EP4050129A1 - Câble électrique protégé contre la corrosion - Google Patents

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EP4050129A1
EP4050129A1 EP21305236.8A EP21305236A EP4050129A1 EP 4050129 A1 EP4050129 A1 EP 4050129A1 EP 21305236 A EP21305236 A EP 21305236A EP 4050129 A1 EP4050129 A1 EP 4050129A1
Authority
EP
European Patent Office
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neutral conductor
conductor
cable
aluminum
screen
Prior art date
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Pending
Application number
EP21305236.8A
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German (de)
English (en)
Inventor
Rodrigue Sumera
Sophie DELATTRE
Laurent Keromnes
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nexans SA
Original Assignee
Nexans SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Nexans SA filed Critical Nexans SA
Priority to EP21305236.8A priority Critical patent/EP4050129A1/fr
Publication of EP4050129A1 publication Critical patent/EP4050129A1/fr
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    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/17—Protection against damage caused by external factors, e.g. sheaths or armouring
    • H01B7/28—Protection against damage caused by moisture, corrosion, chemical attack or weather
    • H01B7/2806—Protection against damage caused by corrosion
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
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    • C25D11/08—Anodisation of aluminium or alloys based thereon characterised by the electrolytes used containing inorganic acids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
    • C25D11/16—Pretreatment, e.g. desmutting
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
    • C25D11/02—Anodisation
    • C25D11/04—Anodisation of aluminium or alloys based thereon
    • C25D11/18—After-treatment, e.g. pore-sealing
    • C25D11/24—Chemical after-treatment
    • C25D11/246—Chemical after-treatment for sealing layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/17—Protection against damage caused by external factors, e.g. sheaths or armouring
    • H01B7/18—Protection against damage caused by wear, mechanical force or pressure; Sheaths; Armouring
    • H01B7/22—Metal wires or tapes, e.g. made of steel
    • H01B7/226—Helicoidally wound metal wires or tapes

Definitions

  • the present invention relates to cables for transporting electricity, comprising a neutral conductor in contact with a metal screen. It relates more specifically to the inhibition of corrosion phenomena within such cables.
  • the invention finds in particular interesting applications in the field of so-called "low voltage” (LV) cables, which are typically used for the transport of electricity with a voltage of at most 1000 V in alternating current and at most 1500 V continuous.
  • LV low voltage
  • the invention is particularly interesting for cables of this type intended to be used as underground cables.
  • phase conductors typically comprise an assembly of at least one phase conductor (and typically three phase conductors) and a neutral conductor.
  • phase conductors as well as the neutral conductor, is an elongated electrically conductive element, typically consisting of an electrically conductive metal wire or else of a set of conductive wires (typically joined together in a strand), the phase conductors being sheathed in an electrically insulating envelope.
  • the present invention relates to cables of this type further comprising a metal screen which surrounds the phase conductors and the neutral conductor, and where the neutral conductor is physically in contact with this metal screen.
  • the metal screen is typically formed by a metal strip, formed by a conductive metal tape wound around the conductors over their entire length.
  • the metallic screen and the neutral conductor in contact with it are connected to a reference potential, usually the earth potential for grounding.
  • a protective sheath generally made of synthetic material, typically surrounds the screen.
  • the earthing of the screen and the neutral conductor ensures good protection of people or animals that would come into contact with the cable if one of the phase conductors and in particular its insulating sheath were to be damaged. .
  • This risk is not zero, in particular in the case of buried cables: during work, for example, the accidental contact of an electrically conductive tool with the cable is not excluded, likely to induce potentially fatal bodily injury, which should be avoided. It is therefore essential to ensure excellent grounding of the cables of the aforementioned type, in particular by maintaining a mechanical resistance of the screen limiting the risks of seeing it pierced or broken accidentally and more generally by maintaining as long as possible the integrity of the neutral conductor and the metal screen which provide protection by earthing.
  • a solution which has long been recommended and commonly used consists in forming a layer of lead around the neutral conductor, which provides protection against corrosion.
  • This solution leads to effective protection of the neutral conductor, particularly when the latter is made of aluminium.
  • the screen is based on a zinc-coated steel, the protection is achieved to the detriment of the zinc, which corrodes rapidly by battery effect.
  • lead due to the toxicity of lead, it is desirable to no longer use this metal, or indeed any other heavy metal whose use is now regulated.
  • An object of the present invention is to provide a new solution making it possible to reduce the phenomena of corrosion in cables comprising an aluminum-based neutral conductor in contact with a metal screen, by dispensing with the use of lead.
  • the present invention proposes to use a specific neutral conductor, having on the surface a protective layer of alumina, typically obtained by anodization.
  • the cable according to the invention comprises several phase conductors (typically three phase conductors in the case of the usual transmission of three-phase current), and the metal screen then surrounds all the phase conductors (as well as the neutral conductor with which it is in contact).
  • the metal screen is generally a metal strip, advantageously having the shape of a hollow cylinder of circular section, and which completely covers the phase and neutral conductors of the cable.
  • a strip is typically formed by winding around the phase and neutral conductors at least one metal strip, typically in a helical fashion with a partial overlap of the strips so as to ensure total coverage.
  • the metal screen does not generally constitute the outermost layer of the cable which generally comprises at least one protective sheath surrounding the metal screen.
  • the present invention takes advantage, by amplifying them, of the advantageous properties of the alumina layer which forms naturally on aluminum and on its alloys.
  • the benefits of alumina on the surface of the neutral conductor have not been described to date for low voltage cables with a neutral conductor in contact with a metal screen.
