EP2394273B3 - Cable de transmission electrique a haute tension - Google Patents

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EP2394273B3
EP2394273B3 EP10708260.4A EP10708260A EP2394273B3 EP 2394273 B3 EP2394273 B3 EP 2394273B3 EP 10708260 A EP10708260 A EP 10708260A EP 2394273 B3 EP2394273 B3 EP 2394273B3
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EP
European Patent Office
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cable according
coating
reinforcing element
cable
composite reinforcing
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EP10708260.4A
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EP2394273B1 (fr
EP2394273A1 (fr
Inventor
Sophie Barbeau
Daniel Guery
Michel Martin
Claus-Friedrich Theune
Michael Meyer
Corinne Poulard
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Nexans SA
Original Assignee
Nexans SA
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Publication date
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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • H01B7/17—Protection against damage caused by external factors, e.g. sheaths or armouring
    • H01B7/18—Protection against damage caused by wear, mechanical force or pressure; Sheaths; Armouring
    • H01B7/22—Metal wires or tapes, e.g. made of steel
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B5/00—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form
    • H01B5/08—Several wires or the like stranded in the form of a rope
    • H01B5/10—Several wires or the like stranded in the form of a rope stranded around a space, insulating material, or dissimilar conducting material
    • H01B5/102—Several wires or the like stranded in the form of a rope stranded around a space, insulating material, or dissimilar conducting material stranded around a high tensile strength core
    • H01B5/105—Several wires or the like stranded in the form of a rope stranded around a space, insulating material, or dissimilar conducting material stranded around a high tensile strength core composed of synthetic filaments, e.g. glass-fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
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    • 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
    • H01B3/303—Macromolecular compounds obtained by reactions forming a linkage containing nitrogen with or without oxygen or carbon in the main chain of the macromolecule, not provided for in groups H01B3/38 or H01B3/302
    • H01B3/305—Polyamides or polyesteramides
    • H—ELECTRICITY
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    • H01B7/182—Protection against damage caused by wear, mechanical force or pressure; Sheaths; Armouring comprising synthetic filaments
    • H01B7/1825—Protection against damage caused by wear, mechanical force or pressure; Sheaths; Armouring comprising synthetic filaments forming part of a high tensile strength core
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    • H01B7/22—Metal wires or tapes, e.g. made of steel
    • H01B7/221—Longitudinally placed metal wires or tapes
    • H01B7/223—Longitudinally placed metal wires or tapes forming part of a high tensile strength core

Definitions

  • the present invention relates to an electric cable. It typically, but not exclusively, applies to high-voltage electrical transmission cables or overhead power transmission cables, well known under OHL "OverHead Lines".
  • the latest generation electric transmission cables typically have, in continuous operation, a relatively high operating temperature, which can be above 90 ° C, and reach 200 ° C and more.
  • the document US 6,559,385 describes an electrical transmission cable of this type comprising a composite central reinforcement element comprising for example a plurality of carbon fibers coated in a thermosetting matrix of the epoxy type, an aluminum metal strip wound around said composite reinforcement element, and an element conductor surrounding said metallic coating.
  • thermosetting matrix of its composite reinforcing element can undergo thermo-oxidation, linked in particular to oxygen. air, which causes chemical degradation and therefore an increase in the porosity of said matrix.
  • mechanical properties of the composite reinforcing element, in particular of the organic matrix which composes it can significantly decrease and lead to the rupture of the electric transmission cable.
  • said organic matrix is subject to all types of external compounds, other than oxygen in the air, which can also degrade the composite reinforcing element.
  • an excessive thickness of the aluminum coating does not allow either the weight of the electric cable to be optimized, especially when it is of the OHL type, or the mechanical properties of the cable, in particular its flexibility.
  • the aluminum coating is affixed with a significant heat input which tends to thermally degrade the composite wires.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of the techniques of the prior art.
  • the coating of the invention has no seams or openings.
  • the waterproof coating advantageously protects the composite reinforcing element, whatever its nature against any attack to which it could be sensitive, these attacks coming from external compounds surrounding the electric cable.
  • the waterproof coating in the operational configuration of the electric cable, prevents any penetration of said external compounds from the exterior of said coating to the composite reinforcing element or elements.
  • the external compounds can be, for example, oxygen from the air.
  • the waterproof coating avoids thermo-oxidation of the organic matrix of the reinforcing composite element.
  • the external compounds can also be humidity, ozone, pollution, or UV radiation, or else come from coating products or wire drawing residues during the manufacture of the electric cable, in particular during the laying of the conductive element (s) around the composite reinforcement element (s).
  • the waterproof coating also has the advantage of protecting the composite reinforcement element or elements when placing accessories such as junctions or anchors, or when cutting the conductive element of the cable, and also of protecting it against 'abrasion.
  • the thickness of the waterproof coating being only at most 3000 ⁇ m
  • the electric cable according to the invention has on the one hand, a weight optimized for use as an OHL cable, and on the other hand very good mechanical properties, in particular of flexibility: the waterproof coating of the invention thus does not degrade the flexibility of said electric cable provided by the composite reinforcing element or elements.
  • the flexibility of the electric cable of the invention makes it possible to be able to avoid damaging said cable when, on the one hand, it is wound on a reel in order to transport it, and when, on the other hand, it passes over unwinders and / or pulleys when it is installed between two electric pylons.
  • the implementation of the waterproof coating is not only greatly facilitated, but also avoids any thermal degradation of the composite reinforcing element or elements.
  • the waterproof coating of the invention can be advantageously obtained by heat treatment of a metallic material and / or of a polymeric material.
