WO2013135489A1 - Cable de transport electrique en particulier pour ligne aerienne - Google Patents

Cable de transport electrique en particulier pour ligne aerienne Download PDF

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WO2013135489A1
WO2013135489A1 PCT/EP2013/054011 EP2013054011W WO2013135489A1 WO 2013135489 A1 WO2013135489 A1 WO 2013135489A1 EP 2013054011 W EP2013054011 W EP 2013054011W WO 2013135489 A1 WO2013135489 A1 WO 2013135489A1
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conductive
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Daniel Guery
Michel Martin
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Nexans
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B5/00—Non-insulated conductors or conductive bodies characterised by their form
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    • H01B5/10—Several wires or the like stranded in the form of a rope stranded around a space, insulating material, or dissimilar conducting material
    • H01B5/102—Several wires or the like stranded in the form of a rope stranded around a space, insulating material, or dissimilar conducting material stranded around a high tensile strength core
    • H01B5/105—Several wires or the like stranded in the form of a rope stranded around a space, insulating material, or dissimilar conducting material stranded around a high tensile strength core composed of synthetic filaments, e.g. glass-fibres
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B9/00—Power cables
    • H01B9/008—Power cables for overhead application

Definitions

  • This cable comprises at least one central composite rod consisting of fibers, for example glass, carbon, alumina or ceramic fibers, impregnated with a matrix which may be made of polymer, for example epoxy resin, or metal, for example aluminum, steel, titanium or tungsten.
  • a matrix which may be made of polymer, for example epoxy resin, or metal, for example aluminum, steel, titanium or tungsten.
  • the variation of the temperature is carried out by applying or cutting off a current intensity.
  • said width of each said conductive wire is substantially equal to the difference (R s - Ri).
  • Said conductive wire may be of Z, S or C section.
  • said rod fibers are made of carbon and said epoxy resin matrix.
  • the conductive son are based on aluminum alloy and zirconium.
  • the ring may comprise a waterproof coating as described in the patent application WO 2010/089500.
  • Figures 2 to 4 are cross-sectional views of a conductive wire according to several embodiments of the invention.
  • This cable has an outer diameter at ambient temperature called initial diameter and the ratio between the coefficient of thermal expansion of the conductive son and that of the central rod is greater than three.
  • its outer diameter after a subsequent decrease in temperature at room temperature is substantially equal to its initial diameter.
  • Figures 2 to 4 are cross-sectional views of examples of conductive wires to ensure such a limited degree of expansion of the diameter.
  • Fig. 3 shows a S-intermeshing wire and Fig. 4 shows a C-intermeshing wire.
  • These conductive wires 3A comprise a so-called upper face 3B and a lower face 3C each disposed on a circular geometric cylinder having the longitudinal axis AA of the cable and radius R s and R ,, and are such that the width L of these conductive wires at the intersection of a cylindrical geometric cylinder C having the same longitudinal axis AA and radius Vi (R s + R) is between 80 and 120% of the difference (R s - R).
  • this width L of these conductive wires is substantially equal to the difference (R s - Ri).
  • a cable length of less than 45m, and preferably between 10 and 45m, is used and is provided at its ends with a conventional epoxy resin sleeve to ensure that the layers retain substantially the same relative position as that obtained at the output of manufacture and more particularly without dismantling thereof.
  • the conductive wires of the layers are flared in the epoxy resin sleeves and the layers are reconstituted at the outlet of the sleeves to allow connection to an ac electrical power unit via conventional connectors.
  • the epoxy resin sleeves are introduced into conical aluminum bushes connected to tensioners to maintain a mechanical tension.
  • a load cell is placed between the cable and the anchoring device and, on the other side of the cable, the latter is directly connected to the other anchoring device.
  • the anchors are strong enough to minimize deflections of the ends of the device when mechanical tension is applied.
  • the mechanical stress applied at ambient temperature has a value between 10 and 30% of the rated breaking strength of the cable.
