TITRE : CÂBLE HAUTE TENSION A AME COMPOSITE POUR BASSE

TEMPERATURE D’EXPLOITATION

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

[0001] Le domaine technique de l’invention est celui des câbles conducteurs pour une ligne d’alimentation électrique aérienne haute tension, c’est-à-dire plus de 20KV, et plus particulièrement la structure dudit câble.

[0002] La présente invention concerne en particulier des câbles à haute tension pour des températures basses d’exploitation.

ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

[0003] Aujourd’hui les câbles à haute tension sont classés en deux catégories : les conducteurs basse température d’exploitation c’est-à-dire < 95°C, les conducteurs haute température d’exploitation pouvant monter jusqu’à 220°C.

[0004] Les câbles conducteurs basse température ne doivent pas être utilisés au- dessus de 95°C, car la plupart comprennent de l’aluminium dur, comme l’aluminium 1350-H19, qui perd définitivement sa résistance mécanique (recuit) à des températures supérieures à 95°C. Le tableau de la figure 1 montre les différentes conductivités et résistances à la traction de conducteurs de différents types d’aluminium selon leur température de fonctionnement maximum. Pour limiter cette perte de résistance, leur température nominale doit être restreinte en conséquence, en tenant compte de leur exposition à la météo durant leur exploitation. Ces câbles haute tension basse température ont majoritairement une âme en acier conventionnel, dit câbles ACSR (Aluminium-conductor steel-reinforced cable). De plus leur coefficient d’expansion thermique important fait que le fléchissement devient important pour des températures élevées.

[0005] Les câbles conducteurs haute température sont fabriqués avec de l’aluminium recuit (ou des alliages d’aluminium) qui résiste à des températures supérieures à 95°C. Cependant, cet aluminium recuit a une moins bonne résistance mécanique que l’aluminium dur, il est donc nécessaire d’utiliser une âme plus résistante mécaniquement. Cet aluminium recuit a l’avantage d’être moins résistant électriquement. En plus, il est plus cher à produire car il nécessite un recuit ce qui augmente aussi son impact environnemental.

[0006] Pour augmenter la résistance mécanique des câbles, une âme est placée en son centre. Cette âme est composée soit d’une âme en acier conventionnel ou alliage d’aluminium pour les câbles basse température, soit d’une âme en acier ou en composite à matrice métallique ou polymère pour les câbles haute température. Les âmes en composite sont plus chères, plus complexes et plus polluantes à fabriquer. En particulier les fibres de carbone ont un prix assez élevé surtout celles à haute résistance.

[0007] D’autre part, pour un diamètre de câble donné, l’âme limite la part de l’aluminium conducteur et donc le courant pouvant circuler dans le câble. Il faut donc que cette âme soit du plus petit diamètre possible.

[0008] Un compromis doit donc être trouvé entre les différentes contraintes de résistance mécanique et électrique, de température, de diamètre de l’âme, de coûts et d’impact environnemental.

[0009] Ainsi les câbles basse température sont aujourd’hui réalisés avec ou sans une âme. Comme l’aluminium a une résistance mécanique qui augmente avec la résistance électrique et le prix, les câbles sans âme ont soit une résistance mécanique et électrique faibles (par exemple les AAC en aluminium 1350-H19), soit une résistance mécanique et électrique élevées (par exemple les AAAC en aluminium AL3). Les câbles avec une âme sont faits avec une âme en acier conventionnel et un aluminium dur ou allié, ils sont ainsi bon marché. Cependant, pour un diamètre de câble donné l’âme en acier a un diamètre important, limitant d’autant l’ampacité du câble, c’est-à-dire la capacité de transport de courant maximale en ampères, de plus l’acier ayant une densité importante, il rend le conducteur plus lourd

[0010] Compte tenu de leur coût élevé et de leur faible coefficient d’expansion thermique, les âmes composites sont uniquement utilisées dans les câbles haute température. RESUME DE L’INVENTION

[0011] L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en proposant un câble basse température permettant de passer au minimum 15% d’ampères en plus et à iso température d’exploitation du câble qu’une solution classique, à un prix raisonnable, et avec des propriétés thermo mécaniques équivalentes aux solutions ACSR.

[0012] L’invention permet aussi, à iso ampérage, de générer au moins 20% de perte par effet Joules en moins que la solution classique, et par là avoir un impact environnemental significativement réduit, en réduisant l’empreinte carbonée lors de l’exploitation du câble, et également, en réduisant les courants inductifs.

