EP2784787B1 - Câble électrique comprenant une couche à gradient de propriété électrique - Google Patents

Câble électrique comprenant une couche à gradient de propriété électrique Download PDF

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EP2784787B1
EP2784787B1 EP14162256.3A EP14162256A EP2784787B1 EP 2784787 B1 EP2784787 B1 EP 2784787B1 EP 14162256 A EP14162256 A EP 14162256A EP 2784787 B1 EP2784787 B1 EP 2784787B1
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EP
European Patent Office
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temperature
layer
electrical
polymer
electrical conductivity
Prior art date
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EP14162256.3A
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German (de)
English (en)
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EP2784787A1 (fr
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Anthony COMBESSIS
Arnaud Allais
Melek Maugin
Lionel Flandin
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Nexans SA
Original Assignee
Nexans SA
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B9/00—Power cables
    • H01B9/02—Power cables with screens or conductive layers, e.g. for avoiding large potential gradients
    • H01B9/027—Power cables with screens or conductive layers, e.g. for avoiding large potential gradients composed of semi-conducting layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B13/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing conductors or cables
    • H01B13/06—Insulating conductors or cables
    • H01B13/14—Insulating conductors or cables by extrusion
    • H01B13/145—Pretreatment or after-treatment
    • 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
    • H01B7/02—Disposition of insulation
    • H01B7/0275—Disposition of insulation comprising one or more extruded layers of insulation

Definitions

  • the present invention relates to an electric cable comprising a layer with an electrical property gradient based on electrically conductive charges, intended to improve the breakdown resistance as well as the resistance to aging in a humid environment under electric voltage.
  • medium voltage power cables in particular from 6 to 45-60 kV
  • high voltage cables in particular greater than 60 kV, and which can range up to 500-600 kV, or even up to 800 kV, whether direct or alternating current.
  • the discontinuity of electrical properties between an electrically insulating material and a conductive (or semiconductor) material can cause a local reinforcement of the electric field by accumulation of space charges or charged species capable of initiating a tree under the action of an electric field.
  • the presence of humidity combined with the presence of an electric field with a polymer material promote the gradual degradation of the insulating properties of medium and high voltage power cables.
  • This degradation mechanism can typically be present in medium or high voltage power cables, comprising classically an insulation three-layer type of internal semiconductor layer / electrically insulating layer / external semiconductor layer, and optionally surrounded by a metal screen and by a protective sheath.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of the techniques of the prior art by proposing an electric cable, in particular a medium voltage or high voltage power cable, having a resistance to electrical breakdown as well as resistance to aging in a humid environment in the presence of an electric field, significantly improved.
  • the present invention relates to an electric cable according to claim 1.
  • the electrical properties of the electrical property gradient layer can be electrical conductivity and / or dielectric permittivity. We could speak of a layer with an electrical conductivity and / or dielectric permittivity layer.
  • the first and second gradients are therefore located within the same layer with an electrical property gradient, said zone being positioned in the thickness of said layer.
  • the zone situated between the internal surface and the external surface of the layer with an electrical property gradient may in particular be situated substantially at equal distance from the internal surface on the one hand, and from the external surface on the other, in cross section of the cable. electric.
  • this zone can be positioned around the middle of the thickness E of the layer with an electrical property gradient.
  • the term “middle of the thickness” is understood to mean the distance defined by half the thickness E of the layer with an electrical property gradient, in cross section of the electrical cable.
  • the electrical property gradient layer of the invention preferably has a thickness E that is substantially constant along the electrical cable in order to guarantee homogeneous and repeatable mechanical and electrical properties along the electrical cable.
  • the Applicant has surprisingly discovered that the presence of a layer with an electrical property gradient as defined in the invention makes it possible to effectively limit, or even avoid, the degradations linked to the electrical trees caused by charges of spaces or charged species induced in particular by the presence of water in this type of electric cable.
  • the electric property gradient layer according to the invention advantageously makes it possible to improve the resistance to breakdown in alternating or direct voltage of the cable of the invention.
  • the electric property gradient layer of the invention which is a “monolayer”, advantageously replaces the multilayer insulation, in particular three-layer, well known in medium or medium energy cables. high voltage, this monolayer thus being easy to implement, in particular by extrusion.
  • the electric property gradient layer of the invention is therefore a single layer.
  • said monolayer of the invention is not a superposition of several layers (in particular of extruded layers) with constant electrical properties in each of said layers.
  • the electric property gradient layer of the invention therefore overcomes the physical interfaces of the prior art multilayer insulation.
  • the electrical conductivity of the outer surface is that of a semiconductor material
  • the electrical conductivity of the inner surface is that of a semiconductor material
  • the electrical conductivity of the area is that of an electrically insulating material.
  • the electrical conductivities of the internal surface and the external surface can be different or identical.
  • the electrical conductivity of an electrically conductive material can be at least 1.10 3 S / m.
  • the electrical conductivity of a semiconductor material can be at least 1.10 -9 S / m (siemens per meter), preferably at least 1.10 -3 S / m, and preferably can be less than 1.10 3 S / m.
  • the electrical conductivity of an electrically insulating material can be at most 1.10 -9 S / m.
  • the electrical conductivity of a material is conventionally determined according to standard ASTM D 991.
  • the dielectric permittivity is conventionally determined according to standard IEC 60250.
  • the characteristics of electrical conductivity and / or dielectric permittivity are in particular functions of the nature of the materials directly in physical contact with the internal and external surfaces of said layer with an electrical property gradient.
  • the electrical conductivity at the internal surface of said layer will preferably be that of an electrically conductive material or of a semiconductor material .
  • the electrical conductivity at the external surface of said layer will preferably be that of an electrically conductive material or of a semiconductor material.
  • the electrical conductivity of the zone can in this case be that of a semiconductor material or of an electrically insulating material.
  • the electrical conductivity of the internal surface of the layer with an electrical property gradient may be at least 1.10 -9 S / m, preferably at least 1.10 -3 S / m, and preferably may be less than 1.10 3 S / m.
  • the electrical conductivity of the external surface of the layer with an electrical property gradient may be at least 1.10 -9 S / m, preferably at least 1.10 -3 S / m, and preferably may be less than 1.10 3 S / m.
  • the electrical conductivity of the area (located between the internal surface and the external surface) of the layer with an electrical property gradient can be at most 1.10 -9 S / m.
  • the electric property gradient layer of the invention is obtained from a polymer composition comprising at least one polymer and electrically conductive charges.
  • the electrically conductive charges of the invention are preferably carbonaceous conductive charges.
  • conductive carbonaceous charge means any particle, or mixture of particles, mainly consisting of carbon atoms, functionalized or not, grafted or not, and having electrically conductive properties.
  • the conductive carbon charges are chosen from carbon blacks, carbon fibers, graphites, graphenes, fullerenes, carbon nanotubes, and one of their mixtures.
  • Nanotubes will preferably be used.
  • the term “nanotubes” means nanoparticles of substantially elongated shape, and the smallest dimension of which can be between 1 and 100 nm (limits included) (dimension determined by microscopic analysis such as SEM (Scanning Electronic Microscopy), TEM (Transmission Electron Microscopy) or by MFA (Atomic Force Microscopy) Nanotubes conventionally have a so-called “needle-like" shape.
  • Carbon nanotubes have the advantage of having better compatibility with the polymer of the polymer composition, compared to other types of conductive carbon charges cited in the present invention.
  • carbon nanotubes having a high form factor, in particular at least 1000 they make it possible to achieve percolation with relatively low quantities of conductive carbonaceous fillers compared to the other carbonaceous fillers.
  • the form factor is typically the ratio between the smallest dimension of the conductive filler (i.e. the diameter, for carbon nanotubes) and the largest dimension of said conductive filler (i.e. the length, for carbon nanotubes).
  • Carbon nanotubes can be of several types. They can be chosen from single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, multi-walled carbon nanotubes, and one of their mixtures. Preferably, multi- wall carbon nanotubes, well known under the anglicism " multi-walled nanotubes (MWNT)", will be used.
