EP2498264B1 - Câble électrique à moyenne ou haute tension - Google Patents

Câble électrique à moyenne ou haute tension Download PDF

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EP2498264B1
EP2498264B1 EP20120158597 EP12158597A EP2498264B1 EP 2498264 B1 EP2498264 B1 EP 2498264B1 EP 20120158597 EP20120158597 EP 20120158597 EP 12158597 A EP12158597 A EP 12158597A EP 2498264 B1 EP2498264 B1 EP 2498264B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
thermoplastic polymer
cable according
cable
composition
Prior art date
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Active
Application number
EP20120158597
Other languages
German (de)
English (en)
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EP2498264A1 (fr
Inventor
Arnaud Allais
Boris Dardel
Guy Delaunois
Tim Delcourt
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nexans SA
Original Assignee
Nexans SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Nexans SA filed Critical Nexans SA
Publication of EP2498264A1 publication Critical patent/EP2498264A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2498264B1 publication Critical patent/EP2498264B1/fr
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Classifications

    • 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
    • H01B7/292—Protection against damage caused by extremes of temperature or by flame using material resistant to heat

Definitions

  • the present invention relates to a cable comprising an elongate conductive element surrounded by at least one polymeric layer.
  • the medium or high voltage energy cables comprise at least typically a central electrical conductor and, successively and coaxially around this electrical conductor, a semiconducting inner layer, an electrically insulating intermediate layer, a semiconducting outer layer.
  • the energy cables have a normal operating temperature related to the maximum temperature reached by the heating of the electrical conductor that composes them.
  • the maximum temperatures of the electrical conductor can range from 70 ° C to 90 ° C.
  • the insulating materials recommended are non-crosslinked insulators of the low-density thermoplastic polyethylene type.
  • the insulating materials recommended are non-crosslinked insulators of the high-density thermoplastic polyethylene type.
  • the recommended insulators are insulators of the crosslinked polyethylene type, or elastomer of ethylene and propylene.
  • An improperly used insulator such as a low or high density thermoplastic polyethylene used as an insulating layer in cables with maximum temperatures of 90 ° C, would induce problems of mechanical deformation of the insulation material and therefore risk of electrical breakdown of the cable in question.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of the techniques of the prior art by providing a polymeric layer for cable guaranteeing good mechanical properties at high temperature (eg at least 90 ° C) while being easy to implement.
  • the Applicant has surprisingly found that the polyolefin thermoplastic polymer of the invention, used as a non-crosslinked cable layer, advantageously enables the requirements of the 130 ° C hot pressure test to be met, according to the IEC standard. 60811-3-1 paragraph 8.
  • the polymeric layer of the invention thus has the advantage of guaranteeing good mechanical properties at high temperatures, especially at temperatures of 90 ° C. or more. It can therefore be applied to power cables that have an operating temperature of 90 ° C, in operational configuration.
  • polymeric layer of the invention is easy to implement, especially by conventional extrusion techniques well known to those skilled in the art.
  • the polymeric layer of the invention is a thermoplastic layer, or in other words a so-called “non-crosslinked” layer: it is therefore easily recyclable at the end of its life.
  • capillary viscosity measurements ( ⁇ ), corresponding to the flow resistance, are carried out in accordance with ISO 11443: 2005 or ASTM D3835-08.
  • the capillary viscosity is conventionally determined using a capillary rheometer.
  • thermoplastic polyolefin of the invention of the invention may be an olefin homopolymer or an olefin copolymer.
  • Polyethylene will preferably be used as the polyolefin.
  • polyethylene By way of example of polyethylene, mention may be made of linear low density polyethylene (LLDPE), low density polyethylene (LDPE), medium density polyethylene (MDPE), high density polyethylene (HDPE), copolymers of ethylene and vinyl acetate (EVA) copolymers of ethylene and butyl acrylate (EBA), methyl acrylate (EMA), 2-hexylethylacrylate (2HEA), ethylene and alpha copolymers olefins such as, for example, polyethylene octene (PEO), or terpolymers of ethylene propylene diene (EPDM), and a mixture thereof.
  • LLDPE linear low density polyethylene
  • LDPE low density polyethylene
  • MDPE medium density polyethylene
  • HDPE high density polyethylene
  • EVA vinyl acetate copolymers of ethylene and vinyl acetate (EBA), methyl acrylate (EMA), 2-hexylethylacrylate (2HEA), ethylene and alpha copolymers o
  • a homopolymer of ethylene and especially a high density ethylene homopolymer, which is preferably connected.
  • the density of the thermoplastic polymer is at least 941 kg / m 3 at 23 ° C, and preferably at least 950 kg / m 3 at 23 ° C (according to ISO 1183 / A) .
  • ISO 1183 / A we speak conventionally of high density polymer.
  • the melting temperature of the thermoplastic polymer may be at least 130 ° C, and preferably at least 134 ° C.
  • the melting temperature of said polymer may typically be determined by differential scanning calorimetry (DSC) according to ISO 11357-3, with a temperature ramp of 10 ° C./min under an inert atmosphere.
