EP0644558B1 - Structure d'isolement pour câble - Google Patents

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EP0644558B1
EP0644558B1 EP94402087A EP94402087A EP0644558B1 EP 0644558 B1 EP0644558 B1 EP 0644558B1 EP 94402087 A EP94402087 A EP 94402087A EP 94402087 A EP94402087 A EP 94402087A EP 0644558 B1 EP0644558 B1 EP 0644558B1
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European Patent Office
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matrix
une
structure according
semiconductor
layer
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EP0644558A1 (fr
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Madeleine Prigent
Hakim Janah
Robert Gadessaud
José Bezille
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Nexans SA
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Alcatel SA
Nokia Inc
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B9/00—Power cables
    • H01B9/02—Power cables with screens or conductive layers, e.g. for avoiding large potential gradients
    • H01B9/027—Power cables with screens or conductive layers, e.g. for avoiding large potential gradients composed of semi-conducting layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B9/00—Power cables
    • H01B9/02—Power cables with screens or conductive layers, e.g. for avoiding large potential gradients

Definitions

  • the present invention relates to a structure insulation for medium, high and very high voltage cables carrying direct or alternating current.
  • These cables generally consist of a core conductor surrounded by an isolation structure attached to it coaxial.
  • This structure includes at least a first semiconductor layer placed in contact with the cable core, itself surrounded by a second layer electrically insulating, in turn covered by a third layer semiconductor.
  • Other outer layers are used to cable protection.
  • the insulating layer is usually based on high density or low density polyethylene, polyethylene crosslinked, or alternatively of ethylenepropylene-diene terpolymer with main methylene chain (EPDM).
  • EPDM ethylenepropylene-diene terpolymer with main methylene chain
  • Semiconductor layers are generally composed of a polar matrix, most often a copolymer of ethylene and alkyl acrylate, which is charged with carbon black.
  • the amount of charge varies according to the nature of the carbon black used.
  • the proportion of filler is generally between 28% and 40%.
  • the dielectric strength of such a cable is very linked the quality of the interface between the semiconductor layer and the insulating layer.
  • the slightest roughness in this interface can cause a reinforcement of the field electric and lead to breakdown and perforation of the insulating layer.
  • the matrix of semiconductor layers currently sold high voltage cables is generally based on a polymer of melt index or high "melt index" of around 17 (A high "melt index” is the sign of the presence of low molar masses, it is measured according to ASTM standards reference D1238 or NFT 51-016), and having a very large mass distribution molars. But we found in the insulating layer, proximity of the semiconductor layers, the appearance of loads of space, the accumulation of which deterioration of the dielectric strength of the insulation go to the breakdown.
  • Some semiconductor manufacturers use apolar matrices based on an ethylene copolymer (EPR: thermoplastic ethylene-propylene elastomer, or EPDM: ethylene-propylene-diene chain terpolymer main methylene), to which they add oils or plasticizers to facilitate obtaining a good state of surface of the semiconductor layer. Now these oils or plasticizers diffuse in the insulating layer and create level of the interface between the semiconductor layer and the insulating layer, where the electric field is the highest, a region of lower dielectric strength.
  • EPR thermoplastic ethylene-propylene elastomer
  • EPDM ethylene-propylene-diene chain terpolymer main methylene
  • the object of the present invention is to provide a insulation structure for medium, high, and very high voltage carrying direct or alternating current, having more stable dielectric characteristics over time than those known so far.
  • the object of the present invention is a structure insulation for cable comprising at least a first semiconductor layer contiguous and coaxial with the core of the cable, surrounded by a second layer electrically insulating, itself covered by a third layer semiconductor.
  • the semiconductor layers are composed exclusively of a matrix comprising only apolar polymers with a molar mass greater than 1000, and of a conductive charge.
  • the components of the matrix have a molecular mass greater than 5000.
  • the semiconductor layers contain compounds with low molecular weights or additives, such as oils or plasticizers, these compounds migrate into the insulating layer. This phenomenon results in the formation of space charges which will cause electric field enhancement and can lead subsequent to breakdowns.
  • This field reinforcement is linked to the quantity of charges formed but also to their mobility: a quantity of uniformly distributed loads does not giving no field reinforcement as important as the same amount of localized charges. This migration can be produce during implementation or during cable operation.
  • composition according to the invention comprising only mass compounds high molar, prevents migration of species into the insulating layer and thereby the accumulation of charges of space near the interfaces.
  • the polymers are chosen from polyethylene, polypropylene, polystyrene, and their copolymers, alloys of polymers chosen from polyethylene, polypropylene, polystyrene, and their copolymers, and mixtures of the compounds chosen from polyethylene, polypropylene, polystyrene, their copolymers, and previously cited alloys.
  • the polymers are chosen from elastomers polyolefinic thermoplastics and their mixtures.
  • the present invention has the advantage of stabilizing the dielectric characteristics of the structure isolation by suppressing the migration of the compounds of low molar mass. As a result, the quality of the interface between the different layers becomes a less critical parameter.
  • the filler is a carbon black containing the least possible impurities. You can use a baked black or a black "KETJEN", but we will preferably choose a black acetylene which is much purer.
  • the matrix also contains before its shaping a crosslinking agent. After shaping material by extrusion, it can be cross-linked for to improve its thermomechanical properties. These properties are particularly critical for cables carrying alternating current.
  • the pressure wave test is carried out using the installation shown in Figure 1. This test allows to assess the strengthening of the electric field in a isolation structure.
  • the installation shown in Figure 1 consists a laser 10 "YAg” whose beam is sent on a target 11 corresponding to sample 1 of which each semiconductor constitutes an electrode (+) and (-).
  • This beam absorbed at the surface of electrode 2 (-) breaks down this surface by pyrolysis, and the gases emitted cause a wave of pressure passing through the sample. This wave modulates the charge-images on the electrodes and gives access to the volume charge density in the sample.
  • a photodiode 12 makes it possible to synchronize a detector 13 with laser 10.
  • the circuit is supplied electrically by a high voltage power supply 14 provided resistance 15.
  • the data recorded are transferred to be processed by a computer 16 and represented as a function of time on a recorder graph 17.
  • the laser 10 sends a wave on the target 11 causing the appearance of space charges and the modification of the distribution of the electric field which then is measured by detector 13.
  • Example 4 A sample similar to that described in Example 4 is prepared but by adding to the matrix semiconductor layers, a paraffinic oil with reason 5% by weight relative to the matrix.

