EP1110225B1 - Gaine de protection thermique pour un faisceau de cables electriques - Google Patents

Gaine de protection thermique pour un faisceau de cables electriques Download PDF

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EP1110225B1
EP1110225B1 EP00949663A EP00949663A EP1110225B1 EP 1110225 B1 EP1110225 B1 EP 1110225B1 EP 00949663 A EP00949663 A EP 00949663A EP 00949663 A EP00949663 A EP 00949663A EP 1110225 B1 EP1110225 B1 EP 1110225B1
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protection sheath
sheath
sheath according
fibres
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Michel Dunand
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Safran Electrical and Power SAS
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Labinal SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/17—Protection against damage caused by external factors, e.g. sheaths or armouring
    • H01B7/29—Protection against damage caused by extremes of temperature or by flame
    • H01B7/295—Protection against damage caused by extremes of temperature or by flame using material resistant to flame

Definitions

  • the present invention relates to a thermal protection sheath for an electric cable bundle, of the type comprising organic fibers oxidized carbonizable.
  • electrical wires can continue to perform their function of electrical conduction for a specified period. More specifically, it is requested for the electric harnesses of an aircraft that the insulation resistance between two wires of the same beam remains greater than 10 k ⁇ for five minutes and / or that the temperature of the wires remains below 250 ° C. for three and a half minutes, when the beam is brought into contact with a flame of 1100 ° C with a power of 116 kW / m 2 .
  • Document FR-A-2 708 781 describes a fire-resistant sheath and its process development.
  • the fireproof sheath described is formed essentially of a interlacing of synthetic fibers obtained by cracking and spinning a aramid fiber and a carbonizable oxidized organic fiber.
  • the fibers of aramid and oxidized carbonizable organic fibers are mixed in the same layer forming a screen.
  • thermal protection sheath provides protection satisfactory conductors up to a temperature of about 850 ° C, this is insufficient for flame temperatures of the order of 1100 ° C.
  • the object of the invention is to provide a thermal protection sheath resistant to flame temperatures of the order of 1100 ° C, and guaranteeing satisfactory operation of the electrical wires protected by the sheath for a substantial period.
  • the subject of the invention is a thermal protection sheath for a bundle of electric cables, of the aforementioned type, characterized in that it comprises an internal screen formed of at least one layer comprising mostly carbonized oxidized organic fibers and a screen shell having at least one layer formed of ceramic fibers arranged around the internal screen.
  • the wiring element shown in FIGS. 1 and 2 comprises a beam of cables 10 surrounded by a thermal protection sheath 12 according to the invention.
  • the cable bundle 10 consists of a set of cables or electrical wires insulated individually by a protective sheath. These threads electrical devices are for example intended for the transport of control information for the navigation organs of a space launcher or an airplane.
  • the thermal protection sheath 12 essentially comprises a internal screen 14 formed of several layers predominantly comprising oxidized organic carbonizable fibers, and an external screen 16 comprising a layer formed of ceramic fibers, in particular based on aluminoborosilicate.
  • the external screen 16 is arranged directly around the internal screen 14 without interposition of an intermediate material.
  • the protective sheath 12 has under the internal screen 14 a layer 18 of complementary thermal protection mainly comprising KEVLAR marketed by Du Pont de Nemours.
  • the sheath 12 presents around the outer screen 16 a layer mechanical protection device 20 made, for example, based on aramid fibers braided.
