FR2994329A1 - Procede pour fabriquer un cable electrique comprenant une couche hydrophobe - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé de fabrication d'un câble électrique comprenant au moins un élément électriquement conducteur (1) allongé, entouré par un revêtement hydrophobe (4), caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes suivantes : i. former une couche d'hydroxyde d'alumine poreux (2) comprenant des pores ordonné, autour dudit élément électriquement conducteur allongé, et ii. dissoudre partiellement la couche d'hydroxyde d'alumine poreux, de manière à former ledit revêtement hydrophobe (4).

Description

Procédé pour fabriquer un câble électrique comprenant une couche hydrophobe La présente invention se rapporte à un procédé pour fabriquer un câble 5 électrique comprenant un revêtement hydrophobe, ainsi qu'un câble électrique obtenu par ledit procédé. 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". 10 Plus particulièrement, l'invention concerne un câble électrique apte à réduire l'effet couronne. Les lignes aériennes sont traditionnellement constituées par un ou plusieurs conducteurs électriques nus, tendus sur un ensemble approprié de pylônes. Ces lignes sont classiquement destinées au transport de l'énergie 15 électrique sous une haute tension alternative (225 à 800 kV). Chaque conducteur électrique a donc un diamètre de quelques centimètres et peut être composé de plusieurs fils métalliques assemblés. Le long du conducteur électrique nu, il se manifeste toujours un effet appelé effet couronne. L'effet de couronne se produit en effet sur tous les conducteurs électriques et lignes 20 aériennes, soumis à une haute tension. Dés que le champ électrique à la surface du conducteur électrique, notamment dépendant des rayons de courbures locaux, devient localement suffisamment grand (i.e. supérieur au champ d'ionisation de l'air humide, de l'ordre de 10kV/cm ; voire supérieur au champ d'ionisation de l'air sec, de l'ordre de 30 kV/cm), l'air s'ionise et forme 25 autour du conducteur électrique une couronne lumineuse. En configuration opérationnelle du conducteur électrique, l'une des conséquences de l'effet couronne est la production de bruit lorsque le conducteur est mouillé. De ce fait, le conducteur électrique peut devenir une source de gêne notable et de désagréments importants pour ceux qui se 30 trouvent ou demeurent au voisinage de ce type de conducteur. En effet, dans ces conditions, la conductibilité de l'air augmente, et de ce fait, il se produit une ionisation plus intense et plus efficace. L'effet couronne cause également des déperditions d'énergie et peut provoquer des risques sanitaires liés aux rayonnements électromagnétiques, au bruit acoustique et aux pertes de puissance. Afin de palier à ce problème, une solution consiste à rendre la surface du conducteur électrique hydrophobe. L'hydrophobie de surface permet d'éviter une rétention d'eau au niveau du conducteur électrique afin de diminuer par exemple la formation de givre ou le dépôt d'aspérités sur la surface extérieure du conducteur électrique, et ainsi limiter le phénomène d'effet couronne. Pour ce faire, le document WO 2006/072648 propose d'entourer un 10 conducteur électrique en aluminium avec un revêtement hydrophobe en matière plastique tel qu'une cire polymère, obtenu par atomisation. Toutefois, l'inconvénient de ce type de revêtement hydrophobe est qu'il nécessite un retraitement périodique de surface pour garantir son efficacité. 15 Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur en proposant notamment un procédé de fabrication d'un câble électrique comprenant un revêtement hydrophobe permettant de garantir un effet couronne diminué de façon significative tout en étant facile à mettre en oeuvre et présentant une bonne stabilité dans le 20 temps. La présente invention a pour objet un premier procédé de fabrication d'un câble électrique comprenant au moins un élément électriquement conducteur allongé, entouré par un revêtement hydrophobe, caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes suivantes : 25 i. former une couche d'hydroxyde d'alumine (i.e. hydroxyde d'oxyde d'aluminium) poreux comprenant des pores ordonnés, autour dudit élément électriquement conducteur allongé, et ii. dissoudre partiellement l'hydroxyde d'alumine poreux, de manière à former ledit revêtement hydrophobe. 30 Grâce au procédé de l'invention, un revêtement hydrophobe peut être facilement formé autour de la surface d'au moins un élément électriquement conducteur allongé, tout en présentant une très bonne stabilité chimique à long terme ne nécessitant notamment pas de retraitement de surface. L'effet couronne du câble électrique ainsi formé diminue avantageusement de façon significative. Dans la présente invention, on entend par « hydrophobe » un revêtement ou une couche dont la surface présente un angle de contact (ou 5 angle de goutte) strictement supérieur à 90°, et de préférence d'au moins 110°. La mesure de l'angle de contact rend compte de l'aptitude d'un liquide à s'étaler sur une surface par mouillabilité. La méthode consiste à mesurer l'angle de la tangente du profil d'une goutte déposée sur le revêtement ou la 10 couche, avec la surface du revêtement ou de la couche. Cet angle de contact est typiquement mesuré à l'aide d'un goniomètre, à 25°C, en utilisant de l'eau distillée. Etape i 15 La couche d'hydroxyde d'alumine poreux entourant l'élément électriquement conducteur allongé est de préférence une couche qui est directement en contact physique avec l'élément électriquement conducteur allongé. En d'autres termes, le câble électrique ainsi formé ne comprend de 20 préférence pas de couche intercalée entre la couche d'hydroxyde d'alumine poreux et l'élément électriquement conducteur. Les pores de la couche d'hydroxyde d'alumine poreux sont des pores ordonnés, ou en d'autres termes sont des pores formés de façon anisotrope dans la couche d'hydroxyde d'alumine poreux. 25 Ces pores ordonnés sont notamment agencés de façon sensiblement régulière (ou homogène) tout le long de la surface externe de la couche d'hydroxyde d'alumine, et ils ont tous sensiblement les mêmes dimensions. Les pores ordonnés de l'invention sont ainsi des pores qui s'étendent sensiblement perpendiculairement par rapport à la surface externe de la 30 couche d'hydroxyde d'alumine. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, l'étape i est une étape d'anodisation, notamment lorsque l'élément électriquement conducteur allongé est un élément en aluminium ou en alliage d'aluminium.