  • this melting point of the thermoplastic polymer can be obtained by subjecting a first heating cycle to said thermoplastic polymer in order to "erase" its eventual thermal history, then a second heating cycle, identical to the first cycle, in order to obtain a melting temperature which is not influenced by said eventual thermal history of said polymer.
  • the ratio of the weight-average molecular weight (Mw) of the thermoplastic polymer to the number-average molecular weight (Mn) of the thermoplastic polymer may range from 3 to 30, and preferably from 5 to 7.
  • the weight-average molecular weight (Mw) can range from 142,000 to 152,000 daltons (Da).
  • the number-average molecular mass (Mn) can range from 24800 to 26700 daltons (Da).
  • the melt flow index (MFI) of the thermoplastic polymer may range from 0.1 to 2.0 g / 10 min (190 ° C./2.16 kg according to ISO 1133), and preferably from 0.7 and 1.1 g / 10 min (190 ° C / 2.16 kg according to ISO 1133).
  • the thermoplastic polymer is a monomodal polyolefin.
  • a monomodal polyolefin is a polyolefin whose molecular weight distribution is monomodal, i.e. said polyolefin comprises only one type of polyolefin fraction.
  • the characteristic of capillary viscosity specific to the thermoplastic polymer of the invention can be combined with at least one of said seven characteristics, preferably at least two of said seven characteristics, preferably at least three of said seven characteristics, preferably at least at least four of said seven features, preferably at least five of said seven features, preferably at least six of said seven features, and particularly preferably said seven features.
  • the composition of the invention is a thermoplastic composition, and may comprise more than 50.0 parts by weight of thermoplastic polymer per 100 parts by weight of polymer (s) (ie polymer matrix) in the composition, preferably at least 70 parts by weight of thermoplastic polymer per 100 parts by weight of polymer (s) in said composition, and particularly preferably at least 90 parts by weight of thermoplastic polymer per 100 parts by weight of polymer (s) in said composition.
  • the composition of the invention comprises a polymer matrix which is composed only of the thermoplastic polymer of the invention or a mixture of thermoplastic polymers including the thermoplastic polymer of the invention.
  • all the polymers used in the composition of the invention are one or more thermoplastic polymers of polyolefin type as defined in the invention.
  • composition according to the invention may further comprise at least one protective agent such as an antioxidant.
  • a protective agent such as an antioxidant.
  • Antioxidants help to protect the composition of the heat stress generated during cable manufacturing or cable operation.
  • the type of stabilizer and its level in the composition of the invention are conventionally chosen according to the maximum temperature experienced by the polymers during the production of the mixture and during the implementation by extrusion on the cable as well as according to the maximum duration of exposure to this temperature.
  • the composition may typically comprise from 0.1% to 2% by weight of antioxidant (s). Preferably, it may comprise at most 0.7% by weight of antioxidant (s), especially when the antioxidant is TMQ.
  • additives and / or other fillers well known to those skilled in the art may also be added to the composition of the invention such as scorch retarders; agents promoting implementation such as lubricants or waxes; compatibilizing agents; coupling agents; UV stabilizers; non-conductive charges; electrically conductive charges; semiconductor charges; and / or halogen-free inorganic fillers for improving the fire behavior of the composition.
  • the cable of the invention preferably does not include halogenated compounds.
  • halogenated compounds can be of any kind, such as, for example, fluorinated polymers or chlorinated polymers such as polyvinyl chloride (PVC), halogenated plasticizers, halogenated mineral fillers, etc.
  • the cable of the invention may be an energy and / or telecommunication cable, such as an electrical and / or optical cable, intended for the transmission of energy and / or the transmission of data.
  • the elongated conductive element may be one or more electrical conductor (s) and / or optical (s).
  • the polymeric layer may be a layer in direct physical contact or not with the electrical conductor (s) and / or optical (s). It can also be a protective sheath surrounding one or more electrically isolated conductor (s) and / or optic (s).
  • the polymeric layer of the invention is preferably an extruded layer by techniques well known to those skilled in the art.
  • the cable of the invention is an electric cable type energy cable.
  • the cable of the invention may comprise in particular a first semiconductor layer surrounding the elongated conductive element, a second electrically insulating layer surrounding the first layer, and a third semiconductor layer surrounding the second layer, a of these three layers being the non-crosslinked layer of the invention.
  • the non-crosslinked layer of the invention is the electrically insulating layer (i.e. second layer).
  • the composition of the invention may not comprise an (electrically) conductive charge and / or not comprise a semiconductor charge.
  • At least two of the three layers of the cable are uncrosslinked layers, and preferably the three layers of the cable are uncrosslinked layers.
  • the composition of the invention when used for the manufacture of the semiconductor layers (first layer and / or third layer), the composition further comprises at least one (electrically) conductive filler or a semiconductor filler, in an amount necessary and sufficient to render the semiconductor composition.
  • a layer is semiconductive when its electrical conductivity is at least 0.001 Sm -1 (Siemens per meter).
  • composition used to obtain a semiconductor layer may comprise from 4 to 40% by weight of (electrically) conductive filler, preferably at least 15% by weight of conductive filler, and even more preferably at least 25% by weight of filler. conductive.
  • the conductive filler may advantageously be chosen from carbon blacks, and graphites, or a mixture thereof.