  • the internal screen 14 advantageously consists of at least two layers consisting essentially of carbonizable oxidizable organic fibers. Preferably, from three to seven layers are superimposed for one total thickness of the internal screen 14 between 2 and 6 mm.
  • the internal screen 14 is composed of three identical superimposed layers denoted 14A, 14B, 14C.
  • Each layer is advantageously braided and the successive layers are performed by overbraiding.
  • the braiding is adapted so that a large amount of air is contained in the internal screen 14.
  • the internal screen 14 consists of more than 85% in weight of carbonized oxidized organic fibers. These fibers are by example based on oxidized polyacrylonitrile (PANO).
  • PANO oxidized polyacrylonitrile
  • the majority fibers forming the internal screen 14 are, for example, PANOX sold by RK Carbon Fibers or SIGRAFIL marketed by SIGRI.
  • the internal screen 14 comprises, in addition to fibers oxidized organic carbonizable, other fibers such as fibers marketed under the name CHLOROFIBRE manufactured by the company RHOVIL.
  • the fibers used in the composition of the internal screen 14 have a resistance at a temperature of about 800 ° C.
  • the outer screen 16 consists of a braid of continuous filaments.
  • These continuous filaments are ceramic filaments, for example made silica-based.
  • These filaments are advantageously alumino-boro-silicates (ABS), such as NEXTEL wires, marketed by the company 3M.
  • ABS alumino-boro-silicates
  • These filaments are adapted to withstand a very high temperature, and in particular at a temperature of about 1200 ° C.
  • These filaments mainly entering the composition of the screen internal 14 may also be formed of Nextel son.
  • the inner protective layer 18 is arranged around the bundle This layer 18 consists of a braid or a taping of KEVLAR or a mixture of KEVLAR and Chlorofibre.
  • the complementary thermal protection layer 18 is optional. When this is implemented, the thickness of the internal screen 14 is reduced. Indeed, KEVLAR has better thermal insulation properties than oxidized polyacrylonitrile at temperatures around 450 ° C.
  • the implementation of the complementary thermal protection layer 18 based KEVLAR allows to decrease the thickness of the screen internal 14 and thus reduce the total thickness of the sheath.
  • the external mechanical protection layer 20 is advantageously made from braided aramid fibers, and in particular NOMEX marketed by the company Du Pont de Nemours.
  • the mechanical protection layer 20, arranged around the screen internal 16 is optional. This mechanical protection layer allows to avoid the release of fibrous residues from the outer screen 16. Indeed, alumino-boro-silicate fibers, and especially NEXTEL, tend to fluffing due to the braiding process and releasing incompatible unwanted particles for example with the use of the protective sheath in a clean room.
  • the mechanical protection layer also protects the manipulator of the cabling with respect to soft toys ceramic fibers that may be in contact with the skin or eyes.
  • the sheath is advantageously surrounded by a sealing material and in particular a heat-shrinkable sheath or self-amalgamating tape, such as sheaths heat-shrinkable sold by RAYCHEM under the name THERMOFIT sleeves and self-amalgamating silicone tapes marketed by the company NITTO.
  • a sealing material such as sheaths heat-shrinkable sold by RAYCHEM under the name THERMOFIT sleeves and self-amalgamating silicone tapes marketed by the company NITTO.
  • sheaths of different thicknesses were used. These sheaths, denoted A and B have the features summarized in the following table.
  • the sheath A has a thickness less than that of the sheath B.
  • the 6.7 mm diameter cable bundle has six pairs shielded sheathed.
  • the temperature of the electrical wires is, in the case of sheath B, less than 250 ° C, and in particular less than 200 ° C. Of more, even if for a small thickness of the sheath corresponding to the curve At the temperature after 3 min 30 sec greater than 250 ° C, this one remains below 250 ° for 2 min 30 sec.
  • sheaths A and B have resistors isolation between two adjacent wires much larger than 10 k ⁇ for a flame exposure time of 5 min.

Landscapes

  • Insulated Conductors (AREA)

