FR2941812A1 - Cable de transmission electrique a haute tension. - Google Patents

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Abstract

La présente invention concerne un câble électrique (10) comprenant au moins un élément composite (1) de renforcement comprenant un ou plusieurs éléments de renforcement noyé(s) au moins partiellement dans une matrice organique, un revêtement (2) entourant ledit ou lesdits éléments composites, et au moins un élément conducteur (3) entourant ledit revêtement (2), caractérisé en ce que le revêtement (2) est étanche tout autour du ou des éléments composites (1) de renforcement.

Description

1
Câble de transmission électrique à haute tension La présente invention se rapporte à un câble électrique. Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement, aux câbles de transmission électrique à haute tension ou câbles aériens de transport d'énergie, bien connus sous l'anglicisme OHL OverHead Unes . Les câbles de transmission électrique de dernière génération ont typiquement, en régime continu, une température de fonctionnement relativement élevée, qui peut être supérieure à 90°C, et atteindre 200°C et plus. Le document US 6 559 385 décrit un câble de transmission électrique de ce type comprenant un élément composite de renforcement central comprenant par exemple une pluralité de fibres de carbone enrobées dans une matrice thermodurcissable du type époxy, un ruban métallique en aluminium enroulé autour dudit élément composite de renforcement, et un élément conducteur entourant ledit revêtement métallique. Toutefois, lorsque ce câble de transmission électrique fonctionne en régime continu à haute température, notamment à une température de fonctionnement supérieure à 90°C, la matrice thermodurcissable de son élément composite de renforcement peut subir une thermooxydation, liée notamment à l'oxygène de l'air, qui engendre une dégradation chimique et de ce fait une augmentation de la porosité de ladite matrice. Ainsi, les propriétés mécaniques de l'élément composite de renforcement, notamment de la matrice organique qui le compose, peuvent diminuer de façon significative et mener à la rupture du câble de transmission électrique. De plus, ladite matrice organique est sujette à tout type de composés extérieurs, autres que l'oxygène de l'air, pouvant également dégrader l'élément composite de renforcement.
Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur. La présente invention a pour objet un câble électrique comprenant : - au moins un élément composite de renforcement comprenant un ou plusieurs éléments de renforcement noyé(s) au moins partiellement dans une matrice organique, - un revêtement entourant ledit ou lesdits éléments composites, et - au moins un élément conducteur entourant ledit revêtement, caractérisé en ce que ledit revêtement est étanche tout autour du ou des éléments composites de renforcement. En d'autres termes, le revêtement de l'invention est dépourvu de jointures ou d'ouvertures.
Le revêtement étanche protège avantageusement l'élément composite de renforcement, quelque soit sa nature, contre toutes agressions auxquelles il pourrait être sensible, ces agressions provenant de composés extérieurs environnant le câble électrique. Ainsi, le revêtement étanche, en configuration opérationnelle du câble électrique, empêche toute pénétration desdits composés extérieurs depuis l'extérieur dudit revêtement vers le ou les éléments composites de renforcement. Les composés extérieurs peuvent être par exemple l'oxygène de l'air. Dans ce cas, le revêtement étanche évite la thermo-oxydation de la matrice organique de l'élément composite de renforcement. Les composés extérieurs peuvent également être l'humidité, l'ozone, la pollution, ou les rayonnements UV, ou bien provenir de produits d'enduction ou de résidus d'huile de tréfilage lors de la fabrication du câble électrique, notamment lors de la pose du ou des éléments conducteurs autour du ou des éléments composites de renforcement.
Le revêtement étanche présente aussi l'avantage de protéger le ou les éléments composites de renforcement lors du placement d'accessoires tels que des jonctions ou ancrages, ou lors de la coupe de l'élément conducteur du câble, et également de le protéger contre l'abrasion. Le revêtement étanche de l'invention peut être avantageusement obtenu par traitement thermique d'un matériau métallique et/ou d'un matériau polymérique. Dans un premier mode de réalisation, le revêtement étanche comporte au moins une couche métallique obtenue par traitement thermique d'un matériau métallique, le traitement thermique permettant d'obtenir l'étanchéité du revêtement. Avantageusement, ce revêtement étanche métallique participe au transport de l'énergie du câble électrique en fonctionnement lorsqu'il est en contact direct avec l'élément conducteur. Le courant circulant dans ce dernier va donc se partager entre le revêtement étanche et l'élément conducteur en fonction de leurs résistances électriques respectives. On entend par au moins une couche métallique un revêtement comportant une ou plusieurs couches d'un métal ou d'un alliage de métaux. Lorsque le revêtement comporte au moins une couche métallique et au moins une couche polymérique, le revêtement est appelé revêtement complexe. Selon une première variante, la couche métallique est obtenue 25 par soudure en long du matériau métallique sous forme d'une bande, la soudure permettant ainsi d'obtenir l'étanchéité. Selon une deuxième variante, la couche métallique est obtenue par soudure hélicoïdale du matériau métallique sous forme d'un ruban, la soudure permettant ainsi d'obtenir l'étanchéité.