  • At least one of these three layers is an extruded layer, preferably two of these three layers are extruded layers, and even more preferably these three layers are extruded layers.
  • the first semiconductor layer, the second electrically insulating layer and the third semiconductor layer constitute a three-layer insulation.
  • the second electrically insulating layer is directly in physical contact with the first semiconductor layer
  • the third semiconductor layer is directly in physical contact with the second electrically insulating layer.
  • the electrical cable of the invention may further comprise a metal screen surrounding the third semiconductor layer.
  • This metal screen may be a "wired” screen, consisting of a set of copper or aluminum conductors arranged around and along the third semiconductor layer, a so-called “ribbon” screen composed of one or more ribbons conductive metal laid helically around the third semiconductor layer, or a so-called “sealed” type metal screen surrounding the third semiconductor layer.
  • This last type of screen makes it possible in particular to provide a moisture barrier that tends to penetrate the electrical cable radially.
  • All types of metal screens can act as grounding of the electric cable and can carry fault currents, for example in the event of a short circuit in the network concerned.
  • the electrical cable of the invention may comprise an outer protective sheath surrounding the third semiconductor layer, or more particularly surrounding said metal screen when it exists.
  • This outer protective sheath can be made conventionally from suitable thermoplastic materials such as HDPE, MDPE or LLDPE; or else materials retarding the propagation of the flame or resistant to the propagation of the flame. In particular, if the latter materials do not contain halogen, it is called cladding type HFFR (for the Angl convinced " Halogen Free Flame Retardant ").
  • the electrical conductor of the cable of the invention may also comprise swelling materials in the presence of moisture to obtain a "sealed core".
  • Medium or high voltage power cable 1 shown in FIG. figure 1 , comprises an elongate central conductive element 2, in particular made of copper or aluminum, and, successively and coaxially, comprises around this element 2, a first semiconductor layer 3 called an "internal semiconducting layer", a second electrically insulating second layer 4; , a third semiconductor layer 5 called “external semiconductor layer”, a metal screen 6 of the cylindrical tube type, and an outer protective sheath 7, the layers 3, 4 and 5 being obtainable from a composition according to the invention.
  • Layers 3, 4 and 5 are extruded and uncrosslinked layers.
  • composition C1 The amounts of the constituents of the composition C1 according to the invention, detailed in Table 1, are expressed as a percentage (%) by weight in the composition of the invention.
  • thermoplastic polymer is characterized by the properties gathered in the following tables 2a and 2b. ⁇ b> ⁇ u> Table 2b ⁇ / u> ⁇ /b> Property: capillary viscosity Temperature Shear 0.1 s -1 Shear of 10 3 s -1 Shear 10 6 s -1 170 ° C 10223 Pa.s 254 Pa.s 0.57 Pa.s 230 ° C 5732 Pa.s 228 Pa's 0.53 Pa.s
  • Capillary viscosity was determined using a capillary rheometer marketed by Porpoise Ltd. under the reference P9-A, and in accordance with ISO 11443: 2005 or ASTM D3835-08.
  • an energy cable is produced with an extruded and uncrosslinked three-layer insulation.
  • This cable comprises an aluminum conductor successively surrounded and coaxially by a first semiconductor layer, a second electrically insulating layer, and a third semiconductor layer.
  • the first and third layers are layers obtained by materials well known to those skilled in the art.
  • the second layer being obtained from the thermoplastic composition C1.
  • a specimen i.e. energy cable comprising the aluminum conductor surrounded solely by the first semiconductor layer and the second electrically insulating layer.
  • the impression device used for the test consists of a rectangular blade with an edge 0.70 ⁇ 0.01 mm wide, which can be pressed against the specimen.
  • the pressure test is carried out at a temperature of 130 ° C. (specimen and impression device).
  • the "Weight” refers to the weight of the impression device used on the specimens to perform the pressure test; "Thickness” is that of the second electrically insulating layer according to the invention; and the “Outside Diameter” is that of the specimen.
  • the deformation value at 130 ° C (or median measured depth of fingerprint depth) must be at most 50%, which is effectively the case for C1-1 and C1-2 test pieces.

Description

  • La présente invention se rapporte à un câble comprenant un élément conducteur allongé entouré par au moins une couche polymérique.
  • Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement, aux domaines des câbles d'énergie à moyenne tension (notamment de 6 à 45-60 kV) ou à haute tension (notamment supérieur à 60 kV, et pouvant aller jusqu'à 800 kV), qu'ils soient à courant continu ou alternatif.
  • Les câbles d'énergie à moyenne ou haute tension comprennent au moins typiquement un conducteur électrique central et, successivement et coaxialement autour de ce conducteur électrique, une couche interne semi-conductrice, une couche intermédiaire électriquement isolante, une couche externe semi-conductrice.