  • the temperature is measured at three locations along the length of the cable under test, preferably at ⁇ ⁇ , Vi and 3 ⁇ 4 of the distance between ends, using thermocouples. At each location, the thermocouples are arranged in three different radial positions on the cable, namely on the outer layer of conductive wires, on the inner layer of conductive wires and in contact with the central ring.
  • the outer diameter of the cable is measured in the middle of the cable length under test initially in the initial state at room temperature.
  • the intensity of the current then applied to the cable is such that the layers of conducting wires reach a temperature of between 150 ° C. and 240 ° C. in a time of between two and four minutes.
  • the reference temperature taken into account is the highest given by the thermocouples.
  • the increase in the external diameter just after the power failure is less than or equal to 10% of its initial external diameter and the external diameter after thermal stress and return to ambient temperature is substantially equal to its initial diameter.
  • five 30 cm samples of the outer layer's form wires can be removed carefully so as not to deform them in the central part of the cable.
  • the radii of curvature of the upper face of the wires are measured.
  • the outer layer made from these elements has a smooth outer surface with the exception of small helical grooves provided by these radii of curvature. These radii of curvature must be substantially equal to those of the wire output of manufacture.
  • the measurement of these rays is carried out from the apparatus "Shaped Die / Wire & Rod System combination; Version A: Electro Optical Frame CU10 Die Wire & Rod Supervisor "from Conoptica's.
  • This electric transport cable in particular for an overhead power line, is as shown in FIG. 1 and comprises a central composite rod consisting of continuous carbon fibers impregnated with an epoxy resin matrix, and two layers of interlocking conductive wires. mutual, including an outer layer with Z-yarns and an inner layer with S-yarns as specified above, of aluminum alloy alloy and zirconium, wound helically around this rod so as to interlock mutually.
  • the son son are son as described above with reference to Figures 2 and 3.

Landscapes

  • Non-Insulated Conductors (AREA)
  • Ropes Or Cables (AREA)
  • Insulated Conductors (AREA)

Abstract

L'invention concerne un câble de transport électrique en particulier pour ligne électrique aérienne, comportant au moins un jonc composite central (1) constitué de fibres imprégnées par une matrice et dont la contrainte spécifique à la rupture est supérieure à 0,4 MPa.m³/kg et au moins une couche de fils conducteurs (3) à imbrication mutuelle, en aluminium ou en alliage d'aluminium et enroulés autour de ce jonc (1), ledit câble présentant un diamètre externe à température ambiante dit diamètre initial (Di) et le rapport entre le coefficient de dilatation thermique des fils conducteurs (3) et celui du jonc central (1) est supérieur à trois. Selon l'invention, lesdits fils conducteurs (3) à imbrication mutuelle sont d'une géométrie telle que l'augmentation du diamètre externe d'une longueur de ce câble inférieure à 45 m, lors d'une augmentation de la température durant deux à quatre minutes, de la température ambiante à une température comprise entre 150 et 240°C est inférieure ou égale à 10% de son diamètre initial (Di), ledit câble étant soumis à une tension mécanique comprise entre 10 à 30% de la résistance à la rupture nominale du câble. L'invention concerne également une géométrie de fil conducteur assurant un tel degré d'expansion du diamètre.

Description

CABLE DE TRANSPORT ELECTRIQUE EN PARTICULIER POUR
LIGNE AERIENNE
L'invention concerne un câble de transport électrique en particulier pour ligne aérienne.
Elle concerne plus précisément un câble de transport électrique en particulier pour ligne électrique aérienne, comportant au moins un jonc composite central constitué de fibres imprégnées par une matrice et dont la contrainte spécifique à la rupture est supérieure à 0,4 MPa.m3/kg et au moins une couche de fils conducteurs à imbrication mutuelle, en aluminium ou en alliage d'aluminium et enroulés autour de ce jonc.