L'anodisation est un traitement de surface (de type conversion) qui permet de former par oxydation anodique, à partir de l'élément électriquement conducteur, la couche d'hydroxyde d'alumine. Ainsi, l'anodisation va consommer une partie de l'élément électriquement conducteur pour former ladite couche d'hydroxyde d'alumine. Lors de l'anodisation, la couche d'hydroxyde d'alumine se forme à partir de la surface de l'élément électriquement conducteur vers le coeur dudit élément électriquement conducteur, contrairement à un dépôt électrolytique. L'anodisation est classiquement basée sur le principe de l'électrolyse 10 de l'eau. Elle consiste à immerger l'élément électriquement conducteur dans un bain d'anodisation, ledit élément électriquement conducteur étant placé au pôle positif d'un générateur de courant continu. Le bain d'anodisation est plus particulièrement un bain acide, de préférence un bain d'acide phosphorique ou un bain d'acide sulfurique. On 15 parle alors respectivement d'anodisation phosphorique ou d'anodisation sulfurique. Dans l'étape i, lorsque la couche d'hydroxyde d'alumine poreux est formée avantageusement par anodisation, la densité de courant appliquée pour l'anodisation peut être d'au plus 10 A/dm2, de préférence peut aller de 20 0,5 à 6 A/dm2, et de façon particulièrement préférée peut aller de 1 à 4 A/dm2. Cette densité de courant permet de garantir qu'une quantité suffisante de pores a été formée lors de l'étape i. Pour former lesdits pores ordonnés, il est préférable que la densité de 25 courant appliquée pour l'anodisation soit comprise entre 0,5 et 6 A/dm2 (bornes incluses), et de façon particulièrement préférée soit comprise entre 1 et 4 A/dm2 (bornes incluses). Etape ii 30 Dans l'étape ii, le revêtement hydrophobe formé est notamment une couche d'hydroxyde d'alumine comprenant à sa surface des protubérances (ou excroissances) dudit matériau hydrophobe.

