CH704993A1 - Electric cable. - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un câble électrique (10) pour courant alternatif ayant des tensions élevées, notamment des tensions supérieures à 2 KV et/ou travaillant à des températures élevées, notamment à des températures de l’ordre de 260 °C, et/ou utilisé dans un environnement spécifique, notamment aéronautique. Ce câble (10) est conçu pour repousser les conditions limites de l’effet corona. A cet effet, il comporte une âme conductrice (11) et une gaine isolante extérieure (13) entourant l’âme conductrice (11) ainsi qu’une couche primaire semi-conductrice (14) interposée entre cette âme conductrice (11) et la gaine extérieure isolante (13). La couche primaire semi-conductrice (14) est réalisée en polymère de fluor chargé en poudre de carbone.The invention relates to an AC power cable (10) having high voltages, in particular voltages greater than 2 KV and / or working at high temperatures, especially at temperatures of the order of 260 ° C, and / or used in a specific environment, including aeronautics. This cable (10) is designed to push back the boundary conditions of the corona effect. For this purpose, it comprises a conductive core (11) and an outer insulating sheath (13) surrounding the conductive core (11) and a semiconductive primary layer (14) interposed between this conductive core (11) and the insulating outer sheath (13). The semiconductive primer layer (14) is made of fluorine polymer loaded with carbon powder.
Description
Domaine techniqueTechnical area
[0001] La présente invention concerne un câble électrique pour courant alternatif ayant des tensions élevées, notamment des tensions supérieures à 2KV et/ou travaillant à des températures élevées, notamment à des températures de l’ordre de 260 °C, et/ou utilisé dans un environnement spécifique, notamment aéronautique, ledit câble étant agencé pour repousser les conditions limites de l’effet de décharge partielle corona et comportant au moins une âme conductrice et au moins une gaine réalisée en un matériau isolant et entourant ladite âme conductrice. The present invention relates to an AC power cable having high voltages, including voltages greater than 2KV and / or working at high temperatures, especially at temperatures of the order of 260 ° C, and / or used in a specific environment, particularly aeronautical, said cable being arranged to push the boundary conditions of the corona partial discharge effect and comprising at least one conductive core and at least one sheath made of an insulating material and surrounding said conductive core.
Technique antérieurePrior art
[0002] Le problème technique posé par l’effet de décharge partielle corona dans le domaine du transport d’énergie électrique sous la forme d’un courant alternatif est bien connu. Il se pose en particulier dans une application de chauffage par résistance qui utilise l’effet de peau, couramment appelé «skin effect», qui consiste à chauffer des conduites, en particulier des conduites du type pipeline qui véhiculent des produits issus de forages pétroliers, des substances minérales liquides comme le soufre ou des produits chimiques ou similaires qui ont la caractéristique d’être lourds, denses ou visqueux chargés en substances de forte densité et dont le pompage est difficile lorsqu’ils sont à relativement basse température, voire impossible en cas de solidification du produit. Les pipelines peuvent également véhiculer du gaz et l’apport de chaleur permet de maintenir ce gaz en température et de réduire très sensiblement la condensation. Le maintien de la température se fait à des valeurs pouvant aller jusqu’à 180 °C en fonction du produit à maintenir, le câble travaillant jusqu’à 260°C. Ce maintien en température, ou réchauffage, peut notamment être obtenu grâce à l’effet de peau et par effet de proximité, la chaleur étant obtenue par effet Joule. A cet effet, on insère un câble électrique alimenté en tension alternative dans un tube et on connecte électriquement le câble à l’autre extrémité de ce tube. Le courant partant par le câble retourne par le tube, celui-ci restant sur la surface intérieure du tube La chaleur dissipée chauffe le tube qui transfère la chaleur aux produits véhiculés et provoque la montée en température des liquides par effet Joule. Ce tube est solidarisé à la conduite ou pipeline par soudage et/ou bandage. The technical problem of the partial corona discharge effect in the field of electrical energy transport in the form of an alternating current is well known. It arises in particular in a resistance heating application that uses the skin effect, commonly called "skin effect", which consists of heating pipes, in particular pipeline type pipes that convey products from oil drilling, liquid mineral substances such as sulfur or chemicals or the like which have the characteristic of being heavy, dense or viscous charged with substances of high density and whose pumping is difficult when they are at relatively low temperature, or even impossible in case solidification of the product. Pipelines can also carry gas and the heat input can maintain this gas temperature and significantly reduce condensation. The temperature is maintained at values up to 180 ° C depending on the product to be maintained, the cable working up to 260 ° C. This temperature maintenance, or reheating, can in particular be obtained through the skin effect and by proximity effect, the heat being obtained by Joule effect. For this purpose, an electrical cable supplied with alternating voltage is inserted into a tube and the cable is electrically connected to the other end of this tube. The current flowing through the cable returns through the tube, the latter remaining on the inner surface of the tube. The dissipated heat heats the tube which transfers the heat to the products conveyed and causes the temperature rise of the liquids by Joule effect. This tube is secured to the pipe or pipeline by welding and / or bandage.
