WO2013045845A1 - Élément électrique comprenant une couche d'un matériau polyurique a gradient de conductivité électrique - Google Patents

Élément électrique comprenant une couche d'un matériau polyurique a gradient de conductivité électrique Download PDF

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electrical conductivity
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Jérôme Fournier
Lazhar KEBBABI
Lorrene Bayon
Anthony COMBESSIS
Lionel Flandin
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Definitions

  • Electrical element comprising a layer of a polymer material with a gradient of electrical conductivity
  • the present invention relates to an electrical element comprising a layer of an electrically conductive gradient polymer material based on conducting carbon charges, intended to improve the breakdown resistance as well as the resistance to aging in a humid environment under electrical tension.
  • medium voltage in particular 6 to 45-60 kV
  • high voltage especially greater than 60 kV
  • 500 to 600 kV, or up to 800 kV whether DC or AC.
  • It can be used as a polymeric layer surrounding the electrical conductor of this type of cable; or as a polymeric layer of an accessory used with this type of cable, such as for example a termination or a junction.
  • the layer according to the invention is intended to be positioned at the interface between a conductive material (e.g., electrical conductor, semiconductor layer, etc.) and an electrically insulating material (e.g., electrically insulating layer).
  • a conductive material e.g., electrical conductor, semiconductor layer, etc.
  • an electrically insulating material e.g., electrically insulating layer
  • the discontinuity of electrical properties between an electrically insulating material and a conductive (or semiconductor) material may cause a local reinforcement of the electric field by accumulation of space charges or charged species capable of initiating a tree under action. an electric field.
  • the presence of moisture combined with the presence of an electric field with a polymer material promote the progressive degradation of the insulating properties of medium and high voltage power cables.
  • the object of the present invention is to overcome the disadvantages of the prior art techniques by providing an electrical element, intended in particular for use in the field of medium voltage or high voltage energy cables, having a breakdown resistance electric and resistance to aging in a humid environment in the presence of an electric field, significantly improved.
  • the present invention relates to an electrical element comprising an electrically conductive element, characterized in that the electrical element further comprises a first layer of a polymer material with a gradient of electrical conductivity obtained from a polymeric composition comprising at least a polymer and conductive carbon charges.
  • the electrical element may further comprise a second layer of an electrically insulating material, said first layer being positioned between the electrically conductive element and the second layer.
  • the Applicant has surprisingly discovered that the presence of a layer of a polymer material with a gradient of electrical conductivity, in particular when it is positioned between an electrically conductive element and an electrically insulating material, makes it possible to limit effectively, or even to avoid, the degradation related to electrical trees caused by space charges or charged species induced in particular by the presence of water in this type of electrical element.
  • the layer according to the invention makes it possible to significantly reduce the reinforcements of the electric field on the surface of said electrically insulating material: the electric element thus has improved resistance to breakdown in AC or DC voltage. .
  • electrically conductive element means an element that may be a semiconductor material or an electrically conductive material.
  • the electrical conductivity of a semiconductor material can be at least 1.10 "9 S / m (siemens per meter), preferably at least 1.10" 3 S / m, and preferably can be less than 1.10 3 S / m.
  • the electrical conductivity of an electrically conductive material may be at least 1.10 3 S / m.
  • the electrical conductivity of an electrically insulating material may be at most 1.10 "9 S / m.
  • the electrical conductivity of a material is conventionally determined according to ASTM D 991.
  • Polymeric material with a gradient of electrical conductivity is understood to mean a composite polymer material whose electrical conductivity varies gradually in the thickness of the layer constituted by said polymer material with an electrical conductivity gradient.
  • the layer of the electrical conductivity gradient material may comprise several sublayers each having constant, and increasing and / or decreasing conductivities, so as to form said electrical conductivity gradient in a so-called discrete manner.
  • the layer of the electrical conductivity gradient material may be a single layer in which the electrical conductivity varies gradually (increasing and / or decreasing).
  • the first layer may be defined as a layer having a thickness delimited by a first and a second surface, the first surface preferably being substantially parallel to the first surface.
  • the gradient of electrical conductivity in the thickness of the first layer can range from electrical conductivity:
  • Each of the faces of the first layer may have an electrical conductivity which is substantially of the same type as the electrical conductivity of the material with which each of its faces is respectively in contact.
  • the electrical conductivity at the surface of the first layer closest to the electrically conductive element will preferably be greater than the electrical conductivity at the surface of the nearest first layer of the second layer.
  • the electrical conductivity gradient of the first layer is such that the electrical conductivity decreases progressively from the surface of the first layer closest to the electrically conductive element to the surface of the first layer closest to the second layer: the first layer therefore has a higher electrical conductivity on the electrically conductive element side second layer.
  • the electrical conductivity gradient of the first layer may be between 1.10 3 S / m and 1.10 "18 S / m (inclusive), and preferably between 1.10 " 1 and 1.10 "11 S / m (terminals included).
  • Polymeric material is understood to mean a material obtained from a composition based on one or more polymers, making it possible in particular to shape it by extrusion, injection molding or molding.
  • Conductive carbon charge is understood to mean any particle, or mixture of particles, mainly consisting of carbon atoms, functionalized or otherwise, grafted or not, and having electrically conductive properties.
  • the conductive carbonaceous fillers are chosen from carbon blacks, carbon fibers, graphites, graphenes, fullerenes, and carbon nanotubes, or a mixture thereof.
  • Nanotubes are preferably used.
  • the term “nanotubes” means nanoparticles of substantially elongate shape, and whose smallest dimension may be between 1 and 100 nm (inclusive) (dimension determined by microscopic analysis such as SEM (Scanning Electron Microscopy), TEM (Transmission Electron Microscopy) or by MFA (Atomic Force Microscopy) Nanotubes typically have a so-called “acicular” shape.
  • Carbon nanotubes have the advantage of having better compatibility with the polymer of the polymeric composition, compared with the other types of conductive carbon fillers mentioned in the present invention.
  • carbon nanotubes having a high form factor especially at least 1000, they achieve the percolation with relatively low amounts of conductive carbonaceous charges compared to other carbonaceous charges.
  • the form factor is typically the ratio between the smallest dimension of the conductive filler (ie, the diameter, for the carbon nanotubes) and the largest dimension of said conductive filler (ie, the length, for the carbon nanotubes).
  • Carbon nanotubes can be of several types. They may be chosen from single-walled carbon nanotubes, double-walled carbon nanotubes, and multiwall carbon nanotubes, or a mixture thereof. Multi-walled carbon nanotubes, well known under the Anglicism "multi-walled nanotubes (MWNT)", will preferably be used.
  • MWNT multi-walled nanotubes
  • the amount of conductive carbonaceous fillers in the polymer composition of the invention is in particular sufficient to constitute a percolating network.
  • percolating network is meant an organization of conductive fillers creating one or more continuous electrical paths within the polymeric material of the first layer.
  • the polymeric composition of the first layer may comprise at most 30% by weight of conductive carbonaceous fillers, preferably at most 10% by weight of conductive carbonaceous fillers, and particularly preferably at most 5% by weight of conductive carbonaceous fillers. Preferably, it comprises at least 0.1% by weight of conductive carbonaceous fillers.
  • the first layer is obtained from a polymer composition comprising at least one polymer in which said conductive carbon fillers are incorporated, to form a composite polymer material.
  • the polymeric composition of the first layer is based on one or more polymers, so that it can be shaped easily, in particular by extrusion, injection or molding.
  • the polymeric composition may be a thermoplastic or elastomeric composition, crosslinkable or not.
  • the polymeric composition of the first layer may be a thermoplastic composition, that is to say that it mainly comprises one or more thermoplastic polymers with respect to the polymers constituting the polymeric composition.
  • the polymeric composition of the first layer may be an elastomeric composition, that is to say that it mainly comprises one or more elastomeric polymers with respect to the polymers constituting the polymeric composition.
  • the polymeric composition when the polymeric composition is crosslinkable, it may further comprise one or more crosslinking agents.
  • the polymer of the polymeric composition of the invention may be chosen from an organic polymer and an inorganic polymer, or a mixture thereof
  • the polymer of the polymer composition relating to the first layer is an organic polymer
  • said organic polymer may comprise at least one polyolefin and / or at least one polyepoxide.
  • polyolefin as such generally means homopolymer or copolymer of olefin.
  • the olefin polymer is a homopolymer of ethylene, or a copolymer of ethylene (ie copolymer comprising at least ethylene).
  • LLDPE linear low density polyethylene
  • VLDPE very low density polyethylene
  • LDPE low density polyethylene
  • MDPE medium density polyethylene
  • HDPE high density polyethylene
  • EVA copolymers of ethylene and vinyl acetate
  • EBA methyl acrylate
  • EMA methyl acrylate
  • 2HEA 2-hexylethyl acrylate
  • EPR ethylene and propylene
  • EVA EVA with a low level of vinyl acetate groups (less than 20% by weight) in order to limit the presence of polar functions, or more advantageously a polyethylene of the VLDPE, LDPE, LLDPE, MDPE or HDPE type.