Description

La présente invention concerne une gaine de protection thermique pour un faisceau de câble électrique, du type comportant des fibres organiques oxydées carbonisables.
Pour des raisons de sécurité, il est nécessaire, dans certaines installations électriques, que les faisceaux de fils ou câbles électriques puissent résister momentanément à de très fortes contraintes thermiques, notamment causées par l'application directe d'une flamme.
En particulier, de telles exigences sont imposées dans les aéronefs.
Il est exigé que les fils électriques puissent continuer à exercer leur fonction de conduction électrique pendant une durée déterminée. Plus précisément, il est demandé pour les faisceaux électriques d'un avion que la résistance d'isolement entre deux fils d'un même faisceau reste supérieure à 10 kΩ pendant cinq minutes et/ou que la température des fils reste inférieure à 250°C pendant trois minutes et demi, lorsque le faisceau est mis en présence d'une flamme de 1100°C avec une puissance de 116 kW/m2.
Le document FR-A-2.708.781 décrit une gaine anti-feu et son procédé d'élaboration. La gaine anti-feu décrite est formée essentiellement d'un entrelacement de fibres synthétiques obtenues par craquage et filage d'une fibre d'aramide et d'une fibre organique oxydée carbonisable. Ainsi, les fibres d'aramide et les fibres organiques oxydées carbonisables sont mêlées dans une même couche formant écran.
Bien que cette gaine de protection thermique assure une protection satisfaisante des conducteurs jusqu'à une température d'environ 850°C, celle-ci est insuffisante pour des températures de flamme de l'ordre de 1100°C.
Ainsi, l'invention a pour objet de fournir une gaine de protection thermique résistant à des températures de flamme de l'ordre de 1100°C, et garantissant un fonctionnement satisfaisant des fils électriques protégés par la gaine pendant une durée substantielle.
A cet effet, l'invention a pour objet une gaine de protection thermique pour un faisceau de câbles électriques, du type précité, caractérisée en ce qu'elle comporte un écran interne formé d'au moins une couche comportant majoritairement des fibres organiques oxydées carbonisables et un écran externe comportant au moins une couche formée de fibres de céramique disposées autour de l'écran interne.
Suivant des modes particuliers de réalisation, la gaine de protection thermique comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • ledit écran interne comporte au moins 85 % en poids de fibres organiques oxydées carbonisables ;
  • lesdites fibres organiques oxydées carbonisables dudit écran interne sont à base de polyacrylonitrile oxydé ;
  • ledit écran interne comporte des chlorofibres ;
  • ledit écran interne comporte au moins deux couches superposées de fibres organiques oxydées carbonisables ;
  • ledit écran interne comporte une superposition de couches tressées d'une épaisseur totale comprise entre 2 et 6 mm ;
  • les fibres céramiques sont constituées d'alumino-boro-silicate ;
  • elle comporte sous ledit écran interne, une couche de protection thermique complémentaire comportant majoritairement du KEVLAR ; et
  • elle comporte autour dudit écran externe une couche de protection mécanique comportant majoritairement de l'aramide.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins sur lesquels :
  • la figure 1 est une vue schématique d'un faisceau de câbles protégé par une gaine selon l'invention ;
  • la figure 2 est une vue en section transversale du faisceau de la figure 1 prise suivant la ligne II-II ;
  • les figures 3 et 4 sont des courbes montrant, pour deux gaines de protection thermique selon l'invention ayant des épaisseurs différentes, respectivement, l'évolution de la température des fils conducteurs et de leur résistance d'isolement.
L'élément de câblage représenté aux figures 1 et 2 comporte un faisceau de câbles 10 entouré d'une gaine de protection thermique 12 selon l'invention.
Le faisceau de câbles 10 est constitué d'un ensemble de câbles ou fils électriques isolés individuellement par une gaine protectrice. Ces fils électriques sont par exemple destinés au transport d'informations de commande pour les organes de navigation d'un lanceur spatial ou d'un avion.
La gaine de protection thermique 12 comporte essentiellement un écran interne 14 formé de plusieurs couches comportant majoritairement des fibres organiques oxydées carbonisables, et un écran externe 16 comportant une couche formée de fibres de céramique, notamment à base d'aluminoborosilicate. L'écran externe 16 est disposé directement autour de l'écran interne 14 sans interposition d'un matériau intermédiaire.
En outre, la gaine de protection 12 comporte sous l'écran interne 14 une couche 18 de protection thermique complémentaire comportant majoritairement du KEVLAR commercialisé par Du Pont de Nemours.
Enfin, la gaine 12 présente autour de l'écran externe 16 une couche de protection mécanique 20 réalisée, par exemple, à base de fibres d'aramide tressées.
L'écran interne 14 est constitué avantageusement d'au moins deux couches comportant essentiellement des fibres organiques oxydées carbonisables. De préférence, de trois à sept couches sont superposées pour une épaisseur totale de l'écran interne 14 comprise entre 2 et 6 mm.
Dans l'exemple représenté sur les figures 1 et 2, l'écran interne 14 est composé de trois couches identiques superposées notées 14A, 14B, 14C.
Chaque couche est avantageusement tressée et les couches successives sont réalisées par surtressage.
Le tressage est adapté pour qu'une quantité d'air importante soit renfermée dans l'écran interne 14.
De préférence, l'écran interne 14 est constitué de plus de 85 % en poids de fibres organiques oxydées carbonisables. Ces fibres sont par exemple à base de polyacrylonitrile oxydé (PANO).