  • En configuration opérationnelle, les câbles d'énergie ont une température normale de fonctionnement liée à la température maximum atteinte par l'échauffement du conducteur électrique qui les compose. Selon la norme IEC 60840 de 2004, Tableau 1 de la page 62, les températures maximales du conducteur électrique peuvent aller de 70°C à 90°C. A 70°C, les isolants préconisés sont des isolants non réticulés du type polyéthylène thermoplastique de basse densité. A 80°C, les isolants préconisés sont des isolants non réticulés du type polyéthylène thermoplastique de haute densité. Enfin, à 90°C, les isolants préconisés sont des isolants du type polyéthylène réticulé, ou élastomère d'éthylène et de propylène.
  • Un isolant utilisé de façon inadéquate, comme par exemple un polyéthylène thermoplastique basse ou haute densité utilisée comme couche isolante dans des câbles dont les températures maximales sont de 90°C, induirait des problèmes de déformation mécanique de la matière de l'isolant et donc des risques de claquage électrique du câble en question.
  • A ce jour, aucun isolant de type polyoléfine existant ne permet d'avoir une tenue à 90°C en configuration opérationnelle, tout en étant facile à mettre en oeuvre et recyclable.
  • Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur en proposant une couche polymérique pour câble garantissant de bonnes propriétés mécaniques à haute température (e.g. au moins 90°C) tout en étant facile à mettre en oeuvre.
  • La présente invention a pour objet un câble comprenant un élément conducteur allongé entouré par au moins une couche polymérique, caractérisé en ce que ladite couche polymérique est une couche non réticulée obtenue à partir d'une composition comprenant au moins un polymère thermoplastique de type polyoléfine ayant une viscosité capillaire (η) :
    • d'au plus 11000 Pa.s à 170°C et
    • d'au moins 5000 Pa.s à 230°C,
    avec un cisaillement de 0,1 s-1.
  • De préférence, la viscosité capillaire (η) peut être :
    • d'au plus 10800 Pa.s à 170°C et
    • d'au moins 5300 Pa.s à 230°C,
    avec un cisaillement de 0,1 s-1.
  • De façon particulièrement préférée, la viscosité capillaire (η) peut être :
    • d'au plus 10300 Pa.s à 170°C, et
    • d'au moins 5700 Pa.s à 230°C,
    avec un cisaillement de 0,1 s-1.
  • Selon un mode de réalisation particulier, la viscosité capillaire peut en outre être d'au plus 0,80 Pa.s à 170°C et à 230°C, avec un cisaillement de 106 s-1, et on préférera une viscosité capillaire:
    • d'au plus 0,60 à 170°C et
    • d'au moins 0,50 à 230°C,
    avec un cisaillement de 106 s-1.
  • Selon un autre mode de réalisation particulier, la viscosité capillaire peut en outre être :
    • d'au plus 280 Pa.s à 170°C, et
    • d'au moins 210 Pa.s à 230°C,
    avec un cisaillement de 103 s-1.
  • De préférence, la viscosité capillaire peut être :
    • d'au plus 260 Pa.s à 170°C, et
    • d'au moins 220 Pa.s à 230°C,
    avec un cisaillement de 103 s-1.
  • Le demandeur a découvert de façon surprenante que le polymère thermoplastique de type polyoléfine de l'invention, utilisé en tant que couche non réticulée pour câble, permettait avantageusement de satisfaire les conditions du test de pression à chaud à 130°C, selon la norme CEI 60811-3-1 paragraphe 8.
  • La couche polymérique de l'invention présente ainsi l'avantage de garantir de bonnes propriétés mécaniques à haute température, notamment à des températures de 90°C ou plus. Elle peut donc s'appliquer à des câbles d'énergie qui ont une température de fonctionnement de 90°C, en configuration opérationnelle.
  • En outre, la couche polymérique de l'invention est facile à mettre en oeuvre, notamment par des techniques classiques d'extrusion bien connues de l'homme du métier.
  • La couche polymérique de l'invention est une couche thermoplastique, ou en d'autres termes une couche dite « non réticulée » : elle est donc facilement recyclable en fin de vie.
  • Dans le cadre de l'invention, les mesures de viscosité capillaire (η), correspondant à la résistance à l'écoulement, sont réalisées conformément à la norme ISO 11443:2005 ou ASTM D3835-08.
  • Pour les applications dans le domaine de la câblerie, où le cisaillement se situe généralement entre 0,1 et 106 s-1 dans les outillages, la viscosité capillaire est classiquement déterminée à l'aide d'un rhéomètre capillaire.
  • La polyoléfine thermoplastique de l'invention de l'invention peut être un homopolymère d'oléfine ou un copolymère d'oléfine. On utilisera de préférence un polyéthylène en tant que polyoléfine.
  • A titre d'exemple de polyéthylène, on peut citer le polyéthylène linéaire basse densité (LLDPE), le polyéthylène basse densité (LDPE), le polyéthylène moyenne densité (MDPE), le polyéthylène haute densité (HDPE), les copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle (EVA), les copolymères d'éthylène et d'acrylate de butyle (EBA), d'acrylate de méthyle (EMA), de 2-hexyléthylacrylate (2HEA), les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfines tels que par exemple les polyéthylène-octène (PEO), ou les terpolymères d'éthylène propylène diène (EPDM), et un de leurs mélanges.
  • On préférera utiliser un homopolymère d'éthylène, et notamment un homopolymère d'éthylène haute densité, qui est de préférence branché.