  • the polymeric composition of the first layer may comprise more than 50.0 parts by weight of polyolefin per 100 parts by weight of polymer (s) (ie polymer matrix) in the composition, preferably at least 70 parts by weight of polyolefin per 100 parts by weight of polymer (s) in said composition, and particularly preferably minus 90 parts by weight of polyolefin per 100 parts by weight of polymer (s) in said composition.
  • the constituent polymer (s) of the polymeric composition of the first layer are only one or more polyolefins.
  • a single type of polymer in the composition such as EVA with a low level of vinyl acetate moieties, or VLDPE, LDPE, LLDPE, MDPE or HDPE.
  • polyepoxide (or “epoxide polymer”) as such generally means a multi-component polymer obtained by polymerization of epoxide monomers with a crosslinking agent, said crosslinking agent being of the acid anhydride type, phenol, or amine.
  • DGEBA DiGlycidylether of Bisphenol A
  • the polymer of the polymeric composition relating to the first layer is an inorganic polymer
  • said inorganic polymer may comprise at least one polysiloxane.
  • the inorganic polymers are therefore very different from the organic polymers.
  • the polysiloxanes, or silicones are inorganic compounds formed of a silicon-oxygen chain (... -Si-O-Si-O-Si-O-%) on which groups can be attached to the silicon atoms.
  • the electrically conductive element of the invention may be, according to a first variant, an electrical conductor, preferably metallic, and in particular of elongate shape.
  • the first layer is positioned between the second layer and the electrical conductor.
  • the electrical conductivity gradient of the first layer is such that the electrical conductivity decreases progressively from the surface of the first layer closest to the electrical conductor to the other surface of the first layer (ie the surface closest to the second layer ): the first layer therefore has a greater electrical conductivity on the electrical conductor side than the second layer side.
  • the electrically conductive element of the invention may be, according to a second variant, a third layer of a semiconductor material.
  • the first layer is thus positioned between the second layer and the third layer.
  • the electrical conductivity gradient of the first layer is such that the electrical conductivity decreases progressively from the surface of the first layer closest to the third layer to the other surface of the first layer (ie the surface closest to the second layer): the first layer therefore has a greater electrical conductivity in the third layer than the second layer side.
  • the semiconductor material may be a material obtained from a composition comprising at least one filler (Electrically) conductive (or semiconductor charge), in an amount sufficient to render said semiconductor composition.
  • composition used to obtain a semiconductor material may comprise from 0.002 to 40% by weight of (electrically) conductive fillers, preferably at least 15% by weight of conductive fillers, and even more preferably at least 25% by weight of fillers. conductive.
  • the conductive filler may advantageously be chosen from all types of conductive fillers well known to those skilled in the art.
  • the assembly formed by the first, second and third layers is a tri-layer insulation.
  • the first layer is in direct physical contact with the second layer
  • the second layer is in direct physical contact with the third layer.
  • the electrical element according to the invention may further comprise a fourth layer of a material identical to that of the first layer (ie polymer material with gradient of electrical conductivity), and a fifth layer of a semiconductor material, said fourth layer being positioned between the second layer and the fifth layer.
  • the electrical conductivity gradient of the fourth layer when positioned between the second layer and the fifth layer, is such that the electrical conductivity decreases progressively from the surface of the fourth layer closest to the fifth layer to the other surface of the fourth layer (ie the surface closest to the second layer): the fourth The layer therefore has a higher electrical conductivity in the fifth layer than in the second layer.
  • the second layer, the third layer, and / or the fifth layer are layers of polymeric material.
  • first, second, third, fourth and / or fifth layers are extruded layers, in particular coextruded layers.
  • first, second, third, fourth and / or fifth layers may be thermoplastic layers, or thermosetting layers, crosslinked by methods well known to those skilled in the art.
  • the electrical element may advantageously be an electric cable, in particular a medium or high voltage electrical cable, in which the electrically conductive element is the electrical conductor, this electrical conductor being surrounded by by the first layer.
  • This electrical conductor may be an elongated metallic electrical conductor.
  • the electric cable comprises the second layer
  • the latter surrounds the electrical conductor.
  • the first layer is thus positioned between the second layer and the electrical conductor.
  • the electrical element may advantageously be an electrical cable, in particular a medium or high voltage electrical cable, in which the electrically conductive element is the third layer of semi-electrical material. driver.
  • the electric cable of this second embodiment comprises then the electrical conductor, this electrical conductor being surrounded by the first layer and the third layer.
  • This electrical conductor may be an elongated metallic electrical conductor.
  • the first layer is positioned between the second layer and the third layer.
  • the second layer surrounds the third layer.
  • the electric cable may further comprise the fourth and fifth layers.
  • the fourth layer can then be positioned between the fifth layer and the second layer.
  • the fifth layer surrounds the second layer.
  • the electric cable when the electric cable comprises the second layer, the electric cable comprises said electrical conductor, and successively around this electrical conductor, are arranged the third layer, the first layer, the second layer, the fourth layer and the fifth layer.
  • the assembly formed by the first, second, third, fourth and fifth layers constitutes a penta- layer insulation.
  • the third layer is in direct physical contact with the electrical conductor
  • the first layer is in direct physical contact with the third layer
  • the second layer is in direct physical contact with the first layer
  • the fourth layer is directly in contact with the first layer. in physical contact with the second layer
  • the fifth layer is in direct physical contact with the fourth layer.
  • the electrical cable of the invention may further comprise a metal screen surrounding the fifth layer.
  • This metal screen may be a so-called “wired” screen, consisting of a set of copper or aluminum conductors arranged around and along the fifth layer, a so-called “ribbon” screen composed of one or more conductive metallic ribbons placed (s) helically around the fifth layer, or a so-called “tight” screen type metal tube surrounding the fifth layer.
  • This last type of screen makes it possible in particular to provide a moisture barrier that tends to penetrate the electrical cable radially.
  • All types of metal screens can play the role of grounding the electric cable and can thus carry fault currents, for example in the event of a short circuit in the network concerned.
  • the electric cable of the invention may also comprise an outer protective sheath surrounding the fifth layer, or more particularly surrounding said metal screen when it exists.
  • This outer protective sheath can be made conventionally from suitable thermoplastic materials such as HDPE, MDPE or LLDPE; or materials retarding the propagation of the flame or resisting the spread of fire. In particular, if the latter materials do not contain halogen, it is called cladding type HFFR (for the Angl convinced "Halogen Free Flame Retardant").
  • the electrical element may be a junction for an electrical cable, in particular for medium or high voltage electrical cable, in which the electrically conductive element is a semiconductor material. This semiconductor material is defined in the present invention, and may refer to the third layer.
  • the junction for electric cable makes it possible to connect two electric cables, in particular two medium or high voltage electrical cables.
  • a junction is conventionally an elongated electrical element inside which are positioned two electrical cables whose electrical conductors are brought into contact. More particularly, one end of each of two cables is positioned within the junction, so that the junction surrounds said ends of the electrical cables.
  • a junction for an electric cable may typically comprise:
  • a third layer of a semiconductor material intended to be in contact with the electrical conductors of the two electric cables
  • a second layer of an electrically insulating polymeric material intended to be in contact with the electrically insulating layers of the two electric cables
  • a fifth layer of a semiconductor material intended to be in contact with the external semiconductor layers of the two electric cables.
  • the junction according to the invention may comprise said first layer positioned between the third layer and the second layer.
  • Said junction may also comprise a fourth layer of a material identical to that of the first layer, this fourth layer being positioned between the second layer and the fifth layer.
  • the various constituent layers of the junction may surround said ends of the electric cables.
  • a particular embodiment of this second variant may be a trifurcation, or in other words a "T" shaped junction for connecting three electric cables.
  • the electrical element may be a termination for an electrical cable, in particular for medium or high voltage electrical cable, in which the electrically conductive element is a semiconductor material.
  • This semiconductor material is defined in the present invention, and may refer to the third layer.
  • a termination is conventionally an elongated electrical element, cone-shaped, inside which is positioned an electric cable.
  • one of the ends of the electrical cable is positioned inside the termination, so that the termination surrounds said end of the electrical cable.
  • an electrical cable termination may typically include:
  • a second layer of an electrically insulating polymeric material intended to be in contact with the electrically insulating layer of the electric cable.
  • the termination according to the invention may comprise said first layer positioned between the third layer and the second layer.
  • the various constituent layers of the termination may surround said end of the electric cable.