Un tel câble est décrit dans le document de brevet EP 1 816 654. Ce câble de transport électrique en particulier pour ligne électrique aérienne, comporte un jonc composite central constitué de fibres imprégnées par une matrice de résine époxy et deux couches de fils conducteurs de section en Z et en S, en aluminium ou en alliage d'aluminium, enroulés autour du jonc. Eventuellement, le jonc peut être recouvert d'une couche de matière isolante.
De tels fils conducteurs sont des fils de forme selon la norme
IEC 62219.
Un tel câble peut comporter un seul jonc central, comme représenté, ou trois joncs centraux.
Il peut également comporter une ou plusieurs couches de fils conducteurs 3.
La température de fonctionnement d'un tel câble peut atteindre 200°C ou plus. Il s'avère donc, l'ensemble des composants du câble étant bloqué aux extrémités par des ancrages, que, lors d'une augmentation de la température des fils conducteurs, de la température ambiante à la température de fonctionnement du câble, les couches de fils conducteurs ont tendance à gonfler suite à la différence de coefficient de dilatation du jonc et des fils conducteurs, et les fils conducteurs ont tendance à sortir de leur couche ce qui peut entraîner un déchaussement des fils hors de leur couche. On peut même constater la formation d'un positionnement des fils conducteurs de type cage d'écureuil qui a tendance à se résorber lorsque la sollicitation thermique a cessé.
Il est à craindre qu'après un certain nombre de cycles thermiques, un ou plusieurs fils conducteurs ne reprennent pas leur place correcte au sein de leur couche et provoque ainsi une augmentation de l'effet Corona ainsi qu'une augmentation des nuisances sonores.
Pour résoudre ce problème, l'invention propose un câble de transport électrique en particulier pour ligne électrique aérienne, comportant au moins un jonc composite central constitué de fibres imprégnées par une matrice et dont la contrainte spécifique à la rupture est supérieure à 0,4 MPa.m3/kg et au moins une couche de fils conducteurs à imbrication mutuelle, en aluminium ou en alliage d'aluminium et enroulés autour de ce jonc, ledit câble présentant un diamètre externe à température ambiante dit diamètre initial et le rapport entre le coefficient de dilatation thermique des fils conducteurs et celui du jonc central est supérieur à trois, caractérisé en ce que lesdits fils conducteurs (3) à imbrication mutuelle sont d'une géométrie telle que l'augmentation du diamètre externe d'une longueur de ce câble inférieure à 45 m, lors d'une augmentation de la température durant deux à quatre minutes, de la température ambiante à une température comprise entre 150 et 240°C est inférieure ou égale à 10% de son diamètre initial, ledit câble étant soumis à une tension mécanique comprise entre 10 à 30% de la résistance à la rupture nominale du câble.
Ce câble comporte au moins une couche de fils conducteurs à imbrication mutuelle. Plus précisément il peut comporter une ou plusieurs couches de fils conducteurs à imbrication mutuelle, associées ou non à au moins une couche de fils conducteurs de section ronde ou trapézoïdale.
Ce câble comporte au moins un jonc composite central constitué de fibres, par exemple des fibres de verre, de carbone, d'alumine ou de céramique, imprégnées par une matrice qui peut être en polymère, par exemple en résine époxy, ou en métal, par exemple en al uminium, en acier, en titane ou en tungstène.
La contrainte spécifique à la rupture est la contrainte à la rupture rapportée à la densité du matériau ou des matériaux.
Selon un mode de réalisation préféré, le diamètre externe du câble après une di minution ultérieure de sa température à la température ambiante est sensiblement égal à son diamètre initial .
De préférence, la variation de la température est réalisée par application ou coupure d'une intensité du courant.
Le câble, dont chaque dit fil conducteur à imbrication mutuelle comporte une face dite supérieure et une face dite inférieure disposées sur un cylindre géométrique ci rculaire ayant pour axe longitudinal l'axe longitudinal du câble et pour rayon Rs et R,, est de préférence tel que la largeur de chaque dit fil conducteur à l 'intersection d'un cylindre géométrique ci rculaire de même axe longitudinal et de rayon Vi (Rs + Ri) est comprise entre 80 et 120% de la différence (Rs - R,) .
