Domaine technique

La présente invention concerne un câble électrique pour courant alternatif ayant des tensions élevées, notamment des tensions supérieures à 2KV et/ou travaillant à des températures élevées, notamment à des températures de l'ordre de 260°C, et/ou utilisé dans un environnement spécifique, notamment aéronautique, ledit câble étant agencé pour repousser les conditions limites de l'effet de décharge partielle corona et comportant au moins une âme conductrice centrale et au moins une gaine extérieure réalisée en un matériau isolant et entourant ladite âme conductrice centrale.

L'invention concerne également l'application de ce câble pour le chauffage de substances liquides, semi-liquides ou gazeuses par effet Joule.

Technique antérieure

Le problème technique posé par l'effet de décharge partielle corona dans le domaine du transport d'énergie électrique sous la forme d'un courant alternatif est bien connu. Il se pose en particulier dans une application de chauffage par résistance qui utilise l'effet de peau, couramment appelé "skin effect", qui consiste à chauffer des conduites, en particulier des conduites du type pipeline qui véhiculent des produits issus de forages pétroliers, des substances minérales liquides comme le soufre ou des produits chimiques ou similaires qui ont la caractéristique d'être lourds, denses ou visqueux chargés en substance de forte densité et dont le pompage est difficile lorsqu'ils sont à relativement basse température, voire impossible en cas de solidification du produit. Les pipelines peuvent également véhiculer du gaz et l'apport de chaleur permet de maintenir ce gaz en température et de réduire très sensiblement la condensation. Le maintien de la température se fait à des valeurs pouvant aller jusqu'à 180°C en fonction du produit à maintenir, le câble devant travailler jusqu'à environ 260°C. Ce maintien en température, ou ce chauffage, peut notamment être obtenu grâce à l'effet de peau et par rayonnement, la chaleur étant obtenue par effet Joule. Dans ce but on insère un câble électrique alimenté en tension alternative dans un tube et on connecte électriquement le câble à l'autre extrémité de ce tube. Le courant partant par le câble retourne par le tube, celui-ci restant sur la surface intérieure du tube. La chaleur dissipée chauffe le tube qui transfère la chaleur aux produits véhiculés et génère la montée en température des liquides par ^ffet Joule. Ce tube est solidarisé à la conduite ou au pipeline par soudage et/ou bandage.

Malheureusement l'effet corona perturbe fréquemment les objectifs recherchés en créant des courts-circuits ou des décharges dues à l'ionisation de l'air susceptibles de détruire, voire traverser localement la couche d'isolation. Pour éviter ces inconvénients on est amené à augmenter l'épaisseur de la couche de matériau isolant, ce qui augmente le coût, la section et le poids du câble électrique. Une autre solution consiste à augmenter le ratio de câble sur le pipeline, mais ceci engendre aussi des surcoûts importants.

On connaît des publications antérieures qui proposent des solutions susceptibles de prévenir ces inconvénients pour ce type d'application relative au chauffage par effet de peau. La publication britannique GB 1 459 579 décrit un conduit générateur de chaleur utilisant l'effet de peau produit par un courant alternatif. Ce conduit est réalisé en un matériau ferromagnétique et contient un câble isolé qui le traverse, ce câble étant pourvu d'une couche écran pour éviter une décharge de corona. Il est avéré et reconnu que l'ajout de cet écran métallique complique l'ingénierie du système dit "skin effect" et complique également son installation.

D'autres conduits générateurs de chaleur sont décrits par les brevets américains US 3,293,407 et US 3,515,837, qui sont conçus de telle manière que, lorsqu'un courant alternatif traverse le conducteur, un courant alternatif correspondant circule exclusivement à travers la peau intérieure du conduit ferromagnétique en générant de la chaleur, alors que pratiquement la tension au niveau du périmètre extérieur du tube est voisine de zéro.

Le brevet britannique GB 1.080.778 décrit un procédé de fabrication d'un câble 5 destiné à ce même type d'application, comportant un noyau central conducteur ayant une gaine extérieure en polyéthylène et une couche intermédiaire en polyoléfine chargée de noir de carbone, ces couches coaxiales étant produites par co-extrusion. Ces matériaux ont comme défaut essentiel de ne pas tenir aux températures élevées, notamment aux températures de l'ordre de 180 à 260°C î o telles que celles prévues dans le cadre l'invention.

Le brevet américain US 3.660.592 décrit également un câble électrique ayant un conducteur central isolé par un revêtement périphérique, ces deux éléments étant séparés par une couche de résine de fiuorocarbone semi-conductrice contenant 15 de 0,5 à 75% de graphite. Une telle couche en résine est complexe à réaliser et la résine n'étant pas un thermoplastique est difficile à recycler, ce qui a une influence extrêmement négative sur le coût de fabrication.