[0003] Malheureusement l’effet corona perturbe fréquemment les effets recherchés en créant des courts-circuits ou des décharges dues à l’ionisation de l’air susceptibles de détruire, voire traverser localement la couche d’isolation. Pour éviter ces inconvénients on est amené à augmenter l’épaisseur de la couche de matériau isolant, ce qui augmente le coût, la section et le poids du câble électrique. Une autre solution est d’augmenter le ratio de câble sur le pipeline, mais ceci engendre aussi des surcoûts importants. Unfortunately, the corona effect frequently disturbs the desired effects by creating short circuits or discharges due to the ionization of the air likely to destroy, or even cross locally the insulation layer. To avoid these disadvantages it is necessary to increase the thickness of the layer of insulating material, which increases the cost, the section and the weight of the electric cable. Another solution is to increase the cable ratio on the pipeline, but this also generates significant additional costs.
[0004] On connaît des publications antérieures qui proposent des solutions susceptibles de prévenir ces inconvénients pour ce type d’application relative au chauffage par effet de peau. La publication britannique GB 1 459 579 décrit un conduit générateur de chaleur utilisant l’effet de peau d’un courant alternatif, ce conduit étant réalisé en un matériau ferromagnétique et contenant un câble isolé qui traverse ce conduit, ledit câble étant pourvu d’une couche écran pour éviter une décharge de corona. Il est avéré et reconnu que l’ajout de cet écran métallique complique l’ingénierie du système dit «skin effect» et complique également son installation. Previous publications are known which propose solutions likely to prevent these disadvantages for this type of application relating to heating by skin effect. British publication GB 1 459 579 discloses a heat generating duct using the skin effect of an alternating current, this duct being made of a ferromagnetic material and containing an insulated cable which passes through this duct, said cable being provided with a screen layer to prevent corona discharge. It is proven and recognized that the addition of this metal screen complicates the engineering of the so-called "skin effect" system and also complicates its installation.
[0005] D’autres conduits générateurs de chaleur sont décrits par les brevets américains US 3 293 407 et US 3 515 837, qui sont conçus de telle manière que lorsqu’un courant alternatif traverse le conducteur, un courant alternatif correspondant circule exclusivement à travers la peau intérieure du conduit ferromagnétique en générant de la chaleur, alors que pratiquement la tension au niveau du périmètre extérieur du tube est voisine de zéro. [0005] Other heat generating ducts are described by US Pat. Nos. 3,293,407 and 3,515,837, which are designed in such a way that when an alternating current flows through the conductor, a corresponding alternating current flows exclusively through the inner skin of the ferromagnetic conduit generating heat, while substantially the voltage at the outer perimeter of the tube is close to zero.
