EP2544190B1 - Câble électrique à corrosion limitée et à résistance au feu améliorée - Google Patents

Câble électrique à corrosion limitée et à résistance au feu améliorée Download PDF

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EP2544190B1
EP2544190B1 EP12174688.7A EP12174688A EP2544190B1 EP 2544190 B1 EP2544190 B1 EP 2544190B1 EP 12174688 A EP12174688 A EP 12174688A EP 2544190 B1 EP2544190 B1 EP 2544190B1
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EP
European Patent Office
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layer
electric cable
strands
alumina
cable
Prior art date
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EP12174688.7A
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German (de)
English (en)
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EP2544190A1 (fr
Inventor
Rodrigue Sumera
Christophe Brismalein
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Nexans SA
Original Assignee
Nexans SA
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Filing date
Publication date
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Priority claimed from FR1156016A external-priority patent/FR2977704B1/fr
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/02—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances
    • H01B3/10—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of inorganic substances metallic oxides
    • H01B3/105—Wires with oxides
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/002—Inhomogeneous material in general
    • H01B3/004—Inhomogeneous material in general with conductive additives or conductive layers
    • 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 the field of electric cables. It typically, but not exclusively, applies to high voltage electrical transmission cables or overhead power transmission cables, well known under the Anglicism "OverHead Lines” (OHL).
  • OHL cables traditionally consist of bare electrically conductive elements, stretched over a suitable set of towers. These lines are conventionally intended for the transport of electrical energy under an alternating high voltage (225 to 800 kV).
  • the present invention relates to an electrical cable having high corrosion resistance, so as to withstand harsh atmospheric conditions such as the salt atmosphere near the coast or the sulfur atmosphere of industrialized urban areas.
  • OHL cables are usually made from aluminum. This material has a relatively low weight compared to other conductive materials. However, the latter has a fairly low resistance to corrosion. It has indeed been found that, after 2-3 years in a highly corrosive atmosphere (salty or sulfurous atmosphere), a conductor made of aluminum or aluminum alloy has cracks that can lead in the long run, the fall of the overhead line (breakage of the strands forming the cable).
  • the patent FR 676 889 discloses a high-voltage electrical cable comprising a central conductive element formed of aluminum round metal wires and covered with an outer layer formed of metal wires Z shape also in aluminum.
  • a type of electrical cable does not sufficiently withstand time in atmospheres loaded with salt or sulfur.
  • the present invention also relates to an electrical cable capable of withstanding heat, generated for example by a fire.
  • Aluminum or aluminum alloy cables because of their low heat resistance (aluminum melting point being 658 ° C), are not used in electrical applications where the temperature can be high, for example where fire resistance is required (eg emergency exit lamp).
  • the present invention aims to propose a new electrical cable that avoids all or part of the aforementioned drawbacks.
  • the electric cable according to the invention aims to withstand severe atmospheric conditions and thus avoid corrosion of overhead lines. It also aims to withstand high temperatures, such as fire temperatures that can be of the order of 600 to 1200 ° C, while allowing continuity of the electrical signal.
  • the subject of the invention is an electrical cable comprising an elongate element, surrounded by a first layer comprising an assembly of at least two metal strands made of aluminum or aluminum alloy (or aluminum or aluminum alloy metal wires). aluminum), characterized in that at least a portion of the periphery of said at least two metal strands, and preferably all around said at least two metal strands comprises a layer of hydrated alumina.
  • said at least two metal strands are each surrounded at least in part, or even totally, by a layer of hydrated alumina.
  • the Applicant has surprisingly discovered that the first layer of the invention, formed with metal strands whose edge or periphery of said metal strands is made of hydrated alumina, presents a extremely high corrosion resistance.
  • said first layer of the invention has improved temperature resistance, while allowing continuity of the electrical signal.
  • the electrical cable of the invention is thus capable of withstanding fires, and in particular despite the low melting point of the aluminum or aluminum alloys capable of forming the cable.
  • the constituent metal strands of the first layer are aluminum or aluminum alloy
  • the hydrated alumina layer allows to liner aluminum or aluminum alloy, even when it is in fusion.
  • the hydrated alumina layer will directly follow the expansion of the aluminum or molten aluminum alloy thus increasing the malleability and deformability of the strands forming the cable during thermal shocks. This is why, due to this expansion, the continuity of the electrical signal always takes place (the metal strands constituting the cable do not break under the effect of heat).
  • each of the constituent metal strands of the assembly of the first layer comprises a layer of alumina around their entire periphery.
  • the entire outer surface of the first layer is covered with a layer of alumina.
  • the outer surface of the first layer comprises said layer of alumina, this layer extending in particular along the longitudinal axis of the electric cable.
  • outer surface is meant the surface that is farthest from the elongated element.
  • the constituent metal strands of the first layer are capable of conferring on the said first layer a substantially regular surface, each of the strands constituting the first layer possibly having a cross section of shape complementary to the strand (s) which it is / are adjacent (s).
  • each of the constituent strands of the first layer possibly having a section cross-section of complementary shape to the (x) strand (s) which is / are adjacent thereto ", it is understood that: the juxtaposition or the nesting of all the constituent strands of the first layer forms a continuous envelope (without irregularities), for example of circular or oval section or square.
  • the Z-shaped or trapezoid-shaped cross-section strands are suitable for the present invention, while strands of circular section (whose assembly does not make it possible to obtain a regular envelope), do not fit into the definition above.
  • strands of Z-shaped cross-section are preferred.
  • the first layer has a ring-shaped cross section.
  • the first layer is an outer layer.
  • the electrical cable of the invention does not include other layers surrounding the first layer.
  • the outer surface of the electric cable of the invention comprises said layer of alumina along its longitudinal axis.
  • the first layer is covered with an electrically insulating layer or an insulating sheath.
  • the hydrated alumina layer is an aluminum oxide hydroxide layer or in other words an alumina hydroxide layer.
  • the hydrated alumina layer is a monohydrate layer.
  • boehmite which is the gamma polymorph of AlO (OH) or Al 2 O 3 .H 2 O
  • diaspore which is the alpha polymorph of AIO (OH) or Al 2 O 3 .H 2 O
  • the hydrated alumina layer is a polyhydrated layer, and preferably a trihydrate layer.
  • alumina trihydrate of gibbsite or hydrargillite, which is the gamma polymorph of Al (OH) 3 ; bayerite, which is the alpha polymorph of Al (OH) 3 ; or nordstrandite, which is the beta polymorph of Al (OH) 3 .
  • the alumina layer of the invention is a layer whose thickness is controlled. In other words, it is obtained by a manufacturing method making it possible to obtain a substantially constant and homogeneous thickness all around the metal strand (s).
  • this layer of hydrated alumina can be obtained by anodization (see controlled oxidation).
  • said hydrated alumina layer is not present on one or more portions of the electrical cable intended for the electrical connection and this, to facilitate its installation.
  • the hydrated alumina layer is capable of breaking at a connection zone (eg electrical junction or electrical anchorage), so as to avoid, in the operational configuration of the cable, any overheating of the at the level of said connection.
  • a connection zone eg electrical junction or electrical anchorage
  • connections at an electrical junction or at an electrical anchorage (post-cable) are made via a sleeve of conductive material, such as steel or aluminum.
  • a sleeve of conductive material such as steel or aluminum.
  • the end of two cables (about 80 cm long) is inserted inside the sleeve which is then compressed by a clamping means. In the connection area, the ends of the cable are thus protected from corrosion by the sleeve.
  • the electrical cables of the prior art do not include a layer of hydrated alumina on their outer surface, the current flowing in the cable is removed from the material of the outer layer to the conductive material of the sleeve.
  • the alumina layer hydrated which preferably covers the outer periphery of the first layer of the electric cable, is an electrical insulator (1 micron of alumina can electrically isolate a voltage of 40V). It could therefore be thought that it causes overheating at the first layer by not allowing the evacuation of the current flowing in the electric cable to the sleeve.
