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(11) | EP 0 129 485 A1 |
| (12) | DEMANDE DE BREVET EUROPEEN |
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| (54) | Structure de câble électrique et ses applications |
| (57) L'invention concerne une structure de câble électrique du type comprenant au moins
un écran métallique (3) et au moins une couche polymère semi-conductrice (4) entourant
au moins un câble conducteur (2). Selon l'invention, entre ledit écran métallique et ladite gaine polymère semi-conductrice est interposée une couche d'étanchéité (1) comprenant une gelée semi-conductrice et hydrophobe. |
[0001] La présente invention concerne une nouvelle structure de câble électrique, dans laquelle le conducteur est revêtu de plusieurs couches successives de matériaux, comprenant une gelée d'étanchéité hydrophobe et semi-conductrice, disposée entre une couche polymère, également semi-conductrice, et un écran métallique.
[0002] L'invention concerne également l'application de cette structure à la mise à la terre en continu de conducteurs électriques et à la radialisation du champ dans les câbles d'énergie.
[0003] L'apparition des matières polymères semi-conductrices a, on le sait, amené une grande amélioration dans la fabrication des câbles électriques, tant pourries câbles de télécommunication que pour les câbles de transport d'énergie. De telles structures de câbles connus seront décrites ci-après, en référence aux figures la et 16 des dessins annexés, sur lesquels:
Les figures 1a et 1b sont des coupes transversales de deux types de câble de la technique antérieure;
Les figures 2a et 2b sont des coupes analogues des mêmes câbles présentant un perfectionnement conforme à l'invention; la figure 2c représente une coupe d'un câble coaxial conforme à l'invention;
La figure 3 est une vue en perspective avec arrachés illustrant une structure de câble conforme à la présente invention.
[0004] La structure de câble représentée sur la figure la est celle d'un câble de télécommunication d'un type classique. Ce câble comporte, par exemple, une pluralité de fils conducteurs 1 en un matériau conducteur tel que le cuivre ou l'aluminium, entourés d'une couche isolante 2. L'ensemble des fils conducteurs ainsi gainés est ceinturé par un blindage métallique conducteur 3, faisant écran, qui est lui-même entouré par une couche protectrice constituée par un polymère semi-conducteur 4, assurant un bon contact physique avec la surface métallique 3. L'espace 5 laissé libre entre les gainages isolants 2 et la surface métallique 3 peut être rempli de manière classique avec un produit d'étanchéité.
[0005] Le câble de transport d'énergie représenté sur la figure lb,. qui est également d'un type connu, comporte, pour sa part, un toron de fils conducteurs 6, qui est entouré par une gaine ou couche polymère semi-conductrice 7. Autour de cette gaine7 est disposée une matière isolante 8, elle-même entourée d'une seconde couche polymère semi-conductrice 9, ceinturée par une couche de métal conducteur 10 formant écran et constituée par exemple de cuivre, d'acier ou d'aluminium. La ceinture externe 11 peut elle-même être constituée par une gaine de polymère isolant ou semi-conductrice.
[0006] Les câbles usuels du type de ceux illustrés par les figuresla et 1b ou constitués d'assemblage de torons tels que les câbles multipolaires, présentent cependant l'inconvénient de ne pas être parfaitement étanches vis-à-vis de l'humidité et de ne pas assurer un contact parfait entre gaine semi-conductrice et surface métallique. En effet, la zone comprise entre le polymère semi-conducteur (référencé 4 sur la figure 1a et 9 sur la figure 1b) et l'écran métallique (référencé 3 sur la figure 1a et 10 sur la figure 1b) est toujours susceptible, à la suite d'un choc, d'une torsion de câble, d'une fissuration, d'une condensation se produisant au niveau des espaces libres ou d'une propagation longitudinale à partir des jonctions ou des épissures du câble, de laisser des traces d'humidité parvenir au contact du métal, en provoquant ainsi la détérioration de ce dernier par un phénomène de ramification, d'oxydation et/ou de corrosion. On peut limiter partiellement cet inconvénient en incorporant entre la couche métallique et le polymère semi-conducteur une couche d'un matériau hydrophile tel que la carboxyméthylcellulose ou d'un matériau hydroscopique tel qu'une argile semi-conductrice, dont le gonflement en présence d'humidité empêche l'eau de se répandre le long du métal conducteur. Néanmoins, ces produits n'empêchent pas les phénomènes de corrosion locale des écrans.
