FR2710447A1 - Isolation structure for cable. - Google Patents
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Abstract
La présente invention a pour objet une structure d'isolement pour câble comportant au moins une première couche semi-conductrice contigüe et coaxiale à l'âme du câble, entourée d'une seconde couche électriquement isolante, elle-même recouverte par une troisième couche semi-conductrice, caractérisée par le fait que lesdites couches conductrices sont composées exclusivement d'une matrice comportant des polymères apolaires dont les composants ont une masse molaire supérieure à 1000 et d'une charge conductrice.The subject of the present invention is an insulation structure for cables comprising at least one first semiconductor layer contiguous and coaxial with the core of the cable, surrounded by a second electrically insulating layer, itself covered by a third semi layer -conductive, characterized in that said conductive layers are composed exclusively of a matrix comprising apolar polymers whose components have a molar mass greater than 1000 and of a conductive filler.
Description
Structure d'isolement pour câble La présente invention concerne uneThe present invention relates to a cable insulation structure.
structure d'isolement pour câble moyenne, haute, et très haute tension transportant du courant continu ou alternatif. 5 Ces câbles sont généralement constitués d'une âme conductrice entourée d'une structure d'isolement qui lui est coaxiale. Cette structure comporte au moins une première couche semi-conductrice placée au contact de l'âme du câble, elle-même entourée d'une seconde couche électriquement10 isolante, à son tour recouverte par une troisième couche semi-conductrice. D'autres couches extérieures servent à la protection du câble. La couche isolante est habituellement à base de polyéthylène haute densité ou basse densité, de polyéthylène insulation structure for medium, high and very high voltage cables carrying direct or alternating current. 5 These cables generally consist of a conductive core surrounded by an insulation structure which is coaxial with it. This structure comprises at least a first semiconductor layer placed in contact with the core of the cable, itself surrounded by a second electrically insulating layer, in turn covered by a third semiconductor layer. Other outer layers are used to protect the cable. The insulating layer is usually based on high density or low density polyethylene, polyethylene
réticulé, ou bien encore de terpolymère d'éthylène- propylène-diène à chaine principale méthylène (EPDM). crosslinked, or alternatively ethylene-propylene-diene terpolymer with methylene main chain (EPDM).
Les couches semi-conductrices sont en général composées d'une matrice polaire, le plus souvent un copolymère d'éthylène et d'acrylate d'alkyl, qui est chargée20 par du noir de carbone. La quantité de charge varie suivant la nature du noir de carbone utilisé. Pour un noir d'acétylène ou un noir au four, la proportion de charge est généralement comprise entre 28% et 40%. La rigidité diélectrique d'un tel câble est très liée à la qualité de l'interface entre la couche semi-conductrice et la couche isolante. La moindre aspérité au niveau de The semiconductor layers are generally composed of a polar matrix, most often a copolymer of ethylene and alkyl acrylate, which is charged with carbon black. The amount of filler varies according to the nature of the carbon black used. For an acetylene black or an oven black, the proportion of filler is generally between 28% and 40%. The dielectric strength of such a cable is very much linked to the quality of the interface between the semiconductor layer and the insulating layer. The slightest roughness in
cette interface peut provoquer un renforcement du champ électrique et conduire au claquage et à la perforation de la couche isolante. this interface can cause a strengthening of the electric field and lead to breakdown and perforation of the insulating layer.