[0006] L’effet corona est bien connu et les câbles de chauffage utilisant l’effet de peau sont habituellement utilisés pour des températures ne dépassant pas 120 °C. Néanmoins, pour de nombreuses applications industrielles, il serait avantageux de pouvoir élever cette valeur et d’aller jusqu’à des températures de l’ordre de 260 °C. The corona effect is well known and the heating cables using the skin effect are usually used for temperatures not exceeding 120 ° C. Nevertheless, for many industrial applications, it would be advantageous to be able to raise this value and to go up to temperatures of the order of 260 ° C.
[0007] Les câbles habituels ne permettent pas d’atteindre ces températures, à cause des risques liés à l’effet corona, sans nécessiter des précautions importantes consistant à augmenter de façon importante l’épaisseur de la couche de matériau isolant. The usual cables do not achieve these temperatures, because of the risks related to the corona effect, without requiring significant precautions consisting in significantly increasing the thickness of the layer of insulating material.
[0008] Les tensions de travail habituelles sont limitées à 2KV, parce que l’effet corona augmente considérablement avec l’augmentation de la tension de travail. Or, pour de très nombreuses applications, travailler à des tensions égales ou supérieures à 3,5 KV et pouvant atteindre 5 KV sans risquer le court-circuit par effet corona constitue une amélioration considérable de performances. The usual working voltages are limited to 2KV, because the corona effect increases considerably with the increase of the working voltage. However, for many applications, working at voltages equal to or greater than 3.5 KV and up to 5 KV without risking short-circuit corona is a considerable improvement in performance.
[0009] Un autre problème se pose dans le domaine de l’aéronautique. Sachant que l’effet corona augmente à la fois avec l’augmentation de la tension de travail et avec l’altitude, la tension habituellement utilisée dans les avions de lignes est de 115 V pour réduire les risques de court-circuit par effet corona. L’objectif de certaines compagnies de porter la tension de travail à 230 V passe par une augmentation conséquente de l’épaisseur de la gaine de matériau isolant, ce qui augmente de façon significative le poids des câbles. Pour un câble travaillant à la tension de 115 V l’épaisseur de l’isolant est d’environ 0.2 mm. Pour un câble travaillant à la tension de 230 V l’épaisseur de l’isolant devrait être augmentée à environ 0.8 mm, d’où une augmentation importante du poids du câble, ce qui constitue un inconvénient considérable dans le domaine de l’aéronautique. Another problem arises in the field of aeronautics. Knowing that the corona effect increases with both the increase in working voltage and the altitude, the voltage usually used in airliners is 115 V to reduce the risk of short circuit by corona. The goal of some companies to increase the working voltage to 230 V is to significantly increase the thickness of the insulating sheath, which significantly increases the weight of the cables. For a cable working at the voltage of 115 V the thickness of the insulation is about 0.2 mm. For a cable working at the voltage of 230 V the thickness of the insulation should be increased to about 0.8 mm, resulting in a significant increase in the weight of the cable, which is a considerable drawback in the field of aeronautics.
Exposé de l’inventionPresentation of the invention
[0010] La présente invention se propose de pallier l’ensemble des inconvénients mentionnés ci-dessus en réalisant un câble permettant de reculer les limites de l’effet corona, sans augmenter de manière substantielle le poids et le coût de fabrication du câble tout en augmentant les performances et les applications de ce câble. The present invention proposes to overcome all the drawbacks mentioned above by providing a cable to move the limits of the corona effect, without substantially increasing the weight and cost of manufacturing the cable while increasing the performance and applications of this cable.
[0011] Ce but est atteint par le câble selon l’invention tel que défini en préambule et caractérisé en ce qu’il comporte au moins une couche primaire d’un matériau semi-conducteur qui est interposée entre ladite âme conductrice et ladite gaine de matériau isolant. This object is achieved by the cable according to the invention as defined in the preamble and characterized in that it comprises at least one primary layer of a semiconductor material which is interposed between said conductive core and said sheath. insulating material.