  • the waterproof coating comprises at least one metallic layer obtained by heat treatment of a metallic material, the heat treatment making it possible to obtain the sealing of the coating.
  • this “metallic” waterproof coating participates in the transport of the energy of the electric cable in operation when it is in direct contact with the conductive element.
  • the current flowing in the latter will therefore be shared between the waterproof coating and the conductive element according to their respective electrical resistances.
  • At least one metallic layer is understood to mean a coating comprising one or more layers of a metal or a metal alloy.
  • the coating comprises at least one metallic layer and at least one polymeric layer, the coating is called complex coating.
  • the metal layer is obtained by long welding of the metallic material in the form of a strip, the welding thus making it possible to obtain sealing.
  • the metal layer is obtained by helical welding of the metallic material in the form of a ribbon, the welding thus making it possible to obtain sealing.
  • the welding of the metal strip or of the metal strip can be carried out by techniques well known to those skilled in the art, namely by laser welding or by arc welding. electric under protective gas (TIG for Anglicism "Tungsten Inert Gas” or MIG for Anglicism "Metal Inert Gas”).
  • the very small thickness of the waterproof coating advantageously makes it easier to wind the metallic material around the composite reinforcing element or elements prior to welding.
  • the so-called “metallic” coating, or metallic layer is corrugated, or corrugated, in order to obtain in particular better flexibility of said coating.
  • the waterproof metallic coating has parallel, or helical, corrugations on its outer surface.
  • the metallic material is a metal or a metal alloy, and can be more particularly chosen from steel, steel alloys, aluminum, aluminum alloys , copper, and copper alloys.
  • the waterproof coating comprises at least one polymeric layer obtained by heat treatment of a polymeric material, the heat treatment making it possible to obtain the sealing of the coating.
  • the polymeric layer is obtained by softening the polymeric material.
  • softening is understood to mean a temperature capable of making the polymer material malleable, or softening temperature, in order to make it waterproof.
  • the softening temperature is a temperature higher than the melting temperature of the polymeric material.
  • the polymeric material can be chosen from a polyimide, a polytetrafluoroethylene (PTFE), a fluorinated ethylene polymer (FEP), and a polyoxymethylene (POM), or a mixture thereof.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • FEP fluorinated ethylene polymer
  • POM polyoxymethylene
  • This FEP tape is then heat treated by heating to a temperature of about 250 ° C, a temperature above its melting temperature, to make the tape waterproof.
  • the first embodiment is however preferred over the second embodiment. Indeed, a waterproof coating of the metallic layer type provides better sealing and protection than a waterproof coating of the polymeric layer type.
  • the waterproof coating comprises at least one polymeric layer and at least one metallic layer obtained respectively by heat treatment of a polymeric material and of a metallic material.
  • said waterproof coating is a complex coating.
  • the waterproof coating surrounding the composite element or elements may be in the form of a tube.
  • the tube is conventionally a hollow cylinder whose thickness is substantially constant along the tube.
  • the internal diameter of the tube may or may not be identical along said tube.
  • This tubular shape advantageously makes it possible to improve the mechanical characteristics in rupture of the electric cable by uniformly distributing the mechanical forces which can be caused by the compression of the conductive elements and / or of the waterproof coating during the installation of the electric cable of the OHL type.
  • the fitting of these accessories is carried out by compression of these on the conductive element or elements, on the waterproof covering and / or on the reinforcement element or elements.
  • Said tube may have an inside diameter greater than or equal to the outside diameter in which the composite reinforcing element or elements are inscribed.
  • the tube is in particular a metal tube.
  • the step of obtaining the metal tube can be followed by a step intended to constrict, or in other words to reduce, the internal diameter of the tube. metallic.
  • the thickness of said coating can be at most 600 ⁇ m, and preferably at most 300 ⁇ m.
  • the thickness of said coating can preferably range from 150 ⁇ m to 250 ⁇ m.
  • the thickness of said coating can preferably range from 150 ⁇ m to 600 ⁇ m.
  • the organic matrix of the composite reinforcing element can, for its part, be chosen from a thermoplastic matrix and a thermosetting matrix, or one of their mixtures.
  • the organic matrix is a thermosetting matrix.
  • thermosetting matrix can be chosen from epoxies, vinyl esters, polyimides, polyesters, cyanate esters, phenolics, bismaleimides, and polyurethanes, or a mixture thereof.
  • the reinforcing element or elements of the composite reinforcing element can be chosen from (continuous) fibers, nanofibers, and nanotubes, or a mixture thereof.
  • the (continuous) fibers can be chosen from carbon, glass, aramid (Kevlar), ceramic, titanium, tungsten, graphite, boron, poly (p-) fibers. phenyl-2,6-benzobisoxazole) (Zylon), basalt, and alumina.
  • the nanofibers can be carbon nanofibers.
  • the nanotubes can be carbon nanotubes.
  • the reinforcing element or elements which make up the composite element of the invention may be of the same nature or of a different nature.
  • the preferred reinforcing composite elements are carbon or glass fibers at least partially embedded in a thermosetting matrix of the epoxy, phenolic, bismaleimide or cyanate ester type.
  • the reinforcing element or elements are positioned inside an area delimited by the waterproof coating which surrounds them.
  • said zone does not include optical fibers.
  • optical fibers can only dramatically limit the mechanical reinforcement properties of the electric cable and therefore does not meet the properties required for OHL electrical cables.
  • optical fibers are very sensitive to the mechanical stresses exerted on them, and therefore these mechanical stresses must be limited to the maximum. They cannot therefore be considered as composite reinforcing elements of an electric cable according to the invention, even when they are embedded in a polymer resin.