Grâce à une telle géométrie, le déplacement radial des fils conducteurs est limité voire même empêché, tout en ayant un niveau de nuisances sonores faibles en cas de grand vent.
Il est également possible de réaliser un câble dont le coefficient de traînée est avantageux dans le domaine des vitesses de vent utiles par exemple et de manière non exhaustive : les vitesses de calcul ViQB et V2QB prévues par la réglementation belge et de conserver cette propriété malgré les multiples et sévères sollicitations thermiques que subira le câble lors de sa vie active. Pour obtenir ce résultat, il est nécessaire que la couche externe soit constituée de fils de forme à imbrication mutuelle, que la largeur de chacun de ses fils réponde aux critères cités ci-dessus et que la profondeur des rainures de chaque fil répondent aux critères du brevet EP 0 379 853.
De préférence, ladite largeur de chaque dit fil conducteur est sensiblement égale à la différence (Rs - Ri) .
Ledit fil conducteur peut être de section en Z, en S ou en C.
Avantageusement, lesdites fibres du jonc sont en carbone et ladite matrice en résine époxy.
De préférence, les fils conducteurs sont à base d'alliage d'aluminium et de zirconium.
Le jonc peut comporter un revêtement étanche tel que décrit dans la demande de brevet WO 2010/089500.
Une couche diélectrique peut éventuellement être disposée entre ce revêtement et le jonc composite.
L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures illustrant uniquement des modes de réalisation préférés de l'invention.
La figure 1 est une vue en coupe d'un câble selon l'invention.
Les figures 2 à 4 sont des vues en coupe transversale d'un fil conducteur selon plusieurs modes de réalisation de l'invention.
Comme représenté sur la figure 1, l'invention concerne un câble de transport électrique en particulier pour ligne électrique aérienne, comportant au moins un jonc composite central 1 constitué de fibres imprégnées par une matrice et dont la contrainte spécifique à la rupture est supérieure à 0,4 MPa. m3/kg et au moins une couche de fils conducteurs 3 à imbrication mutuelle, en aluminium ou en alliage d'aluminium et enroulés autour de ce jonc 1. Le jonc 1 peut comporter un revêtement étanche 2. De préférence, les fils conducteurs sont à base d'alliage d'aluminium et de zirconium .
Ce câble présente un diamètre externe à température ambiante dit diamètre initial et le rapport entre le coefficient de dilatation thermique des fils conducteurs et celui du jonc central est supérieur à trois.
Selon l 'invention, les fils conducteurs (3) à imbrication mutuelle sont d'une géométrie telle que l'augmentation du diamètre externe d'une longueur de ce câble inférieure à 45 m, lors d'une augmentation de la température durant deux à quatre minutes, de la température ambiante à une température comprise entre 150 et 240°C est inférieure ou égale à 10% de son diamètre initial, ledit câble étant soumis à une tension mécanique comprise entre 10 à 30% de la résistance à la rupture nominale du câble.
Par ailleurs, de préférence, son diamètre externe après une diminution ultérieure de la température à la température ambiante est sensiblement égal à son diamètre initial .
Les figures 2 à 4 sont des vues en coupe transversale d'exemples de fils conducteurs permettant d'assurer un tel degré limité d'expansion du diamètre.
La figure 2 représente un fil conducteur en Z.
Ce fil conducteur 3A comporte une face dite supérieure 3B et une face dite inférieure 3C disposées chacune sur un cylindre géométrique circulaire ayant pour axe longitudinal l 'axe longitudinal A-A du câble et pour rayon Rs et R,, et est tel que la largeur L de ce fi l conducteur à l 'intersection d'un cylindre géométrique ci rculaire C de même axe longitudinal A-A et de rayon Vi (Rs + R,) est comprise entre 80 et 120% de la différence (Rs - R,) .
De préférence, cette largeur L de chaque fil conducteur est sensiblement égale à la différence (Rs - Ri) . Selon ce premier exemple, le câble est de section en Z, mais il peut être de façon générale à imbrication mutuelle, par exemple en S ou en C.