[0013] Le câble haute tension selon l’invention, comprend une âme composite entourée d’un conducteur électrique, il est caractérisé en ce qu’il est limité à 95°C ±5%, soit un aluminium basse température, que le conducteur électrique est de l’aluminium dur avec un ratio d’aluminium dur Ra compris entre 6 et 19 et préférentiellement entre 8 et 15, où Ra est calculé selon la règle suivante : Ra = Sc/Sa x100 où Sc est la section de l’âme composite du câble et Sa la section de l’aluminium conducteur du câble. Le ratio d’aluminium est calculé selon la règle suivante : Ra = Sc/Sa x100 où Ra est le ratio d’aluminium, Sc la section de l’âme composite du câble et Sa la section de l’aluminium conducteur du câble. Cela permet d’obtenir un câble avec la même masse que les câbles actuels basse température, le même diamètre externe, au moins la même résistance mécanique et une expansion thermique équivalente. On obtient ainsi un câble avec une section d’aluminium augmentée entre 20% et 40%, préférentiellement 25% à 35% pour un diamètre identique.

[0014] Le composite ayant une résistance plus importante que l’acier, on peut effectuer une précharge du câble plus importante à l’installation. Cette précharge plus importante compense le coefficient d’expansion thermique (CTE) du câble plus élevé lorsque celui-ci travail sous le point d’inflexion thermique (ou « thermal knee point »), le composite permet donc de maintenir une flèche proche des câbles actuels tous en ayant une section d’aluminium plus importante. Par contre on aura un CTE plus bas au-dessus du point d’inflexion thermique, ce qui permet de garantir un fléchissement du câble en exploitation, et notamment en température haute, inférieur ou égal au fléchissement d’une solution en acier standard néanmoins plus rigide. [0015] L’invention permet aussi de diminuer les contraintes liées aux stockages sur bobine et de descendre les diamètres d’enroulement à moins de 140 fois le diamètre de l’âme en matériaux composite.

[0016] Avantageusement, l’âme composite est composée d’une matrice et d’un noyau en fibres de carbone entouré d’une couche isolante. Cette couche isolante permet de protéger le carbone du couple galvanique.

[0017] Avantageusement, la matrice a une température de transition vitreuses Tg < 160°C. Comme le câble est utilisé à < 95°C, par rapport à une solution haute température en composite ayant une tenue thermique >160°C, on a un large choix de matrices servant à imprégner les fibres de renfort structurelles pour constituer le matériau composite.

[0018] Le coût de fabrication de ces matrices basses températures est faible, car ce sont des composants standards pour les marchés de volume comme les profilés de renforts pultrudé pour les longerons des pâles d’éolienne : un prix jusqu’à trois fois moins cher que celui des matrices dites hautes températures (Tg > 160°C).

[0019] D’autre part, ils nécessitent une faible consommation d’énergie pour engager la polymérisation complète, par exemple en filière de pultrusion, en moins de 2 minutes et préférentiellement entre 60 et 90 secondes, la différence de température de cuisson entre une matrice haute température et une matrice standard est inférieure de 15% à 30% pour une même durée de cuisson, d’où un gain d’énergie à la fabrication.

[0020] Ces matrices basses températures ont également une meilleure tenue à la reprise d’humidité, avec des pertes de transition vitreuse plus faible que les matrices avec des températures de transition vitreuse Tg > 160°C. Sur ces matrices basse température, la saturation humide à 90°C engendre une perte de température de transition vitreuse de 20 à 30 °C comparativement aux matrices à haute Tg où la saturation humide à 90°C engendre une perte de température de transition vitreuse de 30 à 60 °C. Les matrices hautes températures se dégrade vite à haute température alors qu’à 95°C, il n’y a quasiment pas de dégradation du matériau.

[0021] De même, ces matrices ont une meilleure résistance à la propagation de fissure dans le matériau (résistance à l’impact), G1C > 80 J/m ² et préférentiellement > 100J/m ² pour les matrices basse température contre 50 à 70 J/m ² pour les matrices hautes Tg.

[0022] Cette augmentation de la résistance à la propagation de fissure sur l'utilisation du câble basse température présente un certain nombre d’avantages pour les raisons suivantes.

[0023] L'aluminium dur offre une protection moins bonne contre les chocs que les câbles avec aluminium recuit, notamment lors des manipulations des câbles constitués que ce soit en production, pendant le transport, à l'installation ou pendant les périodes de maintenance. En effet l'aluminium recuit va absorber par déformation les impacts générés sur le câble et donc limiter l'effet sur l’âme composite dans le câble grâce à :

Une dureté Vickers de 25 HV1/10 ±5 pour l’aluminium recuit contre 45 HV1/10 ±5 pour l’aluminium dur.