  • Selon une première caractéristique, la densité du polymère thermoplastique est d'au moins 941 kg/m3 à 23°C, et de préférence d'au moins 950 kg/m3 à 23°C (selon la norme ISO 1183/A). On parle classiquement de polymère à haute densité.
  • Selon une seconde caractéristique, la température de fusion du polymère thermoplastique peut être d'au moins 130°C, et de préférence d'au moins 134°C. La température de fusion dudit polymère peut être typiquement déterminée par calorimétrie différentielle à balayage (DSC) selon la norme ISO 11357-3, avec une rampe de température de 10°C/min sous atmosphère inerte. Notamment, cette température de fusion du polymère thermoplastique peut être obtenue en faisant subir un premier cycle de chauffage audit polymère thermoplastique afin « d'effacer » son éventuel historique thermique, puis un second cycle de chauffage, identique au premier cycle, afin d'obtenir une température de fusion qui ne soit pas influencée par ledit éventuel historique thermique dudit polymère.
  • Selon une troisième caractéristique, le rapport de la masse moléculaire en poids (Mw) du polymère thermoplastique sur la masse moléculaire en nombre (Mn) du polymère thermoplastique peut aller de 3 à 30, et de préférence de 5 à 7.
  • Selon une quatrième caractéristique, la masse moléculaire en poids (Mw) peut aller de 142000 à 152000 daltons (Da).
  • Selon une cinquième caractéristique, la masse moléculaire en nombre (Mn) peut aller de 24800 à 26700 daltons (Da).
  • Selon une sixième caractéristique, l'indice de fluidité à chaud (MFI) du polymère thermoplastique peut aller de 0,1 à 2,0 g/10min (190°C / 2,16kg selon la norme ISO 1133), et de préférence de 0,7 et 1 ,1 g/10min (190°C /2,16kg selon la norme ISO 1133).
  • Selon une septième caractéristique, le polymère thermoplastique est une polyoléfine monomodale. Une polyoléfine monomodale est un polyoléfine dont la distribution de son poids moléculaire est monomodale, c'est-à-dire que ladite polyoléfine ne comprend qu'un seul type de fraction de polyoléfine.
  • Chacune des sept caractéristiques mentionnées ci-avant, prises seules ou en association, peut être combinée à la caractéristique de viscosité capillaire propre au polymère thermoplastique de l'invention.
  • Plus particulièrement, la caractéristique de viscosité capillaire propre au polymère thermoplastique de l'invention peut être combinée à au moins une desdites sept caractéristiques, de préférence à au moins deux desdites sept caractéristiques, de préférence à au moins trois desdites sept caractéristiques, de préférence à au moins quatre desdites sept caractéristiques, de préférence à au moins cinq desdites sept caractéristiques, de préférence à au moins six desdites sept caractéristiques, et de façon particulièrement préférée auxdites sept caractéristiques.
  • La composition de l'invention est une composition thermoplastique, et peut comprendre plus de 50,0 parties en poids de polymère thermoplastique pour 100 parties en poids de polymère(s) (i.e. matrice polymère) dans la composition, de préférence au moins 70 parties en poids de polymère thermoplastique pour 100 parties en poids de polymère(s) dans ladite composition, et de façon particulièrement préférée au moins 90 parties en poids de polymère thermoplastique pour 100 parties en poids de polymère(s) dans ladite composition.
  • De façon particulièrement avantageuse, la composition de l'invention comprend une matrice polymère qui n'est composé uniquement que du polymère thermoplastique de l'invention ou que d'un mélange de polymères thermoplastiques incluant le polymère thermoplastiques de l'invention.
  • De façon particulièrement préférée, tous les polymères utilisés dans la composition de l'invention sont un ou plusieurs polymères thermoplastiques de type polyoléfine tels que définis dans l'invention.
  • La composition selon l'invention peut comprendre en outre au moins un agent de protection tel qu'un antioxydant. Les antioxydants permettent de protéger la composition du stress thermique engendré lors des étapes de fabrication du câble ou de fonctionnement du câble.
  • Les antioxydants sont choisis de préférence parmi :
    • les antioxydants phénoliques à encombrement stérique tels que le tetrakismethylene(3,5-di-t-butyl-4-hydroxy-hydrocinnamate) methane, le octadecyl 3-(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate, le 2,2'-thiodiethylene bis[3-(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl) propionate], le 2,2'-Thiobis(6-t-butyl-4-methylphenol), le 2,2'-methylenebis(6-t-butyl-4-methylphenol), le 1,2-Bis(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyhydrocinnamoyl)hydrazine, le [2,2'-oxamido-bis(ethyl 3(3,5-di-t-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate), et le 2,2'-oxamido-bis[ethyl 3-(t-butyl-4-hydroxyphenyl)propionate] ;
    • les thioethers tels que le 4,6-bis(octylthiomethyl)-o-cresol, le Bis[2-methyl-4-{3-n-alkyl (C12 ou C14)thiopropionyloxy}-5-t-butylphenyl]sulfide et le Thiobis-[2-t-butyl-5-methyl-4,1-phenylene] bis [3-(dodecyltio)propionate] ;
    • les antioxydants à base de soufre tels que le Dioctadecyl-3,3'-thiodipropionate ou le Didodecyl-3,3'-thiodipropionate ;
    • les antioxydants à base de phosphore tels que les phosphites ou phosphonates comme par exemple le Tris(2,4-di-t-butyl-phenyl)phosphite ou le Bis(2,4-di-t-butylphenyl) pentaerythritol diphosphite ; et
    • les antioxydants de type amine tels que le 2,2,4-trimethyl-1,2 dihydroquinoline polymérisé (TMQ), ce dernier type d'antioxydant étant particulièrement préféré dans la composition de l'invention.