Le brevet américain US 5.532.375 décrit un câble électrique en vue de 0 l'exploitation de l'effet de peau, ce câble ayant une structure complexe avec une couche semi-conductrice en TFE disposée entre le conducteur et l'isolant. Son coût de fabrication est élevé et les températures visées par les applications du câble de l'invention ne peuvent pas être atteintes. 5 L'effet corona est bien connu et les câbles de chauffage utilisant l'effet de peau sont habituellement utilisés pour des températures ne dépassant pas 120°C. Néanmoins, pour de nombreuses applications industrielles, il serait avantageux de pouvoir élever cette valeur et d'aller jusqu'à des températures de l'ordre de 260°C. Les câbles habituels ne permettent pas d'atteindre ces températures, à cause des0 risques liés à l'effet corona, sans nécessiter des précautions importantes consistant à augmenter de façon importante l'épaisseur de la couche de matériau isolant. Les tensions de travail habituelles sont limitées à 2KV, parce que l'effet co-ona augmente considérablement avec l'élévation de la tension de travail. Or, pour de très nombreuses applications, travailler à des tensions égales ou supérieures à 5 3,5KV et pouvant atteindre 5KV sans risquer le court-circuit par effet corona constitue une amélioration considérable de performances.

Un autre problème se pose dans le domaine de l'aéronautique. Sachant que l'effet corona augmente à la fois avec l'élévation de la tension de travail et avec î o l'altitude, la tension habituellement utilisée dans les avions de lignes est de 115V pour réduire les risques de court-circuit par effet corona. L'objectif de certaines compagnies de porter la tension de travail à 230V passe par une augmentation conséquente de l'épaisseur de la gaine de matériau isolant, ce qui augmente de façon significative le poids des câbles. Pour un câble travaillant à la tension de

15 115V l'épaisseur de l'isolant est d'environ 0.2mm. Pour un câble travaillant à la tension de 230V l'épaisseur de l'isolant devrait être augmentée à environ 0.8mm, d'où une augmentation importante du poids du câble, ce qui constitue un inconvénient considérable dans le domaine de l'aéronautique. 0 Exposé de l'invention

La présente invention se propose de pallier l'ensemble des inconvénients mentionnés ci-dessus en réalisant un câble permettant de reculer les limites de l'effet corona, sans augmenter de manière substantielle le poids et le coût de fabrication du câble tout en améliorant les performances et les applications de ce5 câble.

Ce but est atteint par le câble selon l'invention tel que défini en préambule et caractérisé en ce qu'une couche primaire unique d'un matériau semi-conducteur est interposée coaxialement entre ladite au moins une âme conductrice et ladite0 au moins une gaine extérieure en matériau isolant correspondante, ladite couche primaire unique étant extrudée sur ladite au moins une âme conductrice. Selon un mode de réalisation, ladite âme conductrice centrale est avantageusement constituée d'un ensemble de fils métalliques multibrins, cet ensemble étant entouré de ladite gaine extérieure en matériau isolant et ladite couche primaire unique de matériau semi-conducteur étant interposée coaxialement entre ledit ensemble de fils métalliques multibrins et ladite gaine extérieure en matériau isolant.

Selon un autre mode de réalisation particulier, le câble comporte une pluralité de fils conducteurs juxtaposés, l'âme conductrice centrale de chaque fil conducteur étant entourée d'une couche primaire unique de matériau semi-conducteur, elle- même entourée d'une gaine extérieure en matériau isolant, ladite pluralité de fils étant logée dans une gaine de maintien entourée d'un écran métallique, cet ensemble étant enserré dans un fourreau extérieur isolant. Ladite couche primaire unique de matériau semi-conducteur est de préférence réalisée en un polymère thermoplastique fluoré mélangé à du noir de carbone et ladite gaine extérieure en matériau isolant est réalisée en un polymère thermoplastique fluoré facilitant sa fabrication par extrusion et son recyclage Dans le cadre d'une application particulière le câble selon l'invention est disposé à l'intérieur d'un conduit en vue du chauffage par effet de peau, et il est tiré à l'intérieur dudit conduit et alimenté à une extrémité par une source d'énergie électrique délivrant un courant alternatif. Dans le cadre de cette application, les fils conducteurs de l'autre extrémité du câble sont mis en court-circuit.

Description sommaire des dessins

La présente invention et ses principaux avantages apparaîtront mieux dans la description de différents modes de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 représente une vue en coupe transversale d'une forme de réalisation particulière du câble selon l'invention, la figure 2 est une vue en coupe longitudinale du câble représenté par la figure 1 , la figure 3 est une vue transversale d'une seconde forme de réalisation du câble selon l'invention, et la figure 4 est une vue en coupe longitudinale du câble représenté par la figure 3.