  • Another subject of the invention relates to a method of manufacturing a layer of a polymer material with a gradient of electrical conductivity for an electric element as described in the present invention, characterized in that it comprises the step of heat-treating a layer of a polymeric material obtained from a polymeric composition as defined in the invention (ie a polymeric layer comprising at least one polymer and conductive carbonaceous fillers), said layer comprising a thickness delimited by a first and a second surface, these two surfaces being preferably substantially parallel, said processing step being carried out by applying a first temperature T1 to the first surface and a second temperature T2 to the second surface, so as to form a temperature gradient in the thickness of said layer and obtain a gradient layer of electrical conductivity (see first layer, and optionally fourth layer).
  • a polymeric material obtained from a polymeric composition as defined in the invention (ie a polymeric layer comprising at least one polymer and conductive carbonaceous fillers), said layer comprising a thickness delimited by a first and a second surface,
  • At least one of the temperatures T1 or T2 is a temperature equal to or higher than the melting point T f (eg semi-crystalline polymers) or glass transition T g (eg amorphous polymers) of said polymer.
  • the difference between the temperatures T1 and T2 may be at least 10 ° C, preferably at least 50 ° C, and particularly preferably at least 100 ° C.
  • This heat treatment (ie heating step) of the polymer composition (s) according to the invention advantageously makes it possible to form a gradient of electrical conductivity in the thickness of the layer (s) obtained from said polymeric composition.
  • the kinetics of this self-arrangement of the conductive carbonaceous charges is particularly dependent on the temperature.
  • the high temperatures compared with the melting temperature T f of the semi-crystalline or glass transition polymers T g of the amorphous polymers result in high load network reinforcement kinetics and lead to high values of conductivities of polymeric materials.
  • T f or T g the melting temperature
  • the auto-setting rate remains low and the electrical properties of the polymeric material are only slightly affected.
  • the completion of the network of conductive carbonaceous charges, associated with the conductivity levels presented by the material is directly correlated with the temperature of the heat treatment called "curing treatment".
  • the characteristic temperatures of the physicochemical transitions of a polymer or of a polymer composition, of the crosslinked or non-crosslinked type can be classically determined by differential scanning calorimetry (DSC) with a temperature ramp of 10 ° C./min under atmosphere nitrogen.
  • the electric conductor of the electric cable is used as a heat source for a time necessary to form the electrical conductivity gradient in the thickness of the layer or layers comprising conductive carbonaceous fillers.
  • the heat treatment can be performed once these two or three layers shaped around the electrical conductor of the electric cable.
  • a current is applied through the electrical conductor of the electric cable to heat at a temperature T1, by Joule effect or by induction, the layer comprising the conductive carbon charges (see first layer), while the outside of the electric cable is maintained at a temperature T2 lower than the temperature T1.
  • the temperature T1 is a temperature greater than T f (especially when the polymer is a semi-crystalline polymer), or T g (especially when the polymer is an amorphous polymer).
  • the temperature T2 is in turn a temperature lower than T f (especially when the polymer is a semi-crystalline polymer), or T g (especially when the polymer is an amorphous polymer).
  • the heat treatment can be performed once these five layers shaped around the electrical conductor of the electric cable.
  • a current is passed through the electrical conductor of the electric cable to heat at a temperature T1, by Joule effect or by induction, the layer comprising the most carbonaceous conductive fillers. close to the electrical conductor (see first layer), the second layer remaining at a temperature T2 below the temperature T1.
  • the outside of the electric cable is heated to a temperature T1, in particular by convection, conduction or irradiation, the layer comprising the carbon-conducting charges closest to the outside of the electric cable (see fourth layer), the second layer remaining at a temperature T2 lower than the temperature T1.
  • the temperatures T1 and T2 being defined as those mentioned above (see for the electric cable comprising only the first and second layers, and optionally the third layer).
  • the heat treatment step is preferably performed after any implementation step of the one or more layers that make up the electrical element.
  • the heat treatment step is preferably carried out prior to the crosslinking of said layer.
  • the implementation of the layer or layers that make up the electrical element can be carried out by extrusion, injection or molding.
  • coextrusion of said layers will be preferred.
  • Figure 1 shows a schematic cross-sectional view of an electric cable according to a preferred embodiment according to the invention.
  • FIG. 2 represents a schematic view in longitudinal section of a junction for an electric cable, according to the invention.
  • FIG. 3 represents a schematic view in longitudinal section of a termination for an electric cable, according to the invention.
  • FIG. 4 represents the evolution of the temperature for treating a polymeric composition according to the invention.
  • FIG. 5 shows the evolution of the electrical conductivity within the polymer composition treated according to FIG. 4.
  • the medium or high voltage power cable 100 illustrated in FIG. 1, comprises an elongated central electrical conductor 10, in particular made of copper or aluminum, and, successively and coaxially around this central electrical conductor 10 is:
  • a layer 3 of a semiconductor polymeric material i.e. "third layer”
  • said internal semiconductor layer i.e. "third layer”
  • first layer a layer 1 of a polymer material with a gradient of electrical conductivity
  • a layer 2 of an electrically insulating polymeric material ie "second layer”
  • a layer 4 of a polymer material with a gradient of electrical conductivity ie "fourth layer”
  • a layer 5 of a semiconductor polymeric material ie "fifth layer”
  • the layers 1, 2, 3, 4 and 5 are extruded layers, and crosslinked or not.
  • the gradient of electrical conductivity in the thickness of the layer 1 is such that the surface of the layer 1 in contact with the layer 3 has an electrical conductivity greater than that of the surface of the layer 1 in contact with the layer 2.
  • a metal screen (not shown) of the cylindrical tube type, as well as an outer protective sheath (not shown), can also be positioned around the fifth layer.
  • junction 101 for medium or high voltage electrical cable illustrated in Figure 2 is an elongated member of the tubular type for receiving at its center two electrical cables 100A and 100B to connect.
  • the connection can be made by means of an electrically conductive part 11 directly in contact with the electrical conductors 10A and 10B of each of the two electrical cables 100A and 100B.
  • the junction according to the invention comprises:
  • a layer 31 of a semiconductor material i.e. "third layer”
  • the electrical conductors 10A and 10B of the two electrical cables 100A and 100B through the electrically conductive part 11,
  • first layer a layer 1 of a polymer material with a gradient of electrical conductivity (i.e. "first layer"), covering the layer 3,
  • a layer 21 of an electrically insulating polymeric material (i.e. "second layer"), covering the layer 1 and being in contact with the electrically insulating layers 2A and 2B of the two electric cables,
  • a layer 4 of a polymer material with a gradient of electrical conductivity (i.e. "fourth layer"), covering the layer 21, and
  • a layer 51 of a semiconductor material i.e. "fifth layer” covering the fourth layer 4 and being in contact with the outer semiconductor layers 5A and 5B of the two electric cables.
  • the first layer 1 is positioned between the third layer 31 and the second layer 21; and the fourth layer 4 is positioned between the second layer 21 and the fifth layer 51.
  • Terminator 102 for medium or high voltage electrical cable shown in FIG. 3 is an elongated cone-shaped element, within which the end of an electrical cable 100A is positioned.
  • said electric cable 100A is a medium or high voltage power cable comprising an elongated central electrical conductor 10A surrounded by a tri-layer insulation of the so-called internal semiconductor layer type (layer not shown) surrounded by an electrically layer 2A insulator, the latter being surrounded by a so-called external semiconductor layer 5A
  • the termination according to the invention comprises:
  • a layer 32 of a semiconductor material i.e. "third layer" intended to be in contact with the outer semi-conducting layer 5A of the electric cable
  • second layer intended to be in contact with the electrically insulating layer 2A of the electric cable
  • first layer a layer 1 of a polymer material with a gradient of electrical conductivity (i.e. "first layer") positioned between the third layer 32 and the second layer 22.
  • a polymeric material having an electrical conductivity gradient according to the invention was made by applying a temperature gradient on a composite polymer sample by "melt" blending of a polymeric composition comprising:
  • EVA 97.5% by weight of EVA (with 12% by weight of vinyl acetate groups), marketed by ExxonMobil, under the reference Escorene UL0112, the melting temperature of the EVA being 96 ° C, and
  • the polymeric composition is shaped by hot pressing to obtain plates 1 mm thick, according to the following process
  • 16 mm diameter pellets were then cut from the plates thus formed, and alternatively arranged with aluminum pellets of the same diameter and 12 ⁇ m thickness in a thermally insulating mold.
  • the presence of the aluminum pellets only makes it easier to measure the electrical conductivity as a function of the distance to the heat source.
  • the alternating stack of pellets of polymeric composition (ie composite polymer) and aluminum pellets form a test specimen, both ends of which consist of pellets of polymeric composition. The height of the specimen is 30 mm.
  • the specimen is then placed in a temperature gradient oven consisting of an upper tray and a lower tray.
  • the temperature gradient was established by applying a set point of 300 ° C (upper plate) on the upper face of the test specimen, keeping the temperature of the underside of said specimen at room temperature (ie 25 ° C. lower plate).