  • MWNT multi-walled nanotubes
  • the quantity of electrically conductive charges in the polymer composition of the invention is in particular sufficient to be able to constitute a percolating network. To constitute a dielectric permittivity gradient, this condition is not necessary.
  • percolating network means an organization of electrically conductive charges capable of creating one or more electrical paths. continuous within the polymeric composition of the layer with an electrical property gradient.
  • this percolating network can in particular be produced by the application of heat treatment (s).
  • the rate of electrically conductive charges is sufficient for the polymer composition of the invention to achieve a so-called “dynamic” percolation transition.
  • “Dynamic percolation” is understood to mean an insulator-conductor transition ( ie an increase of several orders of magnitude in the electrical conductivity and / or divergence in the dielectric permittivity associated on a mesoscopic scale by the formation and growth of clusters of particles which tend to constitute an infinite cluster of interconnected charges) observed at a constant charge rate and resulting from a microstructural rearrangement of the composite by self-assembly of the conductive particles in the molten polymer. The kinetics of this mechanism is a priori thermally activated.
  • the polymer composition of the layer with an electrical property gradient may comprise at most 30% by weight of electrically conductive charges, preferably at most 10% by weight of electrically conductive charges, and in a particularly preferred manner at most 5% by weight of charges electrically conductive. Preferably, it comprises at least 0.1% by weight of electrically conductive charges.
  • the layer with an electrical property gradient is obtained from a polymer composition comprising at least one polymer in which said electrically conductive charges are incorporated, to form a composite polymer material.
  • polymer composition is understood to mean a composition based on one or more polymers, in particular making it possible to easily form it by extrusion, injection or molding.
  • the polymer composition can comprise at least 40% by weight of polymer (s), preferably more than 50% by weight of polymer (s), preferably at least 70% by weight of polymer (s), preferably at least 80 % by weight of polymer (s), and in a particularly preferred manner at least 90% by weight of polymer (s).
  • the polymer composition can be a thermoplastic or elastomer composition, crosslinkable or not.
  • the polymer composition of the invention may be a thermoplastic composition, that is to say that it mainly comprises one or more thermoplastic polymers relative to the polymers constituting the polymer composition.
  • the polymeric composition of the layer with an electrical property gradient may be an elastomeric composition, that is to say that it mainly comprises one or more elastomeric polymers relative to the polymers constituting the polymeric composition.
  • the polymer composition when the polymer composition is crosslinkable, it can also comprise one or more crosslinking agents well known to those skilled in the art.
  • the polymer of the polymer composition of the invention can be chosen from an organic polymer, an inorganic polymer, and one of their mixtures.
  • said organic polymer can comprise at least one polyolefin and / or at least one polyepoxide.
  • polyolefin as such generally means olefin homopolymer or copolymer.
  • the olefin polymer is a homopolymer of ethylene, or a copolymer of ethylene (i.e. copolymer comprising at least ethylene).
  • ethylene polymers examples include linear low density polyethylene (LLDPE), very low density polyethylene (VLDPE), 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), of 2-hexylethyl acrylate (2HEA), copolymers of ethylene and alpha-olefins such as for example polyethylene octene (PEO), polyethylene butene (PEB), copolymers of ethylene and propylene (EPR) ) such as for example terpolymers of ethylene propylene diene (EPDM), poly (ethylene terephthalate) (PET), or a mixture thereof, and / or one of their derivatives.
  • LLDPE linear low density polyethylene
  • VLDPE very low density polyethylene
  • LDPE low density polyethylene
  • MDPE medium density poly
  • EVA EVA with a low level of vinyl acetate groups (less than 20% by weight) in order to limit the presence of polar functions, or more advantageously a polyethylene of the VLDPE, LDPE, LLDPE, MDPE or HDPE type.
  • the polymer composition of the layer with an electrical property gradient may comprise more than 50.0 parts by weight of polyolefin per 100 parts by weight of polymer (s) (ie polymer matrix) in the composition, preferably at least 70 parts by weight of polyolefin per 100 parts by weight of polymer (s) in said composition, and particularly preferably at least 90 parts by weight of polyolefin per 100 parts by weight of polymer (s) in said composition.
  • the polymer or polymers constituting the polymer composition of the layer with an electrical property gradient are only one or more polyolefins.
  • a single type of polymer in the composition such as an EVA with a low level of vinyl acetate groups, or a VLDPE, an LDPE, a LLDPE, a MDPE or an HDPE.
  • polyepoxide (or “epoxy polymer”) as such generally means a multi-component polymer obtained by polymerization of epoxy monomers with a crosslinking agent, said crosslinking agent possibly being of the acid anhydride type, phenol, or amine.
  • DGEBA DiGlycidylEther of Bisphenol A
  • said inorganic polymer can comprise at least one polysiloxane.
  • the inorganic polymers are therefore very different from the organic polymers.
  • polysiloxanes, or silicones are inorganic compounds formed of a silicon-oxygen chain (...- Si-O-Si-O-Si-O -%) on which groups can be fixed on the silicon atoms.
  • the electric cable of the invention can also comprise a metallic screen surrounding the layer with an electrical property gradient.
  • This metallic screen can be a so-called “wired” screen, made up of a set of copper or aluminum conductors arranged around and along the layer with an electrical property gradient, a so-called “striped” screen made up of one or more conductive metallic ribbons placed helically around the layer with an electrical property gradient, or with a so-called “waterproof” screen of the metal tube type surrounding the layer with an electrical property gradient.
  • This latter type of screen makes it possible in particular to act as a barrier to humidity which tends to penetrate the electric cable in the radial direction.
  • All types of metal screens can play the role of earthing the electric cable and can thus carry fault currents, for example in the event of a short circuit in the network concerned.
  • the electric cable of the invention may also include an outer protective sheath surrounding the layer with an electrical property gradient, or even more particularly surrounding said metallic screen when it exists.
  • This external protective sheath can be produced conventionally from suitable thermoplastic materials such as HDPE, MDPE or LLDPE; or materials that retard the spread of the flame or resist the spread of fire. In particular, if these latter materials do not contain halogen, we speak of HFFR type sheathing (for Anglicism " Halogen Free Flame Retardant" ).
  • the electric cable of the invention can advantageously be a medium or high voltage power cable, which can in particular comprise said metallic screen and said protective sheath.
  • the layer with an electrical property gradient is preferably directly in physical contact with the elongated electrical conductor, and / or directly in physical contact with the metal screen when it exists.
  • the inner surface of the layer with an electrical property gradient is preferably directly in physical contact with the elongated electrical conductor, and / or the outer surface of the layer with an electrical property gradient is preferably directly in contact physical with the metal screen when it exists.
  • the electrical property gradient layer of the invention is an extruded layer, the extrusion being a process well known to those skilled in the art.
  • Another subject of the invention relates to a method for manufacturing a monolayer with an electrical property gradient according to claim 14.
  • the monolayer with an electrical property gradient of said process is more particularly that defined in the present invention, and in particular in claim 14.
  • Said first heat treatment makes it possible to form a first electrical property gradient from the first surface to said zone.
  • Said second heat treatment makes it possible to form a second electrical property gradient from the second surface to said zone.
  • the polymeric composition of the above manufacturing process is that described in the present invention.
  • the area between the first surface and the second surface notably comprises an electrical conductivity and / or dielectric permittivity respectively lower than the electrical conductivity and / or dielectric permittivity of the first surface, and respectively lower than the electrical conductivity and / or dielectric permittivity of the second surface.
  • the control of the temperatures T1 and T2 on the one hand, and T3 and T4 on the other hand, makes it possible to control the gradient of the kinetics of percolation, in particular of dynamic percolation, and consequently the levels of electrical conductivities and / or dielectric permittivity achieved.
  • the difference between temperatures T1 and T2 can be at least 10 ° C, preferably at least 50 ° C, and particularly preferably at least 100 ° C.