  • the formation of alumina on the surface of aluminum neutral conductors was rather described as a disadvantage in the past. This is particularly the case for the request EP 1 816 656 cited above, which recommends avoiding the presence of surface alumina by coating the aluminum with another metal.
  • the protective layer of alumina which coats the neutral conductor in a cable according to the invention typically has a much greater thickness than that of the layers of alumina which form naturally by oxidation of an aluminum surface (these natural layers having a thickness of 1 to 3 ⁇ m at most). Most often, in a cable according to the invention, the protective layer of alumina has a thickness greater than or equal to 5 ⁇ m, preferably greater than or equal to 6 ⁇ m, and even more advantageously greater than or equal to 8 ⁇ m. The corrosion resistance proves to be higher the greater this thickness, but, in particular for cost reasons, it is generally not necessary for the thickness of the layer to exceed 20 ⁇ m.
  • the thickness of the protective alumina layer which coats the neutral conductor can for example range from 6 to 15 ⁇ m, and preferably from 8 to 12 ⁇ m (terminals included).
  • the alumina layer preferably coats the entire surface of the neutral conductor so as to provide protection. This thickness of the layer is preferably substantially the same over all the outer surface of the neutral conductor.
  • the thickness of the alumina layer can in particular be measured on a cross section observed by optical microscopy according to the method described in the ISO 1436 standard.
  • the protective alumina layer of the invention preferably comprises a hydrated alumina. Typically, it is a boehmite layer of formula Al 2 O 3 , nH 2 O with n between 1.5 and 2.5.
  • the protective alumina layer of the invention is preferably obtained by anodization, which is a process which makes it possible in particular to obtain a homogeneous layer and of chosen and controlled thickness over the entire external surface of the conductor of neutral.
  • anodization is a process which makes it possible in particular to obtain a homogeneous layer and of chosen and controlled thickness over the entire external surface of the conductor of neutral.
  • the neutral conductor is based on aluminum or an aluminum alloy and the protective layer is an anodization layer resulting from anodization, namely controlled and electrochemical oxidation. aluminum.
  • an "aluminum alloy”, within the meaning of the present description, is a metallic alloy comprising aluminum in association with other elements, which includes in particular the alloys defined in the Directive Aluminum Association of Washington DC 2086 or the alloys meeting European standard EN573. These standards define several classes of aluminum alloy with references ranging from 1000 to 8000.
  • the layer obtained by anodization is particularly well secured with the aluminum constituting the neutral conductor. It is not a simple coating of alumina deposited on the aluminum, but a layer intimately linked to the aluminum and whose resistance is therefore particularly high, which contributes to good maintenance of the effects of inhibition of corrosion over time. Indeed, during the anodization process, the alumina layer is formed by consuming the surface aluminum and by integrating this aluminum into the layer being formed, which secures the layer deposited with the neutral conductor.
  • the useful protective layer according to the invention is obtained according to a method comprising a step of anodizing under current in an acid electrolytic medium of a neutral conductor based on aluminum or an aluminum alloy, then a step clogging of the porosity of the surface obtained following the anodization.
  • the neutral conductor subjected to the anodization step has a surface condition optimizing the anodization.
  • the surface resulting from the anodizing is preferably subjected to a rinsing step.
  • a rinsing step also proves to be preferable at the end of the sealing step.
  • Step (E1) is most often desirable because, for the most part, the wires that can be used as neutral conductors are marketed with a film of grease on their surface, generally linked to their drawing preparation process.
  • the degreasing and pickling of step (E1) can in particular be carried out chemically, optionally electrolytically assisted.
  • the purpose of degreasing operations is to eliminate the various bodies and particles contained in fats while the pickling operation serves to remove the oxides present on the surface.
  • pickling methods chemical, electrolytic or mechanical, well known to those skilled in the art. Chemical pickling consists in eliminating the oxides by dissolving, or even bursting the layer, without attacking the underlying metal.
  • For degreasing/stripping it is possible, for example, to use an industrial solution at 45ml/L of GARDOCLEAN ® (available from CHEMETALL).
  • the solution is essentially composed of soda (about 30g/L to 45ml/L) and surfactants.
  • step (E3) of neutralizing the wires makes it possible not to pollute the anodizing bath in step (E5).
  • this step makes it possible to eliminate certain traces of residual oxides which could otherwise harm the anodization.
  • This step is done in a bath identical to the anodizing bath.
  • a solution of sulfuric acid H 2 SO 4 at 200 g/L at room temperature typically eliminates any residues of soda associated with degreasing.
  • Neutralization advantageously makes it possible to bring the surface of the aluminum to the same pH as the anode bath.
  • step (E5) is based on the principle of water electrolysis.
  • the conductor based on aluminum or aluminum alloy plays the role of anode in an electrolytic system: this conductor is electrically connected to the positive terminal of a direct current generator and the conductor is placed wholly or partly in contact with an electrolyte in which is immersed a counter electrode (cathode of the electrolytic system) connected to the negative terminal of said direct current generator.
  • the electrolyte of step (E5) comprises an acid, preferably sulfuric acid, which corresponds to an anodization called “sulfuric anodization” (although other acids are possible, such as phosphoric acid, chromic acid or oxalic acid).
  • the counter-electrode (cathode) usually used for anodization is generally made of lead (inert in the middle). In order to eliminate any recourse to lead, it may be substituted within the scope of the invention by other cathodes, for example aluminum or stainless steel cathodes.
  • step (E) the oxide layer develops from the surface towards the heart of the metal, unlike an electrolytic deposit.
  • the oxide layer obtained is therefore not not strictly speaking a coating, but rather a surface layer forming one body with the rest of the conductor, which explains its very good behavior.