  • the corresponding temperature profile was measured at five points during the heat treatment period (see Figure 4).
  • test was carried out for 90 minutes under a light stream of nitrogen gas. At the end of the treatment, the test piece was cooled for 15 minutes between the two trays regulated at 15 ° C.
  • test piece was demolded and electrically tested element by element.
  • the DC electrical conductivity of the polymeric composition was measured by the four point method using a Keithley 2602 SMU.
  • FIG. 5 represents the evolution of the electrical conductivity of the polymeric composition as a function of the position relative to the heat source during the application of the temperature gradient according to FIG. 4.
  • An electrical conductivity gradient is clearly highlighted. in the thickness of the polymeric composition according to the invention. Indeed, increasing the distance to the heat source - which is equivalent to a decrease in the heat treatment temperature - results in a decrease in microstructural rearrangement kinetics (ripening). This implies a variation of completion of the network of conductive carbon nanotubes which is translated on a macroscopic scale, by a reduced electrical conductivity.
  • the amplitude of the electrical conductivity gradient formed in the thickness of the material, as well as the maximum and minimum electrical conductivity values of said gradient can be modulated by controlling the profile of the applied temperatures, as well as the duration of the heat treatment.

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Abstract

La présente invention concerne un élément électrique (100, 101, 102) comprenant un élément électriquement conducteur (3, 5, 10, 31, 32, 51), caractérisé en ce que l'élément électrique comprend en outre une première couche (1) d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique obtenu à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère et des charges carbonées conductrices.

Description

Elément électrique comprenant une couche d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique
La présente invention se rapporte à un élément électrique comprenant une couche d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique à base de charges carbonées conductrices, destinée à améliorer la résistance au claquage ainsi que la résistance au vieillissement en milieu humide sous tension électrique.
Elle s'applique typiquement, mais non exclusivement, aux domaines des câbles d'énergie à moyenne tension (notamment de 6 à 45-60 kV) ou à haute tension (notamment supérieur à 60 kV, et pouvant aller jusqu'à 500- 600 kV, voire jusqu'à 800 kV), qu'ils soient à courant continu ou alternatif.
Elle peut être utilisée en tant que couche polymérique entourant le conducteur électrique de ce type de câble ; ou bien en tant que couche polymérique d'un accessoire utilisée avec ce type de câble, tel que par exemple une terminaison ou une jonction.
Plus particulièrement, la couche selon l'invention est destinée à être positionnée à l'interface entre un matériau conducteur (e.g. conducteur électrique, couche semi-conductrice, etc) et un matériau électriquement isolant (e.g . couche électriquement isolante).
La discontinuité de propriétés électriques entre un matériau électriquement isolant et un matériau conducteur (ou semi-conducteur) peut entraîner un renforcement local du champ électrique par accumulation de charges d'espace ou d'espèces chargées susceptibles d'initier une arborescence sous l'action d'un champ électrique. Notamment, la présence de l'humidité combinée à la présence d'un champ électrique avec un matériau polymère favorisent la dégradation progressive des propriétés isolantes des câbles d'énergie moyenne et haute tension.
Ce mécanisme de dégradation, bien connu sous les termes « croissance d'arborescences électriques due à l'eau » (ou « water treeing » en anglais), peut ainsi mener au claquage du câble électrique concerné et constitue donc une menace considérable pour la fiabilité du réseau de transport d'énergie avec des conséquences économiques bien connues engendrées par les courts-circuits.
Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des techniques de l'art antérieur en proposant un élément électrique, destiné notamment à être utilisé dans le domaine des câbles d'énergie à moyenne tension ou à haute tension, présentant une résistance au claquage électrique ainsi qu'une résistance aux vieillissements dans un environnement humide en présence d'un champ électrique, améliorée de façon significative.
La présente invention a pour objet un élément électrique comprenant un élément électriquement conducteur, caractérisé en ce que l'élément électrique comprend en outre une première couche d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique obtenu à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère et des charges carbonées conductrices.
De préférence, l'élément électrique peut comprendre en outre une deuxième couche d'un matériau électriquement isolant, ladite première couche étant positionnée entre l'élément électriquement conducteur et la deuxième couche.
La Demanderesse a découvert de façon surprenante que la présence d'une couche d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique, notamment lorsqu'elle est positionnée entre un élément électriquement conducteur et un matériau électriquement isolant, permet de limiter efficacement, voire d'éviter, les dégradations liées aux arborescences électriques causées par des charges d'espaces ou des espèces chargées induites en particulier par la présence d'eau dans ce type d'élément électrique.
De plus, en association avec un matériau électriquement isolant, la couche selon l'invention permet de réduire significativement les renforcements du champ électrique à la surface dudit matériau électriquement isolant : l'élément électrique présente ainsi une résistance améliorée au claquage en tension alternative ou continue.
On entend par « élément électriquement conducteur » un élément qui peut être un matériau semi-conducteur ou bien un matériau conducteur électrique.
Dans la présente invention, la conductivité électrique d'un matériau semi-conducteur peut être d'au moins 1.10"9 S/m (siemens par mètre), de préférence d'au moins 1.10"3 S/m, et de préférence peut être inférieure à 1.103 S/m.
La conductivité électrique d'un matériau conducteur électrique peut être d'au moins 1.103 S/m.
La conductivité électrique d'un matériau électriquement isolant peut être d'au plus 1.10"9 S/m. Dans la présente invention, la conductivité électrique d'un matériau est classiquement déterminée selon la norme ASTM D 991.
On entend par « matériau polymérique à gradient de conductivité électrique » un matériau polymère composite dont la conductivité électrique varie graduellement dans l'épaisseur de la couche constituée par ledit matériau polymérique à gradient de conductivité électrique.
Selon une première variante, la couche du matériau à gradient de conductivité électrique peut comporter plusieurs sous-couches présentant chacune des conductivités constantes, et croissantes et/ou décroissantes, de sorte à former ledit gradient de conductivité électrique d'une manière dite discrète.
Selon une seconde variante, la couche du matériau à gradient de conductivité électrique peut être une unique couche au sein de laquelle la conductivité électrique varie graduellement (de façon croissante et/ou décroissante).
On préférera la seconde variante qui est plus économique et plus facile à mettre en œuvre industriellement.
On peut définir la première couche comme une couche comprenant une épaisseur délimitée par une première et une deuxième surface, la première surface étant de préférence sensiblement parallèle à la première surface.
Le gradient de conductivité électrique dans l'épaisseur de la première couche peut aller de la conductivité électrique :
d'un matériau électriquement isolant à celle d'un matériau semi-conducteur, d'un matériau électriquement isolant à celle d'un matériau conducteur électrique, ou
d'un matériau semi-conducteur à un matériau conducteur électrique.
Ces caractéristiques de conductivité électrique sont notamment fonctions de la nature des matériaux en contact physique avec ladite première couche. Chacune des faces de la première couche peut avoir une conductivité électrique qui est sensiblement du même type que la conductivité électrique du matériau avec lequel chacune de ses faces est respectivement en contact.
Plus particulièrement, lorsque l'élément électrique comprend la deuxième couche, la conductivité électrique à la surface de la première couche la plus proche de l'élément électriquement conducteur sera de préférence supérieure à la conductivité électrique à la surface de la première couche la plus proche de la deuxième couche.
En d'autres termes, le gradient de conductivité électrique de la première couche est tel que la conductivité électrique diminue progressivement de la surface de la première couche la plus proche de l'élément électriquement conducteur vers la surface de la première couche la plus proche de la deuxième couche : la première couche a donc une conductivité électrique plus importante côté élément électriquement conducteur que côté deuxième couche.
A titre d'exemple, le gradient de conductivité électrique de la première couche peut être compris entre 1.103 S/m et 1.10"18 S/m (bornes incluses), et de préférence entre 1.10"1 et 1.10"11 S/m (bornes incluses). On entend par « matériau polymérique » un matériau obtenu à partir d'une composition à base d'un ou de plusieurs polymères, permettant notamment de le mettre en forme par extrusion, injection ou moulage.
On entend par « charge carbonée conductrice » toute particule, ou mélange de particules, majoritairement constituées d'atomes de carbone, fonctionnalisées ou non, greffées ou non, et présentant des propriétés électriquement conductrices.
A titre d'exemples, les charges carbonées conductrices sont choisies parmi les noirs de carbone, les fibres de carbone, les graphites, les graphènes, les fullerènes, et les nanotubes de carbone, ou un de leurs mélanges.
On utilisera de façon préférée les nanotubes de carbone. On entend par « nanotubes » des nanoparticules de forme sensiblement allongée, et dont la plus petite dimension peut être comprise entre 1 et 100 nm (bornes incluses) (dimension déterminée par analyse microscopique telle que la MEB (Microscopie Electronique à Balayage), la MET (Microscopie Electronique en Transmission) ou encore par MFA (Microscopie à Force Atomique). Les nanotubes ont classiquement une forme dite « aciculaire ».