Un allongement à rupture, ou une ductibilité du matériau supérieur à 15% et préférentiellement > 20% pour l’aluminium recuit contre inférieur à 5% et préférentiellement entre 1 et 3% pour l’aluminium dur.

[0024] Le choix d’un aluminium dur augmente donc significativement le risque de rupture des câbles par propagation d’un impact extérieur jusqu’à l’âme composite. Il convient donc que la matrice utilisée soit renforcée contre les propagations de défaut dans le cadre de l’invention où l’on utilise de l’aluminium dur. Le critère de résistance à la propagation d’un défaut de la matrice devient donc prépondérant et nécessite d’avoir un G1C plus important pour obtenir une solution aussi pérenne que les câble à aluminium recuit.

[0025] Les matrices basses Tg ont des températures d’endommagement thermique, dit thermolyse, entre 160 et 180°C garantissant un niveau de tenue thermique en exploitation à température maximum d’utilisation dans le temps bien supérieur aux matrices hautes Tg. Ces matrices hautes Tg ont un niveau de thermolyse inférieur ou égal à leur Tg générant un risque de tenue dans le temps notamment aux efforts de compression et flexion à haut niveau de risque dès lors quelle sont utilisée en exploitation au-dessus des températures de thermolyse.

[0026] De préférence, la température de transition vitreuses Tg de la matrice est telle que 90°C < Tg < 140°C. [0027] Selon une première variante, la matrice est une matrice époxyde. Ainsi, les matrices époxydes basse température ont une température de transition vitreuses Tg <160°C et de préférence : 90°C<Tg< 140°C.

[0028] Selon une deuxième variante, la matrice est une matrice vinylique. Les matrices vinylesters ont une température de transition vitreuses Tg <160°C et de préférence : 90°C<Tg< 140°C.

[0029] Selon une troisième variante, la matrice est une matrice réactive acrylique. On peut par exemple utiliser des matrices réactive acrylique avec une température de transition vitreuses Tg < 140°C. [0030] Selon une quatrième variante, la matrice est une matrice thermoplastique. Ce type de matrices permet à la fois d’optimiser le recyclage de l’âme du câble en fin de vie et d’augmenter la résistance à l’impact par rapport à un composite à matrice thermodurcissable : diminution par 2 ou par 3 de la superficie du délaminage à ISO force d’impact. [0031] Avantageusement, la couche isolante a un volume compris entre 40% et

80% du volume total de l’âme composite. Les fibres de carbone sont l’élément le plus cher de l’âme et le plus polluant, en limitant ainsi ses proportions, on obtient une âme suffisamment résistante et à un prix abordable. Par exemple, les fibres de verre sont dix fois moins polluantes à produire que les fibres de carbone, on limite ainsi la pollution en limitant la quantité de fibres de carbone dans l’âme.

[0032] Selon un premier mode de réalisation, la couche isolante comprend des fibres de verre. Ces fibres de verre pourront être de garde E ou S. Les fibres de verre sont moins chères et plus souples que le carbone. La souplesse des fibres de verre rend l’âme plus souple et permet de l’enrouler sur des bobines plus petites. [0033] Selon un deuxième mode de réalisation, la couche isolante comprend des fibres de silice.

[0034] Selon un troisième mode de réalisation, la couche isolante comprend des fibres de basalte.

[0035] Avantageusement, les fibres de carbone ont une résistance à la traction < 4500 MPa. Cette âme composite permet d’utiliser des fibres de carbone avec une résistance mécanique plus faible grâce à de meilleures propriétés mécaniques de l'aluminium 1350-H19. Ces fibres de carbone étant moins chères cela permet de réduire le prix du composite obtenu.

[0036] Avantageusement, le câble a un diamètre compris entre 10 et 60mm, de préférence entre 15mm et 45mm. Sur les conducteurs haute température à âme composite et aluminium recuit la résistance du câble est due à 90% au composite et 10% à l’aluminium, sur la version proposée à la figure 3, la résistance du câble est due à 60% à l’aluminium et 40% au composite. Cette meilleure répartition permet une meilleure tenue du câble en cas d’endommagement du composite.