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  • Organic Insulating Materials (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Conductive Materials (AREA)
  • Addition Polymer Or Copolymer, Post-Treatments, Or Chemical Modifications (AREA)
  • Insulating Bodies (AREA)
  • Installation Of Indoor Wiring (AREA)

Description

La présente invention concerne une structure d'isolement pour câble moyenne, haute, et très haute tension transportant du courant continu ou alternatif.
Ces câbles sont généralement constitués d'une âme conductrice entourée d'une structure d'isolement qui lui est coaxiale. Cette structure comporte au moins une première couche semi-conductrice placée au contact de l'âme du câble, elle-même entourée d'une deuxième couche électriquement isolante, à son tour recouverte par une troisième couche semi-conductrice. D'autres couches extérieures servent à la protection du câble.
La couche isolante est habituellement à base de polyéthylène haute densité ou basse densité, de polyéthylène réticulé, ou bien encore de terpolymère d'éthylènepropylène-diène à chaíne principale méthylène (EPDM).
Les couches semi-conductrices sont en général composées d'une matrice polaire, le plus souvent un copolymère d'éthylène et d'acrylate d'alkyl, qui est chargée par du noir de carbone. La quantité de charge varie suivant la nature du noir de carbone utilisé. Pour un noir d'acétylène ou un noir au four, la proportion de charge est généralement comprise entre 28% et 40%.
La rigidité diélectrique d'un tel câble est très liée à la qualité de l'interface entre la couche semi-conductrice et la couche isolante. La moindre aspérité au niveau de cette interface peut provoquer un renforcement du champ électrique et conduire au claquage et à la perforation de la couche isolante.
Pour obtenir lors de l'extrusion une interface aussi lisse que possible, la matrice des couches semi-conductrices des câbles haute tension actuellement commercialisés est généralement à base d'un polymère d'indice de fluidité ou "melt index" élevé de l'ordre de 17 (Un "melt index" élevé est le signe de la présence de faibles masses molaires, il est mesuré suivant les normes ASTM référence D1238 ou NFT 51-016), et possédant une distribution très large en masses molaires. Mais on a constaté dans la couche isolante, à proximité des couches semi-conductrices, l'apparition de charges d'espace dont l'accumulation entraine une détérioration de la tenue diélectrique de l'isolant pouvant aller jusqu'au claquage.
Certains fabricants de semi-conducteurs utilisent des matrices apolaires à base d'un copolymère de l'éthylène (EPR: élastomère thermoplastique d'éthylène-propylène , ou EPDM: terpolymère d'éthylène-propylène-diène à chaíne principale méthylène), auxquelles ils ajoutent des huiles ou des plastifiants pour faciliter l'obtention d'un bon état de surface de la couche semi-conductrice. Or ces huiles ou plastifiants diffusent dans la couche isolante et créent au niveau de l'interface entre la couche semi-conductrice et la couche isolante, où le champ électrique est le plus élevé, une région de plus faible rigidité diélectrique.
La présente invention a pour but de procurer une structure d'isolement pour câble moyenne, haute, et très haute tension transportant du courant continu ou alternatif, présentant des caractéristiques diélectriques plus stables au cours du temps que celles connues jusqu'à présent.
L'objet de la présente invention est une structure d'isolement pour câble comportant au moins une première couche semi-conductrice contigüe et coaxiale à l'âme du câble, entourée d'une deuxième couche électriquement isolante, elle-même recouverte par une troisième couche semi-conductrice. Les couches semi-conductrices sont composées exclusivement d'une matrice ne comportant que des polymères apolaires de masse molaire supérieure à 1000, et d'une charge conductrice.
De préférence, les composants de la matrice ont une masse moléculaire supérieure à 5000.
Si les couches semi-conductrices contiennent des composés de faibles masses molaires ou des additifs, comme des huiles ou des plastifiants, ces composés migrent dans la couche isolante. Ce phénomène a pour conséquence la formation de charges d'espaces qui vont provoquer des renforcement de champ électrique et peuvent conduire ultérieurement à des claquages. Ce renforcement de champ est lié à la quantité de charges formées mais également à leur mobilité: une quantité de charges uniformément réparties ne donnant pas de renforcement de champ aussi important que la même quantité de charges localisées. Cette migration peut se produire au cours de la mise en oeuvre ou au cours du fonctionnement du câble.