[0007] L'objet de la présente invention est donc de réaliser une parfaite étanchéité entre l'écran métallique et la couche polymère semi-conductrice de telles structures de câbles électriques.
[0008] A cet effet, l'invention a pour objet une structure de câble électrique du type comprenant au moins un écran métallique et au moins une couche polymère semi-conductrice entourant au moins un câble conducteur, caractérisée en ce qu'entre ledit écran métallique et ladite couche polymère semi-conductrice est interposée une couche d'étanchéité comprenant une gelée semi-conductrice et hydrophobe.
[0009] Au sens de la présente demande, on désigne par le terme "écran métallique" non seulement un blindage conducteur du type illustré par les figures 1a et 1b, mais également toute nappe de fils métalliques, tissés, tressés ou "guippés", pour reprendre le terme en usage dans la technique.
[0010] La gelée semi-conductrice et hydrophobe utilisée conformément à l'invention est désignée par les références 12 et 13, respectivement, sur les figures 2a ou 2b, sur lesquelles les éléments déjà décrits en référence aux figures la et 2a conservent les mêmes chiffres de référence. Cette gelée est interposée entre les écrans métalliques 3, respectivement 10, et les gaines polymères semi-conductrices 4, respectivement 9. De par ses propriétés hydrophobes, elle isole les câbles électriques de l'humidité, tout en assurant de façon efficace une mise à la terre en continu, grâce à ses propriétés diélectriques particulières.
[0011] Bien entendu, une telle mise à la terre en continu est également applicable, selon le même principe, à d'autres types de câbles, notamment les câbles de transport d'énergie.
[0012] La figure 2c représente une application particulière de la structure de câble selon l'invention, dans un câble coaxial à faible bruit. Dans les câbles coaxiaux usuels, le frottement de la tresse métallique contre le diélectrique est généralement la source de bruits triboélectriques. Sur la figure 2c, la gelée semi-conductrice constitue la couche d'étanchéité représentée par la référence 13 qui est intercalée entre la couche polymère semi-conductrice 9 qui recouvre la matière isolante 8, et la tresse métallique représentée par la référence 10. Cette disposition permet de supprimer une grande partie des bruits triboélectriques.
[0013] L'introduction de la gelée d'étanchéité semi-conductrice et hydrophobe entre écran métallique et couche polymère semi-conductrice permet en outre, grâce aux propriétés diélectriques de cette couche, d'assurer de façon efficace la radialisation du champ dans les câbles de transport d'énergie.
[0014] Un premier avantage de la présente invention est lié au fait que la gelée semi-conductrice est parfaitement compatible tant avec le feuillard métallique, auquel elle adhère complètement et qu'elle protège des traces éventuelles d'humidité ou d'autres formes de corrosion du métal, qu'avec la couche polymère semi-conductrice, du fait de la nature même de ses constituants, dans la mesure où ceux-ci ne peuvent diffuser dans la couche polymère et où sont ajoutés de préférence des additifs et des charges conductrices de même nature que ceux entrant dans la composition de la gelée.
[0015] Un second avantage de la présente invention réside dans le fait que, compte tenu de la présence de la gelée semi-conductrice, la couche polymère semi-conductrice n'a plus à assurer simultanément une protection efficace du feuillard métallique et une adhérence maximale au métal: la couche polymère semi-conductrice peut donc être choisie en fonction des seules propriétés mécaniques requises pour la protection du câble, outre les propriétés électriques désirées.