  • the Applicant has discovered that the presence of the hydrated alumina layer, especially at the level of said connection zone, was not restrictive and did not cause overheating since it breaks when the installation of the electric cable. Indeed, the compression exerted (according to the standards in force) on the sleeve by means of the clamping means is sufficient to break the alumina layer and thus pass the electric current between the first layer and the sleeve, especially when the first layer is an outer layer.
  • the thickness of this alumina layer is at most 20 microns, and preferably at least 5 microns.
  • the thickness of the alumina layer may range from 6 to 15 ⁇ m, and even more preferably from 8 to 12 ⁇ m (inclusive).
  • the elongated element of the electrical cable of the invention may preferably be positioned at the center of the cable (i.e. central position). It can be an electrically conductive element, and / or a mechanical reinforcing element.
  • a second layer between the elongated element and the outer layer is disposed a second layer.
  • a second layer called the inner layer.
  • the inner layer comprises an assembly of metal strands, each of the constituent strands of the inner layer having a cross section of shape complementary to the strand (s) which is / are adjacent thereto.
  • the strands of the inner layer once assembled, thus form an outer envelope having a regular section, for example circular, oval or square.
  • the strands of the inner layer once assembled have a ring-shaped cross section.
  • the strands of the inner layer may have a Z-shaped or trapezoidal cross-section, the Z-shape being preferred.
  • the strands of the inner layer may have a cross section of round shape.
  • At least a portion of the periphery of the metal strands, and preferably all around the metal strands of the inner layer is also formed of a layer of alumina, and preferably a layer of alumina monohydrate.
  • this layer of alumina also varies from 5 to 20 ⁇ m, preferably from 6 to 15 ⁇ m, and even more preferably from 8 to 12 ⁇ m (limits included). .
  • the elongated element, the first layer (or more particularly the constituent metal strands of the first layer) and / or the second layer (or more particularly the constituent metal strands of the second layer) are preferably made of aluminum or aluminum alloy.
  • Aluminum alloy means the aluminum alloys defined in the Washington DC 2086 Aluminum Association Directive or alloys meeting the European standard EN573. These standards define several classes of aluminum alloy with references ranging from 1000 to 8000.
  • the electrical cable of the invention is a high voltage electrical transmission cable (OHL).
  • OTL high voltage electrical transmission cable
  • Another subject of the invention relates to an electric cable comprising at least one metal strand (or wire), in particular of aluminum or of aluminum alloy, characterized in that said metal strand comprises over its entire periphery a layer of alumina hydrated, said metal strand and the hydrated alumina layer being as defined in the present description.
  • This metal strand surrounded by its hydrated alumina layer may in particular be obtained by step a of the manufacturing method described below, and more particularly by controlled oxidation.
  • the metal or strands whose edge or periphery is completely surrounded by hydrated alumina on the one hand has an extremely high resistance to corrosion, and on the other hand an improved temperature resistance, while allowing continuity electrical signal.
  • This metal strand may be conventionally surrounded by an electrically insulating layer or an insulating sheath.
  • the metal strand (s) preferably do not comprise a layer of ceramic alumina, and more generally do not comprise a ceramic layer, surrounding the layer of hydrated alumina.
  • the fire resistance can be optimized by the non-presence of a layer of ceramic alumina, or the non-presence of a ceramic layer, around the hydrated alumina layer.
  • a layer of ceramic alumina surrounding the hydrated alumina layer could significantly damage the metal strand.
  • the ceramic alumina layer thus limit, during a fire, the continuity of the electrical signal of the electric cable in question, that is to say when the metal strands or are melt.
  • the electric cable thus defined in this other object of the invention can be used in particular in the field of aeronautics, in the railway field or in buildings, for example to supply a lamp of an emergency exit panel.
  • Controlled oxidation makes it possible to obtain a layer of hydrated alumina whose thickness is substantially constant and homogeneous around the periphery of the metal strand, contrary to what could be obtained with an oxidation called "in the open air” .
  • the controlled oxidation can be carried out by anodization.
  • Anodizing is more particularly a controlled and electrochemical oxidation of the surface of a material, such as an aluminum or aluminum alloy material.
  • the metal strand obtained in step a) can undergo clogging of the hydrated alumina layer, in order to improve its compactness.
  • This clogging may for example be carried out by performing a hot hydration of the metal strand obtained in step a), by dipping said strand in boiling water. This clogging step is performed prior to step b).
  • the strand obtained in step a) or the strand obtained after clogging is rinsed with osmosis water.
  • each strand in the first layer, and optionally in the second layer, each strand has a cross-section of complementary shape to the strand (s) adjacent thereto, and being capable of conferring on the layer question a substantially regular surface.
  • the electric cable 1, illustrated on Figures 1 and 2 corresponds to a high voltage electrical transmission cable of the OHL type.
  • This electric cable 1 comprises: a central electrically conductive element 4 elongated and, successively and coaxially around this central conductive element 4, an inner layer 3, and an outer layer 2.
  • the inner 3 and outer 2 layers are also electrically conductive.
  • the central element 4 is in contact with the inner layer 3, which is itself in contact with the outer layer 2.
  • the conductive element 4 is formed of round cylindrical strands 4a of aluminum or aluminum alloy seven in number, each strand 4a being covered with greases 5. This grease 5 thus fills both the interstices present between the strands. cylindrical 4a and between the strands 4a and the inner layer 3.
  • the inner layer 3 and the outer layer 2 consist of an assembly of strands (3a and 2a) also made of aluminum or aluminum alloy, the cross section of which is Z-shaped (or of "S" shape according to FIG. orientation of Z).
  • the geometry of the strands in the shape of "Z” thus makes it possible to obtain a surface almost provided with no gaps that can generate accumulations of moisture and therefore poles of corrosion.
  • the inner layer 3 comprises 13 strands 3a and the outer layer 18 strands 2a.
  • the inner layer 3 differs from the outer layer 2 in that the outer layer is composed of strands 2a whose periphery (of each strand) is formed of a layer of alumina 9, preferably monohydrate.
  • This layer of alumina 9 is generally formed by anodization.
  • the particular geometry of the strands 2a (Z cross section) and their protection by the alumina layer 9 thus form a barrier against corrosion, even if the electrical conductor 1 is in severe conditions of marine and industrial exposure (presence in the air of elements: sodium, chloride, sulfur ). This will be demonstrated in test 1 below.
  • the electric cable 1, illustrated on figures 3 and 4 corresponds to a high-voltage electrical transmission cable of the OHL type, but with a structure slightly different from that of the electric cable described in Figures 1 and 2 .
  • This electric cable 1 comprises: a central electrically conductive element 4 elongated and, successively and coaxially around this central conductive element 4, an inner layer 3, and an outer layer 2.
  • the inner 3 and outer 2 layers are also electrically conductive.
  • the central element 4 is in contact with the inner layer 3, which is itself in contact with the outer layer 2.
  • the elongate element 4 is formed of round cylindrical strands 4a of aluminum or aluminum alloy 19 in number, each strand 4a being covered with grease.
  • the inner layer 3 and the outer layer 2 consist of an assembly of strands (3a and 2a) also made of aluminum or aluminum alloy whose cross section is trapezoidal.
  • the geometry of the trapezium-shaped strands has the advantage of obtaining a surface virtually provided with no interstices that can generate moisture accumulations and therefore corrosion poles.
  • the inner layer 3 comprises 18 strands 3a and the outer layer 24 strands 2a.
  • the inner layer 3 is composed of strands 2a whose periphery (of each strand) is formed of a layer of hydrated alumina 9, preferably of one bohemite (see Figures 4 or 5 ).
  • This layer of alumina 9 is generally formed by anodization.
  • the alumina layer 9 thus forms an envelope capable of containing the aluminum or the aluminum alloy when the latter is melted because of high temperature. This effect will be demonstrated in test 3 below.