Que ce soit dans la première ou dans la deuxième variante, le soudage de la bande métallique ou du ruban métallique peut s'effectuer par des techniques bien connues de l'homme du métier, à savoir par soudure laser ou par soudure à l'arc électrique sous gaz protecteur (TIG pour l'anglicisme Tungsten Inert Gas ou bien MIG pour l'anglicicme Metal Inert Gas ). Selon une troisième variante, la couche métallique est obtenue par extrusion du matériau métallique, le procédé d'extrusion permettant ainsi d'obtenir l'étanchéité.
Selon une autre particularité de l'invention, le revêtement dit métallique , ou couche métallique, est annelé, ou corrugué, afin d'obtenir notamment une meilleure flexibilité dudit revêtement. En d'autres termes, le revêtement métallique étanche présente sur sa surface extérieure des ondulations parallèles, ou hélicoïdales.
Selon une caractéristique du revêtement métallique étanche de l'invention, le matériau métallique est un métal ou un alliage de métaux, et peut être plus particulièrement choisi parmi l'acier, les alliages d'acier, l'aluminium, les alliages d'aluminium, le cuivre, et les alliages de cuivre.
Dans un deuxième mode de réalisation, le revêtement étanche comporte au moins une couche polymérique obtenue par traitement thermique d'un matériau polymérique, le traitement thermique permettant d'obtenir l'étanchéité du revêtement. Plus particulièrement, la couche polymérique est obtenue par 25 ramollissement du matériau polymérique. On entend par ramollissement une température apte à rendre malléable le matériau polymère, ou température de ramollissement, afin de le rendre étanche. Par exemple, pour un thermoplastique cristallin ou serai-cristallin, la température de ramollissement est une température supérieure à la température de fusion du matériau polymérique. Le matériau polymérique peut être choisi parmi un polyimide, un polytétrafluoroéthylène (PTFE), un polymère d'éthylène fluoré (FEP), et 5 un polyoxyméthylène (POM), ou un de leurs mélanges. A titre d'exemple, on peut utiliser un ruban de FEP pour entourer hélicoïdalement le ou les éléments composites avec un taux de recouvrement non nul. Ce ruban de FEP est ensuite traité thermiquement par chauffage à une température d'environ 250°C, 10 température supérieure à sa température de fusion, pour rendre le ruban étanche. Dans un troisième mode de réalisation, le revêtement étanche comporte au moins une couche polymérique et au moins une couche métallique obtenues respectivement par traitement thermique d'un 15 matériau polymérique et d'un matériau métallique. En d'autres termes, ledit revêtement étanche est un revêtement complexe. Les différentes caractéristiques décrites ci-avant dans le premier mode de réalisation et/ou dans le deuxième mode de réalisation s'appliquent. Selon l'invention, le revêtement étanche entourant le ou les 20 éléments composites peut être sous forme d'un tube. Ledit tube peut avoir un diamètre intérieur supérieur ou égal au diamètre extérieur dans lequel sont inscrits le ou les éléments composites de renforcement. Dans le cas où ce diamètre inférieur est supérieur au diamètre extérieur dans lequel sont inscrits le ou les 25 éléments composites de renforcement, le tube est notamment un tube métallique. Ainsi, pour obtenir un diamètre intérieur du tube métallique sensiblement identique audit diamètre extérieur, l'étape d'obtention du tube métallique peut être suivie d'une étape destinée à retreindre, ou en d'autres termes à réduire, le diamètre interne du tube métallique.
Selon une caractéristique du revêtement étanche de l'invention, l'épaisseur dudit revêtement peut être d'au plus 3000 'am, de préférence d'au plus 300 'am, et encore plus préférentiellement comprise entre 150 'am et 250 'am.
Par ailleurs, la matrice organique de l'élément composite de renforcement peut, quant à elle, être choisie parmi une matrice thermoplastique et une matrice thermodurcissable, ou un de leurs mélanges. De préférence, la matrice organique est une matrice thermodurcissable.
