FR3125353A1

FR3125353A1 - Câble haute tension a ame composite pour basse temperature d’exploitation

Info

Publication number: FR3125353A1
Application number: FR2107690A
Authority: FR
Inventors: Baptiste GARY
Original assignee: Epsilon Composite SA
Current assignee: Epsilon Composite SA
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2021-07-16
Publication date: 2023-01-20
Also published as: EP4371134A1; AU2022312113A1; WO2023285350A1

Abstract

CÂBLE HAUTE TENSION A AME COMPOSITE POUR BASSE TEMPERATURE D’EXPLOITATION Le câble haute tension selon l’invention, comprend une âme composite entourée d’un conducteur électrique, il est caractérisé en ce qu’il est limité à 95°C ±5%, que le conducteur électrique est de l’aluminium dur avec un ratio d’aluminium dans le conducteur électrique compris entre 6 et 19 et préférentiellement entre 8 et 15. Cela permet d’obtenir un câble avec la même masse que les câbles actuels basse température, le même diamètre externe, au moins la même résistance mécanique et une expansion thermique équivalente. On obtient ainsi un câble avec une section d’aluminium augmentée entre 20% et 40% avec une masse identique.

Description

CÂBLE HAUTE TENSION A AME COMPOSITE POUR BASSE TEMPERATURE D’EXPLOITATION

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

Le domaine technique de l’invention est celui des câbles conducteurs pour une ligne d’alimentation électrique aérienne haute tension, c’est-à-dire plus de 20KV, et plus particulièrement la structure dudit câble.

La présente invention concerne en particulier des câbles à haute tension pour des températures basses d’exploitation.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Aujourd’hui les câbles à haute tension sont classés en deux catégories :

les conducteurs basse température d’exploitation c’est-à-dire < 95°C,
les conducteurs haute température d’exploitation pouvant monter jusqu’à 220°C.

Les câbles conducteurs basse température ne doivent pas être utilisés au-dessus de 95°C, car la plupart comprennent de l’aluminium dur, comme l’aluminium 1350-H19, qui perd définitivement sa résistance mécanique (recuit) à des températures supérieures à 95°C. Le tableau de la montre les différentes conductivités et résistances à la traction de conducteurs de différents types d’aluminium selon leur température de fonctionnement maximum. Pour limiter cette perte de résistance, leur température nominale doit être restreinte en conséquence, en tenant compte de leur exposition à la météo durant leur exploitation. Ces câbles haute tension basse température ont majoritairement une âme en acier conventionnel, dit câbles ACSR (Aluminium-conductor steel-reinforced cable). De plus leur coefficient d’expansion thermique important fait que le fléchissement devient important pour des températures élevées.

Les câbles conducteurs haute température sont fabriqués avec de l’aluminium recuit (ou des alliages d’aluminium) qui résiste à des températures supérieures à 95°C. Cependant, cet aluminium recuit a une moins bonne résistance mécanique que l’aluminium dur, il est donc nécessaire d’utiliser une âme plus résistante mécaniquement. Cet aluminium recuit a l’avantage d’être moins résistant électriquement. En plus, il est plus cher à produire car il nécessite un recuit ce qui augmente aussi son impact environnemental.

Pour augmenter la résistance mécanique des câbles, une âme est placée en son centre. Cette âme est composée soit d’une âme en acier conventionnel ou alliage d’aluminium pour les câbles basse température, soit d’une âme en acier ou en composite à matrice métallique ou polymère pour les câbles haute température. Les âmes en composite sont plus chères, plus complexes et plus polluantes à fabriquer. En particulier les fibres de carbone ont un prix assez élevé surtout celles à haute résistance.

D’autre part, pour un diamètre de câble donné, l’âme limite la part de l’aluminium conducteur et donc le courant pouvant circuler dans le câble. Il faut donc que cette âme soit du plus petit diamètre possible.

Un compromis doit donc être trouvé entre les différentes contraintes de résistance mécanique et électrique, de température, de diamètre de l’âme, de couts et d’impact environnemental.

Ainsi les câbles basse température sont aujourd’hui réalisés avec ou sans une âme. Comme l’aluminium a une résistance mécanique qui augmente avec la résistance électrique et le prix, les câbles sans âme ont soit une résistance mécanique et électrique faibles (par exemple les AAC en aluminium 1350-H19), soit une résistance mécanique et électrique élevées (par exemple les AAAC en aluminium AL3). Les câbles avec une âme sont faits avec une âme en acier conventionnel et un aluminium dur ou allié, ils sont ainsi bon marché. Cependant, pour un diamètre de câble donné l’âme en acier a un diamètre important, limitant d’autant l’ampacité du câble, c’est-à-dire la capacité de transport de courant maximale en ampères, de plus l’acier ayant une densité importante, il rend le conducteur plus lourd

Compte tenu de leur cout élevé et de leur faible coefficient d’expansion thermique, les âmes composites sont uniquement utilisées dans les câbles haute température.