  • the difference between temperatures T3 and T4 can be at least 10 ° C, preferably at least 50 ° C, and particularly preferably at least 100 ° C.
  • the temperature T1 may preferably be higher than the temperature T2.
  • the temperature T4 can preferably be higher than the temperature T3.
  • the temperature T1 may preferably be a temperature equal to or greater than the melting temperature Tf or the glass transition temperature Tg of said polymer.
  • the temperature T2 may preferably be a temperature equal to or lower than the melting temperature Tf or the glass transition temperature Tg of said polymer.
  • the temperature T4 may preferably be a temperature equal to or greater than the melting temperature Tf or the glass transition temperature Tg of said polymer.
  • the temperature T3 may preferably be a temperature equal to or lower than the melting temperature Tf or the glass transition temperature Tg of said polymer.
  • the temperature T1 can be substantially equal to the temperature T4 and / or the temperature T2 can be substantially equal to the temperature T3.
  • the melting temperature Tf is to be considered when, for example, the polymer is a semi-crystalline or crystalline polymer.
  • the glass transition temperature Tg is to be considered when, for example, the polymer is an amorphous polymer.
  • the heat treatments of the invention can be carried out by techniques well known to those skilled in the art, such as for example by convection, conduction and / or irradiation
  • the heat treatments (ie heating steps) of the polymeric composition of the invention advantageously make it possible to form gradients of electrical conductivity and / or dielectric permittivity in the very thickness of the polymeric layer obtained from said polymeric composition.
  • the kinetics of this self-arrangement of electrically conductive charges is in particular dependent on the temperature.
  • the high temperatures compared to the melting temperature T f of the semi-crystalline polymers or of the glass transition T g of the amorphous polymers result in high kinetics of reinforcement of the network of charges and lead to high values of electrical conductivity and / or dielectric permittivity of the polymer layer.
  • T f or T g melting temperature
  • the speed of self-arrangement remains low and the electrical properties of the polymeric layer are only slightly affected.
  • the temperatures characteristic of the physicochemical transitions of a polymer composition, of the crosslinked type or not, can be conventionally determined by differential scanning calorimetry (DSC) with a temperature ramp of 10 ° C./min under a nitrogen atmosphere.
  • said elongated electrical conductor when the polymeric layer surrounds an elongated electrical conductor, such as that defined herein invention, to form an electrical cable, said elongated electrical conductor can be used as a heat source for the application of the first and / or second heat treatment (s).
  • the first heat treatment may consist in applying a current through the elongated electrical conductor to heat to a temperature T1, by Joule effect or by induction, the internal surface of the polymeric layer, while the external surface of the polymeric layer is maintained at a temperature T2 lower than the temperature T1.
  • the second heat treatment can consist in heating, in particular by convection, conduction or irradiation, the external surface of the polymeric layer, while the internal surface of the polymeric layer is maintained at a temperature T3 lower than the temperature T4.
  • the electric cable further comprises an electrically conductive element surrounding said polymeric layer, such as for example a metal screen, the latter can be used as a means of heating the external surface of the polymeric layer, by passing a current through this electrically conductive element.
  • an electrically conductive element surrounding said polymeric layer such as for example a metal screen
  • T1, T2, T3 and T4 are those defined in the invention.
  • the heat treatment stage is preferably carried out after any stage of implementation of the polymeric composition of the invention.
  • the heat treatments can be applied to said polymeric layer.
  • the heat treatment step is preferably carried out before the crosslinking of said layer.
  • the method of the invention can also comprise an additional step, between the first heat treatment and the second heat treatment.
  • This additional step consists in cooling the polymer layer to a temperature below the melting temperature Tf or the glass transition temperature Tg of said polymer, once the first heat treatment has been carried out, and before carrying out the second heat treatment.
  • Layer 3 is an extruded layer, which may or may not be crosslinked. This layer 3 is in direct physical contact with the electrical conductor 2 on the one hand, and the metal screen 4 on the other hand.
  • This layer comprises a thickness E, delimited by an internal surface 3a and an external surface 3b, this thickness E being substantially constant around the electrical conductor 2.
  • This layer further comprises a zone 3c situated between the internal surface 3a and the external surface 3c.
  • This zone 3c is substantially at equidistance of the internal surface 3a and the external surface 3b, and is in the middle of said layer, around E / 2.
  • the electrical property gradient in the thickness E of the layer 3 is such that the electrical conductivity and / or dielectric permittivity of the internal surface 3a and the electrical conductivity and / or dielectric permittivity of the external surface 3b are substantially identical and are respectively greater than the electrical conductivity and / or dielectric permittivity of the zone 3c.
  • the metal screen 4 is of the cylindrical tube type, but in no way limits the invention.
  • An external protective sheath (not shown) can also be positioned around the metal screen 4.
  • the figure 2 illustrates the evolution of the electrical conductivity within the layer with an electrical property gradient in a preferred embodiment according to the invention.
  • the electrical conductivity ⁇ 1 will decrease in the direction of the zone 3c, this zone being situated around the middle of the thickness E of the layer 3, to reach a conductivity electric equal to ⁇ 2, ⁇ 2 being less than ⁇ 1.
  • the electrical conductivity ⁇ 2 of the zone 3c will increase, within the same layer, to reach an electrical conductivity substantially equal to ⁇ 1 at the external surface 3b of the layer with an electrical property gradient.
  • the profile of variation of the electrical conductivity in the thickness E of the layer with an electrical property gradient of the invention is a U-shaped profile in the embodiment presented in figure 2 .
  • a polymer layer having an electrical property gradient according to the invention was produced by applying a first temperature gradient and then a second temperature gradient, to a composite polymer sample comprising 5% by weight of multi-wall conductive carbon nanotubes.
  • This polymer sample is obtained by dispersing, in a twin-screw extruder, in the “melted” way, a masterbatch containing 30% by weight of multi-wall conductive carbon nanotubes of the ARKEMA Graphistrength C100 type supported on a polyethylene base, in a matrix.
  • VLDPE Very Low Density Polyethylene
  • MFI Melt Flow Index
  • the polymer composition is shaped by hot compression at 120 ° C., to obtain a plate 8 mm thick (substantially constant thickness), with a lower surface (ie internal surface) and a outer surface (ie outer surface).
  • Said plate is then placed in a hot compression press consisting of an upper plate and a lower plate.
  • said plate was cooled to a temperature of 25 ° C.
  • a second temperature gradient (ie second heat treatment) was then applied, using the same hot compression press, and under the same conditions as the first heat treatment, except that for this second heat treatment, the plate has been returned.
  • said plate was cooled to a temperature of 25 ° C.
  • a cylindrical sample is cut at the heart of said plate using a 16 mm cookie cutter (i.e. sample of 16 mm in diameter with a thickness of 8 mm).
  • Said sample is itself cut, using a precision chainsaw equipped with a diamond wheel, into two equal parts parallel to its outer surface and to its inner surface, at its center to obtain two half-samples having each a diameter of 16 mm and a thickness of 4 mm.
  • the first half-sample comprises the external surface of the sample and the so-called “core” surface of the sample
  • the second half-sample comprises the internal surface of the sample and the so-called “core” surface of the sample.

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Description

  • La présente invention se rapporte à un câble électrique comprenant une couche à gradient de propriété électrique à base de charges électriquement conductrices, destinée à améliorer la résistance au claquage ainsi que la résistance au vieillissement en milieu humide sous tension électrique.
  • 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 500-600 kV, voire jusqu'à 800 kV), qu'ils soient à courant continu ou alternatif.
  • La discontinuité de propriétés électriques entre un matériau électriquement isolant et un matériau conducteur (ou semi-conducteur) peut entrainer un renforcement local du champ électrique par accumulation de charges d'espace ou d'espèces chargées susceptibles d'initier une arborescence sous l'action d'un champ électrique.
  • Notamment, la présence de l'humidité combinée à la présence d'un champ électrique avec un matériau polymère favorisent la dégradation progressive des propriétés isolantes des câbles d'énergie moyenne et haute tension.