A titre d'exemple, la matrice thermodurcissable peut être choisie parmi les époxy, les vinyles esters, les polyimides, les polyesters, les cyanates esters, les phénoliques, les bismaléimides, et les polyuréthanes, ou un de leurs mélanges. Le ou les éléments de renforcement de l'élément composite de 15 renforcement peuvent être choisis parmi les fibres (continues), les nanofibres, et les nanotubes, ou un de leurs mélanges. A titre d'exemple, les fibres (continues) peuvent être choisies parmi les fibres de carbone, de verre, d'aramides (Kevlar), de céramiques, de titanes, de tungstène, de graphites, de bore, de poly(p- 20 phenyl-2,6-benzobisoxazole) (Zylon), de basalte, et d'alumine. Les nanofibres peuvent être des nanofibres de carbones. Les nanotubes peuvent être des nanotubes de carbone. Le ou les éléments de renforcement qui composent l'élément composite de l'invention peuvent être de même nature ou de nature 25 différente. Lesdits éléments de renforcement peuvent ainsi être incorporées au moins partiellement dans au moins une des matrices organiques mentionnées ci-avant. Les éléments composites de renforcement préférés sont des fibres de carbone ou de verre au moins partiellement noyées dans une matrice thermodurcissable de type résine époxy, phénolique, bismaléimide ou cyanate ester. Dans un mode de réalisation particulier, le câble électrique peut comprendre en outre un gaz neutre, comme par exemple l'argon, entre le revêtement étanche et le ou les éléments composites de renforcement. Ce gaz neutre permet de réduire au minimum la quantité d'oxygène en contact avec le ou les éléments composites de renforcement. Dans un mode de réalisation particulier, le conducteur électrique peut comprendre en outre au moins une couche électriquement isolante, comme par exemple une couche en polyétheréthercétone (PEEK), positionnée entre le revêtement étanche et le ou les éléments composites de renforcement. Elle peut entourer notamment au moins un des éléments composites, chaque élément composite, ou l'ensemble formé par tous les éléments composites. Cette couche électriquement isolante permet avantageusement d'éviter l'apparition de courant galvanique entre l'élément composite de renforcement et le revêtement étanche lorsque ce dernier est métallique. Par ailleurs, le câble électrique de l'invention ne comprend pas nécessairement une couche adhésive positionnée entre le ou les éléments composites de renforcement et l'élément conducteur. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence à la figure unique annotée, lesdits exemples et figure étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif. La figure 1 représente de manière schématique et en perspective un câble électrique conforme à la présente invention. Pour des raisons de clarté, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière 30 schématique, et ceci sans respect de l'échelle.
Le câble électrique 10, illustré sur la figure 1, correspond à un câble de transmission électrique à haute tension. Ce câble 10 comprend un élément composite 1 de renforcement central et, successivement et coaxialement autour de cet élément composite 1, un tube métallique 2 en aluminium, et un élément conducteur 3. L'élément conducteur 3 est directement en contact avec le tube métallique 2, et ce dernier est directement en contact avec l'élément composite 1 de renforcement. L'élément composite 1 de renforcement comprend une pluralité de brins de fibre de carbone enrobés dans une matrice thermodurcissable de type époxy. L'élément conducteur 3 est classiquement un assemblage de brins d'aluminium en forme de trapèze torsadés entre eux. Ledit élément conducteur n'est donc aucunement étanche à l'environnement extérieur, et les brins d'aluminium qui le constituent s'écartent d'ailleurs sous l'effet de la chaleur du fait de la dilation thermique de l'élément conducteur. Le tube métallique 2 peut être obtenu à partir d'une bande de métal transformée en tube avec une fente longitudinale par un outil de formage. Puis, la fente longitudinale est soudée, notamment à l'aide d'un dispositif de soudage au laser ou d'un dispositif de soudage à l'arc électrique sous gaz protecteur, après mise en contact et maintient des bords de soudure de ladite bande. Lors de l'étape de soudage, l'élément composite de renforcement peut se trouver à l'intérieur de la bande de métal transformée en tube. Comme indiqué précédemment, d'autres modes de réalisation de ce tube métallique sont possibles. Le tube métallique 2 peut être obtenu à partir d'un ruban de métal enroulé hélicoïdalement autour de l'élément composite de renforcement ou d'un substitut. Puis la fente hélicoïdale de ce ruban métallique est soudée, notamment à l'aide d'un dispositif de soudage au laser ou d'un dispositif de soudage à l'arc électrique sous gaz protecteur, après mise en contact et maintient des bords de soudure dudit ruban. Enfin, le tube métallique 2 peut également être obtenu par extrusion d'un métal ou d'un alliage de métaux sous forme tubulaire. Exemple
Afin de montrer les avantages du câble électrique selon l'invention, des tests comparatifs de vieillissement et de porosité ont été 10 réalisés sur des échantillons de câbles électriques. Un premier câble électrique, câble I1 , est réalisé comme suit. Un élément composite de renforcement comprenant un ensemble de fibres de carbone noyées dans une matrice thermodurcissable de type résine époxy est revêtu d'une couche électriquement isolante de PEEK 15 puis d'une couche d'aluminium étanche. La couche d'aluminium étanche a été réalisée à l'aide d'une bande d'aluminium soudée sur sa longueur afin de créer un tube autour de l'élément composite de renforcement. Puis ce tube en aluminium a été retreint autour dudit élément composite pour former ladite couche d'aluminium étanche.