Ainsi, lors de la dissolution de l'hydroxyde d'alumine, l'hydroxyde d'alumine est dissout partiellement, mais pas en totalité, afin de garder suffisamment d'hydroxyde d'alumine à la surface de l'élément électriquement conducteur.

La dissolution de l'hydroxyde d'alumine est en outre suffisante pour permettre d'obtenir les propriétés hydrophobes du revêtement hydrophobe, de sorte à obtenir un revêtement avec un angle de contact strictement supérieur à 90° (mesuré à l'aide d'un goniomètre, à 25°C, avec de l'eau distillée). Plus particulièrement, la dissolution de l'hydroxyde d'alumine dans l'étape ii est suffisante pour permettre notamment de former une rugosité de surface garantissant l'hydrophobie de surface du revêtement hydrophobe. Dans un mode de réalisation préféré, l'étape ii est une étape dans laquelle la couche d'hydroxyde d'alumine poreux est dissoute dans une solution acide. L'homme du métier pourra faire varier la concentration en acide de ladite solution ainsi que la température de ladite solution pour jouer sur la cinétique de dissolution de la couche poreuse. A titre d'exemple, on peut citer comme solution acide, une solution comprenant de l'acide chromique et de l'acide phosphorique. L'homme du métier pourra déterminer facilement le temps 20 d'immersion et la température de la solution adéquats, afin de dissoudre la quantité nécessaire de la couche d'hydroxyde d'alumine pour obtenir l'hydrophobie de la surface du revêtement hydrophobe. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, le revêtement hydrophobe du câble électrique de l'invention est la couche la plus 25 à l'extérieure du câble électrique. Ce revêtement est donc en contact direct avec l'environnement extérieur du câble électrique. En d'autres termes, le câble électrique formé à l'étape ii ne comporte de préférence pas d'élément entourant le revêtement hydrophobe. Dans un mode de réalisation particulier, l'élément électriquement 30 conducteur allongé n'a pas subi de traitement destiné à modifier structurellement l'état de sa surface extérieure, pour en augmenter notamment la rugosité de surface, préalablement à l'étape i.

A titre d'exemple, on peut citer comme traitement destiné à modifier structurellement l'état de sa surface extérieure : - une gravure physique, telle que l'application par presse d'au moins un motif directement sur la surface extérieure dudit élément électrique 5 conducteur, ou - une gravure chimique, telle qu'une gravure oxydante. La présente invention a pour objet un second procédé de fabrication d'un câble électrique comprenant au moins un élément électriquement 10 conducteur allongé, entouré par un revêtement hydrophobe, caractérisé en ce que le procédé comprenant l'étape suivante : iii. modifier structurellement l'état de la surface extérieure de l'élément électriquement conducteur allongé, de manière à former ledit revêtement hydrophobe. 15 La modification structurelle de l'état de surface extérieure de l'élément électriquement conducteur allongé peut être avantageusement réalisée par exemple : par gravure physique, telle que par application par presse d'au moins un motif directement sur la surface extérieure 20 dudit élément électrique conducteur, ou par gravure chimique, telle qu'une gravure oxydante. Les motifs appliqués peuvent être par exemple être une pluralité de protubérances de contour hexagonal, carré ou triangulaire. Dans un premier mode de réalisation du second procédé, le 25 revêtement hydrophobe du câble électrique de l'invention est l'élément le plus à l'extérieure du câble électrique. Ce revêtement est donc en contact direct avec l'environnement extérieur du câble électrique. En d'autres termes, le câble électrique formé à l'étape iii ne comporte pas d'élément entourant le revêtement hydrophobe. 30 Dans un second mode de réalisation du second procédé, l'étape iii est suivie des étapes i et ii du premier procédé de fabrication, décrites précédemment.

