EP1073067A1 - Câble électrique isolé et procédé de fabrication d'un tel câble - Google Patents

Câble électrique isolé et procédé de fabrication d'un tel câble Download PDF

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EP1073067A1
EP1073067A1 EP00402094A EP00402094A EP1073067A1 EP 1073067 A1 EP1073067 A1 EP 1073067A1 EP 00402094 A EP00402094 A EP 00402094A EP 00402094 A EP00402094 A EP 00402094A EP 1073067 A1 EP1073067 A1 EP 1073067A1
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EP
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aluminum
tube
cable according
conductor
cable
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Ceased
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EP00402094A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-François c/o SAGEM SA Lecoeuvre
Bertrand c/o SAGEM SA Ducroix
Patrick c/o SAGEM SA Sanchez
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Silec Cable SAS
Original Assignee
Sagem SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B9/00—Power cables
    • H01B9/02—Power cables with screens or conductive layers, e.g. for avoiding large potential gradients
    • H01B9/022—Power cables with screens or conductive layers, e.g. for avoiding large potential gradients composed of longitudinal lapped tape-conductors

Definitions

  • the present invention relates to buried electrical cables, intended mainly to medium and high voltage networks, which must remain watertight during long service lives, in the presence of aggressive agents.
  • the constitution of single-conductor cables of this type is usually that shown schematically in the figure.
  • the central conductor 10 is formed by a bundle of wires often wound in a helix, usually copper or aluminum, and is coated with a film 12 of conductive or semiconductor material intended in particular to render smooths the outer surface of the beam and reduce the spikes accordingly electric field.
  • a layer 14 of insulating material, generally polyethylene crosslinked with peroxide or silanes, covers the conductor-film assembly. She can be covered with a second film of semiconductor material 16.
  • the assembly thus constituted, often qualified as an electrical core, must be protected against moisture which may cause electrical trees.
  • a conductive tube 18 usually made of aluminum and generally having a a few hundred microns thick, which at the same time constitutes a screen electric.
  • This tube often consists of a strip or a folded or wound ribbon around the insulation with overlap of the edges and gluing, for example hot using a product qualified as a “hot melt” based on ethylene-vinyl acetate copolymer, says EVA, or using a polyester or polyamide resin.
  • a protective sheath mechanical 20 made of flexible insulating material, often polyvinyl chloride which combines good mechanical properties and resistance to cracking and good thermal aging behavior, is stuck on the screen.
  • a sealing powder is placed on the film 16 before fitting the tube.
  • Such cables are used in particular for medium voltage distribution, between 12 and 20 kV. In some countries, an additional conductive layer is provided above the sheath.
  • the long-term maintenance of the cable tightness is verified by tests on some samples.
  • a section of cable is immersed in an aqueous solution representative of the conditions of use in the presence of water.
  • the standard solution contains 10 g / l NaCl and 10 g / l Na2SO4 at a pH of 8.5. The test is carried out at 80 ° C.
  • GB 2043327 which describes a cable having a PVC sheath in contact with an inductor tube in aluminum, is interested in a thermomechanical problem.
  • the heart of the cable can cause thermal stress.
  • the problem is solved by having, under the metal screen, an insulator provided with longitudinal grooves for absorbing expansion of the isolated conductor. This prevents deformation of the screen-sheath assembly
  • the salts can in particular be derivatives of fatty acids such as stearates and oleates, the stabilizing effect of which can be enhanced by the presence of antioxidants, for example of the phenolic type.
  • Corrosion resistance is further increased if aluminum is subjected before constitution of the tube, passivation treatment.
  • anodic oxidation obtained by passing electric current between an anode consisting of aluminum to be protected and a cathode in a suitable electrolyte, destroys the natural oxide film, the thickness of which hardly exceeds 10 nm, and makes it grow a more resistant and more adherent anodic coating which can reach a thickness about 50 nm if the oxide is not porous and can go beyond if not.
  • Such a thick coating is more resistant to abrasion and corrosion than film natural alumina.
  • An anodically oxidized layer whose thickness is included between 20 and 50 nm is sufficient to significantly improve the corrosion resistance. In general we will not exceed 200 nm.
  • a coating obtained by chromatography in an electrolytic acid bath diluted chromic offers the same benefits.
  • passivation has mainly a interest on the face in contact with the sheath, it will generally be practiced simultaneously on both sides of the strip or ribbon.
  • the invention is also applicable to multipolar cables comprising a common mechanical protection sheath which contains several conductors fitted each of their own aluminum conductor tube.
  • the screen may surround all drivers.
  • the invention also provides a method of manufacturing an insulated cable, according to claim 10.
  • the second layer is advantageously coated with a sealing powder of cellulosic nature (for example a carboxymethylcellulose) before placing the tube.
  • a sealing powder of cellulosic nature for example a carboxymethylcellulose
  • the tube is sealed by edge-to-edge bonding and / or by welding crossing.
  • edge-to-edge bonding and / or by welding crossing.
  • the cable After 3000 hours of immersion at 80 ° C, the cable, once split, was examined. The examination showed that the tube has several perforations, destroying cable tightness. Examination of the sheath side, after detaching the tape metallic sheath, showed pitting corrosion.
  • a section of cable having the same constitution as that of Example 2 was manufactured, but replacing the lead-containing stabilizer with a stabilizer calcium-zinc, namely Reapack CV B 3003.
  • the same corrosion test as previously did not reveal any trace of attack on the inner side of the cable; the face outside of the aluminum tube showed no signs of corrosion, even when microscope.
  • the salts which can be used as stabilizers are very diverse in nature. They may in particular be calcium / zinc salts, magnesium and aluminum acid bold.
  • the fillers may contain silica instead of chalk.
  • the surface passivation of aluminum can be obtained not only by anodization or by phosphating, but also by mixed treatments leading to production of two superimposed layers, for example by chromation followed by phosphating.