[0012] En augmentant le gradient de potentiel, de manière avantageuse le câble selon l’invention comporte une âme conductrice composée d’un ensemble de fils métalliques multibrins, une gaine isolante extérieure unique et une couche primaire d’un matériau semi-conducteur interposé entre l’âme conductrice et la gaine isolante extérieure. By increasing the potential gradient, advantageously the cable according to the invention comprises a conductive core composed of a set of multi-stranded metal wires, a single outer insulating sheath and a primary layer of an interposed semiconductor material. between the conductive core and the outer insulating sheath.
[0013] Dans ce contexte, ladite couche primaire semi-conductrice est avantageusement réalisée en un matériau isolant mélangé à de la poudre de carbone. In this context, said semiconductor primary layer is advantageously made of an insulating material mixed with carbon powder.
[0014] Dans cette première forme de réalisation, le câble selon l’invention peut être disposé directement à l’intérieur d’un conduit en vue du chauffage par effet de peau et, dans ce cas, il est tiré à l’intérieur dudit conduit et alimenté par une source d’énergie électrique délivrant un courant alternatif. In this first embodiment, the cable according to the invention can be disposed directly inside a conduit for heating by skin effect and, in this case, it is pulled inside said driven and powered by a source of electrical energy delivering an alternating current.
[0015] Selon une seconde forme de réalisation, le câble comporte une pluralité de fils conducteurs juxtaposés, chaque fil conducteur étant entouré d’une couche primaire semi-conductrice, elle-même entourée d’une gaine isolante extérieure, la pluralité de fils étant logée dans une gaine de maintien entourée éventuellement d’un écran métallique, cet ensemble étant enserré dans une gaine extérieure isolante According to a second embodiment, the cable comprises a plurality of juxtaposed conductive wires, each conductive wire being surrounded by a semiconductive primary layer, itself surrounded by an outer insulating sheath, the plurality of wires being housed in a holding sheath, possibly surrounded by a metal screen, this assembly being enclosed in an insulating outer sheath
[0016] Lorsque ce câble est de préférence disposé à l’intérieur d’un conduit en vue du chauffage par effet Joule d’un fluide visqueux circulant dans ledit conduit, l’une des extrémités du câble est connectée à une source d’énergie électrique délivrant une tension alternative et les fils conducteurs de l’autre extrémité du câble sont mis en court-circuit. When this cable is preferably disposed inside a conduit for the purpose of heating by Joule effect of a viscous fluid flowing in said conduit, one end of the cable is connected to a power source. electric delivering an alternating voltage and the conductive son of the other end of the cable are short-circuited.
[0017] Dans toutes les formes de réalisation, ladite gaine isolante est avantageusement réalisée en un matériau synthétique et, de préférence, ledit matériau synthétique est un polymère de fluor, ladite couche primaire semi-conductrice étant avantageusement réalisée en un polymère de fluor chargé en poudre de carbone. In all embodiments, said insulating sheath is advantageously made of a synthetic material and, preferably, said synthetic material is a fluorine polymer, said semiconductor primary layer being advantageously made of a fluorine polymer loaded with carbon powder.
Description sommaire des dessinsBrief description of the drawings
[0018] La présente invention et ses principaux avantages apparaîtront mieux dans la description de différents modes de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: <tb>la fig. 1<sep>représente une vue en coupe transversale d’une forme de réalisation particulière du câble selon l’invention, <tb>la fig. 2<sep>est une vue en coupe longitudinale du câble représenté par la fig. 1, <tb>la fig. 3<sep>est une vue transversale d’une seconde forme de réalisation du câble selon l’invention, et <tb>la fig. 4<sep>est une vue en coupe longitudinale du câble représenté par la fig. 3.The present invention and its main advantages will become more apparent in the description of various embodiments, with reference to the accompanying drawings, in which: <tb> fig. 1 <sep> represents a cross-sectional view of a particular embodiment of the cable according to the invention, <tb> fig. 2 <sep> is a longitudinal sectional view of the cable shown in FIG. 1 <tb> fig. 3 <sep> is a transverse view of a second embodiment of the cable according to the invention, and <tb> fig. 4 <sep> is a longitudinal sectional view of the cable shown in FIG. 3.
