducteurs en métaux alcalins avec une isolation de polymère hydrocarbure, il est évident que le dispositif peut être utilisé avec tout isolant flexible, qu'il s'agisse d'un isolant naturel tel que le caoutchouc ou d'autres élastomères naturels, ou de polymères synthétiques comme les vinyl-polymères, par exemple des polymères de chlorure de vinyle, d'acétate de vinyle ou d'alcoylacrylate, des polymères irradiés ou réticulés, des polymères réticulés ioniquement, y compris de nombreux copolymères et permutations d'interpolymères de ce type. Le caisson d'isolation 1 comporte un réservoir 2 pourvu d'une surface interne 6 réfléchissant la chaleur afin de réduire la perte de chaleur par radiation depuis le tronçon du conducteur. Le conducteur est constitué par un élément conducteur 4 en métal alcalin et par un isolant 5 en polymère thermoplastique.
Pour certaines applications, un interrupteur réglable 13 actionné thermiquement est monté dans le réservoir 2 et connecté par des conducteurs traversant la paroi du caisson à un dispositif d'alarme. L'interrupteur 13 est avantageusement réglé pour être actionné à une température de seuil inférieur à la température de défaut thermique du conducteur 3, de façon qu'une surcharge soit indiquée avant le défaut. I1 est avantageux aussi de disposer d'un dispositif indicateur qui détecte toute discontinuité électrique au niveau du tronçon de conducteur.
Si un courant de surcharge indésirable s'écoule dans le conducteur 3, de la chaleur est créée par résistance le long du conducteur, chaleur qui est dissipée dans le milieu environnant par conduction thermique, convection ou radiation. La dissipation de la chaleur créée dans le tronçon est fortement réduite par l'effet isolant du caisson 1, ce qui augmente notablement l'effet thermique du courant de surcharge. Quand la température du tron çon augmente par suite de l'isolation thermique assurée par le caisson 1, la résistivité de l'élément conducteur 4 de ce tronçon augmente, ce qui augmente à son tour la chaleur créée par résistance sous l'action de la surcharge, afin de produire un chauffage accéléré du tronçon.
Quand la température de ce dernier atteint le point de fusion de l'élément conducteur 4 en métal alcalin, la résistivité du tronçon dépasse de 50 O/o approximativement celle de la partie non fondue de l'élément conducteur. Au-dessus de la température de fusion du métal alcalin, la résistivité continue à augmenter avec la température. L'effet isolant du caisson 1 produit ainsi une régénération thermique ou un effet de réaction qui accélère le chauffage par résistance du conducteur 3 dans le tronçon donné. Dans le cas d'un défaut dû à la rupture du sodium fondu à travers le polymère 5, le sodium fondu se répand dans le réservoir 2 et crée ainsi une discontinuité électrique.
L'ensemble décrit ci-dessus est utilisé pour surveiller le point milieu d'un câble d'essai dans l'air d'une longueur de 4,60m, parcouru par un courant de 126 A, comprenant un conducteur en sodium d'un diamètre de 8,5 mu isolé par un isolant en polyéthylène de faible densité d'une épaisseur de 5,6 mm et présentant une limite de résistance thermique d'environ 1000 C. Le sodium métallique pratiquement pur présente un point de fusion de 97,50 C. Des thermocouples sont placés en des points situés au quart, à la moitié et aux trois quarts de la longueur du câble d'essai en sodium.
Un courant de surcharge constant de 230 A est envoyé dans le câble. Après une heure et demie, la température du câble dans le segment choisi a passé à 1450 C et le conducteur se rompt mécaniquement, le sodium liquide perçant l'isolant de polyéthylène amolli et se répandant dans le réservoir du caisson d'isolation. La température maximum du câble de sodium mesurée par les thermocouples disposés au quart et aux trois quarts de la longueur est de 960 C juste avant le défaut.
