EP1073066A1 - Cable multi-conducteurs et procédé de fabrication d'un tel cable - Google Patents

Cable multi-conducteurs et procédé de fabrication d'un tel cable Download PDF

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EP1073066A1
EP1073066A1 EP00402095A EP00402095A EP1073066A1 EP 1073066 A1 EP1073066 A1 EP 1073066A1 EP 00402095 A EP00402095 A EP 00402095A EP 00402095 A EP00402095 A EP 00402095A EP 1073066 A1 EP1073066 A1 EP 1073066A1
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EP
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sheath
polymer
silane
conductors
insulation
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Fabien Charles
Bernard Poisson
Patrick Sanchez
Rudi Szymoniak
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Sagem SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
    • H01B3/44—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes vinyl resins; acrylic resins
    • H01B3/441—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes vinyl resins; acrylic resins from alkenes

Definitions

  • the present invention relates to electricity distribution cables comprising several conductors each provided with insulation and grouped together in an external protective sheath.
  • cables For many applications of such cables must have both properties which for some are little reconcilable, such as high resistance to mechanical stress in traction, compression and / or folding, high abrasion resistance and flexibility allowing easy handling. Special applications further require other qualities such as resistance to fire and chemical attack.
  • an external sheath made of an inexpensive thermoplastic material such as than polyvinyl chloride or PVC.
  • the properties of this material are insufficient for high loads.
  • elastomers such as nitrile rubber, neoprene and chlorinated polyethylene. They must be crosslinked by passing through a tube where prevail the high temperature and pressure necessary to crosslink the sheath. But the manufacturing is then complex and it is necessary, in this case, to use insulations also exhibiting high degrees of crosslinking.
  • the manufacturing process includes the formation of insulation of conductors by crosslinking of elastomers such as (co) polymers of olefin type (EPR, EPDM, polychloroprene for example) in a continuous vulcanization tube in steam under high pressure and at high temperature, then the formation of a twisted assembly and finally the coating by an external sheath formed by extrusion and crosslinking in a vulcanizing tube.
  • elastomers such as (co) polymers of olefin type (EPR, EPDM, polychloroprene for example
  • thermoplastic methods by silane grafting on an olefin type (co) polymer then crosslinking in the presence of moisture.
  • these methods only allow a limited degree of crosslinking to be achieved. Yes consequently an attempt is made to insulate the conductors by this process before coating them with an outer sheath crosslinked by vulcanization at temperature water vapor pressure at this temperature (usually a twenty bars) deforms the insulators by pressing against each other and off-center conductors, resulting in deterioration of insulation.
  • the present invention aims in particular to provide a cable of the above type defined meeting better than those previously known the requirements of the practical, in particular in that it makes it possible to reconcile a manufacturing method economical insulation, with a sheath having high resistance to external aggressions and flexibility facilitating the use of the cable.
  • the invention proposes a multi-conductor cable according to the claim 1.
  • strongly crosslinked should be understood to mean a degree of crosslinking comparable to that obtained by vulcanization in steam atmosphere at high pressure and temperature.
  • the internal sheath allows initially to maintain the conductors twisted alternately (called SZ), since it is arranged as soon assembly. Then it participates in the resistance to the tensile force that one must subject the assembly to keep it taut in the tube crosslinking. It tends to standardize the pressure exerted by the vapor pressure on insulations and avoids off-center conductors. It reduces the thickness of the outer sheath and consequently increase the speed of scrolling in the crosslinking tube.
  • the constitution described above can be used for both cables with low voltage (up to 1kV) than for medium voltage cables and cables high voltage, with just different thicknesses.
  • a multi-conductor cable is provided according to claim 2 and a manufacturing method according to claim 3.
  • the crosslinking of the outer sheath is advantageously carried out in a continuous vulcanization tube.