Meilleures manières de réaliser l’inventionBest ways to achieve the invention
[0019] En référence à la fig. 1, le câble 10, tel que représenté comporte une âme conductrice 11 composée d’un ensemble de fils multibrins 12, de préférence en cuivre revêtu d’une couche d’étains, argent ou nickel à base d’alliage de cuivre, bronze ou aluminium, et une gaine isolante extérieure 13 entourant le l’âme conductrice 11. Cette gaine isolante 13 est réalisée en un matériau synthétique tel que par exemple un polymère de fluor, et son épaisseur est calculée pour assurer la sécurité du câble et de son environnement proche. Pour résoudre le problème de l’effet corona évoqué ci-dessus, le câble 10 comporte en outre une couche primaire 14 d’un matériau semi-conducteur, interposé entre l’âme conductrice 11 et la gaine isolante extérieure 13. Cette couche primaire 14 est avantageusement réalisée en un matériau isolant auquel on a ajouté un pourcentage déterminé de poudre de carbone. A titre d’exemple le matériau semi-conducteur peut être un polymère de fluor chargé en poudre de carbone. [0019] Referring to FIG. 1, the cable 10, as shown, comprises a conductive core 11 composed of a set of stranded wires 12, preferably of copper coated with a layer of tin, silver or nickel based on copper alloy, bronze or aluminum, and an outer insulating sheath 13 surrounding the conductive core 11. This insulating sheath 13 is made of a synthetic material such as for example a fluorine polymer, and its thickness is calculated to ensure the safety of the cable and its environment close. To solve the problem of the corona effect mentioned above, the cable 10 further comprises a primary layer 14 of a semiconductor material, interposed between the conductive core 11 and the outer insulating sheath 13. This primary layer 14 is advantageously made of an insulating material to which a specified percentage of carbon powder has been added. By way of example, the semiconductor material may be a fluorine polymer loaded with carbon powder.
[0020] Cette couche primaire semi-conductrice 14 a pour effet de supprimer, ou du moins de repousser, les conditions critiques où l’effet corona pourrait se produire sur un câble ne comportant pas cette couche primaire. Elle permet de réduire l’épaisseur de la gaine isolante extérieure 13 et par conséquent de réduire de façon substantielle le poids de la matière isolante sur des câbles destinés à l’aéronautique par exemple. This semiconductor primary layer 14 has the effect of eliminating, or at least repelling, critical conditions where the corona effect could occur on a cable not having this primary layer. It makes it possible to reduce the thickness of the outer insulating sheath 13 and consequently to substantially reduce the weight of the insulating material on cables intended for aeronautics, for example.
[0021] La vue en coupe longitudinale de la fig. 2montre en particulier la différence d’épaisseur de gaine isolante extérieure 13 et de la couche primaire semi-conductrice 14. Pour obtenir une protection aussi efficace que celle qu’apporte la solution de l’invention avec un câble classique ne comportant que l’âme conductrice et la gaine isolante extérieure, l’épaisseur de cette dernière devrait être plus que doublée. La solution de l’invention résout le problème de l’effet corona sur des câbles d’alimentation en courant alternatif travaillant dans c’es conditions où le risque existe. The longitudinal sectional view of FIG. 2shows in particular the difference in thickness of the outer insulating sheath 13 and the semiconducting primer layer 14. In order to obtain as effective protection as that provided by the solution of the invention with a conventional cable comprising only the core conductive and the outer insulating sheath, the thickness of the latter should be more than doubled. The solution of the invention solves the problem of the corona effect on AC power cables working in conditions where the risk exists.
[0022] La fonction de chauffage d’un conduit véhiculant des produits visqueux dont la fluidité est augmentée en élevant la température peut également être résolue par le principe de l’effet de peau généré au moyen du câble 10 tiré directement à l’intérieur de ce conduit et alimenté par une source d’énergie électrique délivrant un courant alternatif. The heating function of a duct conveying viscous products whose fluidity is increased by raising the temperature can also be solved by the principle of the skin effect generated by means of the cable 10 pulled directly inside the this conduit and powered by a source of electrical energy delivering an alternating current.