20 Un deuxième câble électrique, câble Cl , correspond au câble I1 sans qu'il ne comprenne la couche d'aluminium étanche. Le test de vieillissement est réalisé respectivement sur les câbles I1 et Cl. Ce test de vieillissement consiste à laisser vieillir les câbles I1 et Cl dans des étuves à différentes températures. Les 25 échantillons de câbles mesurent entre 65 cm et 85 cm environ. Afin d'éviter la propagation d'oxygène entre la couche d'aluminium étanche et l'élément composite de renforcement, les deux extrémités de l'échantillon de câble I1 sont revêtues de capots métalliques fixés à l'aide de Ruban Kapton et de ruban Teflon afin 30 d'assurer l'étanchéité aux extrémités dudit échantillon.5 Ces échantillons sont ensuite vieillis en isotherme à différentes températures (160, 180, 200 et 220°C) pendant des durées variables (10, 18, 32, 60, 180 et 600 jours). Les échantillons vieillis sont pesés afin de suivre la perte de masse associée à la dégradation de la matrice thermodurcissable. Une mesure de porosité de la matrice thermodurcissable est également réalisée. Sur les échantillons vieillis, trois morceaux de 2 cm environ sont coupés : un morceau de chaque coté des extrémités à environ 2-3cm 10 du bord et un morceau au centre de l'échantillon de câble. Les morceaux sont ensuite insérés dans une résine pour faciliter le processus de polissage, puis poli afin d'obtenir une surface bien plane. Cette surface est ensuite observée au microscope optique, 15 photographiée et analysée à l'aide d'un logiciel d'analyse d'image permettant de mesurer la surface des pores par rapport à la surface de l'échantillon. On en déduit ainsi le taux de porosité de l'échantillon. Au vu des résultats obtenus, le câble électrique selon l'invention présente une amélioration significative des propriétés de vieillissement 20 liées à la présence du revêtement métallique étanche.

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS1. Câble électrique (10) comprenant : - au moins un élément composite (1) de renforcement comprenant un ou plusieurs éléments de renforcement noyé(s) au moins partiellement dans une matrice organique, - un revêtement (2) entourant ledit ou lesdits éléments composites, et - au moins un élément conducteur (3) entourant ledit revêtement (2), caractérisé en ce que ledit revêtement (2) est étanche tout autour du ou des éléments composites (1) de renforcement.
  2. 2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement (2) étanche comporte au moins une couche métallique obtenue par traitement thermique d'un matériau métallique.
  3. 3. Câble selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche métallique est obtenue par soudure en long du matériau métallique sous forme d'une bande.
  4. 4. Câble selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche métallique est obtenue par soudure hélicoïdale du matériau métallique sous forme d'un ruban.
  5. 5. Câble selon la revendication 2, caractérisé en ce que la couche métallique est obtenue par extrusion du matériau métallique.
  6. 6. Câble électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la couche métallique est annelée.
  7. 7. Câble selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le matériau métallique est choisi parmi l'acier, les alliages d'acier, l'aluminium, les alliages d'aluminium, le cuivre, et les alliages de cuivre.
  8. 8. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le revêtement (2) étanche comporte au moins une couche polymérique obtenue par traitement thermique d'un matériau polymérique.
  9. 9. Câble selon la revendication 8, caractérisé en ce que la couche polymérique est obtenue par ramollissement du matériau polymérique.
  10. 10. Câble selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que le matériau polymérique est choisi parmi un polyimide, un polytétrafluoroéthylène (PTFE), un polymère d'éthylène fluoré (FEP), et un polyoxyméthylène (POM), ou un de leurs mélanges.
  11. 11. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement étanche est sous forme d'un tube.
  12. 12. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur du revêtement étanche est d'au plus 3000 dam.
  13. 13. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice de l'élément composite de renforcement est choisie parmi une matrice thermoplastique et une matrice thermodurcissable, ou un de leurs mélanges.
  14. 14. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le ou les éléments de renforcement de l'élément composite de renforcement sont choisis parmi les fibres, les nanofibres, et les nanotubes, ou un de leurs mélanges.
  15. 15. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un gaz neutre entre le revêtement (2) étanche et le ou les éléments composites de renforcement (1).
  16. 16. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins une couche électriquement isolante positionnée entre le revêtement (2) étanche et le ou les éléments composites (1) de renforcement.
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