  • This process comprises several steps: a degreasing step-stripping strands, a first rinsing step, a neutralization step, a second rinsing step, an anodizing step under current in a sulfuric acid-based electrolyte, a third step rinsing, a step of clogging the pores with hot water and a fourth rinsing step.
  • the starting material is, for example, a ZS aluminum alloy strand or cross-section wire type AGS (aluminum, magnesium, silica, bearing reference 6201 of the European standard EN573), the Z height is 2.9 mm is an equivalent diameter of 3.2 mm.
  • the wire is packaged on a reel. These yarns are marketed with a grease film related to the drawing process. Therefore, for the manufacturing process, it is generally necessary to proceed to a degreasing step.
  • the degreasing and stripping of the yarns are mostly done chemically or electrolytically.
  • the purpose of the degreasing operations is to eliminate the various bodies and particles contained in the greases while the stripping operation serves to remove the oxides present on the metal.
  • stripping There are several methods of stripping: chemical, electrolytic or mechanical. These methods are known to those skilled in the art.
  • Chemical etching consists of removing the oxides by dissolution, see bursting layer, without attacking the underlying metal.
  • GARDOCLEAN ® Company CHEMETALL
  • the solution consists essentially of soda (about 30g / L to 45ml / L) and surfactants.
  • the step of neutralizing the wires makes it possible not to pollute the bath allowing the anodization. In addition, this step makes it possible to eliminate certain traces of oxides that may be detrimental to anodization.
  • This step is done in a bath identical to the anodizing bath. A solution of sulfuric acid H 2 SO 4 at 200 g / l at room temperature will eliminate any soda residues related to degreasing. Neutralization makes it possible to put the surface of the aluminum at the same pH as the anode bath.
  • Anodizing is based on the principle of electrolysis of water.
  • a tank filled with process treatment i.e., in an acid medium such as sulfuric acid
  • the part is placed at the anode of a DC generator.
  • the cathode of the system is usually lead (inert in the middle). It can also be aluminum or stainless steel, in some installations.
  • the oxide layer is produced from the surface towards the core of the metal, unlike an electrolytic deposit.
  • a layer of alumina is formed which has an electrical insulating power. Thus the current no longer reaches the substrate, and is then protected.
  • the hydrated alumina layer 9 in sulfuric anodization is formed from the outside towards the inside.
  • the coloration is carried out by impregnation of the dye by absorption in the pores.
  • the electrolytic parameters are imposed by a current density and a conductivity of the bath.
  • the current density will be set at 55-65A / dm 2 and the voltage will be set at 20-21V and an intensity of 280-350A. This gives the strand or son 2a.
  • Clogging is the technique for closing or closing existing porosities in each cell of the oxide layer. This obturation is obtained by transformation of the hydrated alumina constituting the anodic layer, resulting in expansion and thus progressive closure of the pores. This operation is performed by immersing the anodized parts in boiling water (osmosis water having a temperature greater than 80 ° C) to promote the kinetics of reaction. Clogging thus promotes a good resistance to corrosion.
  • boiling water osmosis water having a temperature greater than 80 ° C
  • the different rinses are defined by 3 steps: rough rinsing, clean rinsing, drying with compressed air. Rinsing is done by reverse osmosis water.
  • the strands 2a of Z cross section are assembled in a standard manner so as to obtain an electric cable with a section of 455 mm 2 .
  • the latter consists of a central conductor element made up of 19 AGS 6201 round wires, on which is disposed an inner layer consisting of 18 strands / Z-shaped cross-section wires of aluminum alloy AGS 6201 and on which is arranged an outer layer comprising 24 son also of Z section obtained according to the method described above.
  • the electric cable according to the invention makes it possible to obtain anti-corrosion characteristics superior to the standard conductor as will be demonstrated below.
  • Test 1 anticorrosion test
  • the electrical cable according to the invention "OHL solution” tested is the electrical cable obtained according to the above method and having as a reminder the characteristics below: a central electrically conductive element made of AGS 6201 composed of 19 round wires, on which is disposed an inner layer formed by 18 ZS section strands of AGS 6201 and on which is disposed an outer layer comprising 24 ZS section strands of AGS 6201 whose edge is formed of a layer of alumina monohydrate 8 to 10 microns thick (hereinafter referred to as AEROZ conductor 1).
  • the "OHL standard without internal grease” electrical cable is an electrical cable consisting of a central electrically conductive element made up of 19 round wires of AGS 6201, surrounded by a first layer consisting of 18 ZS section strands of AGS 6201 on which a second layer of 24 ZS section strands of AGS 6201 is arranged.
  • the conductor has a section of 455mm 2 . For this cable, the grease has been removed.
  • the "OHL standard” electrical cable is the same electrical cable as previously described except that the inner grease has been left.
  • the accelerated corrosion test combines two standard tests: the salt spray test and the kersternich test.
  • the salt spray shows a wet corrosion with the presence of sodium chloride (NaCl) allowing an increase in the conductivity of the moisture consequently a larger ion exchange accelerating the corrosion phenomenon.
  • NaCl sodium chloride
  • the Kersternich test makes it possible to demonstrate an observable corrosion in an industrial or urban environment by injecting sulfur products into a humid atmosphere.
  • the test set up brings together the two tests as shown on the figure 6 .
  • a solution of 5% NaCl is placed at the bottom of a closed chamber and is heated to 50-60 ° C to reproduce the salt spray while the supply of sulfurous products in gaseous form is created from a dissolution of copper in sulfuric acid and is sprayed into the enclosure.
  • the samples 6 are placed in the enclosure in an orderly manner, allowing a homogeneous circulation of the polluted environment.
  • the follow-up parameters to obtain a reproducible test are: the temperature of the NaCl solution, the concentration of the NaCl solution, the air flow rate injected into the sulfuric acid for a return to the enclosure, the quantity of dissolved copper and the concentration of sulfuric acid allowing the dissolution of copper.
  • the electric cable according to the invention has no mark / corrosion breach which is not the case of electric cables according to the prior art.
  • the prior art electric cable without grease has more than 350 microns of depth of observed corrosion bites, more than 150 for the electric cable with grease and no or almost none for the electric cable according to the invention.
  • This graph also shows the important role of the grease which by its point of drop will flow outward of the electric cable to protect it from corrosion.
  • Test 2 Validity test according to IEC61284
  • Tests were conducted by an independent laboratory, DERVAUX company, to measure the temperature of the electrical cable according to the invention.
  • the driver AEROZ 1 was tested, as well as a conductor AEROZ 2 (conductor identical to AEROZ 1 except that the Z-section strands of the inner layer also has an alumina thickness of 8 to 10 ⁇ m) .
  • the electric cable according to the invention also provides fire characteristics superior to the standard conductor.
  • raw aluminum wires were compared to wires according to the invention, in particular to AGS 6201 aluminum alloy wires covered with a boehmite layer.
  • the thickness of the hydrated alumina layer varied from 7 to 10 ⁇ m along the wire.
  • the son tested all have a diameter of 8 mm.
  • samples The principle of the test that has been performed on the son (samples) is based on induction. Via a coil, a magnetic field is created around the samples. By a physical principle, the electrons of the material (aluminum) will be excited. This excitation will generate heat until at a given point (in the middle of the coil), the fusion of the substrate. The melting temperature of the aluminum (658 ° C.) is then reached.
  • the heating parameters of the samples will depend on the power emitted by the inductor.
  • the strands according to the invention withstand high temperatures ( figure 11 ) and do not intersect, unlike pure aluminum strands ( figure 10 ).

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Description

  • La présente invention se rapporte au domaine des câbles électriques. 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 "OverHead Lines" (OHL).
  • Les câbles OHL sont traditionnellement constitués par des éléments électriquement conducteurs nus, tendus sur un ensemble approprié de pylônes. Ces lignes sont classiquement destinées au transport de l'énergie électrique sous une haute tension alternative (225 à 800 kV).