  • Step (E5) is therefore placed under anodization conditions, namely conditions where V dissolution ⁇ V oxidation .
  • the electrolytic parameters are imposed in particular by the current density and the conductivity of the bath.
  • step (E7) is a technique allowing the sealing or closing of the porosities existing in each cell of the oxide layer. This sealing is obtained by transformation of the alumina constituting the anodic layer, causing expansion and therefore gradual closing of the pores.
  • This sealing operation is typically carried out by immersing the conductor from step (E5) in water heated to high temperature, typically at least 80° C., preferably at least 90° C. (typically osmosed water having a temperature greater than or equal to 90° C.) to promote the reaction kinetics.
  • water heated to high temperature typically at least 80° C., preferably at least 90° C. (typically osmosed water having a temperature greater than or equal to 90° C.) to promote the reaction kinetics.
  • the anhydrous alumina of the layer formed in step (E) absorbs water molecules and becomes a hydrated alumina.
  • Each of the rinsing steps (E2), (E4), (E6) and (E8) advantageously comprises a coarse pre-rinsing, followed by a more thorough rinsing called "clean" rinsing typically by osmosis water, and which is advantageously followed by drying, preferably with compressed air.
  • the neutral conductor according to the invention can be constituted both by a single elongated conductive element (a wire for example, preferably of circular section) and by several elongated conductive elements (several wires or strands advantageously joined together in strands, for example) .
  • These elongated conductive elements are preferably based on aluminum or an aluminum alloy, for example of the aforementioned type, the aluminum or the aluminum alloy being at least present on the surface of the neutral conductor.
  • a neutral conductor as used according to the present invention typically has a section of less than 120 mm 2 , in particular between 16 and 120 mm 2 .
  • the neutral conductor of the cable according to the invention is a solid wire, preferably of circular section, made of aluminum or an aluminum alloy.
  • the protective layer present on the neutral conductor is advantageously obtained by anodizing the surface of the wire.
  • the screen present in the cable of the invention therefore advantageously consists of at least one steel strip wound around the phase and neutral conductors.
  • the metal screen which is in contact with the neutral conductor of the invention is a metal screen formed by a rolled up strip of steel covered with zinc (galvanized steel).
  • This zinc coating typically has a thickness corresponding to a surface content of 70 to 140 g/dm 2 .
  • Such a zinc coating protects the steel of the screen against oxidation, the zinc typically playing the role of sacrificial agent.
  • the metal screen which is in contact with the neutral conductor of the invention is a metal screen formed by a rolled-up metal strip covered with aluminum, typically a steel strip covered with aluminum. 'aluminum.
  • This embodiment makes it possible to inhibit in a particularly effective way the phenomena of galvanic corrosion within the cable: in addition to the protective effect conferred by the layer of alumina present on the neutral conductor, the implementation of the same metal on the screen and the neutral conductor, namely aluminium, avoids battery effect type phenomena.
  • each of the conductors be surrounded by an insulating coating, which insulates it not only from the other conductors, but also from the neutral conductor.
  • each of the phase conductors is insulated from the others, which is typically achieved by surrounding each of the phase conductors with an insulating coating, typically an insulating sheath.
  • phase conductors employed in a cable according to the invention may for example have a circular or sectoral section and they may either consist of a single elongated conductive element (one wire) or else of several elongated conductive elements (several wires or strands advantageously gathered in strands, for example).
  • the same cable may optionally contain different types of phase conductors although it is more usual to use identical phase conductors when the cable contains several of them.
  • a phase conductor as used according to the present invention typically has a section of less than 240 mm 2 , typically between 16 and 120 mm 2 .
  • the screen which surrounds the phase and neutral conductors is an internal layer of the cable according to the invention.
  • the term “inner layer” is understood to mean a layer which does not constitute the outermost layer of the cable.
  • the cable it is advantageous for the cable to further comprise an outer protective sheath deposited around the screen.
  • This sheath makes it possible, among other effects, to reinforce the protection of the cable (and in the first place of the screen) against external, chemical or physical attacks.
  • the application of the protective sheath around the screen can typically be carried out by extrusion, in particular at a temperature ranging from 140° C. to 195° C. approximately.
  • the sheath is then made of a thermoplastic polymer, for example PVC, which may possibly contain additives making it possible to improve the resistance of the cable, such as, for example, additives improving the service life of the cable under the conditions envisaged for its use. .
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a cable implementing the principles of the present invention.
  • the cable designated by the general reference 1 on the Figure 1 is an example of a cable according to the invention intended for the transport of low voltage three-phase electricity.
  • This cable includes three identical phase conductors
  • This cable comprises three identical phase conductors 2, 3 and 4. In the figure each of them is formed of a single metal wire of sectoral section but other variants are possible (in particular the use of several stranded wires and/or or some cylindrical geometries for example).
  • Each of the three phase conductors which can for example be made of aluminum or copper, is sheathed with an insulating casing referenced 12, 13 and 14 respectively.
  • the cable also comprises a neutral conductor 20 according to the invention, having on the surface a protective alumina layer 25.
  • a metal screen 30 surrounds the assembly formed by the four conductors over their entire length.
  • This screen is, in the figure, a strip obtained by winding a conductive tape around the four conductors over their entire length, this tape being based on steel coated with aluminum (a coating with zinc is alternatively possible) this whereby the strip obtained has a hollow cylindrical body 32 based on steel and an internal layer 34 based on aluminium, which is in physical contact with the four conductors (the three insulated phase conductors 2, 3 and 4 provided with their insulating envelopes 13, 13 and 14; and the neutral conductor provided with its protective layer 25).