L'application de la couche d'hydroxyde d'alumine selon l'étape i, autour de l'élément électriquement conducteur allongé modifié structurellement selon l'étape iii, permet d'améliorer la rugosité de surface de ladite couche d'hydroxyde d'alumine.

Que ce soit le premier procédé ou le second procédé selon l'invention, l'élément électriquement conducteur allongé est notamment destiné au transport d'énergie (i.e. transmission électrique à haute tension). Il peut être de préférence métallique, notamment à base d'aluminium, 10 à savoir : soit uniquement en aluminium, soit en alliage d'aluminium tel que par exemple en alliage d'aluminium et de zirconium. L'aluminium ou l'alliage d'aluminium a l'avantage de présenter un couple conductivité électrique/poids spécifique optimisé de façon significative, notamment par rapport au cuivre. 15 L'élément électriquement conducteur de l'invention peut être classiquement un assemblage de fils (ou brins) métalliques dont la section transversale peut être de forme ronde ou non, ou une combinaison des deux. Lorsqu'ils ne sont pas de forme ronde, la section transversale de ces fils peut être par exemple de forme trapézoïdale ou de forme en « Z ». Les différents 20 types de forme sont définis dans la norme IEC 62219. Les procédés de l'invention peuvent comprendre en outre au moins l'une des étapes suivantes, préalables à l'étape i pour le premier procédé, ou préalables à l'étape iii pour le second procédé: 25 a. dégraisser l'élément électriquement conducteur, et/ou b. décaper l'élément électriquement conducteur. De préférence, l'étape a et l'étape b peuvent être réalisées de façon concomitante. Par ailleurs, les procédés de l'invention peuvent comprendre en outre 30 l'étape suivante, préalable à l'étape i pour le premier procédé, ou préalable à l'étape iii pour le second procédé: c. neutraliser l'élément électriquement conducteur.

Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, le procédé de l'invention peut comprendre lesdites trois étapes a, b et c, l'étape c étant réalisée après les étapes a et b.

L'étape a L'étape de dégraissage a pour objet d'éliminer les différents corps et particules contenus dans les graisses susceptibles d'être présentes sur la surface de l'élément électriquement conducteur allongé.

Elle peut être effectuée par voie chimique ou aidée par voie électrolytique. A titre d'exemple, l'étape a de dégraissage peut être réalisée en plongeant au moins partiellement l'élément électriquement conducteur dans une solution comprenant au moins un tensio-actif en tant qu'agent 15 dégraissant. L'étape b L'étape de décapage sert à éliminer les oxydes susceptibles d'être 20 présents sur la surface de l'élément électriquement conducteur allongé. Il existe plusieurs méthodes de décapage : chimique, électrolytique ou mécanique. De préférence, on pourra utiliser un décapage chimique consistant à éliminer les oxydes par dissolution, voir par éclatement de la couche d'oxyde, 25 sans attaquer le matériau de l'élément électriquement conducteur sous-jacent. A titre d'exemple, l'étape b de décapage peut être réalisée en plongeant au moins partiellement l'élément électriquement conducteur dans une solution comprenant une base en tant qu'agent décapant. 30 Lorsque l'étape a et l'étape b sont réalisée concomitamment, une unique solution comprenant un agent dégraissant et un agent décapant peut être utilisée pour à la fois décaper et dégraisser l'élément électriquement conducteur.

L'étape c L'étape de neutralisation permet de conditionner l'élément électriquement conducteur, avant que le dépôt de l'étape i ne soit effectué.

Plus particulièrement, lorsque l'étape i (premier procédé) est une étape d'anodisation, l'étape c de neutralisation consiste à conditionner l'élément électriquement conducteur en le plongeant au moins partiellement dans une solution identique au bain d'anodisation prévu à l'étape i, afin de mettre la surface de l'élément électriquement conducteur au même pH que le bain d'anodisation de l'étape i. Cette solution permet en outre d'une part d'éliminer certaines traces d'oxydes pouvant nuire à l'anodisation, et d'autre part d'éliminer les éventuels résidus de l'agent de décapant. La neutralisation permet de mettre la surface de l'aluminium au même pH que le bain anodique.