Dans la seconde forme d'exécution représentée à la fig. 2, un caisson d'isolation 7 est disposé sur un tronçon donné d'un conducteur 3 en métal alcalin isolé par un polymère, de la composition décrite dans les brevets cités. Le conducteur 3 comprend un élément conducteur 4 en métal alcalin et un isolant 5 en polymère. Le caisson 7 comprend une chemise isolante 11. Sous la chemise 11 est disposée une bande de resserrement élastomérique 12 appliquée avec une tension sur la périphérie extérieure de l'isolant 5. On connaît des bandes élastomériques utilisables dans ce but qui présentent des limites de résistance thermique notablement supérieures à la température de défaut du câble isolé.
On peut utiliser notamment des bandes de caoutchouc ou de vinyle sensibles à la pression qui sont communément employées pour isoler électriquement les épissures des câbles électriques.
Quand un courant de surcharge indésirable s'écoule à travers le conducteur 3, le caisson d'isolation 7 augmente sensiblement l'effet de chauffage par résistance du tronçon par suite de l'effet de régénération thermique décrit plus haut pour la première forme d'exécution.
Quand la température du tronçon atteint la température de défaut du conducteur 3, l'élément conducteur 4 en métal alcalin et l'isolant 5 en polymère sont suffisamment amollis pour céder à la pression de la bande de resserrement 12, ce qui amincit l'isolant 5 et pince l'élément conducteur 4 de manière à produire une discontinuité électrique.
Pour certaines applications, un interrupteur actionné thermiquement peut être associé au tronçon pour actionner un dispositif d'alarme avant l'apparition d'un défaut thermomécanique. Des organes peuvent être utilisés pour indiquer la présence d'une discontinuité électrique.
De tels organes sont bien connus. Un caisson d'isolation tel que celui représenté à la fig. 2 peut être utilisé pour isoler la région médiane d'un câble d'essai au sodium isolé par un polyéthylène et qui est supporté verticalement à partir d'organes de connexion électriques refroidis par eau. Des thermocouples sont disposés en des points situés au quart, à la moitié et aux trois quarts de la longueur du conducteur. Le caisson est constitué par un manchon de fibres de verre de 5 cm de diamètre et de 21,5 cm de longueur comportant une couche réfléchissante mince faite d'une feuille d'aluminium disposée à proximité de la périphérie externe de la chemise de polyéthylène. Une enveolppe formée d'une bande de vinyle noire est disposée sous tension au-dessous du manchon de fibres de verre pour exercer une charge de compression sur la périphérie externe de l'isolant de polyéthylène.
Le câble d'essai comprend un élément conducteur de sodium de 8,5 mm de diamètre isolé par un polyéthylène de faible densité et de 5,6 mm d'épaisseur, présentant une limite de résistance thermique d'environ 100 C.
Le câble fonctionne normalement dans l'air avec 126 A et il est soumis à un courant de surcharge de 250 A pendant 30 minutes avant que le conducteur se rompe par compression du câble sous l'action de la bande élastomérique. La température du câble non isolé au quart et aux trois quarts de sa longueur est de 960 C quand le tronçon choisi présente le défaut. La température du tronçon dans le caisson d'isolation lors du défaut est de 980 C.
Trois autres essais sont effectués avec des courants de surcharge différents en utilisant un câble de sodium et des caissons d'isolation pourvus de bandes de resserrement élastomériques. Les résultats donnés par ces essais et celui décrit plus haut sont réunis dans le tableau suivant.
Température du câble
Essai Courant de Temps lors du défaut
No surcharge jusqu'au défaut sous caisson non isolé
250 A 30 mn 980 C 960 C
2 220 A 50 mn 1000 C 960 C
3 200 A 1 h 28 mn 1450 C 960C
4 190A 4h24mn 1570C 96OC
Dans la seconde forme d'exécution décrite, on peut utiliser un organe de compression à la place d'une bande élastomérique sous tension. En particulier, on peut employer une bande de pincement chargée par un ressort ou une lame comme organe de compression venant en contact avec une partie au moins de la périphérie de l'isolant afin de pincer le conducteur de métal alcalin fondu et produire une discontinuité électrique.
L'organe de compression peut être indépendant ou peut être une partie intégrante du caisson d'isolation, de l'interrupteur ou du dispositif d'alarme.
Bien qu'on ait donné ci-dessus l'exemple du sodium comme élément conducteur, il est évident qu'on peut utiliser tout autre métal alcalin.