  • the screen 30 as well as the conductor 20 are connected to the ground potential so as to ground them.
  • synthetic material typically PVC

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Abstract

La présente invention concerne un câble pour le transport d'électricité, comprenant :- au moins un conducteur de phase;- au moins un conducteur de neutre isolé électriquement dudit conducteur de phase ;- un écran métallique entourant le conducteur de phase et le conducteur de neutre, et en contact physique avec le conducteur de neutre,et où le conducteur de neutre est revêtu extérieurement par une couche protectrice d'alumine en contact avec l'écran métallique.

Description

  • La présente invention a trait à des câbles pour le transport de l'électricité, comprenant un conducteur de neutre en contact avec un écran métallique. Elle concerne plus spécifiquement l'inhibition des phénomènes de corrosion au sein de tels câbles.
  • L'invention trouve en particulier des applications intéressantes dans le domaine des câbles dits "basse tension" (BT), qui sont typiquement employés pour le transport d'électricité avec une tension d'au plus 1000 V en régime alternatif et d'au plus 1500 V en régime continu. L'invention est notamment intéressante pour des câbles de ce type destinées à être employés à titre de câbles souterrains.
  • Les câbles électriques conçus pour le transport de l'électricité, notamment pour la basse tension, comprennent typiquement un assemblage d'au moins un conducteur de phase (et typiquement trois conducteurs de phases) et d'un conducteur de neutre. Chacun des conducteurs de phases, ainsi que le conducteur de neutre, est un élément allongé électriquement conducteur, typiquement constitué d'un fil métallique électriquement conducteur ou bien d'un ensemble de fils conducteur (typiquement réunis en toron), les conducteurs de phase étant gainés d'une enveloppe électriquement isolante.
  • La présente invention concerne des câbles de ce type comprenant en outre un écran métallique qui entoure les conducteurs de phase et le conducteur de neutre, et où le conducteur de neutre est physiquement en contact avec cet écran métallique.
  • L'écran métallique est typiquement formé par un feuillard métallique, formé d'un ruban métallique conducteur enroulé autour des conducteurs sur toute leur longueur.
  • L'écran métallique et le conducteur de neutre en contact avec celui-ci sont reliés à un potentiel de référence, habituellement le potentiel de la terre pour une mise à la masse. Une gaine de protection, généralement en matériau synthétique, entoure typiquement l'écran.
  • La mise à la masse de l'écran et du conducteur de neutre permet d'assurer une bonne protection des personnes ou des animaux qui viendraient en contact avec le câble si l'un des conducteurs de phase et notamment sa gaine isolante venait à être détériorée. Ce risque n'est pas nul, en particulier dans le cas de câbles enterrés : lors de travaux, par exemple, le contact accidentel d'un outil électriquement conducteur avec le câble n'est pas exclu, susceptible d'induire des dommages corporels potentiellement fatals, qu'il convient d'éviter. Il est par conséquent primordial d'assurer une excellente mise à la terre des câbles du type précité, en maintenant notamment une résistance mécanique de l'écran limitant les risques de le voir percé ou cassé accidentellement et plus généralement en maintenant le plus durablement possible l'intégrité du conducteur de neutre et de l'écran métallique qui assurent la protection par mise à la terre.
  • Dans ce cadre, une problématique importante est la résistance à la corrosion qui peut survenir au sein du câble et endommager l'écran et/ou le conducteur de neutre. Des phénomènes de corrosion sont notamment observés lorsque le conducteur de neutre est à base d'aluminium, ce qui est couramment le cas compte tenu des avantages de ce métal en termes de légèreté et de prix.
  • Pour éviter ces problèmes de corrosion, une solution qui a longtemps été préconisée, et couramment employée, consiste à former une couche de plomb autour du conducteur de neutre, qui assure une protection contre la corrosion. Cette solution conduit à une protection efficace du conducteur de neutre tout particulièrement lorsque celui-ci est en aluminium. Cependant lorsque l'écran est à base d'un acier recouvert de zinc, la protection se fait au détriment du zinc qui se corrode rapidement par effet de pile. De plus, du fait de la toxicité du plomb, il est souhaitable de ne plus utiliser ce métal, ni d'ailleurs aucun autre métal lourd dont l'utilisation est désormais réglementée.
  • Pour éviter l'emploi du plomb, diverse solutions ont été proposées, parmi lesquelles on peut citer celle de la demande de brevet EP 1 816 656 qui concerne un câble pour le transport de l'électricité du type précité (à savoir comprenant au moins un conducteur de phase isolé et un conducteur de neutre et un écran les entourant avec le conducteur de neutre étant en contact avec une partie de l'écran) et où les parties du conducteur de neutre et de l'écran qui sont en contact sont constituées d'un matériau à base d'un même métal électriquement conducteur, autre que le plomb, par exemple le zinc. Avec les câbles décrits dans EP 1 816 656 , l'emploi d'un même métal protégeant alors le conducteur de neutre de la corrosion, notamment en évitant les phénomènes généralement désignés par "effets de pile" observés lorsque les constituants de surface du conducteur de neutre et de l'écran ont des potentiels électrochimiques différents.
  • Un but de la présente invention est de fournir une nouvelle solution permettant de réduire les phénomènes de corrosion dans les câbles comprenant un conducteur de neutre à base d'aluminium en contact avec un écran métallique, en s'affranchissant de l'emploi de plomb.
  • A cet effet, la présente invention propose d'employer un conducteur de neutre spécifique, présentant en surface une couche protectrice d'alumine, typiquement obtenue par anodisation.