[0016] Un troisième avantage de cette structure de ceinture de câble réside dans le fait que la gelée semi-conductrice assure, par sa fluidité et par sa plasticité, outre une parfaite étanchéité et, donc, un excellent contact électrique entre la couche polymère semi-conductrice et l'écran métallique qui l'entourent, quelles que soient les déformations mécaniques imposées au câble, tout en maintenant une protection efficace de ces éléments.
[0017] Un avantage supplémentaire de la structure de ceinture de câble selon l'invention résulte enfin du fait que les propriétés de fluidité et de plasticité de la couche d'étanchéité sont peu susceptibles à l'effet de la température puisque la viscosité dynamique est à 20°C, inférieure à 100.000 centipoises et, à 100°C, reste comprise entre 50.000 et 100.000 centipoises.
[0018] Cette structure de ceinture de câble facilite enfin considérablement les opérations de raccordement des câbles lors de leur installation.
[0019] Ce nouveau type de structure de ceinture de câble protège donc, avec une fiabilité accrue, l'écran métallique contre la corrosion et assure une excellente mise à la terre ou une excellente rodialisation du champ électrique, tout en protégeant mieux le câble lui-même en renforçant sa gaine externe.
[0020] Dans les compositions d'étanchéité de gelées semi-conductrices susceptibles d'être introduites dans la structure de ceinture de câble électrique objet de la présente invention, on utilise de préférence une proportion de l'ordre de 50 à 95 % en poids de composés hydrocarbonés paraffiniques ou naphténiques sélectionnés pour ne pas diffuser à des températures de l'ordre de 50°C et plus dans le polyéthylène, polypropylène, polybutylène, polychlorure de vinyle ou tout autre matériau d'isolation cellulaire entrant dans la composition de la gaine de ceinture.
[0021] Ces composés hydrocarbonés peuvent être d'origine pétrolière, végétale ou synthétique, ou être composés de mélanges de plusieurs de ces huiles. On utilise avantageusement des coupes de distillation ou des huiles et/ou pétrolatum obtenues à partir de ces dernières. D'une façon générale, moins de 5 % de ces huiles possèdent un point d'ébullition inférieur à 350°C.
[0022] Lorsqu'ils sont d'origine synthétique, ces composés hydrocarbonés sont avantageusement constitués par des polymères obtenus à partir d'oléfines possédant trois ou quatre atomes de carbone, ou par des mélanges de celles-ci. On utilise alors avantageusement des coupes d'huiles synthétiques possédant une masse moléculaire en poids comprise entre 200 et 4000 et, plus particulièrement, entre 400 et 1500.
[0023] A ces huiles, on ajoute, de façon connue en soi, une charge conductrice telle qu'une poudre métallique ou d'oxyde métallique, dont le métal peut être avantageusement du zinc, du cuivre ou de l'aluminium, ou du noir de carbone, un mélange de noir de carbone de granulométrie en proportion variée, ou du graphite ou, enfin, un mélange de ces derniers. La proportion de la charge conductrice, par rapport à celle de l'huile, est déterminée avant tout par des considérations de résistivité électrique et de viscosité de la gelée semi-conductrice et hydrophobe recherchée, en fonction des conditions de fabrication et d'utilisation du câble électrique dans la ceinture duquel elle sera introduite. Cette proportion peut donc varier entre 5 et 50 % en poids de la gelée d'étanchéité, suivant les cas, et, plus particulièrement, entre 5 et 40 %.
[0024] Une composition particulièrement intéressante selon l'invention est obtenue par l'emploi de noirs de carbone très conducteurs du type KETJEN EC ou PHILLIPS XE2; ces noirs, utilisables en plus faible concentration que les noirs classiques, pour une même résistivité, permettent d'obtenir des compositions d'autant plus hydrophobes; la concentration de ces noirs est comprise entre 5 et 15 % en poids, selon qu'ils sont utilisés seuls ou non et selon la résistivité désirée.