Les nanotubes de carbone présentent l'avantage d'avoir une meilleure compatibilité avec le polymère de la composition polymérique, par rapport aux autres types de charges carbonées conductrices citées dans la présente invention.
En outre, les nanotubes de carbone ayant un facteur de forme élevé, notamment d'au moins 1000, ils permettent d'atteindre la percolation avec des quantités de charges carbonées conductrices relativement faibles comparativement aux autres charges carbonées. Le facteur de forme est typiquement le rapport entre la plus petite dimension de la charge conductrice (i.e. le diamètre, pour les nanotubes de carbone) et la plus grande dimension de ladite charge conductrice (i.e. la longueur, pour les nanotubes de carbone).
Ainsi, grâce à l'utilisation de charges carbonées du type nanotube, les propriétés mécaniques et électriques ainsi que les propriétés d'adhérence de la première couche sont optimisées.
Les nanotubes de carbone peuvent être de plusieurs types. Ils peuvent être choisis parmi les nanotubes de carbone à simple paroi, les nanotubes de carbone à double-paroi, et les nanotubes de carbone multiparois, ou un de leurs mélanges. On utilisera de préférence les nanotubes de carbone multiparois, bien connus sous l'anglicisme « multi-walled nanotubes (MWNT) ».
La quantité de charges carbonées conductrices dans la composition polymérique de l'invention est notamment suffisante pour constituer un réseau percolant.
On entend par « réseau percolant », une organisation des charges conductrices créant un ou plusieurs chemins électriques continus au sein du matériau polymérique de la première couche.
La composition polymérique de la première couche peut comprendre au plus 30% en poids de charges carbonées conductrices, de préférence au plus 10% en poids de charges carbonées conductrices, et de façon particulièrement préférée au plus 5% en poids de charges carbonées conductrices. De préférence, elle comprend au moins 0,1% en poids de charges carbonées conductrices. La première couche est obtenue à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère dans lequel sont incorporées lesdites charges carbonées conductrices, pour former un matériau polymère composite.
De préférence, la composition polymérique de la première couche est à base d'un ou de plusieurs polymères, de sorte à pouvoir être mise en forme facilement, notamment par extrusion, injection ou moulage.
La composition polymérique peut être une composition thermoplastique ou élastomérique, réticulable ou non.
La composition polymérique de la première couche peut être une composition thermoplastique, c'est-à-dire qu'elle comprend majoritairement un ou plusieurs polymères thermoplastiques par rapport aux polymères constitutifs de la composition polymérique.
La composition polymérique de la première couche peut être une composition élastomérique, c'est-à-dire qu'elle comprend majoritairement un ou plusieurs polymères élastomères par rapport aux polymères constitutifs de la composition polymérique.
Lorsque la composition polymérique est réticulable, elle peut comprendre en outre un ou plusieurs agents de réticulation.
Le polymère de la composition polymérique de l'invention peut être choisi parmi un polymère organique et un polymère inorganique, ou un de leur mélange
Lorsque le polymère de la composition polymérique relative à la première couche est un polymère organique, ledit polymère organique peut comprendre au moins une polyoléfine et/ou au moins un polyépoxyde. Le terme « polyoléfine » en tant que tel signifie de façon générale homopolymère ou copolymère d'oléfine. De préférence, le polymère d'oléfine est un homopolymère d'éthylène, ou un copolymère d'éthylène (i.e. copolymère comprenant au moins de l'éthylène).
A titre d'exemple de polymères d'éthylène, on peut citer le polyéthylène linéaire de basse densité (LLDPE), le polyéthylène de très basse densité (VLDPE), le polyéthylène de basse densité (LDPE), le polyéthylène de moyenne densité (MDPE), le polyéthylène de haute densité (HDPE), les copolymères d'éthylène et d'acétate de vinyle (EVA), les copolymères d'éthylène et d'acrylate de butyle (EBA), d'acrylate de méthyle (EMA), de 2- hexyléthyl acrylate (2HEA), les copolymères d'éthylène et d'alpha-oléfines tels que par exemple les polyéthylène-octène (PEO), les polyéthylène-butène (PEB), les copolymères d'éthylène et de propylène (EPR) tels que par exemple les terpolymères d'éthylène propylène diène (EPDM), le poly(téréphtalate d'éthylène) (PET), ou un de leurs mélanges, et/ou un de leurs dérivés.
On préférera utiliser un EVA avec un faible taux de groupements d'acétate de vinyle (moins de 20% en poids) afin de limiter la présence de fonctions polaires, ou plus avantageusement un polyéthylène de type VLDPE, LDPE, LLDPE, MDPE ou HDPE.
La composition polymérique de la première couche peut comprendre plus de 50,0 parties en poids de polyoléfine pour 100 parties en poids de polymère(s) (i.e. matrice polymère) dans la composition, de préférence au moins 70 parties en poids de polyoléfine pour 100 parties en poids de polymère(s) dans ladite composition, et de façon particulièrement préférée au moins 90 parties en poids de polyoléfine pour 100 parties en poids de polymère(s) dans ladite composition.
De façon particulièrement avantageuse, le ou les polymères constitutifs de la composition polymérique de la première couche sont uniquement une ou des polyoléfines. Dans ce cas, on préférera utiliser un seul type de polymère dans la composition tel qu'un EVA avec un faible taux de groupements d'acétate de vinyle, ou un VLDPE, un LDPE, un LLDPE, un MDPE ou un HDPE.
Le terme « polyépoxyde » (ou « polymère époxyde ») en tant que tel signifie de façon générale un polymère multi-composants obtenu par polymérisation de monomères époxydes avec un agent de réticulation, ledit agent de réticulation pouvant être du type anhydride d'acide, phénol, ou aminé.
A titre d'exemple de polyépoxyde, on peut citer les DiGlycidylEther du Bisphenol A (DGEBA).
Lorsque le polymère de la composition polymérique relative à la première couche est un polymère inorganique, ledit polymère inorganique peut comprendre au moins un polysiloxane. Dans la présente invention, les polymères inorganiques sont donc bien différents des polymères organiques.
En effet, les polysiloxanes, ou silicones, sont des composés inorganiques formés d'une chaîne silicium-oxygène (...-Si-O-Si-O-Si-O-...) sur laquelle des groupes peuvent se fixer sur les atomes de silicium.
A titre d'exemple, on peut citer le poly(diméthylsiloxane). L'élément électriquement conducteur de l'invention peut être, selon une première variante, un conducteur électrique, de préférence métallique, et notamment de forme allongé.
En considérant la deuxième couche et ledit conducteur électrique métallique, la première couche est donc positionnée entre la deuxième couche et le conducteur électrique. Le gradient de conductivité électrique de la première couche est tel que la conductivité électrique diminue progressivement de la surface de la première couche la plus proche du conducteur électrique vers l'autre surface de la première couche (i.e. la surface la plus proche de la deuxième couche) : la première couche a donc une conductivité électrique plus importante côté conducteur électrique que côté deuxième couche.
L'élément électriquement conducteur de l'invention peut être, selon une deuxième variante, une troisième couche d'un matériau semi-conducteur.
En considérant les deuxième et troisième couches, la première couche est donc positionnée entre la deuxième couche et la troisième couche Le gradient de conductivité électrique de la première couche est tel que la conductivité électrique diminue progressivement de la surface de la première couche la plus proche de la troisième couche vers l'autre surface de la première couche (i.e. la surface la plus proche de la deuxième couche) : la première couche a donc une conductivité électrique plus importante côté troisième couche que côté deuxième couche.
Dans la présente invention, le matériau semi-conducteur peut être un matériau obtenu à partir d'une composition comprenant au moins une charge (électriquement) conductrice (ou une charge semi-conductrice), en une quantité suffisante pour rendre ladite composition semi-conductrice.
La composition utilisée pour obtenir un matériau semi-conducteur peut comprendre de 0,002 à 40% en poids de charges (électriquement) conductrices, de préférence au moins 15% en poids de charges conductrices, et encore plus préférentiellement au moins 25% en poids de charges conductrices.
La charge conductrice peut être choisie avantageusement parmi tous les types de charges conductrices bien connues de l'homme du métier.
Dans un mode de réalisation particulier, l'ensemble formé par les première, deuxième et troisième couches constitue une isolation tri-couche. En d'autres termes, la première couche est directement en contact physique avec la deuxième couche, et la deuxième couche est directement en contact physique avec la troisième couche.
L'élément électrique selon l'invention peut comprendre en outre une quatrième couche d'un matériau identique à celui de la première couche (i.e. matériau polymérique à gradient de conductivité électrique), et une cinquième couche d'un matériau semi-conducteur, ladite quatrième couche étant positionnée entre la deuxième couche et la cinquième couche.