  • Plus précisément, la présente invention a pour objet un câble pour le transport d'électricité, comprenant :
    • au moins un conducteur de phase ;
    • au moins un conducteur de neutre isolé électriquement dudit conducteur de phase ;
    • un écran métallique entourant le conducteur de phase et le conducteur de neutre, et en contact physique avec le conducteur de neutre, et dans lequel le conducteur de neutre est revêtu extérieurement par une couche protectrice d'alumine en contact avec l'écran métallique.
  • Selon un mode de réalisation, le câble selon l'invention comprend plusieurs conducteurs de phase (typiquement trois conducteurs de phase dans le cas du transport usuel de courant triphasé), et l'écran métallique entoure alors tous les conducteurs de phase (ainsi que le conducteur de neutre avec lequel il est en contact).
  • L'écran métallique est généralement un feuillard métallique, ayant avantageusement la forme d'un cylindre creux de section circulaire, et qui recouvre totalement les conducteurs de phase et de neutre du câble. Un tel feuillard est typiquement formé en enroulant autour des conducteurs de phase et de neutre au moins un ruban métallique, typiquement de façon hélicoïdale avec une recouvrement partiel des rubans de façon à assurer une couverture totale. L'écran métallique ne constitue généralement pas la couche la plus externe du câble qui comporte généralement au moins une gaine de protection entourant l'écran métallique.
  • Différents aspects et modes de réalisation possibles de l'invention sont décrits plus en détails ci-après.
    • La couche protectrice d'alumine
  • La présente invention met à profit, en les amplifiant, des propriétés intéressantes de la couche d'alumine qui se forme naturellement sur l'aluminium et sur ses alliage. L'intérêt de l'alumine en surface du conducteur de neutre n'ont pas été décrits à ce jour pour les câbles basse tension avec un conducteur de neutre en contact avec un écran métallique. Au contraire, la formation d'alumine en surface des conducteurs neutre d'aluminium était plutôt décrite comme un inconvénient par le passé. C'est notamment le cas de la demande EP 1 816 656 précitée, qui préconise d'éviter la présence d'alumine de surface en revêtant l'aluminium par un autre métal.
  • Au lieu d'éviter la formation d'une couche extérieure d'alumine comme préconisé par le passé, les travaux qui ont été réalisés par les inventeurs dans le cadre de la présente invention ont visé a contrario à augmenter la quantité d'alumine présente en surface. Contre toure attente, cette approche s'avère particulièrement intéressante est permet une protection du conducteur de neutre vis-à-vis de la corrosion tout en permettant de conserver les autres avantages du câble en termes de protection, et sans avoir à employer de plomb, ni même d'autres métaux que l'aluminium.
  • La couche protectrice d'alumine qui revêt le conducteur de neutre dans un câble selon l'invention a typiquement une épaisseur bien supérieure à celle des couches d'alumine qui se forment naturellement par oxydation d'une surface d'aluminium (ces couches naturelles ayant une épaisseur de 1 à 3 µm tout au plus). Le plus souvent, dans un câble selon l'invention, la couche protectrice d'alumine a une épaisseur supérieure ou égale à 5 µm, préférentiellement supérieure ou égale à 6 µm, et plus avantageusement encore supérieure ou égale à 8 µm. La résistance à la corrosion s'avère d'autant plus élevée que cette épaisseur est importante, mais, notamment pour des raisons de coûts, il n'est généralement pas nécessaire que l'épaisseur de la couche excède 20 µm. Ainsi, selon des modes de réalisations intéressants, l'épaisseur de la couche protectrice d'alumine qui revêt le conducteur de neutre peut par exemple aller de 6 à 15 µm, et manière préférée de 8 à 12 µm (bornes incluses). La couche d'alumine revêt de préférence toute la surface du conducteur de neutre de façon à assurer la protection Cette épaisseur de la couche est de préférence sensiblement la même sur toutes la surface externe du conducteur de neutre.
  • L'épaisseur de la couche d'alumine peut notamment être mesurée sur une coupe transversale observée par microscopie optique selon la méthode décrite dans la norme ISO 1436.
  • La couche d'alumine protectrice de l'invention comprend de préférence une alumine hydratée. Typiquement, il s'agit d'une couche de boéhmite de formule Al2O3, nH2O avec n compris entre 1,5 et 2,5.
  • Par ailleurs, la couche d'alumine protectrice de l'invention est de préférence obtenue par anodisation, qui est un procédé qui permet notamment d'obtenir une couche homogène et d'épaisseur choisie et contrôlée sur la totalité de la surface externe du conducteur de neutre. Lorsque la couche protectrice est déposée par anodisation, le conducteur de neutre est à base d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium et la couche protectrice est une couche d'anodisation résultant d'une anodisation, à savoir une oxydation contrôlée et électrochimique de l'aluminium.
  • Un "alliage d'aluminium", au sens de la présente description, est un alliage métallique comprenant de l'aluminium en association avec d'autres éléments, ce qui inclut notamment les alliages définis dans la Directive Aluminium Association de Washington DC 2086 ou les alliages répondant à la norme européenne EN573. Ces normes définissent plusieurs classes d'alliage d'aluminium présentant les références allant de 1000 à 8000.
  • La couche obtenue par anodisation est particulièrement bien solidarisée avec l'aluminium constitutif du conducteur de neutre. Il ne s'agit pas d'un simple revêtement d'alumine déposé sur l'aluminium, mais d'une couche intimement lié à l'aluminium et dont la tenue est donc particulièrement élevée, ce qui contribue à un bon maintien des effets d'inhibition de la corrosion au cours du temps. En effet, lors du processus d'anodisation, la couche d'alumine se forme en consommant l'aluminium de surface et en intégrant cet aluminium dans la couche en formation ce qui solidarise la couche déposée avec le conducteur de neutre.