Pour obtenir lors de l'extrusion une interface aussi lisse que possible, la matrice des couches semi-conductrices des câbles haute tension actuellement commercialisés est généralement à base d'un polymère d'indice de fluidité ou "melt index" élevé de l'ordre de 17 (Un "melt index" élevé est le signe de la présence de faibles masses molaires, il est mesuré suivant les normes ASTM référence D1238 ou NFT 51-016), et possédant une distribution très large en masses molaires. Mais on a constaté dans la couche isolante, à proximité des couches semi- conductrices, l'apparition de5 charges d'espace dont l'accumulation entraine une détérioration de la tenue diélectrique de l'isolant pouvant aller jusqu'au claquage. Certains fabricants de semi-conducteurs utilisent des matrices apolaires à base d'un copolymère de l'éthylène (EPR: élastomère thermoplastique d'éthylène-propylène, ou EPDM: terpolymère d'éthylène-propylène-diène à chaîne principale méthylène), auxquelles ils ajoutent des huiles ou des plastifiants pour faciliter l'obtention d'un bon état de surface de la couche semi-conductrice. Or ces huiles ou15 plastifiants diffusent dans la couche isolante et créent au niveau de l'interface entre la couche semi-conductrice et la couche isolante, o le champ électrique est le plus élevé, une région de plus faible rigidité diélectrique. La présente invention a pour but de procurer une structure d'isolement pour câble moyenne, haute, et très haute tension transportant du courant continu ou alternatif, présentant des caractéristiques diélectriques plus stables au cours du temps que celles connues jusqu'à présent. L'objet de la présente invention est une structure d'isolement pour câble comportant au moins une première couche semi-conductrice contig e et coaxiale à l'âme du câble, entourée d'une seconde couche électriquement isolante, elle-même recouverte par une troisième couche semi-conductrice. Les couches semi-conductrices sont30 composée exclusivement d'une matrice comportant des polymères apolaires dont les composants ont une masse To obtain as smooth an interface as possible during extrusion, the matrix of semiconductor layers of high-voltage cables currently on the market is generally based on a polymer with a high melt index or "melt index" of around of 17 (A high "melt index" is the sign of the presence of low molar masses, it is measured according to the ASTM standards reference D1238 or NFT 51-016), and having a very wide distribution in molar masses. However, it has been observed in the insulating layer, near the semiconductor layers, the appearance of 5 space charges, the accumulation of which leads to a deterioration in the dielectric strength of the insulator, which can go as far as breakdown. Some semiconductor manufacturers use nonpolar matrices based on an ethylene copolymer (EPR: thermoplastic ethylene-propylene elastomer, or EPDM: ethylene-propylene-diene terpolymer with methylene main chain), to which they add oils or plasticizers to facilitate obtaining a good surface condition of the semiconductor layer. However, these oils or plasticizers diffuse in the insulating layer and create at the interface between the semiconductor layer and the insulating layer, where the electric field is the highest, a region of lower dielectric strength. The object of the present invention is to provide an insulation structure for medium, high and very high voltage cables carrying direct or alternating current, having dielectric characteristics more stable over time than those known up to now. The object of the present invention is an insulation structure for cables comprising at least one first semiconductor layer contiguous and coaxial with the core of the cable, surrounded by a second electrically insulating layer, itself covered by a third semiconductor layer. The semiconductor layers are composed exclusively of a matrix comprising nonpolar polymers whose components have a mass
molaire supérieure à 1000 et d'une charge conductrice. De préférence, les composants de la matrice ont une masse moléculaire supérieure à 5000. molar greater than 1000 and a conductive charge. Preferably, the components of the matrix have a molecular weight greater than 5000.
Si les couches semi-conductrices contiennent des composés de faibles masses molaires ou des additifs, comme des huiles ou des plastifiants, ces composés migrent dans la couche isolante. Ce phénomène a pour conséquence la formation de charges d'espaces qui vont provoquer des renforcement de champ électrique et peuvent conduire 5 ultérieurement à des claquages. Ce renforcement de champ est lié à la quantité de charges formées mais également à leur If the semiconductor layers contain low molecular weight compounds or additives, such as oils or plasticizers, these compounds migrate into the insulating layer. This phenomenon results in the formation of space charges which will cause an electric field reinforcement and may subsequently lead to breakdowns. This field reinforcement is linked to the quantity of charges formed but also to their
mobilité: une quantité de charges uniformément réparties ne donnant pas de renforcement de champ aussi important que la même quantité de charges localisées. Cette migration peut se10 produire au cours de la mise en oeuvre ou au cours du fonctionnement du câble. mobility: an amount of uniformly distributed charges not giving as much field strength as the same amount of localized charges. This migration can occur during installation or during cable operation.