  • La présente invention concerne un câble électrique présentant une résistance à la corrosion élevée, de sorte à résister aux conditions atmosphériques rudes comme l'atmosphère salée près des côtes ou l'atmosphère soufrée des milieux urbains industrialisés.
  • Les câbles OHL sont généralement fabriqués à base d'aluminium. Ce matériau présente en effet un poids assez faible par rapport à d'autres matériaux conducteurs. Cependant ce dernier possède une résistance à la corrosion assez faible. Il a en effet été constaté, qu'au bout de 2-3 ans dans une atmosphère très corrosive (atmosphère salée ou soufrée), un conducteur en aluminium ou en alliage d'aluminium présentait des fissures pouvant entraîner à la longue, la chute de la ligne aérienne (cassure des brins formant le câble).
  • C'est pourquoi, il est connu de protéger les câbles d'aluminium ou en alliage d'aluminium en appliquant une couche de graisse sur leur surface extérieure. Cependant, cette solution n'est pas satisfaisante étant donné que la couche de graisse a une action limitée dans le temps. De plus, la couche de graisse engendre un effet couronne provoquant lui-même une nuisance sonore qui est désagréable pour la population installée au voisinage de la ligne.
  • Le brevet FR 676 889 décrit un câble électrique haute tension comprenant un élément conducteur central formé de fils métalliques ronds en aluminium et recouvert d'une couche externe formée de fils métalliques en forme de Z également en aluminium. Cependant, un tel type de câble électrique ne permet pas de résister suffisamment dans le temps à des atmosphères chargées en sel ou en soufre.
  • La présente invention concerne également un câble électrique apte à résister à la chaleur, générée par exemple par un incendie.
  • Les câbles en aluminium ou en alliage d'aluminium, du fait de leur faible résistance à la chaleur (le point de fusion de l'aluminium étant en effet de 658°C), ne sont pas utilisés dans des applications électriques où la température peut être élevée, par exemple où une résistance au feu est requise (e.g : lampe de sortie de secours).
  • Lorsqu'une telle exigence est requise, il est connu d'utiliser dans l'art antérieur des câbles électriques à base de cuivre. Le point de fusion du cuivre est en effet plus élevé que celui de l'aluminium et est de l'ordre de 1083°C.
  • La présente invention a pour but de proposer un nouveau câble électrique qui évite tout ou partie des inconvénients précités. En particulier, le câble électrique selon l'invention a pour but de résister à des conditions atmosphériques sévères et d'éviter ainsi la corrosion des lignes aériennes. Il a également pour but de résister à des hautes températures, telles que des températures d'incendie qui peuvent être de l'ordre de 600 à 1200°C, tout en permettant une continuité du signal électrique.
  • A cet effet, l'invention a pour objet un câble électrique comprenant un élément allongé, entouré par une première couche comprenant un assemblage d'au moins deux brins métalliques en aluminium ou alliage d'aluminium (ou fils métalliques en aluminium ou alliage d'aluminium), caractérisé en ce qu'au moins une partie du pourtour desdits au moins deux brins métalliques, et de préférence tout le pourtour desdits au moins deux brins métalliques comporte une couche d'alumine hydratée. En d'autres termes, lesdits au moins deux brins métalliques sont chacun entourés au moins en partie, voire totalement, par une couche d'alumine hydratée.
  • La Demanderesse a découvert de manière surprenante que la première couche de l'invention, formée avec des brins métalliques dont la bordure ou périphérie desdits brins métalliques est faite d'alumine hydratée, présente une résistance à la corrosion extrêmement élevée.
  • En outre, ladite première couche de l'invention présente une résistance à la température améliorée, tout en permettant une continuité du signal électrique. Le câble électrique de l'invention est ainsi capable de résister à des incendies, et ce notamment malgré le faible point de fusion de l'aluminium ou des alliages d'aluminium susceptible de former le câble. En effet, en considérant que les brins métalliques constitutifs de la première couche sont en aluminium ou en alliage d'aluminium, la couche d'alumine hydratée permet de chemiser l'aluminium ou l'alliage d'aluminium, même lorsque celui-ci est en fusion. En outre, la couche d'alumine hydratée suivra directement la dilatation de l'aluminium ou de l'alliage d'aluminium en fusion augmentant ainsi la malléabilité et la déformabilité des brins formant le câble lors de chocs thermiques. C'est pourquoi, du fait de cette dilatation, la continuité du signal électrique a toujours lieu (les brins métalliques constituant le câble ne se rompent pas sous l'effet de la chaleur).
  • Dans un mode de réalisation particulier, chacun des brins métalliques constitutifs de l'assemblage de la première couche comprend une couche d'alumine sur tout leur pourtour.
  • De ce fait, l'ensemble de la surface extérieure de la première couche est recouverte d'une couche d'alumine. En d'autres termes, la surface extérieure de la première couche comprend ladite couche d'alumine, cette couche s'étendant notamment le long de l'axe longitudinale du câble électrique.
  • On entend par « surface extérieure » la surface qui est la plus éloignée de l'élément allongé.
  • De préférence, les brins métalliques constitutifs de la première couche sont apte à conférer à ladite première couche une surface sensiblement régulière, chacun des brins constitutifs de la première couche pouvant notamment présenter une section transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est/sont adjacent(s).
  • Selon l'invention, par « brins métalliques apte à conférer à ladite première couche une surface sensiblement régulière, chacun des brins constitutifs de la première couche pouvant notamment présenter une section transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est/sont adjacent(s)», on entend que : la juxtaposition ou l'emboîtement de l'ensemble des brins constitutifs de la première couche, forme une enveloppe continue (sans irrégularités), par exemple de section circulaire ou ovale ou encore carrée.
  • Ainsi, les brins de section transversale en forme de Z ou en forme de trapèze conviennent pour la présentent invention, tandis que des brins de section circulaire (dont l'assemblage ne permet pas d'obtenir une enveloppe régulière), ne rentrent pas dans la définition ci-dessus. En particulier, des brins de section transversale en forme de Z sont préférés.
  • De manière encore plus préférée, la première couche présente une section transversale en forme d'anneau.
  • Selon une première variante de réalisation, la première couche est une couche externe. Selon l'invention, on entend par « couche externe » du câble électrique, la dernière couche du câble électrique (i.e. la couche la plus à l'extérieure du câble électrique), en particulier, celle qui est destinée à être en contact avec le milieu extérieur au câble, c'est-à-dire généralement avec l'atmosphère. De ce fait, le câble électrique de l'invention ne comprend pas d'autres couches entourant la première couche. Ainsi, lorsque tous les brins métalliques constitutifs de la première couche sont entourés de ladite couche d'alumine, et que la première couche est la couche externe, la surface extérieure du câble électrique de l'invention comprend ladite couche d'alumine le long de son axe longitudinal.
  • Selon une deuxième variante de réalisation, la première couche est recouverte d'une couche électriquement isolante ou d'une gaine isolante.
  • Dans l'invention, la couche d'alumine hydratée est une couche d'hydroxyde d'oxyde d'aluminium ou en d'autres termes une couche d'hydroxyde d'alumine.
  • Selon une première variante, la couche d'alumine hydratée est une couche monohydratée.
  • A titre d'exemple, on peut citer, comme alumine monohydratée, la boéhmite, qui est le polymorphe gamma de AlO(OH) ou Al2O3.H2O ; ou la diaspore, qui est le polymorphe alpha de AIO(OH) ou Al2O3.H2O
  • Selon une deuxième variante, la couche d'alumine hydratée est une couche polyhydratée, et de préférence une couche trihydratée.
  • A titre d'exemple, on peut citer, comme alumine trihydratée, le gibbsite ou hydrargillite, qui est le polymorphe gamma de Al(OH)3 ; la bayerite qui est le polymorphe alpha de Al(OH)3 ; ou la nordstrandite, qui est le polymorphe béta de Al(OH)3.