A titre d'exemple, l'étape c de neutralisation peut être réalisée en plongeant au moins partiellement l'élément électriquement conducteur dans une solution comprenant un acide en tant qu'agent neutralisant. Un autre objet de l'invention est un câble électrique obtenu à partir du 20 procédé tel que décrit ci-avant. Le câble électrique selon l'invention peut présenter un diamètre apparent (i.e. diamètre extérieur) pouvant aller de 10 à 100 mm. Le câble électrique de l'invention peut être plus particulièrement un câble de transmission électrique à haute tension, notamment de type ligne 25 aérienne (OHL) à haute tension alternative d'au moins 225kV et pouvant aller jusqu'à 800 kV. Ce type de câble est généralement tendu entre deux pylônes. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence aux 30 figures annotées, lesdits exemples et figures étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif. La figure 1 représente de façon schématique la succession des étapes du premier procédé de fabrication selon l'invention.

La figure 2 représente de façon schématique un câble électrique, en coupe transversale, obtenu selon le procédé de l'invention décrit à la figure 1. La figure 3 représente de façon schématique un autre câble électrique, en coupe transversale, obtenu selon le procédé de l'invention décrit à la figure 1. Les figures 4a, 4b et 4c représente des vues schématiques de la surface d'un fil en aluminium traité par presse, selon le second procédé de l'invention. Pour des raisons de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par 10 des références identiques. De même, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique, et ceci sans respect de l'échelle. La figure 1 illustre la représentation schématique de la succession des étapes i et ii, du premier procédé de l'invention. 15 A titre d'exemple, on va anodiser (étape i) un fil d'aluminium, de diamètre 3 mm, en formant une couche d'hydroxyde d'alumine tout autour dudit fil, par anodisation sulfurique (20-30% en poids d'acide sulfurique dans de l'eau distillée) à une température de 30°C, ou par anodisation phosphorique (8-30% en poids d'acide phosphorique dans de l'eau distillée) à 20 température ambiante (i.e. 25°C), sous l'application d'une densité de courant comprise entre 1 et 4 A/dm2. Le fil d'aluminium obtenu est ainsi recouvert d'une couche d'hydroxyde d'alumine poreux comprenant des pores ordonnés. Puis, on va dissoudre (étape ii) partiellement (i.e. non en totalité) la couche d'hydroxyde d'alumine poreux en plongeant le fil obtenu à l'étape 25 précédente (cf. étape i) dans une solution acide comprenant de l'acide phosphorique (3-6% en poids d'acide phosphorique dans de l'eau distillée) et de l'acide chromique (1-2% en poids d'acide chromique dans de l'eau distillée) à une température comprise entre 30 et 60°C, la vitesse de dissolution étant de 0,5 dam/min à 30°C, afin de former un revêtement hydrophobe. 30 La surface du revêtement hydrophobe obtenu présente des angles de contact de l'ordre de 130-140°, mesurés avec de l'eau distillée à l'aide d'un goniomètre, à 25°C.