Dans un mode de réalisation particulier, le gradient de conductivité électrique de la quatrième couche, lorsqu'elle est positionnée entre la deuxième couche et la cinquième couche, est telle que la conductivité électrique diminue progressivement de la surface de la quatrième couche la plus proche de la cinquième couche vers l'autre surface de la quatrième couche (i.e. la surface la plus proche de la deuxième couche) : la quatrième couche a donc une conductivité électrique plus importante côté cinquième couche que côté deuxième couche.
De préférence, la deuxième couche, la troisième couche, et/ou la cinquième couche sont des couches de matériau polymérique.
Dans un mode de réalisation particulier, les première, deuxième, troisième, quatrième et/ou cinquième couches sont des couches extrudées, notamment coextrudées.
Dans un autre mode de réalisation particulier, les première, deuxième, troisième, quatrième et/ou cinquième couches peuvent être des couches thermoplastiques, ou bien des couches thermodurcissables, réticulées par des procédés bien connus par l'homme du métier.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'élément électrique peut être avantageusement un câble électrique, notamment un câble électrique à moyenne ou à haute tension, dans lequel l'élément électriquement conducteur est le conducteur électrique, ce conducteur électrique étant entouré par la première couche. Ce conducteur électrique peut être un conducteur électrique métallique allongé.
Lorsque le câble électrique comprend la deuxième couche, cette dernière entoure le conducteur électrique. La première couche est ainsi positionnée entre la deuxième couche et le conducteur électrique.
Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'élément électrique peut être avantageusement un câble électrique, notamment un câble électrique à moyenne ou à haute tension, dans lequel l'élément électriquement conducteur est la troisième couche d'un matériau semi- conducteur. Le câble électrique de ce deuxième mode de réalisation comprend alors le conducteur électrique, ce conducteur électrique étant entouré par la première couche et par la troisième couche. Ce conducteur électrique peut être un conducteur électrique métallique allongé.
Lorsque le câble électrique comprend la deuxième couche, la première couche est positionnée entre la deuxième couche et la troisième couche. De préférence, la deuxième couche entoure la troisième couche.
Dans ce deuxième mode de réalisation, le câble électrique peut comprendre en outre les quatrième et cinquième couches.
Lorsque le câble électrique comprend la deuxième couche, la quatrième couche peut être alors positionnée entre la cinquième couche et la deuxième couche. De préférence, la cinquième couche entoure la deuxième couche.
Dans un mode de réalisation particulièrement préféré, lorsque le câble électrique comprend la deuxième couche, le câble électrique comprend ledit conducteur électrique , et, successivement autour de ce conducteur électrique, sont disposés la troisième couche, la première couche, la deuxième couche, la quatrième couche et la cinquième couche.
Plus particulièrement, l'ensemble formé par les première, deuxième, troisième, quatrième et cinquième couches constitue une isolation penta- couche. En d'autres termes, la troisième couche est directement en contact physique avec le conducteur électrique, la première couche est directement en contact physique avec la troisième couche, la deuxième couche est directement en contact physique avec la première couche, la quatrième couche est directement en contact physique avec la deuxième couche, et la cinquième couche est directement en contact physique avec la quatrième couche.
Le câble électrique de l'invention peut comprendre en outre un écran métallique entourant la cinquième couche.
Cet écran métallique peut être un écran dit « filaire », composé d'un ensemble de conducteurs en cuivre ou aluminium arrangés autour et le long de la cinquième couche, un écran dit « rubané » composé d'un ou de plusieurs rubans métalliques conducteurs posé(s) en hélice autour de la cinquième couche, ou d'un écran dit « étanche » de type tube métallique entourant la cinquième couche. Ce dernier type d'écran permet notamment de faire barrière à l'humidité ayant tendance à pénétrer le câble électrique en direction radiale.
Tous les types d'écrans métalliques peuvent jouer le rôle de mise à la terre du câble électrique et peuvent ainsi transporter des courants de défaut, par exemple en cas de court-circuit dans le réseau concerné.
En outre, le câble électrique de l'invention peut également comprendre une gaine extérieure de protection entourant la cinquième couche, ou bien entourant plus particulièrement ledit écran métallique lorsqu'il existe. Cette gaine extérieure de protection peut être réalisée classiquement à partir de matériaux thermoplastiques appropriées tels que des HDPE, des MDPE ou des LLDPE ; ou encore des matériaux retardant la propagation de la flamme ou résistant à la propagation de l'incendie. Notamment, si ces derniers matériaux ne contiennent pas d'halogène, on parle de gainage de type HFFR (pour l'anglicisme « Halogen Free Flame Retardant »). Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, l'élément électrique peut être une jonction pour câble électrique, notamment pour câble électrique à moyenne ou à haute tension, dans laquelle l'élément électriquement conducteur est un matériau semi-conducteur. Ce matériau semi-conducteur est défini dans la présente invention, et peut faire référence à la troisième couche.
La jonction pour câble électrique permet de connecter deux câbles électriques, notamment deux câbles électriques à moyenne ou à haute tension.
Une jonction est classiquement un élément électrique allongé à l'intérieur duquel sont positionnés deux câbles électriques dont les conducteurs électriques sont mis en contact. Plus particulièrement, une des extrémités de chacun de deux câbles est positionnée à l'intérieur de la jonction, de sorte que la jonction entoure lesdites extrémités des câbles électriques.
En considérant que ces deux câbles électriques sont des câbles d'énergie à moyenne ou haute tension comprenant un conducteur électrique allongé entouré classiquement par une isolation tri-couches du type couche semi-conductrice dite interne entourée par une couche électriquement isolante, cette dernière étant entourée par une couche semi-conductrice dite externe, une jonction pour câble électrique peut comporter typiquement :
- une troisième couche d'un matériau semi-conducteur, destinée à être en contact avec les conducteurs électriques des deux câbles électriques, - une deuxième couche d'un matériau polymérique électriquement isolant, destinée à être en contact avec les couches électriquement isolantes des deux câbles électriques, et
- une cinquième couche d'un matériau semi-conducteur, destinée à être en contact avec les couches semi-conductrices externes des deux câbles électriques.
La jonction selon l'invention peut comporter ladite première couche positionnée entre la troisième couche et la deuxième couche. Ladite jonction peut également comprendre une quatrième couche d'un matériau identique à celui de la première couche, cette quatrième couche étant positionnée entre la deuxième couche et la cinquième couche.
Plus particulièrement, les différentes couches constitutives de la jonction peuvent entourer lesdites extrémités des câbles électriques.
Une réalisation particulière de cette deuxième variante peut être une trifurcation, ou en d'autres termes une jonction en forme de « T » pour connecter trois câbles électriques.
Selon un quatrième mode de réalisation de l'invention, l'élément électrique peut être une terminaison pour câble électrique, notamment pour câble électrique à moyenne ou à haute tension, dans laquelle l'élément électriquement conducteur est un matériau semi-conducteur. Ce matériau semi-conducteur est défini dans la présente invention, et peut faire référence à la troisième couche.
Une terminaison, mieux connue sous l'anglicisme « stress cone », est classiquement un élément électrique allongé, en forme de cône, à l'intérieur duquel se positionne un câble électrique. Plus particulièrement, une des extrémités du câble électrique est positionnée à l'intérieur de la terminaison, de sorte que la terminaison entoure ladite extrémité du câble électrique.
En considérant que ledit câble électrique est un câble d'énergie à moyenne ou haute tension comprenant un conducteur électrique allongé entouré classiquement par une isolation tri-couches du type couche semi- conductrice dite interne entourée par une couche électriquement isolante, cette dernière étant entourée par une couche semi-conductrice dite externe, une terminaison pour câble électrique peut comporter typiquement :
- une troisième couche d'un matériau semi-conducteur, destinée à être en contact avec la couche semi-conductrice externe du câble électrique, et
- une deuxième couche d'un matériau polymérique électriquement isolant, destinée à être en contact avec la couche électriquement isolante du câble électrique.
La terminaison selon l'invention peut comporter ladite première couche positionnée entre la troisième couche et la deuxième couche.
Plus particulièrement, les différentes couches constitutives de la terminaison peuvent entourer ladite extrémité du câble électrique.
Un autre objet de l'invention concerne un procédé de fabrication d'une couche d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique pour un élément électrique tel que décrit dans la présente invention, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à traiter thermiquement une couche d'un matériau polymérique obtenu à partir d'une composition polymérique telle que définie dans l'invention (i.e couche polymérique comprenant au moins un polymère et des charges carbonées conductrices), ladite couche comprenant une épaisseur délimitée par une première et une deuxième surfaces, ces deux surfaces étant de préférence sensiblement parallèles, ladite étape de traitement étant réalisée en appliquant une première température Tl à la première surface et une deuxième température T2 à la deuxième surface, de sorte à former un gradient de température dans l'épaisseur de ladite couche et obtenir une couche à gradient de conductivité électrique (cf. première couche, et optionnellement quatrième couche).