Les fibres majoritaires formant l'écran interne 14 sont par exemple du PANOX commercialisé par la société RK Carbon Fibers ou du SIGRAFIL commercialisé par la société SIGRI.
Avantageusement, l'écran interne 14 comporte, en plus des fibres organiques oxydées carbonisables, d'autres fibres telles que des fibres commercialisées sous le nom de CHLOROFIBRE fabriquées par la société RHOVIL.
Les fibres entrant dans la composition de l'écran interne 14 ont une résistance à une température d'environ 800°C.
L'écran externe 16 est constituée d'une tresse de filaments continus. Ces filaments continus sont des filaments de céramique, par exemple réalisés à base de silice. Ces filaments sont avantageusement des alumino-boro-silicates (ABS), tels que les fils NEXTEL, commercialisés par la société 3M.
Ces filaments sont adaptés pour résister à une très haute température, et notamment à une température d'environ 1200°C.
Ces filaments entrant majoritairement dans la composition de l'écran interne 14 peuvent également être formés de fils de Nextel.
La couche de protection interne 18 est disposée autour du faisceau de fils 10. Cette couche 18 est constituée d'une tresse ou d'un rubannage de KEVLAR ou d'un mélange de KEVLAR et de Chlorofibre.
La couche de protection thermique complémentaire 18 est facultative. Lorsque celle-ci est mise en oeuvre, l'épaisseur de l'écran interne 14 est réduite. En effet, le KEVLAR a des propriétés d'isolation thermique meilleures que le polyacrylonitrile oxydé pour des températures voisines de 450°C.
Ainsi, la mise en oeuvre de la couche de protection thermique complémentaire 18 à base de KEVLAR permet de diminuer l'épaisseur de l'écran interne 14 et ainsi de réduire l'épaisseur totale de la gaine.
La couche de protection mécanique externe 20 est avantageusement réalisée à base de fibres d'aramide tressées, et notamment de NOMEX commercialisé par la société Du Pont de Nemours.
La couche de protection mécanique 20, disposée autour de l'écran interne 16 est facultative. Cette couche de protection mécanique permet d'éviter la libération de résidus fibreux issus de l'écran externe 16. En effet, les fibres d'alumino-boro-silicates, et notamment le NEXTEL, ont tendance à pelucher à cause du procédé de réalisation par tressage et à libérer des particules indésirables incompatibles par exemple avec l'utilisation de la gaine de protection dans une salle blanche. La couche de protection mécanique protège également le manipulateur du câblage vis à vis des peluches de fibres céramiques pouvant se trouver en contact avec la peau ou les yeux.
En vue de résister à d'éventuelles attaques chimiques, la gaine est avantageusement entourée d'un matériau d'étanchéité et notamment d'une gaine thermorétractable ou d'un ruban auto-amalgamant, tels que les gaines thermorétractables commercialisées par la société RAYCHEM sous le nom de gaines THERMOFIT et les rubans silicones auto-amalgamant commercialisés par la société NITTO.
On constate que la gaine décrite ici présente de très bonnes propriétés de protection thermique du faisceau de câbles 10 vis à vis d'une flamme. Ces bons résultats obtenus pourraient s'expliquer par la coopération des propriétés respectives des écrans interne et externe.
En particulier, l'écran externe 16 présente la propriété essentielle de former une barrière thermique à haute température qui favorise :
  • la divergence du flux thermique en formant un déflecteur;
  • une barrière isolante haute température ;
  • le maintien mécanique des résidus de combustion des produits internes.
L'écran interne 14 constitue :
  • une barrière isolante à température élevée par sa faible conductivité thermique due également à la présence d'air ;
  • une barrière isolante par ses propriétés de filtration infrarouge ;
  • une barrière isolante par ses propriétés endothermiques par transformation physique ou chimique.
En effet, lors de l'application de chaleur, on constate que la gaine in-terne 14 se carbonise par un effet de pyrolyse. Ce changement d'état permet une consommation d'énergie thermique importante, réduisant la chaleur transmise jusqu'au faisceau à protéger.
Les essais effectués, et dont les résultats sont donnés sur les figures 3 et 4, montrent les qualités de résistance obtenues avec la gaine de protection thermique selon l'invention.
Deux gaines d'épaisseurs différentes ont été utilisées. Ces gaines, notées A et B présentent les caractéristiques résumées dans le tableau suivant.
Figure 00060001
Ainsi, la gaine A a une épaisseur inférieure à celle de la gaine B.
Les courbes représentées aux figures 3 et 4 ont été effectuées avec un brûleur normalisé selon l'ISO 2685.
Ainsi, des faisceaux de câbles identiques équipés des gaines de protection A et B ont été placés à la distance de 75 mm d'un brûleur normalisé à gaz de 0,018 m2 ayant un diamètre de 150 mm. La température de la flamme normalisée était égale à 1100°C ± 80°C et la densité du flux thermique était égale à 116 ± 10 kW/m2.
Le faisceau de câbles d'un diamètre de 6,7 mm comporte six paires blindées gainées.
On constate sur la figure 3 que, pour une durée d'exposition de la gaine à la flamme de 3 min 30 sec, la température des fils électriques est, dans le cas de la gaine B, inférieure à 250°C, et notamment inférieure à 200°C. De plus, même si pour une faible épaisseur de la gaine correspondant à la courbe A la température au bout de 3 min 30 sec supérieure à 250°C, celle-ci reste inférieure à 250° pendant 2 min 30 sec.
Sur la figure 4, on constate que les gaines A et B présentent des résistances d'isolement entre deux fils adjacents très supérieures à 10 kΩ pour une durée d'exposition à la flamme de 5 min.