L'emploi d'une couche semi-conductrice de composition selon l'invention ne comportant que des composés de masse The use of a semiconductor layer of composition according to the invention comprising only mass compounds
molaire élevée, empêche la migration d'espèces dans la15 couche isolante et par là même l'accumulation de charges d'espace à proximité des interfaces. high molar, prevents migration of species into the insulating layer and thereby the accumulation of space charges near the interfaces.
Selon une première variante de réalisation, la matrice est choisie parmi le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, et leurs copolymères, les alliages de polymères20 choisis parmi le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, et leurs copolymères, et les mélanges des composés choisis parmi le polyéthylène, le polypropylène, le polystyrène, leurs copolymères, et les alliages précédemment cités.25 Selon une seconde variante de réalisation, la matrice est choisie parmi les élastomères thermoplastiques polyoléfiniques et leurs mélanges. Du choix des polymères constituants la matrice dépendra la qualité de son interface avec la couche isolante According to a first alternative embodiment, the matrix is chosen from polyethylene, polypropylene, polystyrene, and their copolymers, the polymer alloys chosen from polyethylene, polypropylene, polystyrene, and their copolymers, and mixtures of the compounds chosen. among polyethylene, polypropylene, polystyrene, their copolymers, and the alloys previously cited.25 According to a second variant embodiment, the matrix is chosen from polyolefinic thermoplastic elastomers and their mixtures. On the choice of the constituent polymers, the matrix will depend on the quality of its interface with the insulating layer.
et les propriétés mécaniques de la couche semi-conductrice obtenue, sans nécessiter le recours à des additifs. and the mechanical properties of the semiconductor layer obtained, without requiring the use of additives.
La présente invention a pour avantage de stabiliser les caractéristiques diélectriques de la structure d'isolement en supprimant la migration des composés de35 faible masse molaire. En conséquence, la qualité de l'interface entre les différentes couches devient un paramètre moins critique. La charge est un noir de carbone contenant le moins possible d'impuretés. On peut utiliser un noir au four ou un noir "KETJEN", mais on choisira de préférence, un noir d'acétylène qui est beaucoup plus pur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture des exemples suivants, donnés bien entendu à titre illustratif et non limitatif, et10 en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 montre le schéma général de l'installation d'essai de l'onde de pression, - la figure 2 représente une vue de dessus de l'échantillon de la structure d'isolement pour l'essai de l'onde de pression, The present invention has the advantage of stabilizing the dielectric characteristics of the insulation structure by suppressing the migration of low molecular weight compounds. Consequently, the quality of the interface between the different layers becomes a less critical parameter. The filler is a carbon black containing as few impurities as possible. We can use a black oven or a black "KETJEN", but we will preferably choose an acetylene black which is much purer. Other characteristics and advantages of the present invention will appear on reading the following examples, of course given by way of illustration and not limitation, and with reference to the appended drawing in which: - Figure 1 shows the general diagram of the installation d pressure wave test, FIG. 2 represents a top view of the sample of the insulation structure for the pressure wave test,
- la figure 3 une coupe schématique de l'échantillon de la figure 2. - Figure 3 a schematic section of the sample of Figure 2.
L'essai de l'onde de pression est effectué à l'aide de l'installation représentée sur la figure 1. Ce test permet The pressure wave test is carried out using the installation shown in Figure 1. This test allows
d'évaluer le renforcement du champ électrique dans une structure d'isolement. to assess the strengthening of the electric field in an isolation structure.