  • the electric cable of the invention may still include one or more optical fibers, these optical fibers then being positioned around the waterproof coating.
  • the electrically conductive element of the invention which surrounds the waterproof coating may preferably be metallic, in particular based on aluminum, namely either only aluminum, or an aluminum alloy such as for example an alloy aluminum and zirconium Aluminum or aluminum alloy has the advantage of having a significantly improved electrical conductivity / specific gravity couple, particularly compared to copper.
  • the conductive element of the invention can conventionally be an assembly of metal wires (or strands), the cross section of which can be round or not, or a combination of the two. When they are not of round shape, the cross section of these wires can for example be of trapezoidal shape or Z shape. The different types of shape are defined in standard IEC 62219.
  • the electric cable can also comprise a neutral gas, such as for example argon, between the waterproof coating and the composite reinforcing element or elements.
  • a neutral gas such as for example argon
  • the electric cable may further comprise an electrically layer insulation positioned between the waterproof coating, and the composite reinforcement element (s).
  • This layer may be a layer made of a heat-resistant polymer material, such as for example polyetheretherketone (PEEK). It can in particular surround at least one of the composite elements, each composite element, or the assembly formed by the (all) composite elements.
  • PEEK polyetheretherketone
  • This electrically insulating layer advantageously makes it possible to avoid the appearance of galvanic current between the composite reinforcing element and the waterproof coating when the latter is metallic.
  • this layer surrounding all the composite reinforcing elements advantageously makes it possible to facilitate the implementation of said layer while having a gain in material.
  • the electric cable of the invention does not necessarily include an adhesive layer positioned between the composite reinforcing element or elements and the conductive element.
  • the electric cable of the invention does not include an outer layer surrounding the conductive element or elements, this outer layer typically being able to be an electrically insulating layer or a protective sheath.
  • the conductive element or elements can therefore be considered as the outermost element or elements of the electric cable of the invention. Therefore, the conductive element or elements are then in direct contact with their external environment (e.g. ambient air).
  • This absence of an outer layer around the conductive element (s) has the advantage of guaranteeing an electrical cable with the lowest possible laying voltage, this laying voltage being proportional to the weight of the electric cable.
  • the advantage is to have an OHL-type electric cable having the lowest possible mechanical force, this mechanical force being exerted by the cable on the two pylons between which it is suspended.
  • the range of the electric cable between two electricity pylons can go up to 500 m, or even up to 2000 m.
  • the electric cable 10, illustrated on the figure 1 corresponds to a high voltage electrical transmission cable of the OHL type.
  • This cable 10 comprises a composite element 1 of central reinforcement and, successively and coaxially around this composite element 1, a metal tube 2 made of aluminum, and an electrically conductive element 3.
  • the conductive element 3 is directly in contact with the metal tube 2, and the latter is directly in contact with the composite reinforcing element 1.
  • the composite reinforcing element 1 comprises a plurality of strands of carbon fiber coated in a thermosetting matrix of epoxy type.
  • the conductive element 3 is in this example an assembly of strands of aluminum and zirconium alloy whose cross section of each strand is of trapezoidal shape, these strands being twisted together. Said conductive element is therefore in no way impermeable to the external environment, and the strands which constitute it also deviate under the effect of heat due to the thermal expansion of the conductive element.
  • the metal tube 2 can be obtained from a metal strip transformed into a tube with a longitudinal slit by a forming tool. Then, the longitudinal slot is welded, in particular using a laser welding device or an electric arc welding device under protective gas, after contacting and maintaining the welding edges of said strip. .
  • the composite reinforcing element may be inside the metal strip transformed into a tube. The diameter of the tube formed is then narrowed (reduction in the cross section of the tube) around the composite reinforcing element by techniques well known to those skilled in the art.
  • the metal tube 2 can be obtained from a metal ribbon wound helically around the composite reinforcing element or a substitute. Then the helical slot of this metal strip is welded, in particular using a laser welding device or an electric arc welding device under protective gas, after contacting and maintaining the welding edges. said ribbon.
  • the shrinking step mentioned above is also possible.
  • the cable from the figure 1 also does not have an external sheath: the conductive element 3 is thus left directly in contact with its external environment (ie ambient air).
  • the absence of an outer sheath advantageously makes it possible to increase the range of said cable between two electrical pylons.
  • the figure 2 shows an electric cable 20 according to the present invention, which is identical to the electric cable 10 of the figure 1 , except that the cable 20 further comprises a single electrically insulating layer 4 surrounding the composite reinforcing element (ie all the composite reinforcing elements). This electrically insulating layer 4 is positioned between the metal tube 2 and the composite reinforcing element 1.
  • the cable 20 also does not include an outer sheath around the conductive element 3.
  • a first electrical cable, "cable I1" is made as follows.
  • a composite reinforcing element comprising a set of carbon fibers embedded in a thermosetting matrix of the epoxy resin type is coated with an electrically insulating layer of PEEK and then with a layer of impermeable aluminum.
  • the waterproof aluminum layer was produced using an aluminum strip welded along its length in order to create a tube around the composite reinforcement element. Then this aluminum tube was tightened around said composite element to form said waterproof aluminum layer.
  • a second electrical cable, “cable C1”, corresponds to cable I1 without it comprising the layer of waterproof aluminum.
  • the aging test is carried out respectively on cables I1 and C1. This aging test consists in allowing the cables I1 and C1 to age in ovens at different temperatures. The cable samples measure between approximately 65 cm and 85 cm.