  • Les TMQ peuvent avoir différents grades, à savoir :
    • un grade dit « standard » avec un faible degré de polymérisation, c'est-à-dire avec un taux de monomère résiduel supérieur à 1% en poids et ayant une teneur en NaCl résiduelle pouvant aller de 100 ppm à plus de 800 ppm (parties par million massiques) ;
    • un grade dit « à haut degré de polymérisation » avec un haut degré de polymérisation, c'est-à-dire avec un taux de monomère résiduel inférieur à 1% en poids et ayant une teneur en NaCl résiduelle pouvant aller de 100 ppm à plus de 800 ppm ;
    • un grade dit « à faible teneur en sel résiduel » avec une teneur en NaCl résiduelle inférieure à 100 ppm.
  • Le type de stabilisant et son taux dans la composition de l'invention sont classiquement choisis en fonction de la température maximale subie par les polymères pendant la production du mélange et pendant la mise en oeuvre par extrusion sur le câble ainsi que selon la durée maximale d'exposition à cette température.
  • La composition peut typiquement comprendre de 0,1% à 2% en poids d'antioxydant(s). De préférence, elle peut comprendre au plus 0,7% en poids d'antioxydant(s) notamment lorsque l'antioxydant est le TMQ.
  • D'autres additifs et/ou d'autres charges bien connus de l'homme du métier peuvent également être ajoutés à la composition de l'invention tels que des retardateurs de grillage ; des agents favorisants la mise en oeuvre tels que des lubrifiants ou des cires ; des agents compatibilisant ; des agents de couplage ; des stabilisants UV ; des charges non-conductrices ; des charges électriquement conductrices ; des charges semi-conductrices ; et/ou des charges minérales sans halogènes destinées à améliorer le comportement au feu de la composition.
  • Afin de garantir un câble électrique dit « HFFR » pour l'anglicisme « Halogen Free Flame Retardant », le câble de l'invention ne comprend préférentiellement pas de composés halogénés. Ces composés halogénés peuvent être de toutes natures, tels que par exemple des polymères fluorés ou des polymères chlorés comme le polychlorure de vinyle (PVC), des plastifiants halogénés, des charges minérales halogénés, ...etc.
  • Le câble de l'invention peut être un câble d'énergie et/ou de télécommunication » tel qu'un câble électrique et/ou optique, destiné au transport d'énergie et/ou à la transmission de données.
  • Ainsi, l'élément conducteur allongé peut être un ou plusieurs conducteur(s) électrique(s) et/ou optique(s).
  • La couche polymérique peut être une couche en contact physique direct ou non avec le ou les conducteur(s) électrique(s) et/ou optique(s). Elle peut être également une gaine de protection entourant un ou plusieurs conducteur(s) électrique(s) et/ou optique(s) électriquement isolé(s).
  • La couche polymérique de l'invention est de préférence une couche extrudée par des techniques bien connues de l'homme du métier.
  • Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, le câble de l'invention est un câble électrique de type câble d'énergie. Dans ce cas, le câble de l'invention peut comprendre notamment une première couche semi-conductrice entourant l'élément conducteur allongé, une deuxième couche électriquement isolante, entourant la première couche, et une troisième couche semi-conductrice entourant la deuxième couche, une de ces trois couches étant la couche non réticulée de l'invention.
  • De préférence, la couche non réticulée de l'invention est la couche électriquement isolante (i.e. deuxième couche). Dans le cas de la couche électriquement isolante, la composition de l'invention peut ne pas comprendre de charge (électriquement) conductrice et/ou ne pas comprendre de charge semi-conductrice.
  • Plus particulièrement, au moins deux des trois couches du câble sont des couches non réticulées, et de préférence les trois couches du câble sont des couches non réticulées.
  • Lorsque la composition de l'invention est utilisée pour la fabrication des couches semi-conductrices (première couche et/ou troisième couche), la composition comprend en outre au moins une charge (électriquement) conductrice ou une charge semi-conductrice, en une quantité nécessaire et suffisante pour rendre la composition semi-conductrice.
  • On considère plus particulièrement qu'une couche est semi-conductrice lorsque sa conductivité électrique est d'au moins 0,001 S.m-1 (siemens par mètre).
  • La composition utilisée pour obtenir une couche semi-conductrice peut comprendre de 4 à 40% en poids de charge (électriquement) conductrice, de préférence au moins 15% en poids de charge conductrice, et encore plus préférentiellement au moins 25% en poids de charge conductrice.
  • La charge conductrice peut être choisie avantageusement parmi les noirs de carbone, et les graphites, ou un de leurs mélanges.