  • La couche d'alumine de l'invention (i.e. couche d'alumine hydratée) est une couche dont l'épaisseur est contrôlée. En d'autres termes, elle est obtenue par un procédé de fabrication permettant d'obtenir une épaisseur sensiblement constante et homogène sur tout le pourtour du ou des brin(s) métallique(s). A titre d'exemple, on peut obtenir cette couche d'alumine hydratée par anodisation (cf. oxydation contrôlée).
  • Dans une première variante de réalisation, ladite couche d'alumine hydratée n'est pas présente sur une ou plusieurs portions du câble électrique destinée(s) au raccordement électrique et ce, pour faciliter son installation.
  • Dans une seconde variante de réalisation, la couche d'alumine hydratée est apte à se briser au niveau d'une zone de raccordement (e.g. jonction électrique ou ancrage électrique), de sorte à éviter, en configuration opérationnelle du câble, toute surchauffe de celui-ci au niveau dudit raccordement.
  • Classiquement, les raccordements au niveau d'une jonction électrique (raccordement câble-câble) ou au niveau d'un ancrage électrique (poteau-câble) s'effectuent par l'intermédiaire d'un manchon en matériau conducteur, tel qu'en acier ou en aluminium. Par exemple, au niveau d'une jonction, l'extrémité de deux câbles (d'une longueur d'environ 80 cm), est insérée à l'intérieur du manchon qui est ensuite comprimé par un moyen de serrage. Dans la zone de raccordement, les extrémités du câble sont ainsi protégées de la corrosion par le manchon.
  • Les câbles électriques de l'art antérieur ne comprennent pas de couche d'alumine hydratée sur leur surface externe, le courant circulant dans le câble est évacué du matériau de la couche externe vers le matériau conducteur du manchon.
  • Dans le câble électrique selon l'invention, la couche d'alumine hydratée, qui recouvre de manière préférée le pourtour extérieur de la première couche du câble électrique, est un isolant électrique (1 µm d'alumine permet d'isoler électriquement une tension de 40V). On pouvait donc penser qu'elle occasionne une surchauffe au niveau de la première couche en ne permettant pas l'évacuation du courant circulant dans le câble électrique vers le manchon. Ceci serait d'autant plus préjudiciable que la norme CEI 61284 spécifie à cet effet que la température d'un conducteur ne doit pas dépasser 105°C au risque d'entraîner un fluage du conducteur (au-delà de cette température est en effet observé un traitement de revenu qui modifie les caractéristiques mécaniques du câble, notamment quand celui-ci est à base d'alliage d'aluminium) et de provoquer le fléchissement des lignes aériennes qui pourraient alors être en contact avec des toits d'habitation ou en contact d'arbres.
  • Toutefois, la Demanderesse a découvert que la présence de la couche d'alumine hydratée, notamment au niveau de ladite zone de raccordement, n'était pas contraignante et n'entraînait pas de surchauffe étant donné que celle-ci se brise lors de l'installation du câble électrique. En effet, la compression exercée (selon les normes en vigueur) sur le manchon par l'intermédiaire du moyen de serrage est suffisante pour briser la couche d'alumine et ainsi faire passer le courant électrique entre la première couche et le manchon, notamment lorsque la première couche est une couche externe.
  • De préférence, l'épaisseur de cette couche d'alumine (cf. brins de la première couche) est d'au plus 20 µm, et de préférence d'au moins 5 µm. De façon particulièrement préférée, l'épaisseur de la couche d'alumine peut aller de 6 à 15 µm, et de manière encore plus préférée, de 8 à 12 µm (bornes incluses).
  • L'élément allongé du câble électrique de l'invention peut être de préférence positionné au centre du câble (i.e. position centrale). Il peut être un élément électriquement conducteur, et/ou un élément de renforcement mécanique.
  • Selon une caractéristique de l'invention, entre l'élément allongé et la couche externe est disposée une deuxième couche. On peut parler plus particulièrement d'une deuxième couche dite couche interne.
  • Selon une première variante de réalisation, la couche interne comprend un assemblage de brins métalliques, chacun des brins constitutifs de la couche interne présentant une section transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est/sont adjacent(s). De manière préférée, les brins de la couche interne, une fois assemblés forment ainsi une enveloppe externe présentant une section régulière, par exemple circulaire, ovale ou carré. De manière encore plus préférée, les brins de la couche interne, une fois assemblés présentent une section transversale en forme d'anneau. A titre d'exemple, les brins de la couche interne peuvent présenter une section transversale en forme de Z ou de trapèze, la forme en Z étant préférée.
  • Dans une variante de réalisation, les brins de la couche interne peuvent présenter une section transversale de forme ronde.
  • Selon un mode de réalisation, au moins une partie du pourtour des brins métalliques, et de préférence tout le pourtour des brins métalliques de la couche interne est formé également d'une couche d'alumine, et de préférence d'une couche d'alumine monohydratée.
  • L'épaisseur de cette couche d'alumine (cf. brins de la deuxième couche) varie également de 5 à 20 µm, de manière préférée de 6 à 15 µm, et de manière encore plus préférée de 8 à 12 µm (bornes incluses).
  • En particulier, l'élément allongé, la première couche (ou plus particulièrement les brins métalliques constitutifs de la première couche) et/ou la deuxième couche (ou plus particulièrement les brins métalliques constitutifs de la deuxième couche) sont de préférence en aluminium ou en alliage d'aluminium.
  • Par « alliage d'aluminium », on entend les alliages d'aluminium définit dans la Directive Aluminium Association de Washington DC 2086 ou les alliages répondant à la norme européenne EN573. Ces normes définissent plusieurs classes d'alliage d'aluminium présentant les références allant de 1000 à 8000.
  • De préférence, le câble électrique de l'invention est un câble de transmission électrique à haute tension (OHL).
  • Un autre objet de l'invention concerne un câble électrique comprenant au moins un brin métallique (ou fil métallique), notamment en aluminium ou en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que ledit brin métallique comprend sur toute sa périphérie une couche d'alumine hydratée, ledit brin métallique et la couche d'alumine hydratée étant tels que définis dans la présente description. Ce brin métallique entouré de sa couche d'alumine hydratée peut être notamment obtenu par l'étape a du procédé de fabrication décrit ci-après, et plus particulièrement par oxydation contrôlée.
  • Ainsi, le ou les brins métalliques dont la bordure ou périphérie est entourée totalement d'alumine hydratée, présente d'une part une résistance à la corrosion extrêmement élevée, et d'autre part une résistance à la température améliorée, tout en permettant une continuité du signal électrique.
  • Ce brin métallique peut être classiquement entouré par une couche électriquement isolante ou une gaine isolante.
  • Dans la présente invention, quelque soit l'objet de l'invention pris en considération, le ou les brins métalliques ne comprennent de préférence pas de couche d'alumine céramique, et plus généralement ne comprennent pas de couche de céramique, entourant la couche d'alumine hydratée. Ainsi, la résistance au feu peut être optimisée par la non-présence d'une couche d'alumine céramique, ou la non-présence d'une couche de céramique, autour de la couche d'alumine hydratée.
  • En effet, lors d'un incendie, une couche d'alumine céramique entourant la couche d'alumine hydratée pourrait endommager de façon significative le brin métallique. La couche d'alumine céramique limiterait ainsi, lors d'un incendie, la continuité du signal électrique du câble électrique en question, c'est-à-dire lorsque le ou les brins métalliques sont en fusion.
  • Le câble électrique ainsi défini dans cet autre objet de l'invention peut être utilisé notamment dans le domaine de l'aéronautique, dans le domaine ferroviaire ou dans celui des bâtiments, par exemple pour alimenter une lampe d'un panneau de sorti de secours.