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  • Manufacturing Of Electric Cables (AREA)
  • Insulated Conductors (AREA)

Abstract

Le câble électrique comprend un conducteur central (10) formé d'un faisceau de fils enroulés en hélice et revêtu d'une pellicule (12) de matériau semi-conducteur, une couche (14) de matériau isolant, un tube conducteur (18) en aluminium de quelques centaines de microns d'épaisseur et une gaine de protection mécanique (20). La gaine de protection est en PVC pratiquement exempt de plomb. L'aluminium est passivé en surface. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne les câbles électriques enterrables, destinés principalement à des réseaux moyenne et haute tension, qui doivent rester étanches pendant des durées de vie importantes, en présence d'agents agressifs.
La constitution des câbles à un seul conducteur de ce type est habituellement celle schématisée sur la figure. Le conducteur central 10 est formé d'un faisceau de fils souvent enroulés en hélice, généralement en cuivre ou aluminium, et il est revêtu d'une pellicule 12 de matériau conducteur ou semi-conducteur destinée notamment à rendre lisse la surface extérieure du faisceau et à réduire en conséquence les pointes de champ électrique. Une couche 14 de matériau isolant, en général de polyéthylène réticulé au peroxyde ou par des silanes, recouvre l'ensemble conducteur-pellicule. Elle peut être recouverte d'une seconde pellicule de matériau semi-conducteur 16.
L'ensemble ainsi constitué, souvent qualifié de coeur électrique, doit être protégé contre l'humidité qui risque de provoquer des arborescences électriques. On utilise pour cela un tube conducteur 18, habituellement en aluminium et ayant généralement une à quelques centaines de microns d'épaisseur, qui constitue en même temps un écran électrique. Ce tube est souvent constitué par un feuillard ou un ruban replié ou bobiné autour de l'isolant avec recouvrement des bords et collage, par exemple à chaud à l'aide d'un produit qualifié de « hot melt » à base de copolymère éthylène- acétate de vinyle, dit EVA, ou à l'aide d'une résine polyester ou polyamide. Enfin une gaine de protection mécanique 20 en matériau isolant souple, souvent en polychlorure de vinyle qui combine de bonnes caractéristiques mécaniques et de résistance à la fissuration et un bon comportement au vieillissement thermique, est collée sur l'écran. On obtient ainsi un câble présentant une flexibilité suffisante pour être enroulé sur un touret et mis en place sur des trajets sinueux. Souvent une poudre d'étanchéité est placée sur la pellicule 16 avant mise en place du tube.
De tels câbles sont notamment utilisés pour la distribution à moyenne tension, entre 12 et 20 kV. Dans certains pays, une couche conductrice supplémentaire est prévue au-dessus de la gaine.
Le maintien à long terme de l'étanchéité du câble est vérifié par des essais sur des échantillons. Un tronçon de câble est immergé dans une solution aqueuse représentative des conditions d'emploi en présence d'eau. La solution type contient 10 g/l de NaCI et 10 g/l de Na2SO4 à un pH de 8,5. L'essai est effectué à 80°C.
Les essais effectués par la demanderesse sur les câbles actuels du genre ci-dessus montrent une tendance à la corrosion du tube d'aluminium en dépit de la protection qu'assure initialement à l'aluminium la présence d'une pellicule superficielle d'alumine qui se forme de façon naturelle. Cette corrosion se manifeste par des piqures qui peuvent aller jusqu'à des perforations détruisant l'étanchéité du tube.
Il est apparu aux inventeurs qu'une cause importante de corrosion était la présence de sels de plomb incorporés en tant que stabilisants dans le PVC constituant les gaines de protection. Ces sels (généralement des sulfates tribasiques, phosphites dibasiques ou phtalates dibasiques) se sont révélés agressifs. Une explication probable est que le plomb transforme l'aluminium métal en ions qui passent en solution.
