CH704993A1 - Câble électrique. - Google Patents

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.

Description

Domaine technique

[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.

Technique antérieure

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

Exposé de l’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.

[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.

[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.

[0013] Dans ce contexte, ladite couche primaire semi-conductrice est avantageusement réalisée en un matériau isolant mélangé à de la poudre de carbone.

[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.

[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

[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.

[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.

Description sommaire des dessins

[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.

Meilleures manières de réaliser l’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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

[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.

Claims (9)

1. Câble électrique (10; 20) 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 (11; 30) et au moins une gaine extérieure (13; 32) réalisée en un matériau isolant et entourant ladite âme conductrice (11; 30), caractérisé en ce qu’au moins une couche primaire (14; 31) d’un matériau semi-conducteur est interposée entre ladite âme conductrice (11; 30) et ladite gaine de matériau isolant (13; 32).

2. Câble électrique (10) selon la revendication 1, caractérisé qu’il comporte une âme conductrice (11) composée d’un ensemble de fils métalliques multibrins (12), une gaine isolante extérieure (13) unique et une couche primaire (14) d’un matériau semi-conducteur interposé entre ladite âme conductrice (11) et la gaine isolante extérieure (13).

3. Câble électrique (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite couche primaire semi-conductrice (14) est réalisée en un matériau isolant mélangé à de la poudre de carbone.

4. Câble électrique (10) selon la revendication 2, disposé à l’intérieur d’un conduit en vue du chauffage par effet de peau, caractérisé en ce qu’il est tiré à l’intérieur dudit conduit et alimenté par une source d’énergie électrique délivrant un courant alternatif.

5. Câble électrique (20) selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité de fils conducteurs juxtaposés (21, 22, 23), chaque fil conducteur étant entouré d’une couche primaire semi-conductrice (31), ellemême entourée d’une gaine isolante extérieure (32), la pluralité de fils étant logée dans une gaine de maintien (33) entourée d’un écran métallique (34), cet ensemble étant enserré dans une gaine extérieure isolante (35).

6. Câble électrique (20) selon la revendication 5, disposé à l’intérieur d’un conduit (40) en vue du chauffage par effet Joule d’un fluide visqueux circulant dans ledit conduit, caractérisé en ce que l’une des extrémités du câble (20) est connectée à une source d’énergie électrique (24) délivrant une tension alternative, et en ce que les fils conducteurs (21, 22, 23) de l’autre extrémité du câble sont mis en court-circuit.

7. Câble électrique (10; 20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite gaine isolante extérieure (13; 32) est réalisée en un matériau synthétique.

8. Câble électrique (10; 20) selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit matériau synthétique est un polymère de fluor.

9. Câble électrique (10; 20) selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite couche primaire semi-conductrice (14; 31) est réalisée en un polymère de fluor chargé en poudre de carbone.