  • the internal sheath is advantageously in thermoplastic material; better, it is also made of olefin (co) polymer modified by silane grafting or in the same material as the outer sheath.
  • Isolation of crosslinked polymer by silane grafting can be carried out by various process; it can in particular be carried out in one or two phases.
  • the starting material is a polymer or a mixture of olefin type polymers as defined above.
  • a silane on the polymer or polymers are grafted, via a peroxide, a silane in presence of a catalyst.
  • This catalyst can be one of those commonly used, and in particular tin dibutyl dilaurate.
  • Peroxide can be one of those commonly used.
  • the grafting operation can then be carried out in a square head, which is supplied with polymer granules and in which injects the required low content of peroxide, silane and catalyst.
  • the extruder forms the polymer on the conductor at a temperature which can be about 200 ° C to allow grafting of the silane onto the polymer.
  • the product leaving the extruder has insulation which then crosslinks presence of moisture.
  • the total or partial grafting of the polymer is carried out in a continuous or discontinuous reactor, which is fed with granules of polymer, silane and peroxide.
  • the grafted polymer is then loaded into an extruder and the catalyst, for example in the form of a masterbatch.
  • the insulation is shaped by extrusion.
  • additives can be added, which depend on the envisaged conditions of employment.
  • These additives can in particular be mineral fillers, such as chalk or silica. They can be anti-oxidation agents, improvement in resistance to ultraviolet light, coloring.
  • the next operation consists in stranding the conductors coated with their insulation to constitute an assembly. It is advantageous to implement a process that we call SZ, because it combines a helical winding in a first direction to a winding in the opposite direction, allowing a rapid assembly of the assembly. Such a process is described in the patent French 2,532,464 to which reference may be made. If such an assembly is used, it is immediately followed by the production of an internal sheath which blocks assembly. This internal sheath is made of flexible synthetic material, generally thermoplastic and its thickness is sufficient for its outer surface is substantially cylindrical despite the irregular section of the assembly. Finally the external sheath is formed. She can be a lot thinner than a single sheath, allowing much faster passage in a vulcanizing tube and therefore faster manufacturing.
  • Example 1 conventional manufacturing
  • the conductors are insulated by extrusion of EPR-based material containing a dicumyl type peroxide and continuous vulcanization in a tube supplied with superheated steam at 210 ° C at 20 Mpa, at 275 m / min.
  • the insulated conductors are assembled in assemblies of three on a lyre assembler, at around 50 m / min.
  • the assembly is sheathed by NBR / PVC extrusion (nitrile rubber) with peroxide accelerator and crosslinking in the same conditions as insulation, but at a speed of 75 m / min.
  • the process is the same as for Example 1, except for the insulation construction.
  • the insulations are deformed to the point that the conductors are off-center and the cable cannot be used commercially.
  • Example 1 silane cross-linked insulation cable with internal sheath
  • the cable properties obtained are equivalent to those of the example witness 1 and the insulations are not distorted.
  • Example 2 cable with silane crosslinking insulation, with internal sheath
  • This example differs from the previous one in that the insulation is in two polyolefin layers, at least one of which is crosslinked by silane, at a speed of 90om / min.
  • the SZ type assembly is followed, on the same line, by the place of the first sheath, at a speed of 150 m / min.
  • the final coating is classic, but with a reduced thickness, at 105 m / min. Again the insulations are not distorted.
  • the invention makes it possible to considerably reduce manufacturing time, with no adverse effect on the final characteristics.
  • the passage speeds in the extrusion and crosslinking apparatuses are typically in the following ranges:

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Abstract

Le câble électrique souple multi-conducteurs a un faisceau de plusieurs conducteurs munis chacun d'une isolation individuelle, en polymère réticulé de type (co)polymère d'oléfine modifié par greffage de silane et une gaine interne en matériau synthétique souple. La gaine interne est recouverte d'une gaine externe en élastomère fortement réticulé.

