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.

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.

L'apparition des matières polymères semi-conductrices a, on le sait, amené une grande amélioration dans la fabrication des câbles électriques, tant pour les câbles de télécommunication que pour les câbles de transport d'énergie. De telles structures de câbles connus seront décrites ci-après, en référence aux fig. 1a et 1b des dessins annexés, sur lesquels:

• Les fig. 1a et 1b sont des coupes transversales de deux types de câble de la technique antérieure;
• les fig. 2a et 2b sont des coupes analogues des mêmes câbles présentant un perfectionnement conforme à l'invention;
• la fig. 2c représente une coupe d'un câble coaxial conforme à l'invention;
• la fig. 3 est une vue en perspective avec arrachés illustrant une structure de câble conforme à la présente invention.

La structure de câble représentée sur la fig. 1a est celle d'un câble de télécommunication d'un type classique. Ce câble comporte, par exemple, un 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.

Le câble de transport d'énergie représenté sur la fig. 1b, 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 gaine 7 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 est 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.

Les câbles usuels du type de ceux illustrés par les fig. 1a 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 fig. 1 a et 9 sur la fig. 1 b) et l'écran métallique (référencé 3 sur la fig. 1a et 10 sur la fig. 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.

US-A-4095039 décrit une structure de câble dans laquelle une couche d'étanchéité ayant des propriétés semi-conductrices et assurant une parfaite étanchéité est interposée entre un écran métallique et une couche polymère semi-conductrice entourant une pluralité de câbles conducteurs. La couche d'étanchéité comprend un caoutchouc de polyisobutylène, une quantité importante de noir de carbone et, si nécessaire, pour abaisser sa viscosité, une huile, en quantité aussi faible que possible.

L'objet de la présente invention est donc de réaliser de telles structures de câbles électriques dans lesquelles une parfaite étanchéité est assuré entre un écran métallique et une couche polymère semi-conductrice et qui assurent une mise à la terre continue des câbles.

A cet effet, l'invention a pour objet une structure de câble électrique du type comprenant au moins un écran et au moins une couche polymère semi-conductrice entourant au moins un câble conducteur, caractérisé en ce qu'entre ledit écran métallique et ladite couche polymère semi-conductrice est interposée une couche d'étanchéité d'une viscosité dynamique inférieure à 100000 centipoises à 20 °C et comprise entre 50000 et 100000 centipoises à100 °C, cette couche d'étanchéité comprenant une gelée semi-conductrice contenant entre 50 et 95% en poids d'au moins un composé d'une huile hydrocarbonée de nature paraffinique ou naphtènique d'origine pétrolière, végétale ou synthétique, et entre 5 et 50% en poids de noir de carbone et/ou de graphite, ou d'une poudre d'au moins un métal choisi dans le groupe comprenant le zinc, le cuivre, et l'aluminium, ou d'au moins un oxyde de l'un de ces métaux; en ce que la résistivité de ladite couche d'étanchéité est inférieure à 40000 ohms x cm; et en ce que la résistivité de ladite couche polymère semi-conductrice est inférieure à 20000 ohms x cm.

Au sens de la présente demande, on désigne par le terme «écran métallique» non seulement un blindage conducteur du type illustré par les fig. 1a et 1b, mais également toute nappe de fils métalliques, tissés, tressés ou «guippés», pour reprendre le terme en usage dans la technique.

La gelée semi-conductrice et hydrophobe utilisée conformément à l'invention est désignée par les références 12 et 13, respectivement, sur les fig. 2a ou 2b, sur lesquelles les éléments déjà décrits en référence aux fig. 1a 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.

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.

La fig. 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 fig. 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Cette structure de ceinture de câble facilite enfin considérablement les opérations de raccordement des câbles lors de leur installation.

Ce nouveau type de structure de ceinture de câble protège donc, avec un fiabilité accrue, l'écran métallique contre la corrosion et assure une excellente mise à la terre ou une excellente radialisation du champ électrique, tout en protégeant mieux le câble lui-même en renforçant sa gaine externe.

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 une proportion de l'ordre de 50 à 95% en poids de composés hydrocarbonés paraffiniques ou naphténi- ques 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.

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.

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.

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%.

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.

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 passivateurs de métaux tels que des benzotria- zoles, 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 de métal entrant dans la composition du feuillard (ou armure) du câble.

Les gelées semi-conductrices et hydrophobes entrant dans la structure de ceinture de câble objet de la présente invention présenteront 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 10000 et 100000 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.

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.

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 tout autre monomère, de façon connue en soi. On utilisera en particulier des compositions contenant plus de 70% de compolymère 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.

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.

Les couches polymères semi-conductrices pourrant avantageusement avoir la composition suivante (% en poids):

• - poyéthylène ou copolymère éthylène-acrylate d'éthyle ou copolymère éthylène-acétate de vinyle ou d'un copolymère éthylène-polypropylène ou d'une combinaison quelconque de ces, quatre polymères 10 à 100%
• - noir de carbone 5 à 20%
• - mélange d'antioxydant 0,1 à 2%

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 au sein d'un isolant;
• - allongement à la rupture supérieure à 100% et, de préférence, à 300% (Norme NFT 51034);
• - dureté Shore D comprise entre 35 et 70 et, de préférence, entre 50 et 70.

Les gaines doivent enfin posséder une bonne résistance à la fissuration sous contrainte.

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.

Trois câbles A, B et C, d'une longueur de 50 mètres, possédant une structure telle que celles schématisées à la fig. 1a, pour le câble A, et à la fig. 2a, pour les câbles B et C, ont ainsi été enterrés dans des terrains de nature variée.

Les compositions de ces câbles sont énumérées dans le tableau 1 suivant:

Bien que les résistances des écrans par rapport à la terre soient comparables pour les trois types de cables, 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.

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.

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.

Un premier câble D présente la structure illustrée par la fig. 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 a été injectée une gelée semi-conductrice, respectivement 18, 19 et 20, assurant l'étanchéité du câble.

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.

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.

Le tableau Il ci-après donne les valeurs de résistance des écrans en ohms pour 50 mètres de câble enterrés de ces câbles D et D.

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.

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.