L'emploi d'une couche semi-conductrice de composition selon l'invention ne comportant que des composés de masse molaire élevée, empêche la migration d'espèces dans la couche isolante et par là même l'accumulation de charges d'espace à proximité des interfaces.
Selon une première variante de réalisation, les polymères sont choisis parmi le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, et leurs copolymères, les alliages de polymères choisis parmi le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, et leurs copolymères, et les mélanges des composés choisis parmi le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, leurs copolymères, et les alliages précédemment cités.
Selon une deuxième variante de réalisation, les polymères sont choisis parmi les élastomères thermoplastiques polyoléfiniques et leurs mélanges.
Du choix des polymères constituants la matrice dépendra la qualité de son interface avec la couche isolante et les propriétés mécaniques de la couche semi-conductrice obtenue, sans nécessiter le recours à des additifs.
La présente invention a pour avantage de stabiliser les caractéristiques diélectriques de la structure d'isolement en supprimant la migration des composés de faible masse molaire. En conséquence, la qualité de l'interface entre les différentes couches devient un paramètre moins critique.
La charge est un noir de carbone contenant le moins possible d'impuretés. On peut utiliser un noir au four ou un noir "KETJEN", mais on choisira de préférence, un noir d'acétylène qui est beaucoup plus pur.
Dans certain cas la matrice contient en outre avant sa mise en forme un agent de réticulation. Après mise en forme du matériau par extrusion, on peut le réticuler en vue d'améliorer ses propriétés thermomécaniques. Ces propriétés sont particulièrement critiques pour les câbles transportant du courant alternatif.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture des exemples suivants, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et en référence au dessin annexé dans lequel:
  • la figure 1 montre le schéma général de l'installation d'essai de l'onde de pression,
  • la figure 2 représente une vue de dessus de l'échantillon de la structure d'isolement pour l'essai de l'onde de pression,
  • la figure 3 une coupe schématique de l'échantillon de la figure 2.
L'essai de l'onde de pression est effectué à l'aide de l'installation représentée sur la figure 1. Ce test permet d'évaluer le renforcement du champ électrique dans une structure d'isolement.
Un échantillon 1 de la structure d'isolement pour l'essai de l'onde de pression est représenté vue de dessus sur la figure 2 et en coupe sur la figure 3. Sur une surface circulaire de diamètre A 20mm, on trouve superposées:
  • une première couche 2 semi-conductrice d'épaisseur B 0,5mm,
  • une deuxième couche 3 électriquement isolante d'épaisseur C 0,8mm,
  • une troisième couche 4 semi-conductrice identique à la couche 2.
L'installation représentée sur la figure 1, se compose d'un laser 10 "YAg" dont le faisceau est envoyé sur une cible 11 correspondant à l'échantillon 1 dont chaque semiconducteur constitue une électrode (+) et (-). Ce faisceau absorbé en surface de l'électrode 2 (-) décompose cette surface par pyrolyse, et les gaz émis provoquent une onde de pression qui traverse l'échantillon. Cette onde module les charges-images sur les électrodes et donne accès à la densité de charge volumique dans l'échantillon.
Une photodiode 12 permet de synchroniser un détecteur 13 au laser 10. Le circuit est alimenté électriquement par une alimentation haute tension 14 munie d'une résistance 15. Les données enregistrées sont transférées pour être traitées par un ordinateur 16 et représentées en fonction du temps sur un enregisteur graphique 17. Le laser 10 envoie une onde sur la cible 11 provoquant l'apparition de charges d'espace et la modification de la répartition du champ électrique qui alors est mesurée par le détecteur 13.
EXEMPLE 1
On réalise un échantillon de la structure d'isolement selon l'art antérieur, analogue à l'échantillon représenté sur la figure 2, comportant:
  • une première couche semi-conductrice composée d'une matrice polaire à base d'un copolymère d'éthylène et d'acrylate d'alkyl dont le "melt index" a pour valeur 8 et dont la teneur en ester est de 20%, à laquelle est ajoutée une charge de noir d'acétylène dans une proportion de 66 parts en poids par rapport à 100 parts de la matrice,