  • Ce mécanisme de dégradation, bien connu sous les termes « croissance d'arborescences électriques due à l'eau » (ou « water treeing » en anglais), peut être typiquement présent dans les câbles d'énergie à moyenne ou à haute tension, comprenant classiquement une isolation tricouche du type couche semi-conductrice interne / couche électriquement isolante / couche semi-conductrice externe, et optionnellement entourée par un écran métallique et par une gaine de protection.
  • A ce titre, on peut citer par exemple le document EP-0 645 781 qui décrit un câble d'énergie comprenant un conducteur électrique allongé, et une succession de plusieurs couches autour dudit conducteur électrique allongé, telles que :
    • un premier écran semi-conducteur interne, pouvant être divisé en deux couches élémentaires avec un taux massique de polymère conducteur constant et différent dans ces deux couches, puis
    • une couche électriquement isolante, puis
    • un second écran semi-conducteur externe pouvant être divisé en deux couches élémentaires avec un taux massique de polymère conducteur constant et différent dans ces deux couches, et enfin
    • une gaine de protection.
  • Lesdites croissances d'arborescences électriques due à l'eau peuvent ainsi mener au claquage du câble électrique concerné et constitue donc une menace considérable pour la fiabilité du réseau de transport d'énergie avec des conséquences économiques bien connues engendrées par les courts-circuits.
  • Le document US 5 312 578 peut également être cité. Ce document décrit un câble électrique comprenant une couche à gradient de poids moléculaire.
  • Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur en proposant un câble électrique, notamment un câble d'énergie à moyenne tension ou à haute tension, présentant une résistance au claquage électrique ainsi qu'une résistance aux vieillissements dans un environnement humide en présence d'un champ électrique, améliorées de façon significative.
  • La présente invention a pour objet un câble électrique selon la revendication 1.
  • Les propriétés électriques de la couche à gradient de propriété électrique peuvent être la conductivité électrique et/ou la permittivité diélectrique. On pourra parler de couche à gradient de conductivité électrique et/ou de permittivité diélectrique.
  • Plus particulièrement, la conductivité électrique et/ou la permittivité diélectrique de la surface interne, d'une part, et la conductivité électrique et/ou la permittivité diélectrique de la surface externe, d'autre part, diminuent en allant vers ladite zone. En d'autres termes, la couche à gradient de propriété électrique comprend notamment :
    • un premier gradient de propriété électrique dont la conductivité électrique et/ou la permittivité diélectrique diminue, notamment graduellement, de la surface interne vers ladite zone, et
    • un second gradient de propriété électrique dont la conductivité électrique et/ou la permittivité diélectrique diminue, notamment graduellement, de la surface externe vers ladite zone.
  • Les premier et second gradients se trouvent donc au sein de la même couche à gradient de propriété électrique, ladite zone étant positionnée dans l'épaisseur de ladite couche.
  • La zone située entre la surface interne et la surface externe de la couche à gradient de propriété électrique peut être notamment située sensiblement à égale distance de la surface interne d'une part, et de la surface externe d'autre, en coupe transversale du câble électrique.
  • Plus particulièrement, cette zone peut être positionnée autour du milieu de l'épaisseur E de la couche à gradient de propriété électrique. On entend par « milieu de l'épaisseur » la distance définie par la moitié de l'épaisseur E de la couche à gradient de propriété électrique, en coupe transversale du câble électrique.
  • La couche à gradient de propriété électrique de l'invention a de préférence une épaisseur E sensiblement constante le long du câble électrique afin de garantir des propriétés mécaniques et électriques homogènes et répétables tout le long du câble électrique.
  • La Demanderesse a découvert de façon surprenante que la présence d'une couche à gradient de propriété électrique telle que définie dans l'invention permet de limiter efficacement, voire d'éviter, les dégradations liées aux arborescences électriques causées par des charges d'espaces ou des espèces chargées induites en particulier par la présence d'eau dans ce type de câble électrique.
  • De plus, la couche à gradient de propriété électrique selon l'invention permet avantageusement d'améliorer la résistance au claquage en tension alternative ou continue du câble de l'invention.
  • Enfin, la couche à gradient de propriété électrique de l'invention, qui est une « monocouche », remplace avantageusement l'isolation multicouche, notamment tricouche, bien connue dans les câbles d'énergie à moyenne ou à haute tension, cette monocouche étant ainsi facile à mettre en œuvre, notamment par extrusion. La couche à gradient de propriété électrique de l'invention est donc une seule et même couche.
  • En d'autres termes, ladite monocouche de l'invention n'est pas une superposition de plusieurs couches (notamment de couches extrudées) avec des propriétés électriques constantes dans chacune desdites couches. La couche à gradient de propriété électrique de l'invention s'affranchit donc des interfaces physiques de l'isolation multicouche de l'art antérieur.
  • La variation de conductivité électrique dans l'épaisseur de la couche à gradient de propriété électrique entre la surface interne et la surface externe peut être définie plus particulièrement comme suit :
    • la surface externe peut avoir la conductivité électrique d'un matériau électriquement conducteur ou d'un matériau semi-conducteur ou d'un matériau électriquement isolant,
    • la surface interne peut avoir la conductivité électrique d'un matériau électriquement conducteur ou d'un matériau semi-conducteur ou d'un matériau électriquement isolant,
    • la zone située entre la surface interne et la surface externe de la couche à gradient de propriété électrique a une conductivité électrique inférieure à celle de la surface interne d'une part, et inférieure à celle de la surface externe d'autre part : la conductivité électrique dans ladite zone peut donc être celle d'un matériau électriquement conducteur ou d'un matériau semi-conducteur ou d'un matériau électriquement isolant.
  • Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, la conductivité électrique de la surface externe est celle d'un matériau semi-conducteur, la conductivité électrique de la surface interne est celle d'un matériau semi-conducteur, et la conductivité électrique de la zone est celle d'un matériau électriquement isolant.
  • Les conductivités électriques de la surface interne et de la surface externe peuvent être différentes ou identiques.
  • Dans la présente invention, la conductivité électrique d'un matériau électriquement conducteur peut être d'au moins 1.103 S/m.
  • La conductivité électrique d'un matériau semi-conducteur peut être d'au moins 1.10-9 S/m (siemens par mètre), de préférence d'au moins 1.10-3 S/m, et de préférence peut être inférieure à 1.103 S/m.
  • La conductivité électrique d'un matériau électriquement isolant peut être d'au plus 1.10-9 S/m.
  • Dans la présente invention, la conductivité électrique d'un matériau est classiquement déterminée selon la norme ASTM D 991. La permittivité diélectrique est classiquement déterminée selon la norme IEC 60250.
  • Les caractéristiques de conductivité électrique et/ou de permittivité diélectrique sont notamment fonctions de la nature des matériaux directement en contact physique avec les surfaces interne et externe de ladite couche à gradient de propriété électrique.
  • Plus particulièrement, lorsque la couche à gradient de propriété électrique est directement en contact physique avec le conducteur électrique allongé, la conductivité électrique à la surface interne de ladite couche sera de préférence celle d'un matériau électriquement conducteur ou d'un matériau semi-conducteur.
  • Lorsque la couche à gradient de propriété électrique est directement en contact physique avec un écran métallique entourant ladite couche, la conductivité électrique à la surface externe de ladite couche sera de préférence celle d'un matériau électriquement conducteur ou d'un matériau semi-conducteur.
  • La conductivité électrique de la zone peut être dans ce cas celle d'un matériau semi-conducteur ou d'un matériau électriquement isolant.
  • A titre d'exemple, la conductivité électrique de la surface interne de la couche à gradient de propriété électrique peut être d'au moins 1.10-9 S/m, de préférence d'au moins 1.10-3 S/m, et de préférence peut être inférieure à 1.103 S/m.
  • La conductivité électrique de la surface externe de la couche à gradient de propriété électrique peut être d'au moins 1.10-9 S/m, de préférence d'au moins 1.10-3 S/m, et de préférence peut être inférieure à 1.103 S/m.