Un échantillon 1 de la structure d'isolement pour l'essai de l'onde de pression est représenté vue de dessus sur la figure 2 et en coupe sur la figure 3. Sur une surface25 circulaire de diamètre A 20mm, on trouve superposées: - une première couche 2 semi-conductrice d'épaisseur B 0, 5mm, - une seconde couche 3 électriquement isolante d'épaisseur C 0,8mm, A sample 1 of the insulation structure for testing the pressure wave is shown seen from above in FIG. 2 and in section in FIG. 3. On a circular surface 25 of diameter A 20 mm, we find superimposed: - a first semiconductor layer 2 of thickness B 0.5 mm, - a second electrically insulating layer 3 of thickness C 0.8 mm,
- une troisième couche 4 semi-conductrice identique à la couche 2. - a third semiconductor layer 4 identical to layer 2.
L'installation représentée sur la figure 1, se compose d'un laser 10 "YAg" dont le faisceau est envoyé sur une cible 11 correspondant à l'échantillon 1 dont chaque semi-35 conducteur constitue une électrode (+ ) et (-). Ce faisceau absorbé en surface de l'électrode 2 (-) décompose cette surface par pyrolyse, et les gaz émis provoquent une onde de pression qui traverse l'échantillon. Cette onde module les charges-images sur les électrodes et donne accès à la densité de charge volumique dans l'échantillon.5 Une photodiode 12 permet de synchroniser un détecteur 13 au laser 10. Le circuit est alimenté électriquement par une alimentation haute tension 14 munie d'une résistance 15. Les données enregistrées sont transférées pour être traitées par un ordinateur 16 et10 représentées en fonction du temps sur un enregisteur graphique 17. Le laser 10 envoie une onde sur la cible 11 The installation represented in FIG. 1, is composed of a laser 10 "YAg" whose beam is sent to a target 11 corresponding to the sample 1 of which each semiconductor 35 constitutes an electrode (+) and (-) . This beam absorbed at the surface of electrode 2 (-) decomposes this surface by pyrolysis, and the gases emitted cause a pressure wave which crosses the sample. This wave modulates the image charges on the electrodes and gives access to the volume charge density in the sample.5 A photodiode 12 makes it possible to synchronize a detector 13 with the laser 10. The circuit is electrically supplied by a high voltage power supply 14 provided of a resistor 15. The recorded data are transferred to be processed by a computer 16 and 10 represented as a function of time on a graphic recorder 17. The laser 10 sends a wave to the target 11
provoquant l'apparition de charges d'espace et la modification de la répartition du champ électrique qui alors est mesurée par le détecteur 13. causing the appearance of space charges and the modification of the distribution of the electric field which is then measured by the detector 13.
EXEMPLE 1EXAMPLE 1
On réalise un échantillon de la structure d'isolement selon l'art antérieur, analogue à l'échantillon représenté sur la figure 2, comportant: - une première couche semi-conductrice composée d'une matrice polaire à base d'un copolymère d'éthylène et d'acrylate d'alkyl dont le "melt index" a pour valeur 8 et dont la teneur en ester est de 20%, à laquelle est ajoutée une charge de noir d'acétylène dans une proportion de 66 parts en poids par rapport à 100 parts de la matrice, - une seconde couche électriquement isolante composée d'un élastomère thermoplastique oléfinique, A sample of the insulation structure according to the prior art is produced, analogous to the sample shown in FIG. 2, comprising: - a first semiconductor layer composed of a polar matrix based on a copolymer of ethylene and alkyl acrylate whose “melt index” has the value 8 and whose ester content is 20%, to which is added a charge of acetylene black in a proportion of 66 parts by weight relative to at 100 parts of the matrix, - a second electrically insulating layer composed of an olefinic thermoplastic elastomer,
- une troisième couche semi-conductrice identique à la première couche. - a third semiconductor layer identical to the first layer.