L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en proposant un câble basse température permettant de passer au minimum 15% d’ampères en plus et à iso température d’exploitation du câble qu’une solution classique, à un prix raisonnable, et avec des propriétés thermo mécaniques équivalentes aux solutions ACSR.

L’invention permet aussi, à iso ampérage, de générer au moins 20% de perte par effet Joules en moins que la solution classique, et par là avoir un impact environnemental significativement réduit, en réduisant l’empreinte carbonée lors de l’exploitation du câble, et également, en réduisant les courants inductifs.

Le câble haute tension selon l’invention, comprend une âme composite entourée d’un conducteur électrique, il est caractérisé en ce qu’il est limité à 95°C ±5%, soit une aluminium basse température, que le conducteur électrique est de l’aluminium dur avec un ratio d’aluminium dur dans le conducteur électrique compris entre 6 et 19 et préférentiellement entre 8 et 15. Le ratio d’aluminium est calculé selon la règle suivante : Ra = Sc/Sa x100 où Ra est le ratio d’aluminium, Sc la section de l’âme composite du câble et Sa la section de l’aluminium conducteur du câble. Cela permet d’obtenir un câble avec la même masse que les câbles actuels basse température, le même diamètre externe, au moins la même résistance mécanique et une expansion thermique équivalente. On obtient ainsi un câble avec une section d’aluminium augmentée entre 20% et 40%, préférentiellement 25% à 35% pour un diamètre identique.

Le composite ayant une résistance plus importante que l’acier, on peut effectuer une précharge du câble plus importante à l’installation. Cette précharge plus importante compense le coefficient d’expansion thermique (CTE) du câble plus élevé lorsque celui-ci travail sous le point d’inflexion thermique (ou « thermal knee point »), le composite permet donc de maintenir une flèche proche des câbles actuels tous en ayant une section d’aluminium plus importante. Par contre on aura un CTE plus bas au-dessus du point d’inflexion thermique, ce qui permet de garantir un fléchissement du câble en exploitation, et notamment en température haute, inférieur ou égal au fléchissement d’une solution en acier standard néanmoins plus rigide.

L’invention permet aussi de diminuer les contraintes liées aux stockages sur bobine et de descendre les diamètres d’enroulement à moins de 140 fois le diamètre de l’âme en matériaux composite.

Avantageusement, l’âme composite est composée d’une matrice et d’un noyau en fibres de carbone entouré d’une couche isolante. Cette couche isolante permet de protéger le carbone du couple galvanique.

Avantageusement, la matrice a une température de transition vitreuses Tg < 160°C. Comme le câble est utilisé à < 95°C, par rapport à une solution haute température en composite ayant une tenue thermique >160°C, on a un large choix de matrices servant à imprégner les fibres de renfort structurelles pour constituer le matériau composite.

Le cout de fabrication de ces matrices basses températures est faible, car ce sont des composants standards pour les marchés de volume comme les profilés de renforts pultrudé pour les longerons des pâles d’éolienne : un prix jusqu’à trois fois moins cher que celui des matrices dites hautes températures (Tg > 160°C).

D’autre part, ils nécessitent une faible consommation d’énergie pour engager la polymérisation complète, par exemple en filière de pultrusion, en moins de 2 minutes et préférentiellement entre 60 et 90 secondes, la différence de température de cuisson entre une matrice haute température et une matrice standard est inférieure de 15% à 30% pour une même durée de cuisson, d’où un gain d’énergie à la fabrication.

Ces matrices basses températures ont également une meilleure tenue à la reprise d’humidité, avec des pertes de transition vitreuse plus faible que les matrices avec des températures de transition vitreuse Tg > 160°C. Sur ces matrices basse température, la saturation humide à 90°C engendre une perte de température de transition vitreuse de 20 à 30 °C comparativement aux matrices à haute Tg où la saturation humide à 90°C engendre une perte de température de transition vitreuse de 30 à 60 °C. Les matrices hautes températures se dégrade vite à haute température alors qu’à 95°C, il n’y a quasiment pas de dégradation du matériau.

De même, ces matrices ont une meilleure résistance à la propagation de fissure dans le matériau (résistance à l’impact), G1C > 80 J/m² et préférentiellement > 100J/m² pour les matrices basse température contre 50 à 70 J/m² pour les matrices hautes Tg.

Les matrices basses Tg ont des températures d’endommagement thermique, dit thermolyse, entre 160 et 180°C garantissant un niveau de tenue thermique en exploitation à température maximum d’utilisation dans le temps bien supérieur aux matrices hautes Tg. Ces matrices hautes Tg ont un niveau de thermolyse inférieur ou égal à leur Tg générant un risque de tenue dans le temps notamment aux efforts de compression et flexion à haut niveau de risque dès lors quelle sont utilisée en exploitation au-dessus des températures de thermolyse.

De préférence , la température de transition vitreuses Tg de la matrice est telle que 90°C < Tg < 140°C.