[0025] Dans la composition de la gelée, on peut enfin ajouter, sans toutefois que cette addition soit nécessaire pour toutes les huiles, des agents stabilisants, des agents d'adhésivité tels que des résines d'origine pétrolière, des agents épaississants tels que des polyoléfines insaturées en proportion pouvant être comprise entre 0 et 20 %, et enfin des passi- vateurs de métaux tels que des benzotriazoles, substitués ou non, ou toute autre substance connue en soi capable d'assurer une fonction analogue, en proportion pouvant être comprise entre 0 et 2 %, suivant la nature de l'huile, de la charge conductrice ou du métal entrant dans la composition du feuillard (ou armure) du câble.
[0026] Les gelées semi-conductrices et hydrophobes entrant dans la structure de ceinture de câble objet de la présente invention, présenteront de préférence les propriétés physiques suivantes:
- une résistivité électrique inférieure à 40.000 et de préférence inférieure à 10.000 ohms x cm, lorsque le câble est destiné à être mis à la terre, ou une résistivité inférieure à 20.000 ohms x cm pour les câbles dits homopolaires;
- une viscosité à 100°C comprise entre 10 000 et 100 000 centipoises;
- une bonne adhérence au métal à basse température (-10°C, conformément à la norme CNET CM 35), et
- une température bille-anneau, mesurée selon la norme NFT 66008, supérieure à 50°C et, de préférence, entre 100 et 200°C.
[0027] Des essais ont été effectués depuis de nombreuses années pour rendre les matériaux de gainage thermoplastique semi-conducteurs, en incorporant dans ceux-ci des métaux, des oxydes métalliques ou des noirs de carbone de qualité courante. Mais, pour obtenir une conductibilité électrique suffisante, il fallait introduire des quantités importantes de charge conductrice, ce qui avait pour conséquence de détériorer les propriétés mécaniques des thermoplastiques et de nuire à leurs propriétés d'adhérence au feuillard métallique qu'elles devaient protéger. L'introduction d'une gelée semi-conductrice qui assure l'étanchéité complète entre la gaine et le métal permet donc l'utilisation de matériaux de gaines aux propriétés améliorées.
[0028] Parmi les polymères semi-conducteurs susceptibles d'être utilisés dans la structure de câble électrique objet de la présente invention, on trouve les compositions comprenant principalement un polymère d'éthylène, ou un mélange d'un homopolymère et d'un copolymère d'éthylène, ou encore un mélange copolymère d'éthylène avec un monomère de propylène, d'acétate de vinyle, d'acrylate d'éthyle ou de tout autre monomère, de façon connue en soi. On utilisera en particulier des compositions contenant plus de 70 % de copolymère d'éthylène ou de polyéthylène haute ou moyenne densité, en vue de conférer à cette gaine la rigidité et la solidité requises. Le polyéthylène utilisé pourra avoir avantageusement une densité comprise entre 0,90 et 0,95 et un indice de fluidité compris entre 0,1 et 2. On peut également utiliser tous matériaux plastiques susceptibles d'incorporer les charges conductrices et, notamment, le polychlorure de vinyle plastifié.
[0029] La composition de polymère contient en outre une charge conductrice, qui sera avantageusement de même nature que celle contenue par la gelée semi-conductrice entrant dans la structure de ceinture de câble. La proportion de cette charge peut également varier entre 5 % et 45 %, en fonction de la résistivité et de la robustesse que l'on peut attendre de ce type de gaine et des conditions d'utilisation attendues du câble électrique. Pour les besoins de la mise à la terre en continue, cette proportion variera avantageusement entre 8 et 15 % en poids.