  • La conductivité électrique de la zone (située entre la surface interne et la surface externe) de la couche à gradient de propriété électrique peut être d'au plus 1.10-9 S/m.
  • La couche à gradient de propriété électrique de l'invention est obtenue à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère et des charges électriquement conductrices.
  • Les charges électriquement conductrices de l'invention sont de préférence des charges carbonées conductrices.
  • On entend par « charge carbonée conductrice » toute particule, ou mélange de particules, majoritairement constituées d'atomes de carbone, fonctionnalisées ou non, greffées ou non, et présentant des propriétés électriquement conductrices.
  • A titre d'exemples, les charges carbonées conductrices sont choisies parmi les noirs de carbone, les fibres de carbone, les graphites, les graphènes, les fullerènes, les nanotubes de carbone, et un de leurs mélanges.
  • On utilisera de façon préférée les nanotubes de carbone. On entend par « nanotubes » des nanoparticules de forme sensiblement allongée, et dont la plus petite dimension peut être comprise entre 1 et 100 nm (bornes incluses) (dimension déterminée par analyse microscopique telle que la MEB (Microscopie Electronique à Balayage), la MET (Microscopie Electronique en Transmission) ou encore par MFA (Microscopie à Force Atomique). Les nanotubes ont classiquement une forme dite « aciculaire ».
  • Les nanotubes de carbone présentent l'avantage d'avoir une meilleure compatibilité avec le polymère de la composition polymérique, par rapport aux autres types de charges carbonées conductrices citées dans la présente invention.
  • En outre, les nanotubes de carbone ayant un facteur de forme élevé, notamment d'au moins 1000, ils permettent d'atteindre la percolation avec des quantités de charges carbonées conductrices relativement faibles comparativement aux autres charges carbonées.
  • Le facteur de forme est typiquement le rapport entre la plus petite dimension de la charge conductrice (i.e. le diamètre, pour les nanotubes de carbone) et la plus grande dimension de ladite charge conductrice (i.e. la longueur, pour les nanotubes de carbone).
  • Ainsi, grâce à l'utilisation de charges carbonées du type nanotube, les propriétés mécaniques et électriques ainsi que les propriétés d'adhérence de la couche à gradient de propriété électrique sont optimisées.
  • Les nanotubes de carbone peuvent être de plusieurs types. Ils peuvent être choisis parmi les nanotubes de carbone à simple paroi, les nanotubes de carbone à double-paroi, les nanotubes de carbone multiparois, et un de leurs mélanges. On utilisera de préférence les nanotubes de carbone multiparois, bien connus sous l'anglicisme « multi-walled nanotubes (MWNT) ».
  • Pour constituer un gradient de conductivité électrique, la quantité de charges électriquement conductrices dans la composition polymérique de l'invention est notamment suffisante pour pouvoir constituer un réseau percolant. Pour constituer un gradient de permittivité diélectrique, cette condition n'est pas nécessaire.
  • On entend par « réseau percolant », une organisation des charges électriquement conductrices apte à créer un ou plusieurs chemins électriques continus au sein de la composition polymérique de la couche à gradient de propriété électrique.
  • Dans la présente invention, ce réseau percolant peut notamment être réalisé par l'application de traitement(s) thermique(s).
  • Plus particulièrement, le taux de charges électriquement conductrices est suffisant pour que la composition polymérique de l'invention puisse accomplir une transition de percolation dite « dynamique ».
  • On entend par « percolation dynamique » une transition isolant-conducteur (i.e. une augmentation de plusieurs ordres de grandeur de la conductivité électrique et/ou divergence de la permittivité diélectrique associée à échelle mésoscopique par la formation et la croissance d'amas de particules qui tendent à constituer un amas infini de charges inter-connectées) observée à taux de charge constant et résultant d'un réarrangement microstructural du composite par auto-assemblage des particules conductrices dans le polymère fondu. La cinétique de ce mécanisme est a priori thermiquement activée.
  • La composition polymérique de la couche à gradient de propriété électrique peut comprendre au plus 30% en poids de charges électriquement conductrices, de préférence au plus 10% en poids de charges électriquement conductrices, et de façon particulièrement préférée au plus 5% en poids de charges électriquement conductrices. De préférence, elle comprend au moins 0,1% en poids de charges électriquement conductrices.
  • La couche à gradient de propriété électrique est obtenue à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère dans lequel sont incorporées lesdites charges électriquement conductrices, pour former un matériau polymère composite.
  • On entend par « composition polymérique » une composition à base d'un ou de plusieurs polymères, permettant notamment de la mettre facilement en forme par extrusion, injection ou moulage.
  • La composition polymérique peut comprendre au moins 40% en poids de polymère(s), de préférence plus de 50% en poids de polymère(s), de préférence au moins 70% en poids de polymère(s), de préférence au moins 80% en poids de polymère(s), et de façon particulièrement préférée au moins 90% en poids de polymère(s).
  • La composition polymérique peut être une composition thermoplastique ou élastomère, réticulable ou non.
  • La composition polymérique de l'invention peut être une composition thermoplastique, c'est-à-dire qu'elle comprend majoritairement un ou plusieurs polymères thermoplastiques par rapport aux polymères constitutifs de la composition polymérique.
  • La composition polymérique de la couche à gradient de propriété électrique peut être une composition élastomère, c'est-à-dire qu'elle comprend majoritairement un ou plusieurs polymères élastomères par rapport aux polymères constitutifs de la composition polymérique.
  • Lorsque la composition polymérique est réticulable, elle peut comprendre en outre un ou plusieurs agents de réticulation bien connus de l'homme du métier.
  • Le polymère de la composition polymérique de l'invention peut être choisi parmi un polymère organique, un polymère inorganique, et un de leurs mélanges.
  • Lorsque le polymère de la composition polymérique est un polymère organique, ledit polymère organique peut comprendre au moins une polyoléfine et/ou au moins un polyépoxyde.
  • Le terme « polyoléfine » en tant que tel signifie de façon générale homopolymère ou copolymère d'oléfine. De préférence, le polymère d'oléfine est un homopolymère d'éthylène, ou un copolymère d'éthylène (i.e. copolymère comprenant au moins de l'éthylène).
  • A titre d'exemple de polymères d'éthylène, on peut citer le polyéthylène linéaire de basse densité (LLDPE), le polyéthylène de très basse densité (VLDPE), le polyéthylène de basse densité (LDPE), le polyéthylène de moyenne densité (MDPE), le polyéthylène de 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-hexyléthyl acrylate (2HEA), les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfines tels que par exemple les polyéthylène-octène (PEO), les polyéthylène-butène (PEB), les copolymères d'éthylène et de propylène (EPR) tels que par exemple les terpolymères d'éthylène propylène diène (EPDM), le poly(téréphtalate d'éthylène) (PET), ou un de leurs mélanges, et/ou un de leurs dérivés.
  • On préférera utiliser un EVA avec un faible taux de groupements d'acétate de vinyle (moins de 20% en poids) afin de limiter la présence de fonctions polaires, ou plus avantageusement un polyéthylène de type VLDPE, LDPE, LLDPE, MDPE ou HDPE.
  • La composition polymérique de la couche à gradient de propriété électrique peut comprendre plus de 50,0 parties en poids de polyoléfine pour 100 parties en poids de polymère(s) (i.e. matrice polymère) dans la composition, de préférence au moins 70 parties en poids de polyoléfine pour 100 parties en poids de polymère(s) dans ladite composition, et de façon particulièrement préférée au moins 90 parties en poids de polyoléfine pour 100 parties en poids de polymère(s) dans ladite composition.
  • De façon particulièrement avantageuse, le ou les polymères constitutifs de la composition polymérique de la couche à gradient de propriété électrique sont uniquement une ou des polyoléfines. Dans ce cas, on préférera utiliser un seul type de polymère dans la composition tel qu'un EVA avec un faible taux de groupements d'acétate de vinyle, ou un VLDPE, un LDPE, un LLDPE, un MDPE ou un HDPE.