  • La présente invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un câble électrique tel que décrit ci-dessus, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes:
    1. a) réaliser une oxydation contrôlée sur la surface d'au moins un brin métallique en aluminium ou en alliage d'aluminium, de manière à former une couche d'alumine hydratée sur au moins une partie du pourtour dudit brin métallique, et de préférence sur tout le pourtour dudit brin métallique, et
    2. b) assembler plusieurs brins obtenus selon l'étape a) afin de former la première couche, et optionnellement la deuxième couche, autour de l'élément allongé.
  • L'oxydation contrôlée permet d'obtenir une couche d'alumine hydratée dont l'épaisseur est sensiblement constante et homogène sur le pourtour du brin métallique, contrairement à ce que l'on pourrait obtenir avec une oxydation dite « à l'air libre ».
  • A titre d'exemple, l'oxydation contrôlée peut être réalisée par anodisation. L'anodisation est plus particulièrement une oxydation contrôlée et électrochimique de la surface d'un matériau, tel qu'un matériau en aluminium ou en alliage d'aluminium.
  • De préférence, le brin métallique obtenu à l'étape a) peut subir un colmatage de la couche d'alumine hydratée, afin d'améliorer sa compacité.
  • Ce colmatage peut par exemple être réalisée en réalisant une hydratation à chaud du brin métallique obtenu à l'étape a), en plongeant ledit brin dans de l'eau bouillante. Cette étape de colmatage est réalisée préalablement à l'étape b).
  • Avantageusement, le brin obtenu à l'étape a) ou le brin obtenu après colmatage, est rincé à l'eau osmosée.
  • Dans un mode de réalisation préféré, dans la première couche, et optionnellement dans la deuxième couche, chaque brin présente une section transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est adjacent, et étant apte à conférer à la couche en question une surface sensiblement régulière.
  • L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description suivante de modes de réalisation particuliers de l'invention, donnés uniquement à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins annexés.
  • Sur ces dessins :
    • La figure 1 est une vue schématique de section d'un câble électrique selon un mode de réalisation de la présente invention ;
    • La figure 2 est une vue agrandie de la couche externe du câble électrique selon la figue 1 ;
    • La figure 3 est une vue schématique de section d'un câble électrique selon un autre mode de réalisation de la présente invention ;
    • La figure 4 est une vue agrandie de la couche externe du câble électrique selon la figue 3 ;
    • La figure 5 est une photographie montrant la couche d'alumine hydratée, formée selon le procédé de linvention ;
    • La figure 6 est un schéma de principe d'un test de corrosion accélérée mené par le présent demandeur ;
    • La figure 7 est une photographie montrant la surface d'un câble électrique selon l'art antérieur (« OHL standard avec graisse intérieur ») après que celui-ci ait subi le test de corrosion de la figure 6 ;
    • La figure 8 est une photographie montrant la surface d'un câble électrique selon l'invention après que ledit câble électrique ait subi le test de corrosion de la figure 6 ;
    • La figure 9 est un graphique montrant l'évolution de la corrosion (profondeur moyenne de brèches formées par la corrosion en fonction du temps) pour trois câbles électriques : un premier câble électrique selon l'art antérieur comprenant une couche externe comportant des brins de section transversale en Z (« OHL standard sans graisse intérieure »), un second câble électrique selon l'art antérieur comprenant une couche externe comportant des brins de section transversale en Z avec un bourrage intérieur en graisse (« OHL standard»), et un autre câble électrique selon l'invention (« OHL Solution ») ;
    • La figure 10 est une photo macroscopique d'un fil d'alliage d'aluminium brut ayant subit un test thermique (puissance thermique de 440 watt); et
    • La figure 11 est une photo macroscopique d'un fil d'alliage d'aluminium anodisé selon l'invention ayant subit le même test thermique que le fil de la figure 10 (puissance thermique de 440 watt).
  • Pour des raisons de clarté, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique sur ces figures, et ceci sans respect de l'échelle
  • Le câble électrique 1, illustré sur les figures 1 et 2, correspond à un câble électrique de transmission électrique à haute tension du type OHL.
  • Ce câble électrique 1 comprend : un élément électriquement conducteur central 4 allongé et, successivement et coaxialement autour de cet élément conducteur central 4, une couche interne 3, et une couche externe 2. Les couches interne 3 et externe 2 sont également électriquement conductrices. En particulier, l'élément central 4 est en contact avec la couche interne 3, qui est elle-même en contact avec la couche externe 2.
  • L'élément conducteur 4 est formé de brins cylindriques ronds 4a d'aluminium ou d'alliage d'aluminium au nombre de sept, chaque brin 4a étant recouvert de graisses 5. Cette graisse 5 remplit ainsi à la fois les interstices présents entre les brins cylindriques 4a et entre les brins 4a et la couche interne 3.
  • La couche interne 3 et la couche externe 2 sont constituées d'un assemblage de brins (3a et 2a) également en aluminium ou en alliage d'aluminium dont la section transversale est en forme de Z (ou en de forme « S » selon l'orientation du Z). La géométrie des brins en forme de « Z » permet ainsi d'obtenir une surface quasiment pourvue d'aucuns interstices pouvant générer des accumulations d'humidité et donc des pôles de corrosion. Telle que représentée sur la figure 1, la couche interne 3 comprend 13 brins 3a et la couche externe 18 brins 2a. La couche interne 3 diffère de le couche externe 2 en ce que la couche externe est composée de brins 2a dont le pourtour (de chaque brin) est formé d'une couche d'alumine 9, de préférence monohydratée. Cette couche d'alumine 9 est généralement formée par anodisation. La géométrie particulière des brins 2a (section transversale en Z) et leur protection par la couche d'alumine 9 forment ainsi une barrière contre la corrosion et ce, même si le conducteur électrique 1 se trouve dans des conditions sévères d'exposition marine et industrielle (présence dans l'air d'éléments : sodium, chlorure, soufre...). Cela sera d'ailleurs démontré dans l'essai 1 ci-après.
  • Le câble électrique 1, illustré sur les figures 3 et 4, correspond à un câble électrique de transmission électrique à haute tension du type OHL, mais de structure légèrement différente à celle du câble électrique décrit dans les figures 1 et 2.
  • Ce câble électrique 1 comprend : un élément électriquement conducteur central 4 allongé et, successivement et coaxialement autour de cet élément conducteur central 4, une couche interne 3, et une couche externe 2. Les couches interne 3 et externe 2 sont également électriquement conductrices. En particulier, l'élément central 4 est en contact avec la couche interne 3, qui est elle-même en contact avec la couche externe 2.
  • L'élément allongé 4 est formé de brins cylindriques ronds 4a d'aluminium ou d'alliage d'aluminium au nombre de 19, chaque brin 4a pouvant être recouvert de graisses.
  • La couche interne 3 et la couche externe 2 sont constituées d'un assemblage de brins (3a et 2a) également en aluminium ou en alliage d'aluminium dont la section transversale est trapézoïdale. La géométrie des brins en forme de trapèze permet présente l'avantage d'obtenir une surface quasiment pourvue d'aucuns interstices pouvant générer des accumulations d'humidité et donc des pôles de corrosion. Telle que représentée sur la figure 3, la couche interne 3 comprend 18 brins 3a et la couche externe 24 brins 2a. La couche interne 3 est composée de brins 2a dont le pourtour (de chaque brin) est formé d'une couche d'alumine hydratée 9, de préférence d'une boéhmite (voir figures 4 ou 5). Cette couche d'alumine 9 est généralement formée par anodisation. La couche d'alumine 9 forme ainsi une enveloppe apte à contenir l'aluminium ou l'alliage d'aluminium lorsque celui-ci est en fusion à cause de hautes température. Cet effet sera d'ailleurs démontré dans l'essai 3 ci-dessous.
  • Dans des variantes de modes de réalisation représentés sur les figures 1 à 4, il est possible de modifier le nombre de brins 3a, 2a de la couche interne et externe, leur forme, le nombre de couches internes ou encore le nombre de fils ronds, ainsi que la nature de l'aluminium.
  • Un procédé de fabrication du câble électrique selon l'invention va maintenant être décrit.