  • the two ends of the cable sample I1 are coated with metal covers fixed with Kapton® tape and Teflon® tape to seal the ends of said sample.
  • thermosetting matrix Aged samples are weighed in order to monitor the loss of mass associated with the degradation of the thermosetting matrix. A porosity measurement of the thermosetting matrix is also carried out.
  • the pieces are then inserted into a resin to facilitate the polishing process, then polished to obtain a flat surface.
  • the electric cable according to the invention has a significant improvement in the aging properties linked to the presence of the waterproof metallic coating.

Description

  • La présente invention se rapporte à un câble électrique. Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement, aux câbles de transmission électrique à haute tension ou câbles aériens de transport d'énergie, bien connus sous l'anglicisme OHL « OverHead Lines». Les câbles de transmission électrique de dernière génération ont typiquement, en régime continu, une température de fonctionnement relativement élevée, qui peut être supérieure à 90°C, et atteindre 200°C et plus.
  • Le document US 6 559 385 décrit un câble de transmission électrique de ce type comprenant un élément composite de renforcement central comprenant par exemple une pluralité de fibres de carbone enrobées dans une matrice thermodurcissable du type époxy, un ruban métallique en aluminium enroulé autour dudit élément composite de renforcement, et un élément conducteur entourant ledit revêtement métallique.
  • Toutefois, lorsque ce câble de transmission électrique fonctionne en régime continu à haute température, notamment à une température de fonctionnement supérieure à 90°C, la matrice thermodurcissable de son élément composite de renforcement peut subir une thermo-oxydation, liée notamment à l'oxygène de l'air, qui engendre une dégradation chimique et de ce fait une augmentation de la porosité de ladite matrice. Ainsi, les propriétés mécaniques de l'élément composite de renforcement, notamment de la matrice organique qui le compose, peuvent diminuer de façon significative et mener à la rupture du câble de transmission électrique. De plus, ladite matrice organique est sujette à tout type de composés extérieurs, autres que l'oxygène de l'air, pouvant également dégrader l'élément composite de renforcement.
  • Le document EP 1 821 318 décrit un câble électrique comprenant des fils composites entourés par un revêtement en aluminium, ledit revêtement étant lui-même entouré par des éléments conducteurs. Ce revêtement en aluminium est du type bourrant puisqu'il pénètre dans les interstices entre les fils composites. Enfin, chaque fil composite peut être entouré par une couche de protection thermorésistante.
  • Toutefois, une épaisseur trop importante du revêtement en aluminium ne permet pas d'optimiser ni le poidsdu câble électrique, notamment lorsqu'il est du type OHL, ni les propriétés mécaniques du câble, notamment sa flexibilité. En outre, le revêtement en aluminium est apposé avec un apport de chaleur important qui tend à dégrader thermiquement les fils composites.
  • Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur.
  • La présente invention a pour objet un câble électrique comprenant :
    • au moins un élément composite de renforcement comprenant un ou plusieurs éléments de renforcement noyé(s) au moins partiellement dans une matrice organique,
    • un revêtement entourant ledit ou lesdits éléments composites de renforcement, ledit revêtement étant étanche tout autour du ou des éléments composites de renforcement, et
    • au moins un élément conducteur (électrique) entourant ledit revêtement,
    caractérisé en ce que l'épaisseur du revêtement étanche est d'au plus 3000 µm.
  • En d'autres termes, le revêtement de l'invention est dépourvu de jointures ou d'ouvertures.
  • Le revêtement étanche protège avantageusement l'élément composite de renforcement, quelque soit sa nature contre toutes agressions auxquelles il pourrait être sensible, ces agressions provenant de composés extérieurs environnant le câble électrique. Ainsi, le revêtement étanche, en configuration opérationnelle du câble électrique, empêche toute pénétration desdits composés extérieurs depuis l'extérieur dudit revêtement vers le ou les éléments composites de renforcement.
  • Les composés extérieurs peuvent être par exemple l'oxygène de l'air. Dans ce cas, le revêtement étanche évite la thermo-oxydation de la matrice organique de l'élément composite de renforcement. Les composés extérieurs peuvent également être l'humidité, l'ozone, la pollution, ou les rayonnements UV, ou bien provenir de produits d'enduction ou de résidus d'huile de tréfilage lors de la fabrication du câble électrique, notamment lors de la pose du ou des éléments conducteurs autour du ou des éléments composites de renforcement.
  • Le revêtement étanche présente aussi l'avantage de protéger le ou les éléments composites de renforcement lors du placement d'accessoires tels que des jonctions ou ancrages, ou lors de la coupe de l'élément conducteur du câble, et également de le protéger contre l'abrasion.
  • Enfin, l'épaisseur du revêtement étanche n'étant que d'au plus 3000 µm, le câble électrique selon l'invention a d'une part, un poids optimisé pour une utilisation en tant que câble OHL, et d'autre part de très bonnes propriétés mécaniques, notamment de flexibilité : le revêtement étanche de l'invention ne dégrade ainsi pas la flexibilité dudit câble électrique apportée par le ou les éléments composites de renforcement.
  • La flexibilité du câble électrique de l'invention, notamment d'un câble OHL, permet de pouvoir éviter d'endommager ledit câble lorsque d'une part, il est enroulé sur un touret afin de le transporter, et lorsque d'autre part, il passe sur des dérouleuses-freineuses et/ou sur des poulies lors de son installation entre deux pylônes électriques.
  • De plus, lors de la fabrication dudit câble, la mise en oeuvre du revêtement étanche est non seulement grandement facilité, mais également évite tout dégradation thermique du ou des éléments composites de renforcement.