Description

La présente invention concerne les câbles de distribution d'électricité comportant plusieurs conducteurs munis chacun d'une isolation et regroupés dans une gaine externe de protection. Pour beaucoup d'applications de tels câbles doivent présenter à la fois des propriétés qui pour certaines sont peu conciliables, telles qu'une résistance élevée aux contraintes mécaniques en traction, compression et/ou pliage, une résistance élevée à l'abrasion et une souplesse permettant une manipulation aisée. Des applications particulières requièrent de plus d'autres qualités telles que la résistance au feu et aux agressions chimiques.
Pour les câbles qui ne sont soumis qu'à des conditions peu sévères, on peut utiliser une gaine externe en un matériau thermoplastique peu coûteux, tel que le chlorure de polyvinyle ou PVC. Les propriétés de ce matériau sont insuffisantes pour des sollicitations élevées. On peut utiliser dans ce cas une gaine externe en un matériau tel que le polyuréthane, élastomère très performant mais qui a l'inconvénient d'un prix beaucoup plus élevé. On peut également utiliser des élastomères, tels que le caoutchouc nitrile, le néoprène et le polyéthylène chloré. Ils doivent être réticulés par passage dans un tube où règnent la température et la pression élevées nécessaires pour réticuler la gaine. Mais la fabrication est alors complexe et il faut, dans ce cas, utiliser des isolations présentant également de hauts degrés de réticulation.
Dans ce dernier cas, le processus de fabrication comprend la formation de l'isolation des conducteurs par réticulation d'élastomères tels que des (co)polymères de type oléfine (EPR, EPDM, polychloroprène par exemple) dans un tube de vulcanisation continue en vapeur d'eau sous haute pression et à haute température, puis la formation d'un assemblage torsadé et enfin le revêtement par une gaine externe formée par extrusion et réticulation dans un tube à vulcaniser. La fabrication d'un câble ayant de telles isolations et une gaine externe épaisse est coûteuse.
On connaít par ailleurs des procédés de réticulation moins onéreux et plus rapides que le passage dans la vapeur d'eau à haute température. On connaít en particulier des procédés à mise en oeuvre thermoplastique par greffage de silane sur un (co)polymère de type oléfine puis réticulation en présence d'humidité. Mais ces procédés ne permettent d'arriver qu'à un degré de réticulation limité. Si en conséquence on tente de réaliser l'isolation des conducteurs par ce procédé avant de les revêtir d'une gaine externe réticulée par vulcanisation à température élevée, la pression de la vapeur d'eau à cette température (habituellement une vingtaine de bars) déforme les isolants en appui les uns contre les autres et décentre les conducteurs, d'où une dégradation de l'isolement.
On connaít également (US-A-4549041) un câble dont la constitution comporte une composition réticulée destinée à retarder la destruction par la flamme. Ce câble comporte une faisceau de plusieurs conducteurs munis chacun d'une isolation individuelle qui contient notamment un copolymère d'oléfine réticulé par greffage de silane et une gaine externe qui peut être constituée du même matériau que les isolations. Une série de revêtements sépare un bourrage entourant les conducteurs isolés de la gaine externe. La gaine externe, étant constituée du même matériau que les isolations, ne peut être regardée comme "fortement réticulée", c'est-à-dire présentant une réticulation comparable à celle obtenue sous pression et à température élevées (par ex. 200°C et 20 bars). Il n'y a pas de gaine interne en matériau synthétique souple. Les divers rubans constituant les revêtements ont tous des propriétés qu'on ne peut pas considérer comme celles d'un matériau synthétique souple.
La présente invention vise notamment à fournir un câble du type ci-dessus défini répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il permet de concilier un mode de fabrication économique de l'isolation, avec une gaine présentant une résistance élevée aux agressions extérieures et une souplesse facilitant l'emploi du câble.
Dans ce but l'invention propose un câble multi-conducteurs suivant la revendication 1.