  • Le terme « polyépoxyde » (ou « polymère époxyde ») en tant que tel signifie de façon générale un polymère multi-composants obtenu par polymérisation de monomères époxydes avec un agent de réticulation, ledit agent de réticulation pouvant être du type anhydride d'acide, phénol, ou amine.
  • A titre d'exemple de polyépoxyde, on peut citer les DiGlycidylEther du Bisphenol A (DGEBA).
  • Lorsque le polymère de la composition est un polymère inorganique, ledit polymère inorganique peut comprendre au moins un polysiloxane. Dans la présente invention, les polymères inorganiques sont donc bien différents des polymères organiques.
  • En effet, les polysiloxanes, ou silicones, sont des composés inorganiques formés d'une chaîne silicium-oxygène (...-Si-O-Si-O-Si-O-...) sur laquelle des groupes peuvent se fixer sur les atomes de silicium.
  • A titre d'exemple, on peut citer le poly(diméthylsiloxane).
  • Le câble électrique de l'invention peut en outre comprendre un écran métallique entourant la couche à gradient de propriété électrique.
  • Cet écran métallique peut être un écran dit « filaire », composé d'un ensemble de conducteurs en cuivre ou aluminium arrangés autour et le long de la couche à gradient de propriété électrique, un écran dit « rubané » composé d'un ou de plusieurs rubans métalliques conducteurs posé(s) en hélice autour de la couche à gradient de propriété électrique, ou d'un écran dit « étanche » de type tube métallique entourant la couche à gradient de propriété électrique. 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'écrans 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 également comprendre une gaine extérieure de protection entourant la couche à gradient de propriété électrique, 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 l'incendie. Notamment, si ces derniers matériaux ne contiennent pas d'halogène, on parle de gainage de type HFFR (pour l'anglicisme « Halogen Free Flame Retardant »).
  • Le câble électrique de l'invention peut être avantageusement un câble d'énergie à moyenne ou à haute tension, pouvant notamment comprendre ledit écran métallique et ladite gaine de protection.
  • Dans un mode de réalisation particulier, la couche à gradient de propriété électrique est de préférence directement en contact physique avec le conducteur électrique allongé, et/ou directement en contact physique avec l'écran métallique lorsqu'il existe.
  • En d'autres termes, la surface interne de la couche à gradient de propriété électrique est de préférence directement en contact physique avec le conducteur électrique allongé, et/ou la surface externe de la couche à gradient de propriété électrique est de préférence directement en contact physique avec l'écran métallique lorsqu'il existe.
  • Dans un mode de réalisation particulier, la couche à gradient de propriété électrique de l'invention est une couche extrudée, l'extrusion étant un procédé bien connu de l'homme du métier.
  • Un autre objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d'une monocouche à gradient de propriété électrique selon la revendication 14.
  • La monocouche à gradient de propriété électrique dudit procédé est plus particulièrement celle définie dans la présente invention, et notamment dans la revendication 14.
  • Ledit premier traitement thermique permet de former un premier gradient de propriété électrique de la première surface vers ladite zone.
  • Ledit deuxième traitement thermique permet de former un second gradient de propriété électrique de la deuxième surface vers ladite zone.
  • La composition polymérique du procédé de fabrication ci-dessus est celle décrite dans la présente invention. Notamment, on préférera utiliser les charges carbonées conductrices comme charges électriquement conductrices.
  • Comme défini dans l'invention, la zone située entre la première surface et la deuxième surface comprend notamment une conductivité électrique et/ou de permittivité diélectrique respectivement inférieure à la conductivité électrique et/ou de permittivité diélectrique de la première surface, et respectivement inférieure à la conductivité électrique et/ou de permittivité diélectrique de la deuxième surface.
  • Le contrôle des températures T1 et T2 d'une part, et T3 et T4 d'autre part, permet de contrôler le gradient des cinétiques de percolation, notamment de percolation dynamique, et par conséquent les niveaux de conductivités électriques et/ou de permittivité diélectrique atteints.
  • Bien entendu, il est nécessaire que :
    • la température T1 soit différente de la température T2 pour former ledit premier gradient de propriété électrique, et
    • la température T3 soit différente de la température T4 pour former ledit deuxième gradient de propriété électrique.
  • La différence entre les températures T1 et T2 peut être d'au moins 10°C, de préférence d'au moins 50°C, et de façon particulièrement préférée d'au moins 100°C.
  • La différence entre les températures T3 et T4 peut être d'au moins 10°C, de préférence d'au moins 50°C, et de façon particulièrement préférée d'au moins 100°C.
  • La température T1 peut être de préférence supérieure à la température T2.
  • La température T4 peut être de préférence supérieure à la température T3.
  • La température T1 peut être de préférence une température égale ou supérieure à la température de fusion Tf ou de transition vitreuse Tg dudit polymère.
  • La température T2 peut être de préférence une température égale ou inférieure à la température de fusion Tf ou de transition vitreuse Tg dudit polym ère.
  • La température T4 peut être de préférence une température égale ou supérieure à la température de fusion Tf ou de transition vitreuse Tg dudit polymère.
  • La température T3 peut être de préférence une température égale ou inférieure à la température de fusion Tf ou de transition vitreuse Tg dudit polymère.
  • Dans un mode de réalisation particulier, la température T1 peut être sensiblement égale à la température T4 et/ou la température T2 peut être sensiblement égale à la température T3.
  • Dans la présente invention, la température de fusion Tf est à considérer lorsque par exemple le polymère est un polymère semi-cristallin ou cristallin. La température de transition vitreuse Tg est à considérer lorsque par exemple le polymère est un polymère amorphe. Ces types de structure de polymère sont bien connus de l'homme du métier.
  • Les traitements thermiques de l'invention peuvent être effectués par des techniques bien connues de l'homme du métier, telles que par exemple par convection, conduction et/ou irradiation
  • Les traitements thermiques (i.e. étapes de chauffage) de la composition polymérique de l'invention permettent avantageusement de former des gradients de conductivité électrique et/ou de permittivité diélectrique dans l'épaisseur même de la couche polymérique obtenue à partir de ladite composition polymérique.
  • En effet, grâce au traitement thermique, la relaxation des chaînes de polymère à l'état fondu ou visqueux, associée à des forces de floculation, entraînent une modification de la microstructure de la composition polymérique, favorisant ainsi la formation ou l'amélioration du réseau percolant.
  • La cinétique de cet auto-arrangement des charges électriquement conductrices, est notamment dépendante de la température. En d'autres termes, les températures élevées comparativement à la température de fusion Tf des polymères semi-cristallins ou de transition vitreuse Tg des polymères amorphes se traduisent par une cinétique de renforcement du réseau de charges élevée et mènent à des valeurs élevées de conductivité électrique et/ou de permittivité diélectrique de la couche polymérique. En revanche, aux températures proches de Tf ou de Tg, la vitesse d'auto-arrangement reste faible et les propriétés électriques de la couche polymérique ne sont que faiblement affectées. Autrement dit, la complétion du réseau de charges électriquement conductrices, associée aux niveaux de conductivité électrique et/ou de permittivité diélectrique présentés par la couche polymérique de l'invention, se trouve directement corrélée à la température du traitement thermique dit « traitement de mûrissement ».
  • Les températures caractéristiques des transitions physicochimiques d'une composition polymérique, du type réticulé(e) ou non, peuvent être classiquement déterminées par analyse calorimétrique différentielle (DSC) avec une rampe de température de 10°C/min sous atmosphère d'azote.
  • Dans un mode de réalisation particulier, lorsque la couche polymérique entoure un conducteur électrique allongé, tel que celui défini dans la présente invention, pour former un câble électrique, ledit conducteur électrique allongé peut être utilisé comme source de chaleur pour l'application du premier et/ou du deuxième traitement(s) thermique(s).