Ce phénomène n'était pas apprécié avant l'invention. Le document GB 2043327, qui décrit un câble ayant une gaine en PVC en contact avec un tube inducteur en aluminium, s'intéresse à un problème thermomécanique. Le coeur du câble peut provoquer une contrainte d'origine thermique. Le problème est résolu en disposant, sous l'écran métallique, un isolant muni de rainures longitudinales d'absorption de la dilatation du conducteur isolé. On évite ainsi la déformation de l'ensemble écran-gaine
En conséquence l'invention propose un câble dont la gaine de protection est en PVC pratiquement exempt de plomb. Ce résultat peut notamment être obtenu en utilisant comme stabilisant :
  • des sels métalliques à base de baryum, de calcium, de zinc, d'aluminium ou de magnésium. ;
  • des organo-étain ;
  • des co-stabilisants organiques.
Les sels peuvent en particulier être des dérivés d'acides gras tels que des stéarates et des oléates, dont l'effet stabilisant peut être renforcé par la présence d'antioxydants, par exemple de type phénolique.
La résistance à la corrosion est encore accrue si on soumet l'aluminium, avant constitution du tube, à un traitement de passivation.
On connaít déjà des traitements de surface, notamment d'oxydation anodique, de phosphatation et de chromatation, qui assurent une telle passivation. En particulier l'oxydation anodique, obtenue par passage du courant électrique entre une anode constituée par l'aluminium à protéger et une cathode dans un électrolyte approprié, détruit le film naturel d'oxyde, dont l'épaisseur ne dépasse guère 10 nm, et fait croítre un revêtement anodique plus résistant et plus adhérent qui peut atteindre une épaisseur d'environ 50 nm si l'oxyde n'est pas poreux et peut aller au-delà dans le cas contraire. Un tel revêtement épais résiste mieux à l'abrasion et à la corrosion que la pellicule naturelle d'alumine. Une couche oxydée anodiquement dont l'épaisseur est comprise entre 20 et 50 nm suffit à améliorer notablement la résistance à la corrosion. En général on ne dépassera pas 200 nm.
Un revêtement obtenu par chromatation dans un bain électrolytique d'acide chromique dilué offre les mêmes avantages. Bien que la passivation ait surtout un intérêt sur la face en contact avec la gaine, elle sera en général pratiquée simultanément sur les deux faces du feuillard ou ruban.
L'invention est également applicable aux câbles multipolaires comportant une gaine de protection mécanique commune qui contient plusieurs conducteurs munis chacun de leur tube conducteur propre en aluminium. En variante, l'écran peut entourer l'ensemble des conducteurs.
L'invention propose également un procédé de fabrication d'un câble isolé, conforme à la revendication 10.
Le ruban d'aluminium peut être passivé par divers procédés, généralement après dégraissage et éventuellement décapage. On peut citer les suivants, en plus de l'oxydation anodique, qui donne naissance à une alumine poreuse favorisant le collage :
  • l'oxydation électrolytique dans un bain sulfochromique,
  • l'anodisation chromique dans un bain électrolytique contenant de l'oxyde de chrome, donnant naissance à une couche d'oxyde sous forme d'une structure dense,
  • l'anodisation phosphorique électrolytique, donnant naissance à une pellicule de Al2O3 amorphe avec une couche de phosphate,
  • la chromatation ou la phosphatation par conversion chimique dans un bain acide.
La seconde couche est avantageusement revêtue d'une poudre d'étanchéité de nature cellulosique (par exemple une carboxyméthylcellulose) avant mise en place du tube.
Le tube est rendu étanche par collage bord sur bord et/ou par soudage traversant. On peut en particulier utiliser le mode de fixation et d'étanchéité décrit dans la demande FR 98 15346.
Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaítront à la lecture de la description qui suit d'essais comparatifs. La description se réfère au dessin qui l'accompagne et montre schématiquement un câble de constitution type.