  • Typiquement, la couche de protection utile selon l'invention est obtenue selon un procédé comprenant une étape d'anodisation sous courant en milieu électrolytique acide d'un conducteur de neutre à base d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, puis une étape de colmatage de la porosité de la surface obtenu suite à l'anodisation.
  • De préférence, le conducteur de neutre soumis à l'étape d'anodisation présente un état de surface optimisant l'anodisation.
  • A cet effet, il est préférable, préalablement à l'étape d'anodisation (E4) de soumettre l'élément conducteur à la série d'étape suivante :
    • dégraissage-décapage ; puis
    • premier rinçage ; puis
    • neutralisation ; puis
    • second rinçage
  • Par ailleurs, entre les étapes d'anodisation et de colmatage, la surface issue de l'anodisation est de préférence soumise à une étape de rinçage. De même, une étape de rinçage s'avère également préférable à l'issue de l'étape de colmatage.
  • Ainsi, une couche de protection utile selon l'invention sur un conducteur de neutre à base d'aluminium ou d'alliage d'aluminium peut typiquement être obtenue en soumettant le conducteur de neutre aux étapes successives suivantes :
    • (E1) dégraissage-décapage (optionnel mais recommandé) ; puis
    • (E2) premier rinçage (optionnel mais recommandé); puis
    • (E3) neutralisation (optionnel mais fortement recommandé) ; puis
    • (E4) deuxième rinçage (optionnel mais recommandé)
    • (E5) anodisation sous courant en milieu électrolytique acide, de préférence dans un milieu à base d'acide sulfurique,
    • (E6) troisième étape rinçage (fortement recommandé)
    • (E7) colmatage
    • (E8) quatrième rinçage (optionnel mais recommandé)
  • L'étape (E1) est le plus souvent souhaitable car, pour la plupart, les fils utilisables à titre de conducteur de neutre sont commercialisés avec un film de graisse sur leur surface, généralement lié à leur procédé de préparation de tréfilage.
  • Le dégraissage et le décapage de l'étape (E1) peut notamment être effectuée par voie chimique, éventuellement assistée par voie électrolytique. Les opérations de dégraissage ont pour but d'éliminer les différents corps et particules contenus dans les graisses tandis que l'opération de décapage sert à éliminer les oxydes présents sur la surface. Il existe plusieurs méthodes de décapage : chimique, électrolytique ou mécanique, bien connues de l'homme du métier. Le décapage chimique consiste à éliminer les oxydes par dissolution, voir éclatement de la couche, sans attaquer le métal sous-jacent. Pour le dégraissage/décapage, il est possible par exemple d'utiliser une solution industrielle à 45ml/L de GARDOCLEAN® (disponible auprès de la Société CHEMETALL). La solution est essentiellement composée de soude (environ 30g/L à 45ml/L) et de tensio-actifs.
  • L'étape de neutralisation (E3) des fils permet de ne pas polluer le bain d'anodisation dans l'étape (E5). De plus, cette étape permet d'éliminer certaines traces d'oxydes résiduels qui pourraient sinon nuire à l'anodisation. Cette étape se fait dans un bain identique au bain d'anodisation. Une solution d'acide sulfurique H2SO4 à 200g/L à température ambiante permet typiquement d'éliminer les éventuels résidus de soude liés au dégraissage. La neutralisation permet avantageusement de mettre la surface de l'aluminium au même pH que le bain anodique.
  • L'anodisation de l'étape (E5) est basée sur le principe de l'électrolyse de l'eau. Lors de cette étape, le conducteur à base d'aluminium ou d'alliage d'aluminium joue le rôle d'anode dans un système électrolytique : ce conducteur est relié électriquement à la borne positive d'un générateur de courant continu et le conducteur est placé en tout ou partie en contact avec un électrolyte dans lequel plonge une contre électrode (cathode du système électrolytique) reliée la borne négative dudit générateur de courant continu.
  • L'électrolyte de l'étape (E5) comprend un acide, de préférence de l'acide sulfurique ce qui correspond à une anodisation dite "anodisation sulfurique" (bien que d'autres acides soient envisageables, comme l'acide phosphorique, l'acide chromique ou encore l'acide oxalique).
  • La contre-électrode (cathode) usuellement employée pour une anodisation est généralement en plomb (inerte au milieu). Dans un souci d'éliminer tout recours au plomb, on pourra lui substituer dans le cadre de l'invention d'autres cathodes, par exemple des cathodes en aluminium ou en acier inoxydables.
  • Lors de l'étape (E), la couche d'oxyde s'élabore à partir de la surface vers le cœur du métal, contrairement à un dépôt électrolytique. La couche d'oxyde obtenue n'est donc pas à proprement parler un revêtement, mais plutôt une couche de surface faisant corps avec le reste du conducteur, ce qui explique sa très bonne tenue .
  • Les réactions mises en jeu sont les suivantes :
    • à la cathode : 2H+ + 2e- → H2
    • à l'anode : Al → 3e - + Al3+, puis : 2 Al3+ + 3 H2O → Al2O3 + 6 H+
  • Avec l'équation bilan suivante : 2 Al + 3 H2O → Al2O3 + 3 H2
  • Ces réactions provoquent donc la formation d'une couche d'oxyde d'aluminium sur l'anode, qui est un isolant. Cette formation d'isolant serait propre à stopper le processus d'électrolyse en l'absence de l'électrolyte acide. L'électrolyte acide dissout la couche formée. Il en résulte, de façon connue, des sphères équipotentielles qui progressent en produisant des structures hexagonales poreuses.