La figure 3 représente un fil conducteur à imbrication mutuelle en S et la figure 4 représente un fil conducteur à imbrication mutuelle en C.
Ces fils conducteurs 3A comportent une face dite supérieure 3B et une face dite inférieure 3C disposées chacune sur un cylindre géométrique circulaire ayant pour axe longitudinal l'axe longitudinal A-A du câble et pour rayon Rs et R,, et sont tels que la largeur L de ces fils conducteurs à l 'intersection d'un cylindre géométrique ci rculaire C de même axe longitudinal A-A et de rayon Vi (Rs + R,) est comprise entre 80 et 120% de la différence (Rs - R,) .
De préférence, cette largeur L de ces fils conducteurs est sensiblement égale à la différence (Rs - Ri) .
Les caractéristiques précédentes sont vérifiées par l'essai suivant réalisé par exemple sur un câble comportant deux couches de fils de forme conducteurs à imbrication mutuelle.
Une longueur de câble comprise inférieure à 45m, et de préférence comprise entre 10 et 45 m, est utilisée et est pourvue à ses extrémités d'un manchon classique en résine époxy afi n d'assurer que les couches gardent sensiblement la même position relative que celle obtenue en sortie de fabrication et plus particulièrement sans décâblage de celles-ci . Les fils conducteurs des couches sont évasés dans les manchons en résine époxy et les couches sont reconstituées en sortie des manchons pour permettre une connexion à une unité de puissance électrique en courant alternatif via des connecteurs classiques. Les manchons en résine époxy sont introduits dans des douilles coniques en aluminium connectées à des tendeurs pour maintenir une tension mécanique. D'un côté du câble, une cellule de charge est placée entre le câble et le dispositif d'ancrage et, de l'autre côté du câble, ce dernier est directement relié à l'autre dispositif d'ancrage. Les dispositifs d'ancrage sont suffisamment solides pour minimiser les déflections des extrémités du dispositif quand une tension mécanique est appliquée. Pour le test, la tension mécanique appliquée à température ambiante a une valeur comprise entre 10 à 30% de la résistance à la rupture nominale du câble. La température est mesurée en trois emplacements le long de la longueur du câble en test, de préférence à ΛΜ, Vi et ¾ de la distance entre extrémités, en utilisant des thermocouples. A chaque emplacement, les thermocouples sont disposés en trois positions radiales différentes sur le câble, à savoir sur la couche externe de fils conducteurs, sur la couche interne de fils conducteurs et en contact avec le jonc central.
Le diamètre externe du câble est mesuré au milieu de la longueur de câble en test tout d'abord à l'état initial à température ambiante.
L'intensité du courant ensuite appliqué sur le câble est telle que les couches de fils conducteurs atteignent une température comprise entre 150°C et 240°C en une durée comprise entre deux et quatre minutes. La température de référence prise en compte est la plus haute donnée par les thermocouples.
Dès la coupure de ce courant, le diamètre externe est mesuré au même emplacement. Puis ce diamètre est de nouveau mesuré au même emplacement, lorsque le câble est revenu à la température ambiante.
Selon l'invention, l'augmentation du diamètre externe juste après la coupure du courant est inférieure ou égale à 10% de son diamètre externe initial et le diamètre externe après sollicitation thermique et retour à la température ambiante est sensiblement égal à son diamètre initial. Après essai, on peut prélever avec soin pour ne pas les déformer dans la partie centrale du câble cinq échantillons de 30 cm de fils de forme de la couche externe. Les rayons de courbure de la face supérieure des fils sont mesurés. La couche externe réalisée à partir de ces éléments présente une surface externe lisse à l'exception de petites rainures hélicoïdales procurées par ces rayons de courbure. Ces rayons de courbure doivent être sensiblement égaux à ceux du fil en sortie de fabrication. La mesure de ces rayons est réalisée à partir de l'appareil « Shaped Die/Wire&Rod System combination ; Version A : Electro Optical Frame CU10 Die Wire & Rod Supervisor » de la société Conoptica's.