  • une deuxième couche électriquement isolante composée d'un élastomère thermoplastique oléfinique,
  • une troisième couche semi-conductrice identique à la première couche.
Cet échantillon est alors soumis à l'essai d'onde de pression à l'aide de l'installation représentée sur la figure 1. On constate l'apparition dans des proportions importantes de charges négatives à la cathode 2. Le renforcement du champ est alors supérieur à 20% et les charges restent piégées dans le matériau plusieurs heures après la coupure de la tension.
EXEMPLE 2
On réalise un échantillon de la structure d'isolement selon l'art antérieur, analogue à l'échantillon représenté sur la figure 2, comportant:
  • une première couche semi-conductrice composée d'une matrice polaire à base d'un copolymère d'éthylène et d'acrylate d'alkyl dont le "melt index" a pour valeur 8 et dont la teneur en ester est de 20%, à laquelle est ajoutée une charge de noir d'acétylène dans une proportion de 66 parts en poids par rapport à 100 parts de la matrice,
  • une deuxième couche électriquement isolante composée d'un polyéthylène réticulé chimiquement(PRC),
  • une troisième couche semi-conductrice identique à la première couche.
Cet échantillon est alors soumis à l'essai d'onde de pression à l'aide de l'installation représentée sur la figure 1. On constate l'apparition dans des proportions importantes de charges négatives à proximité de la cathode 2 et qui restent piégées dans la matrice de la couche isolante après coupure de la tension. Le renforcement du champ est supérieur à 20%.
EXEMPLE 3
On réalise un échantillon de la structure d'isolement selon l'invention, analogue à l'échantillon représenté sur la figure 2, comportant:
  • une première couche semi-conductrice composée d'une matrice apolaire à laquelle est ajoutée une charge de noir d'acétylène dans une proportion de 66 parts en poids par rapport à 100 parts de la matrice; la matrice contient d'une part 20% de polyéthylène (PE) dont le "melt index" a pour valeur 2 et dont la masse molaire est comprise entre 103 et 107 et centrée sur 1,1.106, et d'autre part 80% d'un copolymère d'éthylène et de propylène contenant environ 50% en poids d'éthylène dont la viscosité "MOONEY" (mesurée selon la norme NFT 43005) est de l'ordre de 40 et dont la masse molaire est comprise entre 103 et 107 et centrée sur 1,2.105,
  • une deuxième couche électriquement isolante composée d'un polyéthylène réticulé chimiquement (PRC),
  • une troisième couche semi-conductrice identique à la première couche.
Cet échantillon est alors soumis à l'essai d'onde de pression à l'aide de l'installation représentée sur la figure 1. Le renforcement du champ électrique est inférieur à 10%, et après coupure de la tension il ne subsiste pas de charges piégées dans le matériau isolant.
EXEMPLE 4
On réalise un échantillon de la structure d'isolement selon l'invention, analogue à l'échantillon représenté sur la figure 2, comportant:
  • une première couche semi-conductrice composée d'une matrice apolaire à laquelle est ajoutée une charge de noir d'acétylène dans une proportion de 66 parts en poids par rapport à 100 parts de la matrice; la matrice contient d'une part 20% de polyéthylène (PE) dont le "melt index" a pour valeur 2 et dont la masse molaire est centrée sur 1,1.106, et d'autre part 80% d'un copolymère d'éthylène et de propylène contenant environ 50% en poids d'éthylène dont la viscosité "MOONEY" (selon la norme NFT 43005) est de l'ordre de 40 et dont la masse molaire est comprise entre 103 et 107 et centrée sur 1,2.105,
  • une deuxième couche électriquement isolante composée d'un élastomère thermoplastique oléfinique,
  • une troisième couche semi-conductrice identique à la première couche.
Cet échantillon est alors soumis à l'essai d'onde de pression à l'aide de l'installation représentée sur la figure 1. Le renforcement du champ électrique est inférieur à 10%, et après coupure de la tension il ne subsiste pas de charges piégées dans le matériau isolant.
EXEMPLE 5    Comparaison
Un échantillon analogue à celui décrit dans l'exemple 4 est préparé mais en ajoutant à la matrice des couches semi-conductrices, une huile paraffinique à raison de 5% en poids par rapport à la matrice.
Cet échantillon est alors soumis à l'essai d'onde de pression à l'aide de l'installation représentée sur la figure 1. Le renforcement du champ dans ce cas est de 140%.