[0030] Les couches polymères semi-conductrices pourront avantageusement avoir la composition suivante (% en poids):
[0031] Les couches polymères entrant dans la structure de ceinture de câble objet de la présente invention présentent de préférence les propriétés physiques suivantes:
- résistivité inférieure à 10.000 et de préférence à 1.000 ohms x cm, lorsque l'écran est destiné à la mise à la terre, ou de 10 à 10.000 ohms x cm, lorsqu'il s'agit de radialiser le champ ou sein d'un isolant;
- allongement à la rupture supérieur à 100 % et, de préférence, à 300 % (Norme NFT 51 034);
- dureté Shore D comprise entre 35 et 70 et, de préférence, entre 50 et 70.
[0033] Afin de vérifier la robustesse, la longévité et la qualité de la mise à la terre des structures de câbles conformes à la présente invention, la Demanderesse a procédé à des essais comparatifs entre celles-ci et des structures de câble d'un type classique.
[0034] Trois câbles A, B et C, d'une longueur de 50 mètres, possédant une structure telle que celles schématisées à la figure 1a, pour le câble A, et à la figure 2a, pour les câbles B et C, ont ainsi été enterrés dans des terrains de nature variée.
[0036] Bien que les résistances des écrans par rapport à la terre soient comparables pour les trois types de câbles, lors de leur mise en terre (de l'ordre de 10 à 25 ohms par 50 mètres), seule la résistance des écrans des câbles B et C par rapport à la terre demeure sensiblement constante dans le temps et se situe déjà entre 40 et 60 % en dessous de la résistance du câble A, au bout de deux ans, dans les mêmes conditions d'utilisation.
[0037] Ainsi, dans les câbles étanches possédant la structure conforme à la présente invention, la présence d'une gelée semi-conductrice hydrophobe entre l'écran métallique et la couche polymère semi-conductrice permet à cet écran et à cette couche de demeurer constamment en contact électrique sans utilisation d'aucune mise à la terre auxiliaire de l'écran, et sans risque de corrosion accidentelle de ce dernier par suite de phénomènes de ramification consécutifs à des contacts imparfaits entre écran et couche semi-conductrice.
[0038] Des essais comparatifs additionnels ont été effectués avec deux autres types de câbles, D et E, enterrés dans les mêmes conditions, en vue de montrer la meilleure continuité électrique des structures de câble conformes à l'invention.
[0039] Un premier câble D présente la structure illustrée par la figure 3. Un écran métallique annelé 14, en cuivre, entoure les fils conducteurs 21, gainés d'un isolant 22. Autour de l'écran 14 sont successivement disposés une couche polymère semi-conductrice intermédiaire 15, un écran en acier 16 disposé en hélice et une gaine polymère externe semi-conductrice 17. Entre les couches 14 et 15, 15 et 16, et 16 et 17 o été injectée une gelée semi-conductrice, respectivement 18, 19 et 20, assurant l'étanchéité du câble.
[0040] Les couches polymères et la gelée semi-conductrice entrant dans la composition du câble D sont réalisées avec des formulations identiques à celles du câble C précédemment décrit.
[0041] Les propriétés électriques de ce câble D ont été comparées avec celles d'un câble E construit sur le même modèle, mais sans introduction de gelée semi-conductrice d'étanchéité en 18, 19 et 20.
[0042] Le Tableau II ci-après donne les valeurs de résistance des écrans en ohms pour 50 mètres de câble enterrés de ces câbles D et E.
[0043] Ce Tableau montre donc que les meilleurs résultats sont obtenus avec le câble D; en effet, si les valeurs de résistance de l'écran 16 par rapport à la terre sont comparables, la valeur de résistance par rapport à la terre de l'écran 14, dans la version étanche D est plus faible d'un facteur 15 environ par rapport à celle de la version E non étanchée dudit câble, tandis que la résistance entre écrans est divisée d'un facteur de l'ordre de 10.