Cet échantillon est alors soumis à l'essai d'onde de pression à l'aide de l'installation représentée sur la figure 1. On constate l'apparition dans des proportions This sample is then subjected to the pressure wave test using the installation shown in FIG. 1. The appearance is observed in proportions
importantes de charges négatives à la cathode 2. Le renforcement du champ est alors supérieur à 20% et les charges restent piégées dans le matériau plusieurs heures35 après la coupure de la tension. significant negative charges at the cathode 2. The reinforcement of the field is then greater than 20% and the charges remain trapped in the material for several hours after the voltage has been cut off.
EXEMPLE 2EXAMPLE 2
On réalise un échantillon de la structure d'isolement selon l'art antérieur, analogue à l'échantillon représenté sur la figure 2, comportant:5 - une première couche semi-conductrice composée d'une matrice polaire à base d'un copolymère d'éthylène et d'acrylate d'alkyl dont le "melt index" a pour valeur 8 et dont la teneur en ester est de 20%, à laquelle est ajoutée une charge de noir d'acétylène dans une proportion de10 66 parts en poids par rapport à 100 parts de la matrice, - une seconde couche électriquement isolante composée d'un polyéthylène réticulé chimiquement(PRC), A sample of the isolation structure according to the prior art is produced, analogous to the sample shown in FIG. 2, comprising: 5 - a first semiconductor layer composed of a polar matrix based on a copolymer d ethylene and alkyl acrylate whose "melt index" has the value 8 and whose ester content is 20%, to which is added a charge of acetylene black in a proportion of 10 66 parts by weight per relative to 100 parts of the matrix, - a second electrically insulating layer composed of a chemically crosslinked polyethylene (PRC),
- une troisième couche semi-conductrice identique à la première couche. - a third semiconductor layer identical to the first layer.
Cet échantillon est alors soumis à l'essai d'onde de pression à l'aide de l'installation représentée sur la This sample is then subjected to the pressure wave test using the installation shown on the
figure 1. On constate l'apparition dans des proportions importantes de charges négatives à proximité de la cathode 2 et qui restent piégées dans la matrice de la couche isolante20 après coupure de la tension. Le renforcement du champ est supérieur à 20%. Figure 1. There is the appearance in significant proportions of negative charges near the cathode 2 and which remain trapped in the matrix of the insulating layer20 after cutting the voltage. The reinforcement of the field is more than 20%.
EXEMPLE 3EXAMPLE 3
On réalise un échantillon de la structure d'isolement selon l'invention, analogue à l'échantillon représenté sur la figure 2, comportant: - une première couche semi-conductrice composée d'une matrice apolaire à laquelle est ajoutée une charge de noir d'acétylène dans une proportion de 66 parts en poids par rapport à 100 parts de la matrice; la matrice contient d'une30 part 20% de polyéthylène (PE) dont le "melt index" a pour valeur 2 et dont la masse molaire est comprise entre 103 et 107 et centrée sur 1,1.106, et d'autre part 80% d'un copolymère d'éthylène et de propylène contenant environ 50% en poids d'éthylène dont la viscosité "MOONEY" (mesurée selon la norme NFT 43005) est de l'ordre de 40 et dont la masse molaire est comprise entre 103 et 107 et centrée sur 1,2.105, une seconde couche électriquement isolante composée d'un polyéthylène réticulé chimiquement (PRC), A sample of the isolation structure according to the invention is produced, analogous to the sample shown in FIG. 2, comprising: - a first semiconductor layer composed of an apolar matrix to which is added a charge of black d acetylene in a proportion of 66 parts by weight relative to 100 parts of the matrix; the matrix contains on the one hand 20% of polyethylene (PE) whose "melt index" has the value 2 and whose molar mass is between 103 and 107 and centered on 1.1.106, and on the other hand 80% d '' a copolymer of ethylene and propylene containing approximately 50% by weight of ethylene whose viscosity "MOONEY" (measured according to standard NFT 43005) is of the order of 40 and whose molar mass is between 103 and 107 and centered on 1.2.105, a second electrically insulating layer composed of a chemically crosslinked polyethylene (PRC),
- une troisième couche semi-conductrice identique à la première couche. - a third semiconductor layer identical to the first layer.