  • En considérant que la première surface de la couche polymérique est la surface interne en contact avec le conducteur électrique, et la deuxième surface de la couche polymérique est la surface externe, le premier traitement thermique peut consister à appliquer un courant à travers le conducteur électrique allongé pour chauffer à une température T1, par effet Joule ou par induction, la surface interne de la couche polymérique, alors que la surface externe de la couche polymérique est maintenue à une température T2 inférieure à la température T1.
  • Le deuxième traitement thermique peut consister à chauffer, notamment par convection, conduction ou irradiation, la surface externe de la couche polymérique, alors que la surface interne de la couche polymérique est maintenue à une température T3 inférieure à la température T4.
  • Bien entendu, si le câble électrique comprend en outre un élément électriquement conducteur entourant ladite couche polymérique, tel que par exemple un écran métallique, ce dernier peut être utilisé comme moyen de chauffage de la surface externe de la couche polymérique, en faisant passer un courant à travers cet élément électriquement conducteur.
  • Les températures T1, T2, T3 et T4 sont celles définies dans l'invention.
  • L'étape de traitement thermique s'effectue de préférence postérieurement à toute étape de mise en œuvre de la composition polymérique de l'invention.
  • Plus particulièrement, une fois la composition polymérique mise en œuvre pour former la couche polymérique de l'invention, les traitements thermiques peuvent être appliqués à ladite couche polymérique.
  • Les traitements thermiques peuvent ainsi être appliqués sur une couche polymérique sous forme :
    • d'une couche extrudée obtenue par extrusion de la composition polymérique de l'invention, et/ou
    • d'un élément ou d'une plaque, obtenu par moulage ou par injection de la composition polymérique de l'invention.
  • En outre, si la couche d'un matériau polymérique à gradient de propriété électrique est une couche réticulée, l'étape de traitement thermique s'effectue de préférence préalablement à la réticulation de ladite couche.
  • Le procédé de l'invention peut comprendre en outre une étape supplémentaire, comprise entre le premier traitement thermique et le deuxième traitement thermique.
  • Cette étape supplémentaire consiste à refroidir la couche polymérique à une température inférieure à la température de fusion Tf ou de transition vitreuse Tg dudit polymère, une fois le premier traitement thermique réalisé, et avant de réaliser le deuxième traitement thermique.
  • D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence aux figures annotées, lesdits exemples et figures étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif.
    • La figure 1 représente une vue schématique en coupe transversale d'un câble électrique selon un mode de réalisation préféré conforme à l'invention.
    • La figure 2 représente l'évolution de la conductivité électrique dans l'épaisseur E de la couche à gradient de propriété électrique, dans 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 conducteur électrique central allongé 2, notamment en cuivre ou en aluminium, et, successivement et coaxialement autour de ce conducteur électrique central 2 se trouve :
    • une couche 3 à gradient de propriété électrique selon la présente invention, et
    • un écran métallique 4 entourant ladite couche 3.
  • La couche 3 est une couche extrudée, pouvant être réticulée ou non. Cette couche 3 est directement en contact physique avec d'une part le conducteur électrique 2, et d'autre part avec l'écran métallique 4.
  • Cette couche comprend une épaisseur E, délimitée par une surface interne 3a et une surface externe 3b, cette épaisseur E étant sensiblement constante autour du conducteur électrique 2.
  • Cette couche comprend en outre une zone 3c située entre la surface interne 3a et la surface externe 3c. Cette zone 3c est sensiblement à équidistance de la surface interne 3a et de la surface externe 3b, et se trouve au milieu de ladite couche, autour de E/2.
  • Le gradient de propriété électrique dans l'épaisseur E de la couche 3 est tel que la conductivité électrique et/ou de permittivité diélectrique de la surface interne 3a et la conductivité électrique et/ou de permittivité diélectrique de la surface externe 3b sont sensiblement identiques et sont respectivement supérieures à la conductivité électrique et/ou de permittivité diélectrique de la zone 3c.
  • L'écran métallique 4 est du type tube cylindrique, mais ne limite nullement l'invention. Une gaine extérieure de protection (non représentée) peut être également positionnée autour de l'écran métallique 4.
  • La figure 2 illustre l'évolution de la conductivité électrique au sein de la couche à gradient de propriété électrique dans un mode de réalisation préféré conforme à l'invention.
  • En partant de la surface interne 3a où la conductivité électrique est égale à σ1, la conductivité électrique σ1 va diminuer en direction de la zone 3c, cette zone étant située autour du milieu de l'épaisseur E de la couche 3, pour atteindre une conductivité électrique égale à σ2, σ2 étant inférieur à σ1.
  • Puis la conductivité électrique σ2 de la zone 3c va augmenter, au sein de la même couche, pour atteindre une conductivité électrique sensiblement égale à σ1 à la surface externe 3b de la couche à gradient de propriété électrique.
  • Le profil de variation de la conductivité électrique dans l'épaisseur E de la couche à gradient de propriété électrique de l'invention est un profil en forme de « U » dans le mode de réalisation présenté à la figure 2.
  • Le même profil de courbe que celle de la figure 2 (cf. les références aux conductivités électriques étant remplacées par celles des permittivités diélectriques) peut être également obtenu pour l'évolution de la permittivité diélectrique dans l'épaisseur E de la couche à gradient de propriété électrique.
    • Exemples
  • Une couche polymérique présentant un gradient de propriété électrique selon l'invention a été réalisée en appliquant un premier gradient de température puis un deuxième gradient de température, sur un échantillon polymère composite comprenant 5% en poids de nanotubes de carbone conducteurs multiparois.
  • Cet échantillon polymère est obtenu en dispersant, dans une extrudeuse bis-vis, en voie « fondue », un mélange-maître contenant 30% en poids de nanotubes de carbone conducteurs multiparois de type ARKEMA Graphistrength C100 supportés sur une base polyéthylène, dans une matrice polymère VLDPE (« Very Low Density Polyethylene ») ayant un MFI (« Melt Flow Index ») de 7,5 (déterminé selon la norme ASTM D1238), une densité de 0,9 (déterminé selon la norme ASTM D1505), et une température de fusion de 113°C.
  • Une fois l'homogénéisation réalisée, on met en forme la composition polymérique par compression à chaud à 120°C, pour obtenir une plaque de 8 mm d'épaisseur (épaisseur sensiblement constante), avec une surface inférieure (i.e. surface interne) et une surface extérieure (i.e. surface externe).
  • On place ensuite ladite plaque dans une presse à compression à chaud constituée d'un plateau supérieur et d'un plateau inférieur.
  • Un premier gradient de température (i.e. premier traitement thermique) a été établi comme suit :
    • une température T1 de 300°C est appliquée au plateau supérieur de la presse, le plateau supérieur de la presse étant en contact physique avec la surface supérieure de la plaque, et
    • une température T2, régulée pour ne pas dépasser 60°C, est appliquée au plateau inférieur de la presse, le plateau inférieur de la presse étant en contact physique avec la surface inférieure de la plaque.
  • Ce premier traitement thermique s'est déroulé pendant 6 minutes.
  • A la fin du premier traitement thermique, ladite plaque a été refroidie à une température de 25°C.
  • Un deuxième gradient de température (i.e. deuxième traitement thermique) a ensuite été appliqué, à l'aide de la même presse à compression à chaud, et dans les mêmes conditions que le premier traitement thermique, excepté que pour ce deuxième traitement thermique, la plaque a été retournée.
  • On a alors:
    • une température T1 de 300°C appliquée au plateau supérieur de la presse, le plateau supérieur de la presse étant en contact physique avec la surface inférieure de la plaque, et
    • une température T2, régulée pour ne pas dépasser 60°C, appliquée au plateau inférieur de la presse, le plateau inférieur de la presse étant en contact physique avec la surface supérieure de la plaque.
  • Ce deuxième traitement thermique s'est déroulé pendant 6 minutes.
  • A la fin du deuxième traitement thermique, ladite plaque a été refroidie à une température de 25°C.