  • Le processus d'anodisation dépend du rapport entre la vitesse de dissolution Vdissolution et la vitesse d'oxydation Voxydation :
    • si Vdissotution > Voxydation, on obtient un décapage
    • si Vdissolution = Voxydation, on obtient un polissage électrolytique
    • si Vdissolution < Voxydation, on obtient une anodisation.
  • On se place donc dans l'étape (E5) dans des conditions d'anodisation, à savoir des conditions où Vdissolution < Voxydation.
  • Les paramètres électrolytiques sont imposés notamment par la densité de courant et la conductivité du bain.
  • Le colmatage de l'étape (E7) est une technique permettant l'obturation ou la fermeture, des porosités existant dans chaque cellule de la couche d'oxyde. Cette obturation est obtenue par transformation de l'alumine constituant la couche anodique, entraînant une dilatation et donc une fermeture progressive des pores.
  • Cette opération de colmatage est typiquement réalisée en immergeant le conducteur issue de l'étape (E5) dans l'eau portée à haute température, typiquement d'au moins 80°C, de préférence d'au moins 90°C (typiquement de l'eau osmosée présentant une température supérieure ou égale à 90°C) pour favoriser la cinétique de réaction. L'alumine anhydre de la couche formée dans l'étape (E) absorbe des molécules d'eau et devient une alumine hydratée.
  • Le colmatage favorise ainsi une bonne tenue à la corrosion.
  • Chacune des étapes de rinçage (E2), (E4), (E6) et (E8) comprend avantageusement un pré-rinçage grossier, suivi d'un rinçage plus poussé dit rinçage « propre » typiquement par de l'eau osmosée, et qui est avantageusement suivi d'un séchage, de préférence à l'air comprimé.
    • Le conducteur de neutre
  • Le conducteur de neutre selon l'invention peut être constitué aussi bien par un unique élément conducteur allongé (un fil par exemple, de préférence de section circulaire) que par plusieurs éléments conducteurs allongés (plusieurs fils ou brins avantageusement réunis en torons, par exemple). Ces éléments conducteurs allongés sont de préférence à base d'aluminium ou d'un alliage aluminium, par exemple du type précité, l'aluminium ou l'alliage d'aluminium étant au moins présents en surface du conducteur de neutre.
  • Qu'il soit constitué d'un seul fil ou d'un assemblage de plusieurs brins ou fils, un conducteur de neutre tel qu'employé selon la présente invention a typiquement une section inférieure à 120 mm2, notamment entre 16 et 120 mm2.
  • Selon un mode de réalisation particulièrement intéressant, le conducteur de neutre du câble selon l'invention est un fil massif, de préférence de section circulaire, constitué d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium. Dans ce cas, la couche de protection présente sur le conducteur de neutre est avantageusement obtenue par anodisation de la surface du fil.
    • L'écran métallique
  • L'écran visant à assurer une bonne résistance mécanique du câble, l'acier est un matériau de choix pour sa constitution. L'écran présent dans le câble de l'invention est de ce fait avantageusement constitué d'au moins une bande d'acier enroulée autour des conducteurs de phase et de neutre.
  • Pour réduire encore les phénomènes de corrosion au sein du câble, il est intéressant selon l'invention d'employer un écran métallique protégé vis-à-vis de la corrosion.
  • Selon un premier mode de réalisation intéressant possible, l'écran métallique qui est en contact avec le conducteur de neutre de l'invention est un écran métallique formé par une bande enroulée d'acier recouverte par du zinc (acier galvanisé). Ce revêtement de zinc, a typiquement une épaisseur correspondant à une teneur surfacique de 70 à 140 g/dm2. Un tel revêtement de zinc assure une protection de l'acier de l'écran vis-à-vis de l'oxydation, le zinc jouant typiquement le rôle d'agent sacrificiel.
  • Selon un autre mode intéressant, l'écran métallique qui est en contact avec le conducteur de neutre de l'invention est un écran métallique formé par une bande enroulée métallique recouverte par de l'aluminium, typiquement une bande d'acier recouverte par de l'aluminium. Ce mode de réalisation permet d'inhiber de façon particulièrement efficaces les phénomènes de corrosion galvanique au sein du câble : en plus de l'effet de protection conférée par la couche d'alumine présente sur le conducteur de neutre, la mise en œuvre d'un même métal sur l'écran et le conducteur de neutre, à savoir l'aluminium, évite les phénomènes de type effets de pile.
    • Les conducteurs de phase
  • Quel que soit le nombre de conducteurs de phase présents, il est souhaitable que chacun des conducteurs soit entouré d'un revêtement isolant, ce qui l'isole non seulement des autres conducteurs, mais également du conducteur de neutre.
  • Dans le cas d'un câble comportant plusieurs conducteurs de phase, chacun des conducteurs de phase est isolé des autres, ce qui est typiquement réalisé en entourant chacun des conducteur de phase d'un revêtement isolant, typiquement une gaine isolante.
  • Les conducteurs de phase employés dans un câble selon l'invention peuvent par exemple avoir une section circulaire ou sectorale et ils peuvent indifféremment être constitués par un unique élément conducteur allongé (un fil) ou bien par plusieurs éléments conducteurs allongés (plusieurs fils ou brins avantageusement réunis en torons ,par exemple). Un même câble peut éventuellement contenir différents types de conducteurs de phase bien qu'il soit plus usuel d'employer des conducteurs de phases identiques lorsque le câble en contient plusieurs.