Cet échantillon est alors soumis à l'essai d'onde de pression à l'aide de l'installation représentée sur la figure 1. Le renforcement du champ électrique est inférieur This sample is then subjected to the pressure wave test using the installation shown in FIG. 1. The reinforcement of the electric field is less
à 10%, et après coupure de la tension il ne subsiste pas de charges piégées dans le matériau isolant. at 10%, and after switching off the voltage, no charges remain trapped in the insulating material.
EXEMPLE 4EXAMPLE 4
On réalise un échantillon de la structure d'isolement selon l'invention, analogue à l'échantillon représenté sur la figure 2, comportant: - une première couche semi-conductrice composée d'une matrice apolaire à laquelle est ajoutée une charge de noir d'acétylène dans une proportion de 66 parts en poids par20 rapport à 100 parts de la matrice; la matrice contient d'une part 20% de polyéthylène (PE) dont le "melt index" a pour valeur 2 et dont la masse molaire est centrée sur 1,1.106, et d'autre part 80% d'un copolymère d'éthylène et de propylène contenant environ 50% en poids d'éthylène dont la25 viscosité "MOONEY" (selon la norme NFT 43005) est de l'ordre de 40 et dont la masse molaire est comprise entre 103 et 107 et centrée sur 1,2.105, - une seconde couche électriquement isolante composée d'un élastomère thermoplastique oléfinique, A sample of the isolation structure according to the invention is produced, analogous to the sample shown in FIG. 2, comprising: - a first semiconductor layer composed of an apolar matrix to which is added a charge of black d acetylene in a proportion of 66 parts by weight relative to 100 parts of the matrix; the matrix contains on the one hand 20% of polyethylene (PE) whose "melt index" has the value 2 and whose molar mass is centered on 1.106, and on the other hand 80% of an ethylene copolymer and of propylene containing approximately 50% by weight of ethylene whose viscosity "MOONEY" (according to standard NFT 43005) is of the order of 40 and whose molar mass is between 103 and 107 and centered on 1.2.105, - a second electrically insulating layer composed of an olefinic thermoplastic elastomer,
- une troisième couche semi-conductrice identique à la première couche. - a third semiconductor layer identical to the first layer.
Cet échantillon est alors soumis à l'essai d'onde de pression à l'aide de l'installation représentée sur la figure 1. Le renforcement du champ électrique est inférieur This sample is then subjected to the pressure wave test using the installation shown in FIG. 1. The reinforcement of the electric field is less
à 10%, et après coupure de la tension il ne subsiste pas de charges piégées dans le matériau isolant. at 10%, and after switching off the voltage, no charges remain trapped in the insulating material.
EXEMPLE 5 Comparaison Un échantillon analogue à celui décrit dans l'exemple 4 est préparé mais en ajoutant à la matrice des couches semi-conductrices, une huile paraffinique à raison de 5% en poids par rapport à la matrice. Cet échantillon est alors soumis à l'essai d'onde de pression à l'aide de l'installation représentée sur la EXAMPLE 5 Comparison A sample analogous to that described in Example 4 is prepared but by adding to the matrix of the semiconductor layers, a paraffinic oil in an amount of 5% by weight relative to the matrix. This sample is then subjected to the pressure wave test using the installation shown on the
figure 1. Le renforcement du champ dans ce cas est de 140%. figure 1. The reinforcement of the field in this case is 140%.
Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais elle est suceptible Of course the present invention is not limited to the embodiments described, but it is susceptible
de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. En15 particulier, on pourra sans sortir du cadre de l'invention remplacer tout moyen par un moyen équivalent. many variants accessible to those skilled in the art without departing from the spirit of the invention. In particular, without going beyond the ambit of the invention, any means can be replaced by equivalent means.
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