[0044] Ainsi, dans la structure du câble D étanche, conforme à la surface métallique du ou des écrans et la couche polymère semi-conductrice, une gelée d'étanchéité semi-conductrice et hydrophobe, favorise la conductibilité électrique entre écrans et gaines, tout en assurant l'étanchéité longitudinale. Les trois constituants de cette ceinture de câble se trouvent donc mis en contact continuel parallèle, ce qui permet d'éviter les fréquentes mises à la terre de la structure externe des câbles et de favoriser l'effet réducteur.
1. Structure de câble électrique du type comprenant au moins un écran métallique (3,
10) et au moins une couche polymère semi-conductrice (4, 9) entourant au moins un
câble conducteur (2, 6), caractérisée en ce qu'entre ledit écran métallique et ladite
couche polymère semi-conductrice est interposée une couche d'étanchéité (12, 13) comprenant
une gelée semi-conductrice et hydrophobe, et en ce que la résistivité de la couche
polymère semi-conductrice est inférieure à 20.000 ohms x cm et celle de la couche
d'étanchéité est inférieure à 40.000 ohms x cm.
2. Structure de câble électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que
la résistivité de la couche polymère semi-conductrice est inférieure à 10.000 ohms
x cm et celle de la couche d'étanchéité inférieure à 40.000 ohms x cm, lorsque ladite
couche polymère semi-conductrice est utilisée comme gainage et plus particulièrement
comme gainage externe.
3. Structure de câble électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que
la résistivité de chacune des deux couches polymères et d'étanchéité est inférieure
à 20.000 ohms x cm lorsque ledit écran métallique est situé à l'extérieur desdites
couches par rapport à l'axe du câble.
4. Structure de câble électrique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée
en ce que la couche d'étanchéité possède une viscosité dynamique qui est inférieure
à 100.000 centipoises à 200Cet reste comprise entre 50.000 et 100.000 centipoises
à 100°C.
5. Structure de câble électrique selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée
en ce que ladite gelée semi-conductrice hydrophobe contient au moins entre 50 et 95
% en poids d'un composé hydrocarboné de nature paraffinique ou naphténique, d'origine
pétrolière, végétale ou synthétique, ou des mélanges de telles huiles.
6. Structure de câble électrique selon la revendication 5, caractérisée en ce que
ladite gelée semi-conductrice contient au moins entre 5 et 50 % en poids de noir de
carbone, et/ou de graphite, ou d'une poudre métallique ou d'oxyde métallique d'un
métal tel que le zinc, le cuivre ou l'aluminium.
7. Structure de câble électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que
la couche d'étanchéité contient des agents stabilisants, des agents épaississants
et des agents d'adhésivité en proportion comprise entre 0 et 20 %.
8. Structure de câble électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7,
caractérisée en ce que la couche polymère semi-conductrice contient, en % en poids,
entre 10 et 100 % de polyéthylène, ou d'un copolymère éthylène-acrylate d'éthyle ou
d'un copolymère éthylène-acétate de vinyle ou d'un copolymère éthylène-polypropylène
ou d'une combinaison de ces quatre polymères entre 5 et 20 % de noir de carbone et
entre 0,01 à 2 % d'au moins un stabilisant.
9. Structure de câble électrique selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisée
en ce que ladite couche polymère semi-conductrice et ladite couche d'étanchéité comprennent
des charges semi-conductrices et les mêmes additifs de protection.
10. Structure de câble électrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que
l'écran métallique est constitué en acier, en zinc, en cuivre ou en aluminium.
11. Utilisation des câbles possédant une structure selon l'une des revendications
1 et 2, pour la mise à la terre continue de conducteurs électriques.
12. Utilisation des câbles possédant une structure de ceinture selon l'une des revendications
1 et 3, pour la radialisation des champs électriques ou sein de l'isolant.
13. Utilisation d'une structure de câbles selon l'une des revendications 1 à 3 pour
la fabrication de câbles coaxiaux.