Claims (6)

  1. Structure d'isolement pour câble comportant au moins une première couche semi-conductrice contigüe et coaxiale à l'âme du câble, entourée d'une deuxième couche électriquement isolante, elle-même recouverte par une troisième couche semi-conductrice, caractérisée par le fait que lesdites couches semi-conductrices sont composées exclusivement d'une matrice ne comportant que des polymères apolaires de masse molaire supérieure à 1000, et d'une charge conductrice.
  2. Structure selon la revendication 1, dans laquelle les composants de ladite matrice ont une masse molaire supérieure à 5000.
  3. Structure selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle ladite matrice est choisie parmi le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, et leurs copolymères, les alliages de polymères choisis parmi le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, et leurs copolymères, et les mélanges des composés précédemment cités.
  4. Structure selon l'une des revendications 1 et 2, dans laquelle ladite matrice est choisie parmi les élastomères thermoplastiques polyoléfiniques et leurs mélanges.
  5. Structure selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite charge est du noir d'acétylène.
  6. Structure selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle ladite matrice contient en outre avant sa mise en forme un agent de réticulation.
EP94402087A 1993-09-21 1994-09-20 Structure d'isolement pour câble Expired - Lifetime EP0644558B2 (fr)

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EP0644558A1 EP0644558A1 (fr) 1995-03-22
EP0644558B1 true EP0644558B1 (fr) 1999-06-02
EP0644558B2 EP0644558B2 (fr) 2003-05-28

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