  • Ce procédé comprend plusieurs étapes : une étape de dégraissage-décapage de brins, une première étape de rinçage, une étape de neutralisation, une seconde étape de rinçage, une étape d'anodisation sous courant dans un électrolyte à base d'acide sulfurique, une troisième étape rinçage, une étape de colmatage des pores par de l'eau chaude et une quatrième étape de rinçage.
  • Le matériau de départ est par exemple un brin ou fil de section transversale en Z en alliage d'aluminium type AGS (aluminium, magnésium, silice, portant la référence 6201 de la norme européenne EN573), la hauteur du Z est de 2,9 mm soit un diamètre équivalent de 3,2 mm. Le fil est conditionné sur bobine. Ces fils sont commercialisés avec un film de graisse lié au procédé de tréfilage. C'est pourquoi, pour le procédé de fabrication, il est généralement nécessaire de procéder à une étape de dégraissage.
  • Le dégraissage et le décapage des fils sont effectués la plupart du temps par voie chimique ou aidée par voie électrolytique. Les opérations de dégraissage ont pour but d'éliminer les différents corps et particules contenus dans les graisses tandis que l'opération de décapage sert à éliminer les oxydes présents sur le métal. Il existe plusieurs méthodes de décapage : chimique, électrolytique ou mécanique. Ces méthodes sont connues de l'homme du métier. Le décapage chimique consiste à éliminer les oxydes par dissolution, voir éclatement de la couche, sans attaquer le métal sous-jacent. Pour le dégraissage/décapage, il est possible par exemple d'utiliser une solution industrielle à 45ml/L de GARDOCLEAN® (Société CHEMETALL). La solution est essentiellement composée de soude (environ 30g/L à 45ml/L) et de tensioactifs.
  • L'étape de neutralisation des fils permet de ne pas polluer le bain permettant l'anodisation. De plus, cette étape permet d'éliminer certaines traces d'oxydes pouvant nuire à l'anodisation. Cette étape se fait dans un bain identique au bain d'anodisation. Une solution d'acide sulfurique H2SO4 à 200g/L à température ambiante permettra d'éliminer les éventuels résidus de soude liés au dégraissage. La neutralisation permet de mettre la surface de l'aluminium au même pH que le bain anodique.
  • Ensuite, les brins sont anodisés. L'anodisation est basée sur le principe de l'électrolyse de l'eau. Dans une cuve remplie de traitement permettant le processus, c'est-à-dire dans un milieu acide tel que l'acide sulfurique, la pièce est placée à l'anode d'un générateur de courant continu. La cathode du système est généralement en plomb (inerte au milieu). Elle peut également être en aluminium ou inox, dans certaines installations. Lors de l'électrolyse la couche d'oxyde s'élabore à partir de la surface vers le coeur du métal, contrairement à un dépôt électrolytique. Pour l'aluminium, il se forme une couche d'alumine qui a un pouvoir d'isolant électrique. Ainsi le courant n'arrive plus jusqu'au substrat, et il est alors protégé.
  • Les réactions sont les suivantes :
    • à la cathode : 2H+ + 2e- → H2
    • à l'anode : Al→ 3e- + Al3+, puis : 2 Al-3+ + 3 H2O → Al2O3 + 6 H+
    • Équation bilan : 2 Al + 3 H2O → Al2O3 + 3 H2
  • Ces réactions provoquent donc une formation d'une couche d'oxyde d'aluminium 9, l'alumine qui est un isolant. Le courant n'arrive donc plus vers la couche. C'est pour cette raison qu'il faut utiliser un électrolyte qui dissout la couche tel que l'acide sulfurique, acide phosphorique, acide chromique ou encore acide oxalique. On obtient alors des sphères équipotentielles qui progressent en produisant des structures hexagonales poreuses. Le processus d'anodisation dépend de la vitesse de dissolution. En effet :
    • Si Vdissolution > Voxydation, on a un décapage
    • si Vdissolution = Voxydation, on a un polissage électrolytique
    • si Vdissolution < Voxydation, on a une anodisation.
  • La couche d'alumine hydratée 9 en anodisation sulfurique se forme vers de l'extérieur vers l'intérieur. La coloration s'effectue par imprégnation du colorant par absorption dans les pores.
  • Les paramètres électrolytiques sont imposés par une densité de courant et une conductivité du bain. Pour l'épaisseur souhaitée sur le fil prototype est de 8-10µm, la densité de courant sera fixée à 55-65A/dm2 et la tension sera fixée à 20-21 V et une intensité de 280-350A. On obtient ainsi le brin ou fils 2a.
  • Le colmatage est la technique permettant l'obturation ou la fermeture, des porosités existantes dans chaque cellule de la couche d'oxyde. Cette obturation est obtenue par transformation de l'alumine hydratée constituant la couche anodique, entraînant une dilatation et donc une fermeture progressive des pores. Cette opération est réalisée en immergeant les pièces anodisées dans l'eau en ébullition (eau osmosée présentant une température supérieure à 80°C) pour favoriser la cinétique de réaction. Le colmatage favorise ainsi une bonne tenue à la corrosion.
  • Les différents rinçages sont définis par 3 étapes : rinçage grossier, rinçage propre, séchage à l'air comprimé. Le rinçage se fait par de l'eau osmosée.
  • Enfin, les brins 2a de section transversale en Z sont assemblés de manière standard de manière à obtenir un câble électrique d'une section de 455 mm2. Ce dernier se compose d'un élément conducteur central formé de 19 fils ronds en AGS 6201, sur lequel est disposée une couche interne composée de 18 brins/fils de section transversale en Z d'alliage d'aluminium AGS 6201 et sur laquelle est disposée une couche externe comportant 24 fils également de section en Z obtenus selon le procédé décrit ci-dessus.
  • Le câble électrique selon l'invention permet d'obtenir des caractéristiques anticorrosion supérieures au conducteur standard comme cela sera démontré ci-dessous.
    • Essai 1 : test anticorrosion
  • Un test anticorrosion a été mené afin de comparer la résistance mécanique du câble électrique selon l'invention avec des câbles standards de l'art antérieur.
  • Pour cela, le câble électrique selon l'invention « OHL solution» testé est le câble électrique obtenu selon le procédé ci-dessus et présentant pour rappel les caractéristiques ci-dessous : un élément électriquement conducteur central en AGS 6201 composé de 19 fils ronds, sur lequel est disposé une couche interne formée de 18 brins de section en Z d'AGS 6201 et sur laquelle est disposée une couche externe comprenant 24 brins de section en Z d'AGS 6201 dont leur bord est formée d'une couche d'alumine monohydratée de 8 à 10 µm d'épaisseur (nommé ci-après conducteur AEROZ 1) .
  • Le câble électrique « OHL standard sans graisse intérieure » est un câble électrique comprenant un élément électriquement conducteur central formé de 19 fils ronds d'AGS 6201, entouré d'une première couche formée de 18 brins de section en Z d'AGS 6201 sur laquelle est disposée une seconde couche de 24 brins de section en Z d'AGS 6201. Le conducteur présente une section de 455mm2. Pour ce câble, la graisse a été enlevée.
  • Le câble électrique « OHL standard » est le même câble électrique que celui précédemment décrit hormis que la graisse intérieure a été laissée.
  • Le test de corrosion accéléré combine deux essais normalisés: l'essai en brouillard salin et l'essai de kersternich. Le brouillard salin met en évidence une corrosion humide avec la présence de chlorure de sodium (NaCl) permettant une augmentation de la conductivité de l'humidité par conséquence un échange d'ions plus important accélérant le phénomène de corrosion. Le test de Kersternich permet de mettre en évidence une corrosion observable en milieu industriel ou urbain par l'injection de produits souffrés dans une atmosphère humide.