Préalablement à l'étape i, il est préférable tout d'abord de décaper et de dégraisser ledit fil conducteur en aluminium (étape non représentée) , en le plongeant dans une solution de soude et de tensio-actifs telle que par exemple la solution référencée GARDOCLEAN commercialisé par la société CHEMETALL (30-50 g/L de soude) à 40-60°C, pendant 30 secondes. Puis, le fil conducteur est plongé dans une solution d'acide sulfurique (20% en poids d'acide sulfurique dans de l'eau distillée) pour l'étape de neutralisation (étape non représentée), à température ambiante (i.e. 25°C) pendant 10 secondes. Afin de visualiser schématiquement le revêtement hydrophobe formé selon le premier procédé décrit ci-avant, la figure 2 présente une coupe transversale d'un câble électrique 10a obtenu selon le procédé de l'invention, dans lequel l'élément 1 électriquement conducteur allongé est recouvert dudit revêtement hydrophobe 4. La figure 3 représente quant à elle un autre câble électrique 10b de type OHL, obtenu selon le premier procédé de l'invention. Ce câble OHL comprend un premier élément 1 électriquement conducteur allongé recouvert par ledit revêtement hydrophobe 4. En outre, le câble électrique 10b comprend un élément central 5 allongé électriquement conducteur et/ou de renforcement, entouré par un second élément 6 électriquement conducteur allongé, le premier élément 1 entourant le second élément 6. Les figures 4a, 4b et 4c représente des vues schématiques de la surface extérieure d'un fil en aluminium ou en alliage d'aluminium, dont la surface extérieure a été traité par une gravure physique en ayant utilisé une presse avec différents motifs, selon le second procédé de l'invention.

La figure 4a présente une photographie de la surface extérieure dudit fil avec une pluralité de protubérances de contour hexagonal. La figure 4b présente une photographie de la surface extérieure dudit fil avec une pluralité de protubérances de contour carré. La figure 4c présente une photographie de la surface extérieure dudit 30 fil avec une pluralité de protubérances de contour triangulaire.

Claims (18)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de fabrication d'un câble électrique comprenant au moins un élément électriquement conducteur (1) allongé, entouré par un revêtement hydrophobe (4), caractérisé en ce que le procédé comprend les étapes suivantes : i. former une couche d'hydroxyde d'alumine poreux (2) comprenant des pores ordonnés, autour dudit élément électriquement conducteur allongé, et ii. dissoudre partiellement la couche d'hydroxyde d'alumine poreux, de manière à former ledit revêtement hydrophobe (4).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape i est une étape d'anodisation.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que la densité de courant appliquée pour l'anodisation va de 0,5 à 6 A/dm2.
4. 4. Procédé selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que l'étape i est une étape d'anodisation phosphorique ou sulfurique.
5. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'étape ii est une étape dans laquelle la couche d'hydroxyde d'alumine poreux (2) est dissoute dans une solution acide.
6. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la solution acide comprend de l'acide chromique et de l'acide phosphorique.
7. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le revêtement hydrophobe (4) est la couche la plus à l'extérieure du câble électrique.
8. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur (1) est un élément en aluminium ou en alliage d'aluminium.
9. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la couche d'hydroxyde d'alumine poreux de l'étape i n'a pas subi de remplissage de ses pores par un matériau hydrophobe, préalablement à l'étape ii.
10. 10.Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur (1) n'a pas subi pas de traitement destiné à modifier structurellement l'état de sa surface extérieure, préalablement à l'étape i.
11. 11.Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre au moins l'une des étapes suivantes, préalables à l'étape i : a. dégraisser l'élément électriquement conducteur (1), et/ou b. décaper l'élément électriquement conducteur (1).
12. 12.Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape suivante, préalable à l'étape i : c. neutraliser l'élément électriquement conducteur (1).
13. 13.Procédé selon les revendications 11 et 12, caractérisé en ce qu'il comprend les trois étapes a, b et c, l'étape c étant réalisée après les étapes a et b.
14. 14.Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape a de dégraissage est réalisée en plongeant au moins partiellement l'élément électriquement conducteur (1) dans une solution comprenant au moins un tensio-actif en tant qu'agent dégraissant.
15. 15.Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'étape b de décapage est réalisée en plongeant au moins partiellement l'élément électriquement conducteur (1) dans une solution comprenant une base en tant qu'agent décapant.
16. 16.Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'étape c de neutralisation est réalisée en plongeant au moins partiellement l'élément électriquement conducteur (1) dans une solution comprenant un acide en tant qu'agent neutralisant.
17. 17.Câble électrique obtenu à partir du procédé tel que défini aux revendications 1 à 16.
18. 18.Câble électrique selon la revendication 17, caractérisé en ce qu'il est un câble de transmission électrique à haute tension.