  • Qu'il soit constitué d'un seul fil ou d'un assemblage de plusieurs brins ou fils, un conducteur de phase tel qu'employé selon la présente invention a typiquement une section inférieure à 240 mm2, typiquement comprise entre 16 et 120 mm2.
    • Gaine externe de protection
  • De préférence, l'écran qui entoure les conducteurs de phase et de neutre est une couche interne du câble selon l'invention. Selon l'invention, on entend par « couche interne », une couche qui ne constitue pas la couche la plus externe du câble.
  • En particulier, il est avantageux que le câble comprenne en outre une gaine externe de protection déposée autour de l'écran. Cette gaine permet, entre autres effets, de renforcer la protection du câble (et en premier lieu de l'écran) vis-à-vis des agressions extérieures, chimiques ou physiques.
  • L'application de la gaine de protection autour de l'écran peut typiquement être effectuée par extrusion, notamment à une température allant de 140°C à 195°C environ. La gaine est alors constituée d'un polymère thermoplastique, par exemple du PVC, qui peut éventuellement contenir des additifs permettant d'améliorer la résistance du câble, comme par exemple des additifs améliorant la durée de vie du câble dans les conditions envisagées pour son exploitation.
    • Description des dessins
  • Les dessins annexés illustrent un modes de réalisation possible de l'invention :
    La Figure 1 représente une vue schématique en coupe d'un câble mettant en œuvre les principes de la présente invention.
  • Seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'exposé ont été représentés de manière schématique sur ces figures, sans respect de l'échelle.
  • Le câble désigné par la référence générale 1 sur la Figure 1 est un exemple de câble selon l'invention destiné au transport de l'électricité triphasée à basse tension. Ce câble comprend trois conducteurs de phase identiques
  • Ce câble comporte trois conducteurs de phase identiques 2, 3 et 4. Sur la figure chacun d'eux est formé d'un seul fil métallique de section sectorale mais d'autres variantes sont envisageables (notamment l'emploi de plusieurs fils toronnés et/ou des géométries cylindriques par exemple). Chacun des trois conducteurs de phase, qui peut être par exemple être en aluminium ou en cuivre, est gainé d'une enveloppe isolante référencée respectivement 12, 13 et 14.
  • Le câble comporte par ailleurs un conducteur de neutre 20 selon l'invention, présentant en surface une couche d'alumine protectrice 25.
  • Un écran métallique 30 entoure l'ensemble constitué par les quatre conducteurs sur toute leur longueur. Cet écran est, sur la figure, un feuillard obtenu en enroulant un ruban conducteur autour des quatre conducteurs sur toute leur longueur, ce ruban étant à base d'acier revêtu par de l'aluminium (un revêtement par du zinc est alternativement possible) ce par quoi le feuillard obtenu présente un corps cylindrique creux 32 à base d'acier et une couche interne 34 à base d'aluminium, qui est en contact physique avec les quatre conducteurs (les trois conducteurs de phase isolés 2, 3 et 4 munis de leurs enveloppes isolantes 13, 13 et 14 ; et le conducteur de neutre muni de sa couche protectrice 25).
  • L'écran 30 ainsi que le conducteur 20 sont connectés au potentiel de la terre de façon à les mettre à la masse.
  • Une gaine de protection 40 en matériau synthétique (typiquement du PVC), gaine l'écran 30 sur toute sa longueur.

Claims (9)

  1. Câble pour le transport d'électricité, comprenant :
    - au moins un conducteur de phase (2 ;3 ;4) ;
    - au moins un conducteur de neutre (20) isolé électriquement dudit conducteur de phase ;
    - un écran métallique (30) entourant le conducteur de phase et le conducteur de neutre, et en contact physique avec le conducteur de neutre,
    et dans lequel le conducteur de neutre (20) est revêtu extérieurement par une couche protectrice d'alumine (25) en contact avec l'écran métallique (30).
  2. Câble selon la revendication 1 où le câble comprend plusieurs conducteurs de phase (2, 3, 4) et où l'écran métallique (30) entoure tous les conducteurs de phase (2, 3, 4) ainsi que le conducteur de neutre (20) avec lequel il est en contact.
  3. Câble selon la revendication 1 ou 2 où la couche protectrice d'alumine (25) qui revêt le conducteur de neutre (20) a une épaisseur supérieure ou égale à 5 µm, préférentiellement entre 6 et 15 µm.
  4. Câble selon l'une des revendications 1 à 3 où la couche protectrice d'alumine (25) qui revêt le conducteur de neutre (20) a une épaisseur entre 8 et 12 µm.
  5. Câble selon l'une des revendications 1 à 4 où le conducteur de neutre (20) est à base d'aluminium ou d'un alliage d'aluminium et la couche protectrice (25) est une couche d'anodisation résultant d'une oxydation contrôlée et électrochimique de l'aluminium.
  6. Câble selon la revendication 5 où la couche de protection (25) est obtenue selon un procédé comprenant une étape d'anodisation sous courant en milieu électrolytique acide d'un conducteur de neutre à base d'aluminium ou d'alliage d'aluminium, puis une étape de colmatage de la porosité de la surface obtenu suite à l'anodisation.
  7. Câble selon l'une des revendications 1 à 6, où l'écran métallique (30) qui est en contact avec le conducteur de neutre (20) est un écran métallique formé par une bande enroulée d'acier recouverte par du zinc.
  8. Câble selon l'une des revendications 1 à 6, où l'écran métallique (30) qui est en contact avec le conducteur de neutre (20) est un écran métallique formé par une bande enroulée d'acier recouverte par de l'aluminium.
  9. Câble selon l'une des revendications 1 à 8, qui comprend en outre une gaine de protection (40) autour de l'écran (30).
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