  • L'essai mis en place reunis les deux tests comme cela est illustré sur la figure 6. Une solution de NaCl à 5% est disposée au fond d'une enceinte fermée et est chauffée à 50-60°C afin de reproduire le brouillard salin tandis que l'apport de produits souffrés sous forme gazeuse est créé à partir d'une dissolution de cuivre dans de l'acide sulfurique et est pulvérisée dans l'enceinte. Les échantillons 6 sont placés dans l'enceinte de manière ordonnée, permettant une circulation homogène de l'environnement pollué.
  • Les paramètres de suivi permettant d'obtenir un test reproductible sont : la température de la solution de NaCl, la concentration de la solution en NaCl, le debit d'air injecté dans l'acide sulfurique pour un renvoi dans l'enceinte, la quantité de cuivre dissout et la concentration de l'acide sulfurique permettant la dissolution du cuivre.
  • On obtient les résultats figurant sur les figures 7 à 9.
  • Comme le montre le graphique de la figure 9, le câble électrique selon l'invention ne présente aucune marque/brèche de corrosion ce qui n'est pas le cas des câbles électriques selon l'art antérieur. Au bout de 120 jours dans une atmosphère saline et soufrée, le câble électrique de l'art antérieur sans graisse présente plus de 350 microns de profondeurs de piqures de corrosion observées, plus de 150 pour le câble électrique avec graisse et aucune ou quasi aucune pour le câble électrique selon l'invention. Ce graphique montre également le rôle important de la graisse qui de par son point de goutte va couler vers l'extérieur du câble électrique afin de le protéger de la corrosion.
  • Les photographies de figures 7 et 8 montrent les surfaces extérieures du câble électrique selon l'invention (figure 8) et du câble électrique selon l'art antérieur avec graisse (figure 7) après que ceux-ci aient été exposés plus de 200 jours à l'atmosphère hostile de l'enceinte d'expérimentation. On constate que la surface du câble électrique selon l'invention n'est pas abîmée contrairement à celle du câble électrique selon l'art antérieur. De nombreuses érosions, brèches sont en effet visibles sur la figure 7. Par conséquent, le câble électrique selon l'invention résiste de façon efficace à une atmosphère très corrosive.
    • Essai 2 : Test de validité selon la norme CEI61284
  • Des essais ont été menés par un laboratoire indépendant, société DERVAUX, afin de mesurer la température du câble électrique selon l'invention.
  • Pour ces essais, le conducteur AEROZ 1 a été testé, ainsi qu'un conducteur AEROZ 2 (conducteur identique à AEROZ 1 hormis que les brins de section en Z de la couche interne présente également une épaisseur d'alumine de 8 à 10 µm).
  • Afin de mesurer la température, la société DERVAUX a suivi le protocole énoncé dans la norme CEI61284.
  • Cette société indépendante a trouvé que pour les deux types de conducteur selon l'invention, la température n'excédait pas 105°C et étaient donc conforme à la norme CEI61284.
  • Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.
  • Le câble électrique selon l'invention permet également d'obtenir des caractéristiques anti-feu supérieures au conducteur standard.
    • Essai 3 : Test de tenue à la chaleur
  • Pour réaliser le test de tenue à la chaleur, des fils d'aluminium brut ont été comparés à des fils selon l'invention, en particulier à des fils en alliage d'aluminium AGS 6201 recouverts d'une couche de boéhmite. L'épaisseur de la couche d'alumine hydratée variait de 7 à 10 µm le long du fil. Les fils testés présentent tous un diamètre de 8 mm.
  • Le principe du test qui a été effectué sur les fils (échantillons) repose sur l'induction. Via une bobine, un champ magnétique est créé autour des échantillons. Par un principe physique, les électrons de la matière (l'aluminium) vont être excités. Cette excitation va générer de la chaleur jusqu'à obtenir en un point donné (au milieu de la bobine), la fusion du substrat. La température de fusion de l'aluminium (658°C) est alors atteinte.
  • Les paramètres de chauffe des échantillons vont dépendre de la puissance émise par l'inducteur.
  • Pour cet essai, on fait varier cette puissance et on relève le temps que met l'échantillon pour atteindre la fusion et éventuellement se casser.
  • Pendant le test, une caméra permet de mesurer le temps exact où les échantillons vont éventuellement se casser.
  • Les différents résultats obtenus sont émis dans le tableau I ci-dessous.
    Fil en aluminum Fil selon l'invention
    Puissance thermique (watt) Temps avant rupture du fil (min) Puissane thermique Temps avant rupture du fil
    467 1 min 26 sec 440 8 min 10 sec
    436 1 min 55 sec 436 > 10 min
    440 1 min 23sec 440 >15 min
    440 1 min 32sec 440 >15 min
    720 30 sec 720 >2 min
    720 3 5sec 720 1 min 34 sec
    720 36 sec 720 1 min 45 sec
    Tableau I : Résultats comparatifs à même puissance de la tenue à la fusion entre un fil d'alliage d'aluminium et un fil d'alliage d'aluminium anodisé.
  • Comme le montre le test ci-dessus, les brins selon l'invention résistent à de hautes températures (figure 11) et ne se coupent pas, contrairement aux brins en aluminium pur (figure 10).
  • Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec des modes de réalisation particuliers, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention.

Claims (19)

  1. Câble électrique (1) comprenant un élément allongé (4) entouré par une première couche (2) comprenant un assemblage d'au moins deux brins (2a) métalliques en aluminium ou en alliage d'aluminium, caractérisé en ce que tout le pourtour desdits au moins deux brins métalliques comporte une couche d'alumine (9) hydratée.
  2. Câble électrique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface extérieure de la première couche comprend ladite couche d'alumine (9).
  3. Câble électrique (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'assemblage des brins métalliques est apte à conférer à ladite première couche une surface sensiblement régulière.
  4. Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que chacun des brins (2a) métalliques constitutifs de la première couche présente une section transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est/sont adjacent(s).
  5. Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première couche est une couche externe.
  6. Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche d'alumine (9) est une couche d'alumine monohydratée.
  7. Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche d'alumine (9) est une couche de boéhmite.
  8. Câble électrique (1) selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel la couche d'alumine (9) est une couche d'alumine polyhydratée.
  9. Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la section transversale des brins (2a) métalliques présente une forme de Z ou de trapèze.
  10. Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche d'alumine est apte à se briser au niveau d'une zone de raccordement.
  11. Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche d'alumine (9) présente une épaisseur d'au plus 20 µm.
  12. Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la couche d'alumine (9) présente une épaisseur d'au moins 5 µm.
  13. Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel entre l'élément allongé (4) et la première couche (2) est disposée une deuxième couche, dite couche interne (3).
  14. Câble électrique (1) selon la revendication 13, dans lequel la couche interne (3) comprend un assemblage de brins (3a) métalliques, chacun des brins (3a) constitutifs de la couche interne présentant une section transversale de forme complémentaire au(x) brin(s) qui lui est/sont adjacent(s).
  15. Câble électrique (1) selon la revendication 14, dans lequel au moins une partie du pourtour des brins (3a) métalliques, et de préférence tout le pourtour des brins métalliques (3a) de la couche interne (3), est formé d'une couche d'alumine hydratée.
  16. Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'élément allongé (4), la première couche (2) et/ou la deuxième couche (3), sont en aluminium ou en alliage d'aluminium.
  17. Câble électrique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est un câble de transmission électrique à haute tension (OHL).
  18. Procédé de fabrication d'un câble électrique (1) selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes:
    a) réaliser une oxydation contrôlée sur la surface d'au moins un brin métallique (2a) en aluminium ou en alliage d'aluminium, de manière à former une couche d'alumine hydratée (9) sur tout le pourtour dudit brin métallique ; et
    b) assembler plusieurs brins (2a) obtenus selon l'étape a) afin de former la première couche, et optionnellement la deuxième couche, autour de l'élément allongé (4).
  19. Procédé de fabrication d'un câble électrique (1) selon la revendication 18, caractérisé en ce que l'étape d'oxydation contrôlée est une étape d'anodisation.
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