Les termes « fortement réticulé » doivent être compris comme signifiant un degré de réticulation comparable à celui que l'on obtient par vulcanisation en atmosphère de vapeur d'eau à pression et température élevées.
La gaine interne permet dans un premier temps de maintenir les conducteurs torsadés de façon alternée (dite en SZ), puisqu'elle est disposée dès l'assemblage. Ensuite elle participe à la résistance à l'effort de traction que l'on doit faire subir à l'assemblage pour le maintenir tendu dans le tube de réticulation. Elle tend à uniformiser la pression exercée par la pression de vapeur sur les isolations et évite le décentrage des conducteurs. Elle permet de réduire l'épaisseur de la gaine externe et en conséquence d'augmenter la vitesse de défilement dans le tube de réticulation.
La constitution décrite ci-dessus est utilisable aussi bien pour les câbles à basse tension (jusqu'à 1kV) que pour les câbles à moyenne tension et les câbles à haute tension, avec simplement des épaisseurs différentes.
Suivant d'autres aspects de l'invention, il est prévu un câble multi-conducteurs suivant la revendication 2 et un procédé de fabrication suivant la revendication 3.
La réticulation de la gaine externe est avantageusement effectuée dans un tube de vulcanisation continue. La gaine interne est avantageusement en matériau thermoplastique; mieux, elle aussi est en (co)polymère d'oléfine modifié par greffage de silane ou dans le même matériau que la gaine externe.
Pour l'isolation les (co)polymère peut notamment être choisis dans le groupe constitué par :
  • les polyéthylènes, en abrégé PE,
  • les EPR (caoutchouc d'éthylène-propylène),
  • les EPDM (éthylène-propylène diène monomère)
  • les EVA (éthylène-vinyl-acétates),
  • les EBA (éthylène-butyl-acrylates),
  • les EEA (éthylène-éthyl-acrylates),
  • les VLDPE (ou élastomères polyoléfine),
  • et leurs mélanges.
Le silane utilisé sera d'un type qui réagit avec les copolymères de type oléfine. Le plus souvent le silane répondra en général à la formule R1 - Si - (R2)3 où :
  • R1 désigne un radical ayant au moins une double liaison, par exemple de type vinylique, allylique, isopropylique ou acrylique,
  • R2 désigne un groupe hydrolysable, par exemple méthoxy, ethoxy ou methoxy-ethoxy .
A titre d'exemples de silane utilisables, on peut citer le vinyltriméthoxy silane, le vinyltriéthoxysilane, le γ méthacryloxypropyltriméthoxysilane, le vinyltriméthoxyéthoxysilane.
L'isolation en polymère réticulé par greffage de silane peut être réalisée par divers procédé ; on peut en particulier la réaliser en une ou deux phases.
Dans le procédé une phase, le produit de départ est un polymère ou un mélange de polymères de type oléfinique tel que défini plus haut. Sur le polymère ou les polymères on greffe, par l'intermédiaire d'un peroxyde, un silane en présence d'un catalyseur. Ce catalyseur peut être l'un de ceux couramment utilisés, et notamment le dibutyl dilaurate d'étain. Le peroxyde peut être l'un de ceux couramment utilisés.
L'opération de greffage peut alors être effectuée dans une extrudeuse à tête d'équerre, qu'on alimente en granulés de polymères et dans laquelle on injecte la faible teneur requise de peroxyde, de silane et de catalyseur. L'extrudeuse met en forme le polymère sur le conducteur, à une température qui peut être d'environ 200°C pour permettre le greffage du silane sur le polymère. Le produit qui sort de l'extrudeuse comporte une isolation qui réticule ensuite en présence d'humidité.
Dans le procédé deux phases, le greffage total ou partiel du polymère est effectué dans un réacteur continu ou discontinu, qu'on alimente en granulés de polymère, en silane et en peroxyde.
Le polymère greffé est alors chargé dans une extrudeuse et on y ajoute le catalyseur, par exemple sous forme d'un mélange maítre. Comme dans le cas précédent, l'isolation est mise en forme par extrusion.
Dans les deux cas, on peut ajouter différents additifs, qui dépendent des conditions d'emploi envisagées. Ces additifs peuvent notamment être des charges minérales, comme la craie ou la silice. Il peut s'agir d'agents anti-oxydation, d'amélioration de la résistance aux ultra-violets, de coloration.