Des essais ont été effectués sur des câbles dont le conducteur central est constitué par une âme câblée de 150 mm2 de section avec une isolation multicouche ayant :
  • une couche semi-conductrice,
  • une couche isolante d'oléfine ( polyéthylène réticulé),
  • une seconde couche semi-conductrice,
  • un tube constitué par un ruban d'aluminium de 200 µm environ d'épaisseur, replié sur la seconde couche revêtue d'une poudre d'étanchéité, avec collage bord sur bord à chaud par un produit type « hot melt » polyamide,
  • une gaine externe en PVC de 3 mm d'épaisseur.
Echantillon témoin
A titre d'échantillon témoin, on a utilisé un tronçon de câble couramment utilisé, dont le matériau de gaine a la composition suivante, en poids :
PVC 100
Plastifiant : diisodécylphtalate 38
Charge : craie 39
Lubrifiant : stéarate de calcium 0,5
Stabilisant : sulfate tribasique de plomb 6
Anti-oxydant : BPA 1
L'adhésion entre la gaine et le ruban d'aluminium était assurée par une fine couche d'adhésif vinylique.
Au bout de 3000 heures d'immersion à 80°C, le câble, une fois fendu, a été examiné. L'examen a montré que le tube présente plusieurs perforations, détruisant l'étanchéité du câble. L'examen de la face côté gaine, après désolidarisation du ruban métallique de la gaine, a fait apparaítre des corrosions par piqûre.
Exemple 1
Pour déterminer l'effet du remplacement des sels de plomb par des sels calcium-zinc, un câble ayant la même constitution que l'échantillon de référence a été réalisé, en remplaçant le sulfate tribasique de plomb par la même quantité en poids d'un stabilisant calcium-zinc d'un type disponible dans le commerce sous la marque "Reapack CV B 3003".
Après un essai de même durée, aucune corrosion n'est apparue à l'intérieur du tube et l'étanchéité était préservée. Après désolidarisation de la gaine de protection et de l'écran d'aluminium, seuls quelques débuts de piqûre, dont le développement reste superficiel, ont été observés.
Exemple 2
Pour déterminer l'effet d'un traitement de surface par anodisation sur la résistance à la corrosion du tube écran, on a fabriqué un tronçon de câble ayant la même constitution que l'échantillon témoin, si ce n'est que :
  • l'aluminium destiné à constituer le tube a préalablement subi une oxydation par passivation chromique , conduisant à une épaisseur d'oxyde de 60 nm.
  • l'adhésif entre l'aluminium et la gaine était constitué par une résine polyester.
On n'a pas constaté de corrosion sur le côté intérieur du câble. La face externe du ruban d'aluminium ne présentait pas de trace de corrosion visible à l'oeil nu, mais seulement quelques traces blanches observables uniquement au microscope.
Exemple 3
Un tronçon de câble ayant la même constitution que celui de l'exemple 2 a été fabriqué, mais en remplaçant le stabilisant contenant du plomb par un stabilisant calcium-zinc, à savoir Reapack CV B 3003. Le même essai de corrosion que précédemment n'a révélé aucune trace d'attaque sur le côté intérieur du câble ; la face extérieure du tube d'aluminium n'a révélé aucune trace de corrosion, même au microscope.
La comparaison des résultats qui précèdent montre qu'on obtient une amélioration notable de la résistance à la corrosion par l'emploi d'un stabilisant ne contenant pas de plomb et un renforcement de la couche protectrice de l'aluminium, ces deux mesures étant avantageusement utilisées en combinaison.
Les sels utilisables en tant que stabilisants sont de natures très diverses. Ils peuvent notamment être des sels de calcium/zinc, de magnésium et d'aluminium d'acide gras. Les charges peuvent comporter de la silice au lieu de la craie.
La passivation superficielle de l'aluminium peut être obtenue non seulement par anodisation ou par phosphatation, mais aussi par des traitements mixtes conduisant à la réalisation de deux couches superposées, par exemple par chromatation suivie d'une phosphatation.