  • Que ce soient la première couche semi-conductrice, la deuxième couche électriquement isolante et/ou la troisième couche semi-conductrice, au moins une de ces trois couches est une couche extrudée, de préférence deux de ces trois couches sont des couches extrudées, et encore plus préférentiellement ces trois couches sont des couches extrudées.
  • Dans un mode de réalisation particulier, généralement conforme au câble électrique de type câble d'énergie de l'invention, la première couche semi-conductrice, la deuxième couche électriquement isolante et la troisième couche semi-conductrice constituent une isolation tricouche. En d'autres termes, la deuxième couche électriquement isolante est directement en contact physique avec la première couche semi-conductrice, et la troisième couche semi-conductrice est directement en contact physique avec la deuxième couche électriquement isolante.
  • Le câble électrique de l'invention peut comprendre en outre un écran métallique entourant la troisième couche semi-conductrice.
  • Cet écran métallique peut être un écran dit « filaire », composé d'un ensemble de conducteurs en cuivre ou aluminium arrangé autour et le long de la troisième couche semi-conductrice, un écran dit « rubané » composé d'un ou de plusieurs rubans métalliques conducteurs posé(s) en hélice autour de la troisième couche semi-conductrice, ou d'un écran dit « étanche » de type tube métallique entourant la troisième couche semi-conductrice. Ce dernier type d'écran permet notamment de faire barrière à l'humidité ayant tendance à pénétrer le câble électrique en direction radiale.
  • Tous les types d'écran métalliques peuvent jouer le rôle de mise à la terre du câble électrique et peuvent ainsi transporter des courants de défaut, par exemple en cas de court-circuit dans le réseau concerné.
  • En outre, le câble électrique de l'invention peut comprendre une gaine extérieure de protection entourant la troisième couche semi-conductrice, ou bien entourant plus particulièrement ledit écran métallique lorsqu'il existe. Cette gaine extérieure de protection peut être réalisée classiquement à partir de matériaux thermoplastiques appropriées tels que des HDPE, des MDPE ou des LLDPE ; ou encore des matériaux retardant la propagation de la flamme ou résistant à la propagation de la flamme. Notamment, si ces derniers matériaux ne contiennent pas d'halogène, on parle de gainage de type HFFR (pour l'anglicisme « Halogen Free Flame Retardant »).
  • D'autres couches, telles que des couches gonflantes en présence d'humidité, peuvent être ajoutées entre la troisième couche semi-conductrice et l'écran métallique lorsqu'il existe, et/ou entre l'écran métallique et la gaine extérieure lorsqu'ils existent, ces couches permettant d'assurer l'étanchéité longitudinale du câble électrique à l'eau. Le conducteur électrique du câble de l'invention peut également comprendre des matières gonflantes en présence d'humidité pour obtenir une « âme étanche ».
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière de la description d'un exemple non limitatif d'un câble électrique selon l'invention fait en référence à la figure 1 représentant une vue schématique en perspective et en coupe d'un câble électrique selon un mode de réalisation préféré 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 d'énergie 1 à moyenne ou haute tension, illustré dans la figure 1, comprend un élément conducteur 2 central allongé, notamment en cuivre ou en aluminium, et, successivement et coaxialement comprend autour de cet élément 2, une première couche 3 semi-conductrice dite « couche semi-conductrice interne », une deuxième couche 4 électriquement isolante, une troisième couche 5 semi-conductrice dite « couche semi-conductrice externe », un écran métallique 6 du type tube cylindrique, et une gaine extérieure de protection 7, les couches 3, 4 et 5 pouvant être obtenues à partir d'une composition selon l'invention.
  • Les couches 3, 4 et 5 sont des couches extrudées et non réticulées.
  • La présence de l'écran métallique 6 et de la gaine extérieure de protection 7 est préférentielle, mais non essentielle, cette structure de câble étant en tant que telle bien connue de l'homme du métier.
    • Exemple
  • Tableau 1
    Composition thermoplastique C1
    Eltex 99,7
    Antioxydants 0,3
  • Les quantités des constituants de la composition C1 selon l'invention, détaillée dans le tableau 1, sont exprimées en pourcentage (%) en poids dans la composition de l'invention.
  • La composition C1 comprend uniquement :
    • un polymère thermoplastique de type homopolymère d'éthylène, commercialisé par la société INEOS Polyolefins, sous la référence ELTEX® A4009MFN1325, et
    • des antioxydants.
  • Ce polymère thermoplastique est caractérisé par les propriétés rassemblées dans les tableaux 2a et 2b suivants. Tableau 2b
    Propriété : viscosité capillaire
    Température Cisaillement de 0,1 s-1 Cisaillement de 103 s-1 Cisaillement de 106 s-1
    170 °C 10223 Pa.s 254 Pa.s 0,57 Pa.s
    230 °C 5732 Pa.s 228 Pa.s 0,53 Pa.s
  • La viscosité capillaire a été déterminée à l'aide d'un rhéomètre capillaire commercialisé par la société Porpoise Ltd. sous la référence P9-A, et conformément à la norme ISO 11443:2005 ou ASTM D3835-08.