  • Le revêtement étanche de l'invention peut être avantageusement obtenu par traitement thermique d'un matériau métallique et/ou d'un matériau polymérique.
  • Dans un premier mode de réalisation, le revêtement étanche comporte au moins une couche métallique obtenue par traitement thermique d'un matériau métallique, le traitement thermique permettant d'obtenir l'étanchéité du revêtement.
  • Avantageusement, ce revêtement étanche « métallique » participe au transport de l'énergie du câble électrique en fonctionnement lorsqu'il est en contact direct avec l'élément conducteur. Le courant circulant dans ce dernier va donc se partager entre le revêtement étanche et l'élément conducteur en fonction de leurs résistances électriques respectives.
  • On entend par « au moins une couche métallique » un revêtement comportant une ou plusieurs couches d'un métal ou d'un alliage de métaux. Lorsque le revêtement comporte au moins une couche métallique et au moins une couche polymérique, le revêtement est appelé revêtement complexe.
  • Selon une première variante, la couche métallique est obtenue par soudure en long du matériau métallique sous forme d'une bande, la soudure permettant ainsi d'obtenir l'étanchéité.
  • Selon une deuxième variante, la couche métallique est obtenue par soudure hélicoïdale du matériau métallique sous forme d'un ruban, la soudure permettant ainsi d'obtenir l'étanchéité.
  • Que ce soit dans la première ou dans la deuxième variante, le soudage de la bande métallique ou du ruban métallique peut s'effectuer par des techniques bien connues de l'homme du métier, à savoir par soudure laser ou par soudure à l'arc électrique sous gaz protecteur (TIG pour l'anglicisme « Tungsten Inert Gas » ou bien MIG pour l'anglisicme « Metal Inert Gas »).
  • Dans ces deux variantes, la très faible épaisseur du revêtement étanche (i.e. au plus 3000 µm) permet avantageusement de facilité l'enroulement du matériau métallique autour du ou des éléments composites de renforcement préalablement au soudage.
  • En outre, le faible apport d'énergie d'une part, et la limitation de la zone de chauffe induite par la soudure d'autre part, évitent la dégradation thermique du ou des éléments composites de renforcement.
  • Ces deux variantes sont ainsi plus avantageuses qu'une couche métallique obtenue par extrusion d'un matériau métallique autour du ou des éléments composites de renforcement, notamment lorsque l'extrusion est de type « bourrante » impliquant ainsi une mise en contact directe entre le matériau extrudé avec le ou les éléments composites de renforcement. En effet, l'extrusion d'un matériau métallique nécessite des températures de mise en oeuvre très élevées pouvant endommager lesdits éléments composites.
  • Selon une autre particularité de l'invention, le revêtement dit « métallique », ou couche métallique, est annelé, ou corrugué, afin d'obtenir notamment une meilleure flexibilité dudit revêtement. En d'autres termes, le revêtement métallique étanche présente sur sa surface extérieure des ondulations parallèles, ou hélicoïdales.
  • Selon une caractéristique du revêtement métallique étanche de l'invention, le matériau métallique est un métal ou un alliage de métaux, et peut être plus particulièrement choisi parmi l'acier, les alliages d'acier, l'aluminium, les alliages d'aluminium, le cuivre, et les alliages de cuivre.
  • Dans un deuxième mode de réalisation, le revêtement étanche comporte au moins une couche polymérique obtenue partraitement thermique d'un matériau polymérique, le traitement thermique permettant d'obtenir l'étanchéité du revêtement.
  • Plus particulièrement, la couche polymérique est obtenue par ramollissement du matériau polymérique.
  • On entend par « ramollissement » une température apte à rendre malléable le matériau polymère, ou température de ramollissement, afin de le rendre étanche. Par exemple, pour un thermoplastique cristallin ou semi-cristallin, la température de ramollissement est une température supérieure à la température de fusion du matériau polymérique.
  • Le matériau polymérique peut être choisi parmi un polyimide, un polytétrafluoroéthylène (PTFE), un polymère d'éthylène fluoré (FEP), et un polyoxyméthylène (POM), ou un de leurs mélanges.
  • A titre d'exemple, on peut utiliser un ruban de FEP pour entourer hélicoïdalement le ou les éléments composites avec un taux de recouvrement non nul. Ce ruban de FEP est ensuite traité thermiquement par chauffage à une température d'environ 250°C, température supérieure à sa température de fusion, pour rendre le ruban étanche.
  • Le premier mode de réalisation est toutefois préféré par rapport au deuxième mode de réalisation. En effet, un revêtement étanche de type couche métallique assure une meilleure étanchéité et protection qu'un revêtement étanche de type couche polymérique.
  • Dans un troisième mode de réalisation, le revêtement étanche comporte au moins une couche polymérique et au moins une couche métallique obtenues respectivement par traitement thermique d'un matériau polymérique et d'un matériau métallique. En d'autres termes, ledit revêtement étanche est un revêtement complexe. Les différentes caractéristiques décrites ci-avant dans le premier mode de réalisation et/ou dans le deuxième mode de réalisation s'appliquent.
  • Selon l'invention, le revêtement étanche entourant le ou les éléments composites peut être sous forme d'un tube.
  • Le tube est classiquement un cylindre creux dont l'épaisseur est sensiblement constante le long du tube. Le diamètre interne du tube peut être identique ou non le long dudit tube.
  • Cette forme tubulaire permet avantageusement d'améliorer les caractéristiques mécaniques en rupture du câble électrique en répartissant de manière uniforme les efforts mécaniques pouvant être provoqués par la compression des éléments conducteurs et/ou du revêtement étanche lors de l'installation du câble électrique de type OHL.