Claims (10)

  1. Câble électrique enterrable, comprenant un conducteur central (10) revêtu d'une pellicule (12) de matériau semi-conducteur, d'une couche (14) de matériau isolant, d'un tube conducteur (18) en aluminium d'une à quelques centaines de microns d'épaisseur et d'une gaine de protection mécanique (20) en matériau isolant souple, caractérisé en ce que la gaine de protection est en PVC pratiquement exempt de plomb.
  2. Câble selon la revendication 1, caractérisé en ce que le conducteur central est formé d'un faisceau de fils enroulés en hélice
  3. Câble selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le PVC contient comme stabilisant des sels de calcium, de zinc, d'aluminium ou de magnésium.
  4. Câble selon la revendication 3, caractérisé en ce que le stabilisant est un dérivé d'acide gras tels que stéarate ou oléate.
  5. Câble selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'effet du stabilisant est renforcé par des anti-oxydants, par exemple de type phénolique.
  6. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'aluminium est revêtu d'une couche de passivation.
  7. Câble selon la revendication 6, caractérisé en ce que la couche de passivation est une couche d'oxyde de 20 à 200 nm d'épaisseur.
  8. Câble selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tube est constitué par un feuillard ou un ruban replié ou bobiné autour de l'isolant avec recouvrement des bords et collage à chaud.
  9. Câble multipolaire suivant l'une quelconque de revendication 1 à 8, comportant une gaine de protection mécanique (20) commune qui contient plusieurs conducteurs munis chacun de leur tube conducteur propre en aluminium ou recouverts par un tube conducteur commun.
  10. Procédé de fabrication d'un câble isolé, comprenant les étapes suivantes :
    on revêt un conducteur central d'une pellicule semi-conductrice à surface extérieure lisse,
    on extrude une couche isolante sur le conducteur revêtu pour constituer un coeur électrique,
    on bobine ou on replie sur le coeur un ruban d'aluminium préalablement passivé par traitement électrolytique d'oxydation anodique ou de phosphatation, pour constituer un tube,
    on colle par extrusion sur le tube une gaine de protection mécanique en PVC contenant un stabilisant dépourvu de plomb.
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