Cette méthode d'essai a été réalisée avec un câble tel que précisé ci-dessous à une témpérature de 240°C.
Ce câble de transport électrique en particulier pour ligne électrique aérienne, est tel que représenté sur la figure 1 et comporte un jonc composite central constitué de fibres de carbone continues imprégnées par une matrice de résine époxy, et deux couches de fils de forme conducteurs à imbrication mutuelle, dont une couche externe avec des fils en Z et une couche interne avec des fils en S tels que précisé plus haut, en alliage d'alliage d'aluminium et de zirconium, enroulés hélicoïdalement autour de ce jonc de façon à s'imbriquer mutuellement. Les fils conducteurs sont des fils tels que décrits plus haut en référence aux figures 2 et 3.
Ce câble est défini par les caractéristiques suivantes :
Fils conducteurs Jonc central
Section nominale 341 mm2 38,5 mm2
Poids 947 kg/km 63 kg/km
Module d'élasticité 57 kN/mm2 170 kN/mm2
Coefficient de 23.10"7°C 0,2.10"7°C dilatation thermique
Les résultats après essai sont :
Figure imgf000011_0001
Par ailleurs, les mesures des rayons de courbure restent égales :
Figure imgf000011_0002
ce qui démontre que la profondeur des rainures de chaque fil répondent aux critères du brevet EP 0 379 853 et qu'une bonne tenue au vent est conservé malgré le traitement thermique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Câble de transport électrique en particulier pour ligne électrique aérienne, comportant au moins un jonc composite central ( 1) constitué de fibres imprégnées par une matrice et dont la contrainte spécifique à la rupture est supérieure à 0,4 MPa. m3/kg et au moins une couche de fils conducteurs (3) à imbrication mutuelle, en aluminium ou en alliage d'aluminium et enroulés autour de ce jonc ( 1), ledit câble présentant un diamètre externe à température ambiante dit diamètre initial (D,) et le rapport entre le coefficient de dilatation thermique des fils conducteurs (3) et celui du jonc central ( 1) est supérieur à trois, caractérisé en ce que lesdits fils conducteurs (3) à imbrication mutuelle sont d'une géométrie telle que l'augmentation du diamètre externe d'une longueur de ce câble inférieure à 45 m, lors d'une augmentation de la température durant deux à quatre minutes, de la température ambiante à une température comprise entre 150 et 240°C est inférieure ou égale à 10% de son diamètre initial (D,), ledit câble étant soumis à une tension mécanique comprise entre 10 à 30% de la résistance à la rupture nominale du câble.
2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que son diamètre externe après une diminution ultérieure de sa température à la température ambiante est sensiblement égal à son diamètre initial (Di) .
3. Câble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la variation de la température est réalisé par application ou coupure d'une intensité du courant auxdits fils conducteurs (3) .
4. Câble selon l'une des revendications précédentes, dont chaque dit fil conducteur à imbrication mutuelle (3A) comporte une face dite supérieure (3B) et une face dite inférieure (3C) disposées sur un cylindre géométrique ci rculaire ayant pour axe longitudinal l'axe longitudinal (A-A) du câble et pour rayon Rs et R,, caractérisé en ce que la largeur (L) de chaque dit fil conducteur à l 'intersection d'un cylindre géométrique circulaire de même axe longitudinal (A- A) et de rayon Vi (Rs + R,) est comprise entre 80 et 120% de la différence (Rs - R,) .
5. Câble selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite largeur (L) de chaque dit fil conducteur est sensiblement égale à la différence (Rs - R,) .
6. Câble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit fil conducteur (3A) est de section en Z, en S ou en C.
7. Câble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites fibres du jonc ( 1 ) sont en carbone et ladite matrice en résine époxy.
8. Câble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits fils conducteurs (3A) sont à base d'alliage d'aluminium et de zirconium .
9. Câble selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit jonc ( 1) comporte un revêtement étanche (2) .
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