  • En effet, pour suspendre ce type de câble à un pylône électrique, des accessoires d'ancrage sont nécessaires. Ces accessoires permettent de lier mécaniquement le câble électrique à un pylône électrique sur lequel il doit être installé. De même pour relier deux longueurs de câble électrique selon l'invention, des accessoires de jonction sont utilisés.
  • La pose de ces accessoires s'effectue par compression de ceux-ci sur le ou les éléments conducteurs, sur le revêtement étanche et/ou sur le ou les éléments de renforcement.
  • Ledit tube peut avoir un diamètre intérieur supérieur ou égal au diamètre extérieur dans lequel sont inscrits le ou les éléments composites de renforcement. Dans le cas où ce diamètre intérieur est supérieur au diamètre extérieur dans lequel sont inscrits le ou les éléments composites de renforcement, le tube est notamment un tube métallique. Ainsi, pour obtenir un diamètre intérieur du tube métallique sensiblement identique audit diamètre extérieur, l'étape d'obtention du tube métallique peut être suivie d'une étape destinée à retreindre, ou en d'autres termes à réduire, le diamètre interne du tube métallique.
  • Selon une caractéristique du revêtement étanche de l'invention, l'épaisseurdudit revêtement peut être d'au plus 600 µm, et de préférence d'au plus 300 µm.
  • Lorsque le revêtement étanche est du type couche métallique selon l'invention, l'épaisseur dudit revêtement peut aller préférentiellement de 150 µm à 250 µm.
  • Lorsque le revêtement étanche est du type couche polymérique selon l'invention, l'épaisseur dudit revêtement peut aller préférentiellement de 150 µm à 600 µm.
  • Par ailleurs, la matrice organique de l'élément composite de renforcement peut, quant à elle, être choisie parmi une matrice thermoplastique et une matrice thermodurcissable, ou un de leurs mélanges. De préférence, la matrice organique est une matrice thermodurcissable.
  • A titre d'exemple, la matrice thermodurcissable peut être choisie parmi les époxy, les vinyles esters, les polyimides, les polyesters, les cyanates esters, les phénoliques, les bismaléimides, et les polyuréthanes, ou un de leurs mélanges.
  • Le ou les éléments de renforcement de l'élément composite de renforcement peuvent être choisis parmi les fibres (continues), les nanofibres, et les nanotubes, ou un de leurs mélanges.
  • A titre d'exemple, les fibres (continues) peuvent être choisies parmi les fibres de carbone, de verre, d'aramides (Kevlar), de céramiques, de titanes, de tungstène, de graphites, de bore, de poly(p-phenyl-2,6-benzobisoxazole) (Zylon), de basalte, et d'alumine. Les nanofibres peuvent être des nanofibres de carbones. Les nanotubes peuvent être des nanotubes de carbone.
  • Le ou les éléments de renforcement qui composent l'élément composite de l'invention peuvent être de même nature ou de nature différente.
  • Lesdits éléments de renforcement peuvent ainsi être incorporées au moins partiellement dans au moins une des matrices organiques mentionnées ci-avant. Les éléments composites de renforcement préférés sont des fibres de carbone ou de verre au moins partiellement noyées dans une matrice thermodurcissable de type résine époxy, phénolique, bismaléimide ou cyanate ester.
  • Le ou les éléments de renforcement sont positionnés à l'intérieur d'une zone délimitée par le revêtement étanche qui les entoure. De préférence, ladite zone ne comprend pas de fibres optiques. En effet, la présence de fibres optiques au niveau du ou des éléments composites de renforcement, ou en d'autres termes dans la zone intérieure délimitée par le revêtement étanche, ne peut que limiter de façon dramatique les propriétés de renforcement mécanique du câble électrique et ne correspond donc pas aux propriétés requises pour les câbles électriques OHL. D'ailleurs, les fibres optiques sont très sensibles aux contraintes mécaniques exercées sur elles, et de ce fait ces contraintes mécaniques doivent être limitées au maximum. Elles ne peuvent donc pas être considérées comme des éléments composites de renforcement d'un câble électrique selon l'invention, même lorsqu'elles sont noyées dans une résine polymère.
  • Bien entendu, dans des cas spécifiques, le câble électrique de l'invention peut tout de même comprendre une ou des fibres optiques, ces fibres optiques étant alors positionnées autour du revêtement étanche.
  • Concernant l'élément conducteur électrique de l'invention qui entoure le revêtement étanche, il peut être de préférence métallique, notamment à base d'aluminium, à savoir soit uniquement en aluminium, soit en alliage d'aluminium tel que par exemple en alliage d'aluminium et de zirconium L'aluminium ou l'alliage d'aluminium a l'avantage de présenter un couple conductivité électrique/poids spécifique optimisé de façon significative, notamment par rapport au cuivre.
  • L'élément conducteur de l'invention peut être classiquement un assemblage de fils (ou brins) métalliques dont la section transversale peut être de forme ronde ou non, ou une combinaison des deux. Lorsqu'ils ne sont pas de forme ronde, la section transversale de ces fils peut être par exemple de forme trapézoïdales ou de forme Z. Les différents types de forme sont définis dans la norme IEC 62219.
  • Dans un mode de réalisation particulier, le câble électrique peut comprendre en outre un gaz neutre, comme par exemple l'argon, entre le revêtement étanche et le ou les éléments composites de renforcement. Ce gaz neutre permet de réduire au minimum la quantité d'oxygène en contact avec le ou les éléments composites de renforcement.