Selon une première variante, la matrice est une matrice époxyde. Ainsi, les matrices époxydes basse température ont une température de transition vitreuses Tg <160°C et de préférence : 90°C<Tg< 140°C.

Selon une deuxième variante, la matrice est une matrice vinylique. Les matrices vinylesters ont une température de transition vitreuses Tg <160°C et de préférence : 90°C<Tg< 140°C.

Selon une troisième variante, la matrice est une matrice réactive acrylique. On peut par exemple utiliser des matrices réactive acrylique avec une température de transition vitreuses Tg < 140°C.

Selon une quatrième variante, la matrice est une matrice thermoplastique. Ce type de matrices permet à la fois d’optimiser le recyclage de l’âme du câble en fin de vie et d’augmenter la résistance à l’impact par rapport à un composite à matrice thermodurcissable : diminution par 2 ou par 3 de la superficie du délaminage à ISO force d’impact.

Avantageusement, la couche isolante a un volume compris entre 40% et 80% du volume total de l’âme composite. Les fibres de carbone sont l’élément le plus cher de l’âme et le plus polluant, en limitant ainsi ses proportions, on obtient une âme suffisamment résistante et à un prix abordable. Par exemple, les fibres de verre sont dix fois moins polluantes à produire que les fibres de carbone, on limite ainsi la pollution en limitant la quantité de fibres de carbone dans l’âme.

Selon un premier mode de réalisation, la couche isolante comprend des fibres de verre. Ces fibres de verre pourront être de garde E ou S. Les fibres de verre sont moins chères et plus souples que le carbone. La souplesse des fibres de verre rend l’âme plus souple et permet de l’enrouler sur des bobines plus petites.

Selon un deuxième mode de réalisation, la couche isolante comprend des fibres de silice.

Selon un troisième mode de réalisation, la couche isolante comprend des fibres de basalte.

Avantageusement, les fibres de carbone ont une résistance à la traction < 4500 MPa. Cette âme composite permet d’utiliser des fibres de carbone avec une résistance mécanique plus faible grâce à de meilleures propriétés mécaniques de l’aluminium 1350-H19. Ces fibres de carbone étant moins chères cela permet de réduire le prix du composite obtenu.

Avantageusement, le câble a un diamètre compris entre 10 et 60mm, de préférence entre 15mm et 45mm. Sur les conducteurs haute température à âme composite et aluminium recuit la résistance du câble est due à 90% au composite et 10% à l’aluminium, sur la version proposée à la la résistance du câble est due à 60% à l’aluminium et 40% au composite. Cette meilleure répartition permet une meilleure tenue du câble en cas d’endommagement du composite.

Selon une première disposition, les conducteurs aluminium sont de forme trapézoïdale. Cette forme permet d’avoir une section plus compacte qu’avec des fils ronds.

Selon une première disposition, les conducteurs aluminium sont en forme de Z. Cette forme permet d’avoir une section plus compacte qu’avec des fils ronds.

Avantageusement, l’âme composite est réalisée par pultrusion.

L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.

est un tableau comparatif des différents types d’aluminium,

est un tableau comparatif d’un exemple de câble selon l’invention par rapport à ceux de l’état de la technique,

est un tableau illustrant les caractéristiques de deux modes de réalisation de câble selon l’invention.

Claims

Câble haute tension comprenant une âme composite entourée d’un conducteur électrique, caractérisé en ce qu’il est limité à 95°C ± 5°C, que le conducteur électrique est de l’aluminium dur avec un ratio d’aluminium dans le conducteur électrique compris entre 6 et 19 et préférentiellement entre 8 et 15
Câble haute tension selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’âme composite est composée d’une matrice et d’un noyau en fibres de carbone entouré d’une couche isolante.
Câble haute tension selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la matrice a une température de transition vitreuses Tg < 160°C.
Câble haute tension selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la température de transition vitreuses Tg de la matrice est telle que 90°C < Tg < 140°C.
Câble haute tension selon une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la matrice est une matrice époxyde.
Câble haute tension selon une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la matrice est une matrice vinylique.
Câble haute tension selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matrice est une matrice réactive acrylique.
Câble haute tension selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la matrice est une matrice thermoplastique.
Câble haute tension selon une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce que la couche isolante a un volume compris entre 40% et 80% du volume total de l’âme composite.
Câble haute tension selon une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que la couche isolante comprend des fibres de verre.
Câble haute tension selon une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que la couche isolante comprend des fibres de silice.
Câble haute tension selon une des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que la couche isolante comprend des fibres de basalte.
Câble haute tension selon une des revendications 2 à 12, caractérisé en ce que les fibres de carbone ont une résistance à la traction < 4500 MPa.
Câble haute tension selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il a un diamètre compris entre 10 et 60mm, de préférence entre 15mm et 45mm.
Câble haute tension selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les conducteurs aluminium sont de forme trapézoïdale.
Câble haute tension selon une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les conducteurs aluminium sont en forme de Z.
Câble haute tension selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’âme composite est réalisée par pultrusion.