  • Ensuite, on découpe un échantillon cylindrique au cœur de ladite plaque à l'aide d'un emporte-pièce de 16 mm (i.e. échantillon de 16 mm de diamètre avec une épaisseur de 8 mm).
  • Ledit échantillon est lui-même découpé, à l'aide d'une tronçonneuse de précision équipée d'une meule diamantée, en deux parties égales parallèlement à sa surface externe et à sa surface interne, en son centre pour obtenir deux demi-échantillons ayant chacun un diamètre de 16 mm et une épaisseur de 4 mm.
  • Ainsi, le premier demi-échantillon comprend la surface externe de l'échantillon et la surface dite « de cœur » de l'échantillon, et le deuxième demi-échantillon comprend la surface interne de l'échantillon et la surface dite « de cœur » de l'échantillon.
  • On effectue enfin des mesures de la résistance électrique surfacique à l'aide d'un ohm-mètre et l'on obtient les résultats suivants :
    • Résistance électrique surfacique de la surface supérieure (i.e. surface externe) : 15 kilo-ohm, mesurés entre deux lames de cuivre distantes de 5 mm appliquées sur la surface supérieure de l'échantillon (i.e. surface supérieure du premier demi-échantillon), soit une conductivité électrique (surfacique) équivalente de l'ordre de 5.10-3 S/m ;
    • Résistance électrique surfacique de la surface inférieure (i.e. surface interne) : 15 kilo-ohm, mesurés entre deux lames de cuivre distantes de 5 mm, appliquées sur la surface inférieure de l'échantillon (i.e. surface inférieure du deuxième demi-échantillon), soit une conductivité électrique (surfacique) équivalente de l'ordre de 5.10-3 S/m ; et
    • Résistance électrique surfacique de la surface de cœur (du premier demi-échantillon ou du deuxième demi-échantillon) : très supérieure à 10 giga-ohm (non mesurable avec l'équipement employé), mesurés entre deux lames de cuivre distantes de 5 mm appliquées sur la surface de cœur du premier ou du deuxième demi-échantillon, soit une conductivité électrique (surfacique) équivalente inférieure à 1.10-9 S/m.
  • Il est important de souligner que l'amplitude des gradients de conductivité électrique formés dans le matériau, tout comme les valeurs de conductivités électriques maximales et minimales peuvent être modulées en contrôlant le profil des températures appliquées, les durées des traitements thermiques, la composition massique en charges électriquement conductrices ainsi que la nature et/ou le facteur de forme desdites charges. Enfin, la notion « d'affinité charges-matrice polymère », bien connue de l'homme du métier, peut également jouer un rôle prépondérant dans l'obtention et le contrôle dudit gradient de propriété électrique que ce soit au niveau des valeurs de la conductivité électrique ou des valeurs de la permittivité diélectrique.

Claims (24)

  1. Câble électrique (1) comprenant un conducteur électrique allongé (2), caractérisé en ce que le câble électrique (1) comprend en outre une couche (3) à gradient de propriété électrique, du type monocouche, obtenue à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère et des charges électriquement conductrices, ladite couche (3) à gradient de conductivité entourant le conducteur électrique allongé (2), ladite couche (3) comprenant une surface interne (3a), une surface externe (3b) et une zone (3c) située entre ladite surface interne (3a) et ladite surface externe (3b), ladite zone (3c) ayant :
    - une conductivité électrique et/ou une permittivité diélectrique respectivement inférieure à la conductivité électrique et/ou à la permittivité diélectrique de la surface interne (3a), et
    - une conductivité électrique et/ou une permittivité diélectrique respectivement inférieure à la conductivité électrique et/ou à la permittivité diélectrique de la surface externe (3b).
  2. Câble électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (3) à gradient de conductivité comprend :
    - un premier gradient de propriété électrique dont la conductivité électrique et/ou la permittivité diélectrique diminue de la surface interne (3a) vers ladite zone (3c), et
    - un second gradient de propriété électrique dont la conductivité électrique et/ou la permittivité diélectrique diminue de la surface externe (3b) vers ladite zone (3c).
  3. Câble électrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les charges électriquement conductrices sont des charges carbonées conductrices.
  4. Câble électrique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les charges carbonées conductrices sont choisies parmi les noirs de carbone, les fibres de carbone, les graphites, les graphènes, les fullerènes, les nanotubes de carbone, et un de leurs mélanges.
  5. Câble électrique selon la revendication 4, caractérisé en ce que les nanotubes de carbone sont choisis parmi les nanotubes de carbone à simple paroi, les nanotubes de carbone à double paroi, les nanotubes de carbone multiparois, et un de leurs mélanges.
  6. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conductivité électrique de surface interne (3a) est d'au moins 1.10-9 S/m.
  7. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conductivité électrique de la surface externe (3b) est d'au moins 1.10-9 S/m.
  8. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conductivité électrique de la zone (3c) est d'au plus 1.10-9 S/m.
  9. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition polymérique de la couche à gradient de propriété électrique comprend au plus 30% en poids de charges électriquement conductrices.
  10. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche (3) à gradient de propriété électrique est directement en contact physique avec le conducteur électrique (2).
  11. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un écran métallique (4) entourant la couche (3) à gradient de conductivité.
  12. Câble électrique selon la revendication 11, caractérisé en ce que la couche à gradient de propriété électrique (3) est directement en contact physique avec le conducteur électrique (2) et avec l'écran métallique (4).
  13. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche à gradient de propriété électrique (3) est une couche extrudée.
  14. Procédé de fabrication d'une monocouche (3) à gradient de propriété électrique pour un câble électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes :
    - réaliser une couche polymérique obtenue à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère et des charges électriquement conductrices, ladite couche polymérique comprenant une première surface (3a), une deuxième surface (3b), et une zone située entre ladite première surface (3a) et ladite deuxième surface (3b),
    - réaliser un premier traitement thermique de ladite couche polymérique en appliquant une première température T1 à la première surface (3a) et une deuxième température T2 différente de la première température T1 à la deuxième surface (3b), de sorte à avoir une conductivité électrique et/ou une permittivité diélectrique dans la zone (3c) respectivement inférieure à la conductivité électrique et/ou la permittivité diélectrique de la première surface (3a),
    - réaliser un deuxième traitement thermique de la couche polymérique en appliquant une troisième température T3 à la première surface (3a) et une quatrième température T4 différente de la troisième température T3 à la deuxième surface (3b), de sorte à avoir une conductivité électrique et/ou une permittivité diélectrique dans la zone (3c) respectivement inférieure à la conductivité électrique et/ou la permittivité diélectrique de la deuxième surface (3b), pour obtenir ladite monocouche (3) à gradient de propriété électrique.
  15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la température T1 est supérieure à la température T2.
  16. Procédé selon la revendication 14 ou 15, caractérisé en ce que la température T4 est supérieure à la température T3.
  17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que la température T1 est une température égale ou supérieure à la température de fusion Tf ou de transition vitreuse Tg dudit polymère.
  18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 17, caractérisé en ce que la température T2 est une température égale ou inférieure à la température de fusion Tf ou de transition vitreuse Tg dudit polymère.
  19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 18, caractérisé en ce que la température T4 est une température égale ou supérieure à la température de fusion Tf ou de transition vitreuse Tg dudit polymère.
  20. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 19, caractérisé en ce que la température T3 est une température égale ou inférieure à la température de fusion Tf ou de transition vitreuse Tg dudit polymère.
  21. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 20, caractérisé en ce que la température T1 est sensiblement égale à la température T4.
  22. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 21, caractérisé en ce que la température T2 est sensiblement égale à la température T3.
  23. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 22, caractérisé en ce que, lorsque la couche polymérique entoure un conducteur électrique allongé (2), ledit conducteur électrique (2) est utilisé comme source de chaleur pour l'application du premier et/ou du deuxième traitement(s) thermique(s).
  24. Procédé selon l'une quelconque des revendications 14 à 23, caractérisé en ce que les charges électriquement conductrices sont des charges carbonées conductrices.
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