  • Dans un mode de réalisation particulier, le câble électrique peut comprendre en outre une couche électriquement isolante positionnée entre le revêtement étanche, et le ou les éléments composites de renforcement. Cette couche peut être une couche en un matériau polymère thermorésistant, comme par exemple en polyétheréthercétone (PEEK). Elle peut entourer notamment au moins un des éléments composites, chaque élément composite, ou l'ensemble formé par le ou les (tous les) éléments composites.
  • Cette couche électriquement isolante permet avantageusement d'éviter l'apparition de courant galvanique entre l'élément composite de renforcement et le revêtement étanche lorsque ce dernier est métallique.
  • On utilisera de préférence une couche électriquement isolante entourant l'ensemble formé par le ou les éléments composites de renforcement, cette unique couche électriquement isolante étant suffisante pour éviter l'apparition de courant galvanique. En outre, l'utilisation de cette couche entourant tous les éléments composites de renforcement permet avantageusement de faciliter la mise en oeuvre de ladite couche tout en ayant un gain de matière.
  • Par ailleurs, le câble électrique de l'invention ne comprend pas nécessairement une couche adhésive positionnée entre le ou les éléments composites de renforcement et l'élément conducteur.
  • Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, le câble électrique de l'invention ne comprend pas de couche extérieure entourant le ou les éléments conducteurs, cette couche extérieure pouvant typiquement être une couche électriquement isolante ou une gaine de protection.
  • Le ou les éléments conducteurs peuvent donc être considérés comme le ou les éléments les plus à l'extérieur du câble électrique de l'invention. De ce fait, le ou les éléments conducteurs sont alors en contact direct avec leur environnement extérieur (e.g. l'air ambiant).
  • Cette absence de couche extérieure autour du ou des éléments conducteurs présente l'avantage de garantir un câble électrique avec une tension de pose la plus faible possible, cette tension de pose étant proportionnelle au poids du câble électrique. En d'autres termes, l'intérêt est d'avoir un câble électrique de type OHL présentant un effort mécanique le plus faible possible, cet effort mécanique étant exercé par le câble sur les deux pylônes entre lesquels il est suspendu.
  • Par conséquent, la portée du câble électrique entre deux pylônes électriques peut aller jusqu'à 500 m, voire même jusqu'à 2000 m.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence aux figures annotées, lesdits exemples et figures étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif.
    • La figure 1 représente de manière schématique et en perspective un câble électrique conforme à la présente invention.
    • La figure 2 représente de manière schématique et en perspective le câble électrique de la figure 1, additionné d'une couche électriquement isolante conforme à l'invention.
  • Pour des raisons de clarté, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique, et ceci sans respect de l'échelle.
  • Le câble électrique 10, illustré sur la figure 1, correspond à un câble de transmission électrique à haute tension du type OHL.
  • Ce câble 10 comprend un élément composite 1 de renforcement central et, successivement et coaxialement autour de cet élément composite 1, un tube métallique 2 en aluminium, et un élément conducteur électrique 3. L'élément conducteur 3 est directement en contact avec le tube métallique 2, et ce dernier est directement en contact avec l'élément composite 1 de renforcement.
  • L'élément composite 1 de renforcement comprend une pluralité de brins de fibre de carbone enrobés dans une matrice thermodurcissable de type époxy.
  • L'élément conducteur 3 est dans cet exemple un assemblage de brins en alliage d'aluminium et de zirconium dont la section transversale de chaque brin est de forme trapézoïdale, ces brins étant torsadés entre eux. Ledit élément conducteur n'est donc aucunement étanche à l'environnement extérieur, et les brins qui le constituent s'écartent d'ailleurs sous l'effet de la chaleur du fait de la dilation thermique de l'élément conducteur.
  • Le tube métallique 2 peut être obtenu à partir d'une bande de métal transformée en tube avec une fente longitudinale par un outil de formage. Puis, la fente longitudinale est soudée, notamment à l'aide d'un dispositif de soudage au laser ou d'un dispositif de soudage à l'arc électrique sous gaz protecteur, après mise en contact et maintient des bords de soudure de ladite bande. Lors de l'étape de soudage, l'élément composite de renforcement peut se trouver à l'intérieur de la bande de métal transformée en tube. Le diamètre du tube formé est ensuite rétreint (diminution de la section transversale du tube) autour de l'élément composite de renforcement par des techniques bien connues de l'homme du métier.
  • Comme indiqué précédemment, d'autres modes de réalisation de ce tube métallique sont possibles. Le tube métallique 2 peut être obtenu à partir d'un ruban de métal enroulé hélicoïdalement autour de l'élément composite de renforcement ou d'un substitut. Puis la fente hélicoïdale de ce ruban métallique est soudée, notamment à l'aide d'un dispositif de soudage au laser ou d'un dispositif de soudage à l'arc électrique sous gaz protecteur, après mise en contact et maintient des bords de soudure dudit ruban. L'étape de rétreint mentionnée ci-avant est également envisageable.
  • Le câble de la figure 1 ne comporte pas en outre de gaine extérieure : l'élément conducteur 3 est ainsi laisser directement au contact de son environnement extérieur (i.e. l'air ambiant). En configuration opérationnelle du câble (i.e. une fois le câble suspendu entre deux pylônes électriques), l'absence de gaine extérieure permet avantageusement d'augmenter la portée dudit câble entre deux pylônes électriques.