  • Les mesures ont été effectuées à pression atmosphérique et les températures lors des mesures effectuées varient entre + 1,7°C et -0,2°C par rapport à la température de réglage. Tableau 2b
    Propriétés Valeurs Méthodes de détermination
    Densité à 23°C 959 kg/m3 ISO 1183/A
    Mn 25779 Da ISO 16014 par chromatographie d'exclusion stérique
    Mw 146799 Da ISO 16014 par chromatographie d'exclusion stérique
    MFI (190°C/2,16 kg) 0,9 g/10min ISO 1133
    Température de fusion 136 °C ISO 11357-3
    • Test de pression à chaud selon la norme CEI 60811-3-1 paragraphe 8.1
  • Afin de réaliser le test de pression à chaud, on réalise un câble d'énergie avec une isolation tricouche extrudée et non réticulée. Ce câble comprend un conducteur en aluminium entouré successivement et coaxialement par une première couche semi-conductrice, une deuxième couche électriquement isolante, et une troisième couche semi-conductrice.
  • Les premières et troisièmes couches sont des couches obtenues par des matériaux bien connus de l'homme du métier. La deuxième couche étant obtenue à partir de la composition thermoplastique C1.
  • On prélève sur le câble ainsi formé deux tronçons de 50 à 100 mm. De chaque tronçon, on retire mécaniquement la troisième couche semi-conductrice pour obtenir une éprouvette (i.e. câble d'énergie comprenant le conducteur en aluminium entouré uniquement par la première couche semi-conductrice et par la deuxième couche électriquement isolante).
  • Le dispositif d'empreinte utilisé pour le test consiste en une lame rectangulaire avec une arête de 0,70 ± 0,01 mm de largeur, qui peut être appuyée contre l'éprouvette.
  • Le test de pression est effectué à une température de 130°C (éprouvette et dispositif d'empreinte).
  • Les résultats du test de pression à chaud à 130°C, selon la norme CEI 60811-3-1 paragraphe 8, sont rassemblés dans le tableau 3 qui suit. Tableau 3
    Eprouvettes C1-1 C1-2
    Poids 875 g 875 g
    Epaisseur 3,7 mm 3,7 mm
    Diamètre extérieur 21,9 mm 21,9 mm
    Déformation 10 % 9%
  • Dans le tableau 3, le « Poids » fait référence au poids du dispositif d'empreinte utilisé sur les éprouvettes pour effectuer l'essai de pression ; 1' « Epaisseur » est celle de la deuxième couche électriquement isolante conforme à l'invention ; et le « Diamètre extérieur » est celui de l'éprouvette.
  • Pour satisfaire aux conditions de la norme CEI 60811-3-1 paragraphe 8, la valeur de déformation à 130°C (ou valeur médiane des profondeurs d'empreintes mesurées) doit être au maximum de 50%, ce qui est effectivement le cas pour les éprouvettes C1-1 et C1-2.

Claims (13)

  1. Câble (1) comprenant un élément conducteur allongé (2) entouré par au moins une couche polymérique (3, 4, 5), caractérisé en ce que ladite couche polymérique (3, 4, 5) est une couche non réticulée obtenue à partir d'une composition comprenant au moins un polymère thermoplastique de type polyoléfine ayant une viscosité capillaire (η) :
    - d'au plus 11000 Pa.s à 170°C, et
    - d'au moins 5000 Pa.s à 230°C,
    avec un cisaillement de 0,1 s-1.
  2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que la viscosité capillaire peut en outre être d'au plus 0,80 Pa.s à 170°C et à 230°C, avec un cisaillement de 106 s-1.
  3. Câble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la densité du polymère thermoplastique à 23°C est d'au moins 941 kg/m3.
  4. Câble selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que la température de fusion du polymère thermoplastique est d'au moins 130°C.
  5. Câble selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que le rapport de la masse moléculaire en poids (Mw) du polymère thermoplastique sur la masse moléculaire en nombre (Mn) du polymère thermoplastique est compris entre 5 et 7.
  6. Câble selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'indice de fluidité à chaud (MFI) du polymère thermoplastique va de 0,1 à 2,0 g/10min (190°C / 2,16kg selon la norme ISO 1133).
  7. Câble selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que le polymère thermoplastique est une polyoléfine monomodale.
  8. Câble selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que le polymère thermoplastique est un polyéthylène
  9. Câble selon la revendication 8, caractérisé en ce que le polymère thermoplastique est un homopolymère d'éthylène.
  10. Câble selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition comprend plus de 50,0 parties en poids de polymère thermoplastique pour 100 parties en poids de polymère dans la composition.
  11. Câble selon l'une quelconques des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une première couche (3) semi-conductrice entourant l'élément conducteur allongé (2), une deuxième couche (4) électriquement isolante, entourant la première couche (3), et une troisième couche (5) semi-conductrice entourant la deuxième couche (4), une de ces trois couches (3, 4, 5) étant ladite couche non réticulée.
  12. Câble selon la revendication 11, caractérisé en ce que la couche non réticulée est la couche (4) électriquement isolante.
  13. Câble selon la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que les trois couches (3, 4, 5) du câble sont des couches non réticulées.
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