Plus particulièrement, au moins l'une des températures Tl ou T2 est une température égale ou supérieure à la température de fusion Tf (e.g. polymères semi-cristallins) ou de transition vitreuse Tg (e.g . polymères amorphes) dudit polymère.
Bien entendu, il est nécessaire que la température Tl soit différente de la température T2 pour former ledit gradient de conductivité électrique.
La différence entre les températures Tl et T2 peut être d'au moins 10°C, de préférence d'au moins 50°C, et de façon particulièrement préférée d'au moins 100°C.
Ce traitement thermique (i.e. étape de chauffage) du ou des compositions polymériques selon l'invention (comprenant des charges carbonées conductrices) permet avantageusement de former un gradient de conductivité électrique dans l'épaisseur même du ou des couches obtenue(s) à partir de ladite composition polymérique.
En effet, grâce au traitement thermique, la relaxation des chaînes de polymère à l'état fondu ou visqueux, associée à des forces de floculation, entraînent une modification de la microstructure de la composition polymérique, favorisant ainsi la formation ou l'amélioration du réseau percolant.
La cinétique de cet auto-arrangement des charges carbonées conductrices, est notamment dépendante de la température. En d'autres termes, les températures élevées comparativement à la température de fusion Tf des polymères semi-cristallins ou de transition vitreuse Tg des polymères amorphes se traduisent par une cinétique de renforcement du réseau de charges élevée et mènent à des valeurs élevées de conductivités des matériaux polymériques. En revanche, aux températures proches de Tf ou de Tg, la vitesse d'auto-arrangement reste faible et les propriétés électriques du matériau polymérique ne sont que faiblement affectées. Autrement dit, la complétion du réseau de charges carbonées conductrices, associée aux niveaux de conductivité présentés par le matériau, se trouve directement corrélée à la température du traitement thermique dit « traitement de mûrissement ».
Les températures caractéristiques des transitions physicochimiques d'un polymère ou d'une composition polymérique, du type réticulé(e) ou non, peuvent être classiquement déterminées par analyse calorimétrique différentielle (DSC) avec une rampe de température de 10°C/min sous atmosphère d'azote.
Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux, lorsque l'élément électrique est un câble électrique selon l'invention, le conducteur électrique du câble électrique est utilisé comme source de chaleur pendant un temps nécessaire pour former le gradient de conductivité électrique dans l'épaisseur de la ou des couches comprenant des charges conductrices carbonées.
Lorsque le câble électrique comprend uniquement les première et deuxième couches, et optionnellement la troisième couche, le traitement thermique peut s'effectuer une fois ces deux ou trois couches mises en forme autour du conducteur électrique du câble électrique.
Un courant est appliqué à travers le conducteur électrique du câble électrique pour chauffer à une température Tl, par effet Joule ou par induction, la couche comprenant les charges conductrices carbonées (cf. première couche), alors que l'extérieur du câble électrique est maintenu à une température T2 inférieure à la température Tl .
Dans ce cas, la température Tl est une température supérieure à Tf (notamment lorsque le polymère est un polymère semi-cristallin), ou à Tg (notamment lorsque le polymère est un polymère amorphe). La température T2 est quant à elle une température inférieure à Tf (notamment lorsque le polymère est un polymère semi-cristallin), ou à Tg (notamment lorsque le polymère est un polymère amorphe).
Lorsque le câble électrique comprend l'ensemble des troisième, première, deuxième, quatrième et cinquième couches, le traitement thermique peut s'effectuer une fois ces cinq couches mises en forme autour du conducteur électrique du câble électrique.
On fait passer un courant à travers le conducteur électrique du câble électrique pour chauffer à une température Tl, par effet Joule ou par induction, la couche comprenant les charges conductrices carbonées la plus proche du conducteur électrique (cf. première couche), la deuxième couche restant à une température T2 inférieure à la température Tl .
On chauffe l'extérieur du câble électrique à une température Tl, notamment par convection, conduction ou irradiation, la couche comprenant les charges conductrices carbonées la plus proche de l'extérieur du câble électrique (cf. quatrième couche), la deuxième couche restant à une température T2 inférieure à la température Tl .
Les températures Tl et T2 étant définies comme celles mentionnées ci-avant (cf. pour le câble électrique comprenant uniquement les première et deuxième couches, et optionnellement la troisième couche).
L'étape de traitement thermique s'effectue de préférence postérieurement à toute étape de mise en œuvre du ou des différentes couches qui composent l'élément électrique.
En outre, si la couche d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique est une couche réticulée, l'étape de traitement thermique s'effectue de préférence préalablement à la réticulation de ladite couche.
De préférence, la mise en œuvre du ou des couches qui composent l'élément électrique peut être réalisée par extrusion, injection ou moulage. On préférera notamment la coextrusion desdites couches.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lumière des exemples qui vont suivre en référence aux figures annotées, lesdits exemples et figures étant donnés à titre illustratif et nullement limitatif. La figure 1 représente une vue schématique en coupe transversale d'un câble électrique selon un mode de réalisation préféré conforme à l'invention.
La figure 2 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'une jonction pour câble électrique, conforme à l'invention.
La figure 3 représente une vue schématique en coupe longitudinale d'une terminaison pour câble électrique, conforme à l'invention.
La figure 4 représente l'évolution de la température pour traiter une composition polymérique conforme à l'invention.
La figure 5 représente l'évolution de la conductivité électrique au sein de la composition polymérique traitée selon la figure 4.
Pour des raisons de clarté, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés de manière schématique, et ceci sans respect de l'échelle.
Le câble d'énergie 100 à moyenne ou haute tension, illustré dans la figure 1, comprend un conducteur électrique central allongé 10, notamment en cuivre ou en aluminium, et, successivement et coaxialement autour de ce conducteur électrique central 10 se trouve :
une couche 3 d'un matériau polymérique semi-conducteur (i.e. « troisième couche »), dite couche semi-conductrice interne,
une couche 1 d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique (i.e. « première couche »),
une couche 2 d'un matériau polymérique électriquement isolante (i.e. « deuxième couche »), une couche 4 d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique (i.e. « quatrième couche »), et une couche 5 d'un matériau polymérique semi-conducteur (i.e. « cinquième couche »), dite couche semi-conductrice externe.
Les couches 1, 2, 3, 4 et 5 sont des couches extrudées, et réticulées ou non.
Le gradient de conductivité électrique dans l'épaisseur de la couche 1 est tel que la surface de la couche 1 en contact avec la couche 3 a une conductivité électrique supérieure à celle de la surface de la couche 1 en contact avec la couche 2.
Un écran métallique (non représenté) du type tube cylindrique, ainsi qu'une gaine extérieure de protection (non représenté), peuvent être également positionnés autour de la cinquième couche.
La jonction 101 pour câble électrique à moyenne ou haute tension illustrée dans la figure 2, est un élément allongé de type tubulaire, destiné à recevoir en son centre deux câbles électriques 100A et 100B pour les connecter. La connexion peut se faire au moyen d'une pièce 11 électriquement conductrice directement en contact avec les conducteurs électriques 10A et 10B de chacun des deux câbles électriques 100A et 100B.
En considérant que ces deux câbles électriques 100A et 100B sont des câbles d'énergie à moyenne ou haute tension dont chacun des conducteurs électriques centraux 10A et 10B est entouré par une isolation tri-couches du type couche semi-conductrice dite interne (couche non représentée) entourée par une couche électriquement isolante 2A,2B, cette dernière étant entourée par une couche semi-conductrice dite externe 5A,5B, la jonction selon l'invention comporte :
- une couche 31 d'un matériau semi-conducteur (i.e. « troisième couche »), en contact électrique avec les conducteurs électriques 10A et 10B des deux câbles électriques 100A et 100B, par le biais de la pièce électriquement conductrice 11,
- une couche 1 d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique (i.e. « première couche »), recouvrant la couche 3,
- une couche 21 d'un matériau polymérique électriquement isolant (i.e. « deuxième couche »), recouvrant la couche 1 et étant en contact avec les couches électriquement isolantes 2A et 2B des deux câbles électriques,
- une couche 4 d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique (i.e. « quatrième couche »), recouvrant la couche 21, et
- une couche 51 d'un matériau semi-conducteur (i.e. « cinquième couche »), recouvrant la quatrième couche 4 et étant en contact avec les couches semi-conductrices externes 5A et 5B des deux câbles électriques.
Ainsi, la première couche 1 est positionnée entre la troisième couche 31 et la deuxième couche 21; et la quatrième couche 4 est positionnée entre la deuxième couche 21 et la cinquième couche 51.