Meilleures manières de réaliser l'invention

En référence à la figure 1 , le câble 10, tel que représenté comporte une âme conductrice 1 composée d'un ensemble de fils multibrins 12, de préférence en cuivre revêtu d'une couche en étain, argent ou nickel à base d'alliage de cuivre, bronze ou aluminium, et une gaine extérieure en matériau isolant 13 entourant l'âme conductrice 11. Cette gaine extérieure 13 est réalisée en un matériau synthétique tel qu'un polymère thermoplastique fluoré, et son épaisseur est calculée pour assurer la sécurité du câble et de son environnement proche. Pour résoudre le problème de l'effet corona évoqué ci-dessus, le câble 10 comporte en outre une couche primaire unique 14 d'un matériau semi-conducteur, interposé entre l'âme conductrice 11 et la gaine extérieure en matériau isolant 13. Cette couche primaire unique 14 est avantageusement réalisée en un matériau isolant auquel on a ajouté un pourcentage déterminé de noir de carbone et obtenue par extrusion. A titre d'exemple préférentiel le matériau semi- conducteur peut être un polymère de fluor chargé en poudre de carbone. Cette couche primaire semi-conductrice unique 14 a pour effet de supprimer, ou du moins de repousser, les conditions critiques où l'effet corona pourrait se produire sur un câble ne comportant pas cette couche primaire. Son mode de réalisation par extrusion permet de réduire l'épaisseur de la gaine isolante extérieure 13 et par conséquent de réduire de façon substantielle le poids de la matière isolante sur des câbles destinés à l'aéronautique par exemple. La vue en coupe longitudinale de la figure 2 montre en particulier la différence d'épaisseur de gaine isolante extérieure 13 et de la couche primaire semi- conductrice 14. Pour obtenir une protection aussi efficace que celle qu'apporte la solution de l'invention avec un câble classique ne comportant que l'âme conductrice et la gaine isolante extérieure, l'épaisseur de cette dernière devrait être plus que doublée. La solution de l'invention résout le problème de l'effet corona sur des câbles d'alimentation en courant alternatif travaillant dans des conditions où le risque existe. La fonction de chauffage d'un conduit véhiculant des produits visqueux dont la fluidité est augmentée en élevant la température peut également être résolue par le principe de l'effet dé peau généré au moyen du câble 10 tiré directement à l'intérieur de ce conduit et alimenté par une source d'énergie électrique délivrant un courant alternatif.

Les figures 3 et 4 représentent une autre forme de réalisation d'un câble 20 utilisé pour le chauffage de conduits véhiculant des produits liquides, notamment des liquides chargés ou très visqueux dont on peut augmenter la fluidité en élevant leur température pour pouvoir utiliser des pompes de circulation. Ces conduits chauffants sont utilisés pour des applications en pétrochimie, pour le transport de soufre, d'éthylène, d'hydrocarbures lourds etc.

Le câble 20 représenté, qui peut être très long et notamment atteindre une longueur de cinquante kilomètres, regroupe par exemple trois fils conducteurs isolés 21 , 22 et 23. Ces trois fils conducteurs 21 , 22 et 23 sont composés chacun d'une âme conductrice 30 constituée d'au moins un fil multibrins, cette âme conductrice étant entourée d'une couche primaire unique 31 faite d'un matériau semi-conducteur, cette couche 31 étant entourée d'une gaine extérieure en matériau isolant 32. Les trois fils conducteurs 21 , 22 et 23 sont disposés côte à côte et peuvent être logés dans une gaine de maintien 33 entourée d'un écran métallique 34 qui est lui-même enserré dans une gaine 35 faite d'un matériau électriquement isolant. Afin d'assurer le chauffage par effet Joule d'un conduit 40 à chauffer (représenté schématiquement) dans lequel ce type de câble 20 est placé, les fils conducteurs 21 , 22, 23 sont connectés par une de leurs extrémités à une source de tension 5 alternative 24 et mis en court circuit par leur autre extrémité opposée à la source de courant 24, lesdites extrémités étant directement reliées entre elles ou assemblées par un couplage étoile en cas d'alimentation triphasée.

Dans le cadre d'une application du câble électrique 20, ledit câble est disposé à î o l'intérieur d'un conduit 40 en vue du chauffage par effet de peau. A cet effet il est tiré à l'intérieur dudit conduit et alimenté par une source d'énergie électrique 24 délivrant un courant alternatif, comme le montre la figure 3.

Il est utilisé pour le chauffage par effet Joule d'un fluide visqueux circulant dans 15 ledit conduit, et les fils conducteurs 21 , 22, 23 de l'autre extrémité du câble sont mis en court-circuit.

La présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites, mais peut subir différentes modifications ou variantes. Les réalisations pratiques0 peuvent être adaptées aux applications prévues. Les matériaux employés peuvent également être diversifiés selon ces applications, notamment les matières synthétiques utilisées pour réaliser la gaine isolante extérieure peuvent être différentes selon l'utilisation prévue du câble de l'invention. Il en est de même des matériaux utilisés pour réaliser la couche semi-conductrice.

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