[0023] Les fig. 3 et 4 représentent une autre forme de réalisation d’un câble 20 utilisé pour le chauffage de conduits véhiculant des produits liquides, notamment des liquides chargés ou très visqueux dont on peut augmenter la fluidité en élevant leur température pour pouvoir utiliser des pompes de circulation. Ces conduits chauffants sont utilisés en pétrochimie, pour le transport de soufre, d’éthylène, d’hydrocarbures lourds etc. Figs. 3 and 4 show another embodiment of a cable 20 used for heating ducts carrying liquid products, in particular filled or highly viscous liquids, the fluidity of which can be increased by raising their temperature in order to be able to use circulation pumps. These heating ducts are used in petrochemicals, for the transport of sulfur, ethylene, heavy hydrocarbons, etc.
[0024] Le câble 20 représenté, qui peut être très long et notamment atteindre une longueur de cinquante kilomètres, regroupe par exemple trois fils conducteurs isolés 21, 22 et 23. Ces trois fils conducteurs 21, 22 et 23 sont composés chacun d’une âme conductrice 30 constituée d’au moins un fil multibrins, cette âme conductrice étant entourée d’une couche primaire 31 faite d’un matériau semiconducteur, cette couche 31 étant entourée d’une gaine isolante extérieure 32. Les trois fils conducteurs 21, 22 et 23 sont disposés côte à côte et peuvent être logés dans une gaine de maintien 33 entourée d’un écran métallique 34 qui est lui-même enserré dans une gaine 35 faite d’un matériau électriquement isolant. The cable 20 shown, which can be very long and in particular to a length of fifty kilometers, includes for example three insulated conductors son 21, 22 and 23. These three son 21, 22 and 23 conductors are each composed of a conductive core 30 consisting of at least one multi-strand wire, this conductive core being surrounded by a primer layer 31 made of a semiconductor material, this layer 31 being surrounded by an outer insulating sheath 32. The three conductive wires 21, 22 and 23 are arranged side by side and can be housed in a holding sheath 33 surrounded by a metal screen 34 which is itself enclosed in a sheath 35 made of an electrically insulating material.
[0025] Afin d’assurer le chauffage par effet Joule d’un conduit 40 à chauffer (représenté schématiquement) dans lequel ce type de câble 20 est placé, les fils conducteurs 21, 22, 23 sont connectés par une de leurs extrémités à une source de tension alternative 24 et mis en court circuit par leur autre extrémité opposée à la source de courant 24, lesdites extrémités étant directement reliées entre elles ou assemblées par un couplage étoile en cas d’alimentation triphasée. To ensure heating by Joule effect of a pipe 40 to be heated (shown schematically) in which this type of cable 20 is placed, the son 21, 22, 23 are connected by one of their ends to a AC voltage source 24 and short circuited by their other end opposite the current source 24, said ends being directly connected to each other or assembled by a star coupling in the case of three-phase power supply.
[0026] La présente invention n’est pas limitée aux formes de réalisation décrites, mais peut subir différentes modifications ou variantes. Les réalisations pratiques peuvent être adaptées aux applications prévues. Les matériaux employés peuvent également être diversifiés selon ces applications, notamment les matières synthétiques utilisées pour réaliser la gaine isolante extérieure peuvent être différentes selon l’utilisation prévue du câble de l’invention. Il en est de même des matériaux utilisés pour réaliser la couche semi-conductrice. The present invention is not limited to the embodiments described, but may undergo different modifications or variants. Practical achievements can be adapted to the intended applications. The materials employed can also be varied according to these applications, in particular the synthetic materials used to produce the outer insulating sheath may be different depending on the intended use of the cable of the invention. It is the same materials used to make the semiconductor layer.
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| WO2012159221A1 (en) | 2012-11-29 |
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