La terminaison 102 pour câble électrique à moyenne ou haute tension illustrée dans la figure 3, est un élément allongé en forme de cône, à l'intérieur duquel est positionnée l'extrémité d'un câble électrique 100A. En considérant que ledit câble électrique 100A est un câble d'énergie à moyenne ou haute tension comprenant un conducteur électrique central allongé 10A entouré par une isolation tri-couches du type couche semi- conductrice dite interne (couche non représentée) entourée par une couche électriquement isolante 2A, cette dernière étant entourée par une couche semi-conductrice dite externe 5A, la terminaison selon l'invention comporte :
- une couche 32 d'un matériau semi-conducteur (i.e. « troisième couche »), destinée à être en contact avec la couche semi- conductrice externe 5A du câble électrique,
- une couche 22 d'un matériau polymérique électriquement isolant
(i.e. « deuxième couche »), destinée à être en contact avec la couche électriquement isolante 2A du câble électrique, et
- une couche 1 d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique (i.e. « première couche »), positionnée entre la troisième couche 32 et la deuxième couche 22.
Exemples Un matériau polymérique présentant un gradient de conductivité électrique selon l'invention a été réalisé en appliquant un gradient de température sur un échantillon polymère composite par mélange en voie « fondu » d'une composition polymérique comprenant :
97,5% en poids d'EVA (avec 12% en poids de groupements acétate de vinyle), commercialisé par la société ExxonMobil, sous la référence Escorene UL0112, la température de fusion de l'EVA étant de 96°C, et
2,5% en poids de nanotubes de carbone conducteurs mutiparois, commercialisés par la société Arkema, sous la référence Graphistrength C100.
Ce mélange est réalisé selon les deux étapes suivantes :
pré-mélanger les nanotubes de carbone conducteurs à la matrice polymère (i.e. EVA) fondue dans un mélangeur interne de marque Brabender, pendant 15 minutes, à une température de 110°C, puis
homogénéisation du composite à l'aide d'un mélangeur à cylindres Scamia, pendant 20 minutes, la température des cylindres étant comprise entre 120 et 130°C.
Une fois l'homogénéisation réalisée, on met en forme la composition polymérique par compression à chaud, pour obtenir des plaques de 1 mm d'épaisseur, selon le procédé suivant
3 minutes à 110°C sans pression,
3 minutes à 110°C, sous une pression de 3 t, et
trempe à l'eau froide (15°C) pendant 2 minutes.
Des pastilles de 16 mm de diamètre ont ensuite été découpées dans les plaques ainsi formées, et ont été disposées de manière alternative avec des pastilles d'aluminium de même diamètre et d'épaisseur 12 pm dans un moule thermiquement isolant. La présence des pastilles d'aluminium permet uniquement de faciliter la mesure de la conductivité électrique en fonction de la distance à la source de chaleur. L'empilement alterné de pastilles de composition polymérique (i.e. polymère composite) et de pastilles d'aluminium forme une éprouvette de test, dont les deux extrémités sont constituées de pastilles de composition polymérique. La hauteur de l'éprouvette est de 30 mm.
On place ensuite l'éprouvette dans un four à gradient de température constitué d'un plateau supérieur et d'un plateau inférieur. Le gradient de température a été établi en appliquant une consigne de 300°C (plateau supérieur) sur la face supérieure de l'éprouvette de test, en maintenant la température de la face inférieure de ladite éprouvette à la température ambiante (i.e. 25°C ; plateau inférieur). Le profil de température correspondant a été mesuré en cinq points pendant la durée du traitement thermique (voir la figure 4).
L'essai s'est déroulé pendant 90 minutes sous léger flux d'azote gazeux. A la fin du traitement, l'éprouvette a été refroidie pendant 15 minutes entre les deux plateaux régulés à 15°C.
Après refroidissement complet du système, l'éprouvette a été démoulée et testée électriquement, élément par élément.
La conductivité électrique DC de la composition polymérique (i.e. pastilles de composition polymérique) a été mesurée par la méthode des quatre points à l'aide d'un SMU Keithley 2602.
La figure 5 représente l'évolution de la conductivité électrique de la composition polymérique en fonction de la position relative à la source de chaleur lors de l'application du gradient de température selon la figure 4. Un gradient de conductivité électrique est clairement mis en évidence dans l'épaisseur de la composition polymérique selon l'invention. En effet, l'augmentation de la distance à la source de chaleur - qui équivaut à une diminution de la température de traitement thermique - a pour conséquence une diminution de la cinétique de réarrangement microstructural (mûrissement). Ceci implique une variation de complétion du réseau de nanotubes de carbone conducteurs qui se traduit à échelle macroscopique, par une conductivité électrique réduite.
Dans le cas présent, une variation de trois ordres de grandeur de la conductivité électrique a été observée (minimum mesuré = 55,5 S. m"1, et maximum mesuré = 4,2.102 S. m"1).
Il est important de souligner que l'amplitude du gradient de conductivité électrique formé dans l'épaisseur du matériau, tout comme les valeurs de conductivités électriques maximales et minimales dudit gradient peuvent être modulées en contrôlant le profil des températures appliquées, ainsi que la durée du traitement thermique.

Claims

REVENDICATIONS
Elément électrique (100, 101, 102) comprenant un élément électriquement conducteur (3, 5, 10, 31, 32, 51), caractérisé en ce que l'élément électrique comprend en outre une première couche (1) d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique obtenu à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère et des charges carbonées conductrices.
Elément électrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément électrique comprend en outre une deuxième couche d'un matériau électriquement isolant (2, 21, 22), ladite première couche (1) étant positionnée entre l'élément électriquement conducteur et la deuxième couche.
Elément électrique selon la revendication 2, caractérisé en ce que la conductivité électrique à la surface de la première couche la plus proche de l'élément électriquement conducteur est supérieure à la conductivité électrique à la surface de la première couche la plus proche de la deuxième couche.
Elément électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les charges carbonées conductrices sont choisies parmi les noirs de carbone, les fibres de carbone, les graphites, les graphènes, les fullerènes, et les nanotubes de carbone, ou un de leurs mélanges.
5. Elément électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nanotubes de carbone sont choisis parmi les nanotubes de carbone à simple paroi, les nanotubes de carbone à double paroi, et les nanotubes de carbone multiparois, ou un de leurs mélanges.
6. Elément électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la conductivité électrique de la première couche (1) est comprise entre 1.103 S/m et 1.10"18 S/m (bornes incluses).
7. Elément électrique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la composition polymérique de la première couche (1) comprend au plus 30% en poids de charges carbonées conductrice.
8. Elément électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur est un conducteur électrique (10).
9. Elément électrique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'élément électriquement conducteur est une troisième couche (3, 5, 31, 32, 51) d'un matériau semi-conducteur.
10. Elément électrique selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une quatrième couche (4) d'un matériau identique à celui de la première couche (1), et une cinquième couche (5, 51) d'un matériau semi-conducteur, ladite quatrième couche (4) étant positionnée entre la deuxième couche (2, 21) et la cinquième couche (5, 51).
11. Elément électrique selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément électrique est un câble électrique (100) dans lequel l'élément électriquement conducteur est le conducteur électrique (10).
12. Elément électrique selon les revendications 2 et 11, caractérisé en ce que la deuxième couche (2) entoure le conducteur électrique (10).
13. Elément électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément électrique est un câble électrique (100) dans lequel l'élément électriquement conducteur est la troisième couche (3).
14. Elément électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément électrique est une jonction (101) pour câble électrique dans lequel l'élément électriquement conducteur est la troisième couche (31).
15. Elément électrique selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément électrique est une terminaison (102) pour câble électrique dans lequel l'élément électriquement conducteur est la troisième couche (32).
16. Procédé de fabrication d'une couche (1, 4) d'un matériau polymérique à gradient de conductivité électrique pour un élément électrique tel que défini à l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à traiter thermiquement une couche d'un matériau polymérique obtenu à partir d'une composition polymérique comprenant au moins un polymère et des charges carbonées conductrices, ladite couche comprenant une épaisseur délimitée par une première et une deuxième surfaces, ladite étape de traitement étant réalisée en appliquant une première température Tl à la première surface et une deuxième température T2 à la deuxième surface, de sorte à former un gradient de température dans l'épaisseur de ladite couche et obtenir ladite couche (1, 4) d'un matériau à gradient de conductivité électrique.
17. Procédé selon la revendication 16, caractérisé en ce qu'au moins l'une des températures Tl ou T2 est une température égale ou supérieure à la température de fusion Tf ou de transition vitreuse Tg dudit polymère.
18. Procédé de fabrication selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que, lorsque l'élément électrique est un câble électrique (100) selon la revendication 11 ou 13, le conducteur électrique (10) du câble électrique (100) est utilisé comme source de chaleur pour l'application du gradient de température.
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