Claims (8)

  1. Gaine de protection thermique (12) pour un faisceau de câbles électriques, du type comportant des fibres organiques oxydées carbonisables, caractérisée en ce qu'elle comporte un écran interne (14) formé d'au moins une couche comportant majoritairement des fibres organiques oxydées carbonisables et un écran externe (16) comportant au moins une couche formée de fibres de céramique disposées autour de l'écran interne (14).
  2. Gaine de protection thermique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit écran interne (14) comporte au moins 85 % en poids de fibres organiques oxydées carbonisables.
  3. Gaine de protection thermique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que lesdites fibres organiques oxydées carbonisables dudit écran interne (14) sont à base de polyacrylonitrile oxydé.
  4. Gaine de protection thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit écran interne (14) comporte des chlorofibres.
  5. Gaine de protection thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit écran interne (14) comporte au moins deux couches superposées de fibres organiques oxydées carbonisables.
  6. Gaine de protection thermique selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit écran interne (14) comporte une superposition de couches tressées d'une épaisseur totale comprise entre 2 et 6 mm.
  7. Gaine de protection thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les fibres céramiques sont constituées d'alumino-boro-silicate.
  8. Gaine de protection thermique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte autour dudit écran externe (16) une couche de protection mécanique (20) comportant majoritairement de l'aramide.
EP00949663A 1999-07-07 2000-07-06 Gaine de protection thermique pour un faisceau de cables electriques Expired - Lifetime EP1110225B1 (fr)

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