  • La figure 2 représente un câble électrique 20 selon la présente invention, qui est identique au câble électrique 10 de la figure 1, excepté le fait que le câble 20 comprend en outre une unique couche électriquement isolante 4 entourant l'élément composite de renforcement (i.e. tous les éléments composites de renforcement). Cette couche électriquement isolante 4 est positionnée entre le tube métallique 2 et l'élément composite 1 de renforcement. Le câble 20 ne comprend également pas de gaine extérieure autour de l'élément conducteur 3.
    • Exemple
  • Afin de montrer les avantages du câble électrique selon l'invention, des tests comparatifs de vieillissement et de porosité ont été réalisés sur des échantillons de câbles électriques.
  • Un premier câble électrique, « câble I1 », est réalisé comme suit. Un élément composite de renforcement comprenant un ensemble de fibres de carbone noyées dans une matrice thermodurcissable de type résine époxy est revêtu d'une couche électriquement isolante de PEEK puis d'une couche d'aluminium étanche. La couche d'aluminium étanche a été réalisée à l'aide d'une bande d'aluminium soudée sur sa longueur afin de créer un tube autour de l'élément composite de renforcement. Puis ce tube en aluminium a été retreint autour dudit élément composite pour former ladite couche d'aluminium étanche.
  • Un deuxième câble électrique, « câble C1 », correspond au câble I1 sans qu'il ne comprenne la couche d'aluminium étanche.
  • Le test de vieillissement est réalisé respectivement sur les câbles I1 et C1. Ce test de vieillissement consiste à laisser vieillir les câbles I1 et C1 dans des étuves à différentes températures. Les échantillons de câbles mesurent entre 65 cm et 85 cm environ.
  • Afin d'éviter la propagation d'oxygène entre la couche d'aluminium étanche et l'élément composite de renforcement, les deux extrémités de l'échantillon de câble I1 sont revêtues de capots métalliques fixés à l'aide de Ruban Kapton® et de ruban Teflon® afin d'assurer l'étanchéité aux extrémités dudit échantillon.
  • Ces échantillons sont ensuite vieillis en isotherme à différentes températures (160, 180, 200 et 220°C) pendant des durées variables (10, 18, 32, 60, 180 et 600 jours).
  • Les échantillons vieillis sont pesés afin de suivre la perte de masse associée à la dégradation de la matrice thermodurcissable. Une mesure de porosité de la matrice thermodurcissable est également réalisée.
  • Sur les échantillons vieillis, trois morceaux de 2 cm environ sont coupés : un morceau de chaque coté des extrémités à environ 2-3cm du bord et un morceau au centre de l'échantillon de câble.
  • Les morceaux sont ensuite insérés dans une résine pour faciliter le processus de polissage, puis poli afin d'obtenir une surface bien plane.
  • Cette surface est ensuite observée au microscope optique, photographiée et analysée à l'aide d'un logiciel d'analyse d'image permettant de mesurer la surface des pores par rapport à la surface de l'échantillon. On en déduit ainsi le taux de porosité de l'échantillon.
  • Au vu des résultats obtenus, le câble électrique selon l'invention présente une amélioration significative des propriétés de vieillissement liées à la présence du revêtement métallique étanche.

Claims (16)

  1. Câble électrique (10,20) comprenant :
    - au moins un élément composite (1) de renforcement comprenant un ou plusieurs éléments de renforcement noyé(s) au moins partiellement dans une matrice organique,
    - un revêtement (2) entourant ledit ou lesdits éléments composites (1) de renforcement, ledit revêtement (2) étant étanche tout autour du ou des éléments composites (1) de renforcement, et
    - au moins un élément conducteur (3) entourant ledit revêtement (2),
    caractérisé en ce que l'épaisseur du revêtement (2) étanche est d'au plus 3000 µm, et en ce que le revêtement étanche (2) est sous forme d'un tube.
  2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement (2) étanche comporte au moins une couche métallique obtenue par traitement thermique d'un matériau métallique.
  3. Câble selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche métallique est obtenue par soudure en long du matériau métallique sous forme d'une bande.
  4. Câble selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche métallique est obtenue par soudure hélicoïdale du matériau métallique sous forme d'un ruban.
  5. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la couche métallique est annelée.
  6. Câble selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le matériau métallique est choisi parmi l'acier, les alliages d'acier, l'aluminium, les alliages d'aluminium, le cuivre, et les alliages de cuivre.
  7. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement (2) étanche comporte au moins une couche polymérique obtenue par traitement thermique d'un matériau polymérique.
  8. Câble selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche polymérique est obtenue par ramollissement du matériau polymérique.
  9. Câble selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le matériau polymérique est choisi parmi un polyimide, un polytétrafluoroéthylène (PTFE), un polymère d'éthylène fluoré (FEP), et un polyoxyméthylène (POM), ou un de leurs mélanges.
  10. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur du revêtement étanche (2) est d'au plus 600 µm.
  11. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice de l'élément composite de renforcement est choisie parmi une matrice thermoplastique et une matrice thermodurcissable, ou un de leurs mélanges.
  12. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les éléments de renforcement de l'élément composite (1) de renforcement sont choisis parmi les fibres, les nanofibres, et les nanotubes, ou un de leurs mélanges.
  13. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le câble électrique (20) comprend en outre au moins une couche électriquement isolante (4) positionnée entre le revêtement (2) étanche, et le ou les éléments composites (1) de renforcement.
  14. Câble selon la revendication 13, caractérisé en ce que la couche électriquement isolante (4) entoure l'ensemble formé par le ou les éléments composites (1) de renforcement.
  15. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément conducteur (3) est à base d'aluminium.
  16. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le câble électrique (10,20) ne comprend pas de couche extérieure entourant le ou les éléments conducteurs (3).
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