Les silanes utilisés pourront notamment être ceux dont le radical R1 se prête particulièrement à la fixation sur le polymère constitutif de la gaine, tandis que le radical R2 sera choisi de façon à favoriser la condensation du silane, donc la réticulation du polymère après extrusion.
Parmi les silanes utilisables, on peut notamment citer les suivants :
  • vinyltrimethoxy silane,
  • vinyltriethoxy silane,
  • vinyl tris(2 methoxy) silane,
  • gammamethacryloxypropyltrimethoxy silane, et
  • leurs mélanges.
L'opération suivante consiste à toronner les conducteurs revêtus de leur isolation pour constituer un assemblage. Il est avantageux de mettre en oeuvre un procédé qu'on qualifie de SZ, du fait qu'il associe un enroulement en hélice dans un premier sens à un enroulement de sens contraire, autorisant une constitution rapide de l'assemblage. Un tel procédé est décrit dans le brevet français 2 532 464 auquel on pourra se reporter. Si un tel assemblage est utilisé, il est suivi immédiatement de réalisation d'une gaine interne qui bloque l'assemblage. Cette gaine interne est en matériau synthétique souple, généralement thermoplastique et son épaisseur est suffisante pour que sa surface extérieure soit sensiblement cylindrique en dépit de la section irrégulière de l'assemblage. Enfin la gaine externe est constituée. Elle peut être beaucoup plus mince qu'une gaine unique, ce qui permet un passage beaucoup plus rapide dans un tube à vulcaniser et en conséquence une fabrication plus rapide.
On combine ainsi les avantages de la vitesse d'extrusion élevée qu'autorise la réticulation au silane et les caractéristiques favorables (résistances mécanique et chimique, souplesse, résistance à l'abrasion) que procure la gaine externe réticulée par le procédé continu traditionnel.
Les résultats obtenus sont confirmés par des essais comparatifs.
Exemple témoin 1 : fabrication classique
Les conducteurs sont isolés par extrusion de matériau à base EPR contenant un peroxyde de type dicumyle et vulcanisation continue dans un tube alimenté en vapeur surchauffée à 210°C sous 20 Mpa, à 275 m/min. Les conducteurs isolés sont réunis en assemblages de trois sur assembleuse à lyre, à environ 50 m/min. L'assemblage est gainé par extrusion de NBR/PVC (caoutchouc nitrile) avec accélérateur peroxyde et réticulation dans les mêmes conditions que l'isolation, mais à une vitesse de 75 m/min.
Exemple témoin 2 : remplacement de la réticulation en continu de l'isolation par une réticulation silane
Le procédé est le même que pour l'exemple 1, sauf en ce qui concerne la constitution de l'isolation. Les isolations sont déformées au point que les conducteurs sont décentrés et que le câble n'est pas utilisable commercialement.
Exemple 1 : câble à isolation par réticulation silane, avec gaine interne
Un câble à trois conducteurs de 1,5 mm2 de section a été constitué par : Isolation par procédé silane, à une vitesse de 900 /min,
  • réalisation classique d'un assemblage, par toronnage sur assembleuse à lyre,
  • gainage interne en matériau thermoplastique ou à réticulation par silane, d'épaisseur minimale pour obtenir une surface externe régulière,
  • gainage externe réticulée au peroxyde, de façon classique, mais plus mince.
    • Les propriétés du câble obtenues sont équivalentes à celles de l'exemple témoin 1 et les isolations ne sont pas déformées.
    Exemple 2 : câble à isolation par réticulation silane, avec gaine interne
    Cet exemple diffère du précédent en ce que l'isolation est en deux couches polyoléfine dont une au moins réticulée par silane, à une vitesse de 90om/mn. L'assemblage de type SZ est suivi, sur une même ligne, de la mise en place de la première gaine, à une vitesse de 150 m/mn. Le gainage final est classique, mais avec une épaisseur réduite, à 105 m/mn. De nouveau les isolations ne sont pas déformées.
    De façon plus générale, l'invention permet de diminuer considérablement le temps de fabrication, sans effet défavorable sur les caractéristiques finales.
    Les vitesses de passage dans les appareils d'extrusion et de réticulation sont typiquement dans les plages suivantes :
    Procédé classique Invention
    Isolation 200-400 m/min 600-1100 m/min
    Assemblage 40-100 m/min (toronnage classique) 150-500 m/min (toronnage SZ)
    Gainage externe 60-100 m/mn 75-120 m/min

    Claims (9)

    1. Câble électrique multi-conducteurs ayant :
      un faisceau de plusieurs conducteurs munis chacun d'une isolation individuelle,et
      une gaine de protection bloquant les conducteurs,
      caractérisé en ce que chaque isolation est en polymère de type (co)polymère d'oléfine réticulé par greffage de silane, en ce que les conducteurs, torsadés sous forme d'un assemblage, sont noyés dans une gaine interne en matériau synthétique souple contenue dans une gaine externe est en élastomère fortement réticulé pour constituer la gaine de protection.
    2. Câble multi-conducteurs ayant :
      un faisceau de plusieurs conducteurs munis chacun d'une isolation individuelle en polymère réticulé, torsadés de façon alternée en SZ sous forme d'un assemblage,
      une gaine interne en matériau synthétique souple enrobant le faisceau,
      et une gaine externe de protection en élastomère fortement réticulé.
    3. Procédé de fabrication de câble électrique multi-conducteurs, suivant lequel :
      on munit des conducteurs d'une isolation individuelle, en polymère réticulé de type (co)polymère d'oléfine modifié par greffage de silane,
      on constitue un assemblage de plusieurs conducteurs isolés, torsadés de façon alternée,
      on noie l'assemblage de conducteurs isolés dans une gaine interne en matériau synthétique souple, et
      on recouvre la gaine interne d'une gaine externe de protection en élastomère fortement réticulé.
    4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'on effectue la réticulation de la gaine externe dans un tube de vulcanisation continu.
    5. Procédé selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la gaine interne est en matériau thermoplastique ou en (co)polymère d'oléfine réticulé par greffage de silane.
    6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que le silane répond à la formule R1 - Si - (R2)3 où :
      R1 désigne un radical ayant au moins une double liaison, par exemple de type vinylique, allylique, isopropylique ou acrylique,
      R2 désigne un groupe hydrolysable, par exemple méthoxy, ethoxy ou methoxy-ethoxy .
    7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le (co)polymère est choisi dans le groupe constitué par :
      les polyéthylènes,
      les EPR (caoutchouc d'éthylène-propylène),
      les EPDM (éthylène-propylène diène monomère)
      les EVA (éthylène-vinyl-acétates),
      les EBA (éthylène-butyl-acrylates),
      les EEA (éthylène-éthyl-acrylates),
      les VLDPE (ou élastomères polyoléfine)
    8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que la gaine externe est constituée par réticulation au peroxyde.
    9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 8, caractérisé en ce que la gaine interne est constituée en matériau thermoplastique ou à réticulation par silane.
    EP20000402095 1999-07-26 2000-07-21 Cable multi-conducteurs et procédé de fabrication d'un tel cable Expired - Lifetime EP1073066B1 (fr)

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    Application Number Priority Date Filing Date Title
    FR9909680 1999-07-26
    FR9909680A FR2797087B1 (fr) 1999-07-26 1999-07-26 Cable multi-conducteurs et procede de fabrication d'un tel cable

    Publications (2)

    Publication Number Publication Date
    EP1073066A1 true EP1073066A1 (fr) 2001-01-31
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    EP20000402095 Expired - Lifetime EP1073066B1 (fr) 1999-07-26 2000-07-21 Cable multi-conducteurs et procédé de fabrication d'un tel cable

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