[0037] Cette reprise des efforts par l'aluminium dur permet d'optimiser la résistance de l’âme en composite. Par exemple avec une résistance < 1000MPa (configuration figure 2, dernière colonne) et préférentiellement de 800 MPa ±200MPa (configuration optimisée figure 3) pour l’âme composite dans un mode privilégié de réalisation. La baisse de résistance reprise par le composite permet d’augmenter significativement la quantité de fibre isolante ayant des modules inférieurs au carbone et donc d’optimiser les rayons de courbure admissible par le câble lors de l’installation, permettant de limiter les risques de sur contraintes entraînant des ruptures de l’âme composite à l’installation.

[0038] Selon une première disposition, les conducteurs aluminium sont de forme trapézoïdale. Cette forme permet d’avoir une section plus compacte qu’avec des fils ronds.

[0039] Selon une première disposition, les conducteurs aluminium sont en forme de Z. Cette forme permet d’avoir une section plus compacte qu’avec des fils ronds.

[0040] Avantageusement, l’âme composite est réalisée par pultrusion.

[0041] L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0042] Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.

[0043] [Fig. 1] est un tableau comparatif des différents types d’aluminium, [0044] [Fig. 2] est un tableau comparatif d’un exemple de câble selon l’invention par rapport à ceux de l’état de la technique, [0045] [Fig. 3] est un tableau illustrant les caractéristiques de deux modes de réalisation de câble selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

[0046] Le câble selon l’invention permet d’obtenir des performances intrinsèques meilleures que celles d’un câble de même diamètre de l’état de la technique comme illustré dans l’exemple figure 2.

[0047] On peut voir sur ce tableau, sept types de câbles haute tension basse température: un câble à conducteur en aluminium renforcé acier (ACSR : Aluminium- Conductor Steel-Reinforced cable), un câble à conducteur en alliage d’aluminium renforcé acier (AACSR : Aluminium Alloy Conductor Steel-Reinforced cable), un câble à conducteur en alliage d’aluminium (AAC : Aluminium Alloy Conductor cable), un câble à conducteur entièrement en alliage d’aluminium (AAAC : AN Aluminium Alloy Conductor cable), un câble à conducteur en aluminium renforcé aluminium (ACAR : Aluminium-Conductor Aluminium-Reinforced cable) un câble à conducteur aluminium Aero-Z™ un câble selon l’invention qui est un câble à conducteur renforcé par un composite efficient (appelé dans la présente description ECRC : Efficient Composite Reinforced Conductor).

[0048] On peut voir sur ce tableau que le câble ECRC selon l’invention pour un diamètre et un poids équivalents, a une section de conducteur très proche d’un câble tout aluminium puisque l’aluminium représente dans cet exemple plus de 90% de la section de l’âme. On obtient ainsi un câble avec une faible résistance électrique, tout en ayant une ampacité et une perte par effet joule meilleures que les autres câbles. Toutes ces caractéristiques sont obtenues avec un prix de seulement 30% à 60% plus cher, ce surcoût étant compensé par les gains en exploitation. De plus, le module élastique et le coefficient d’expansion thermique sont meilleur que les solutions 100% aluminium. [0049] En effet, l’invention offre également un gain significatif pour l’exploitant, grâce à la limitation de la résistance électrique par rapport aux solutions conventionnelles, et grâce à son surcoût maîtrisé pour l’exploitant de réseaux lors de l’installation. [0050] Le gain réel en exploitation des solutions à âme composite par rapport aux câbles à conducteur aluminium renforcé acier (ACSR) et aux conducteurs haute tension à renfort composite (HVCRC ou ACCC) est visible sur le tableau suivant.

[0051] A iso ampérage, iso voltage, pour une même durée et une même longueur de conducteur, le tableau ci-dessous montre que les 30% de gain sur la résistance électrique se retrouvent sur les pertes par effet joule en kWh (calcul selon TB265 du CIGRE sur Life Cycle Assesment).

0053] ^Température ca culée avec : Ambiant T° : 30°C ; vitesse de vent: 0.61 m/s; Emissivité : 0.5 ; absorption solaire : 0.5 ; radiation solaire : 1000 W/m ² [0054] Le gain réel est de 20% minimum sur les pertes en exploitation par l’exploitant de réseau par rapport à une solution ACSR, ce qui revient à produire moins d’énergie (par rapport aux pertes habituelles) pour la même énergie transportée donc autant de gain d’émission de dioxyde de carbone lors de la production d’énergie. [0055] Mais, les câbles de type aluminium conducteur à âme composite (HVCRC : High Voltage Composite Reinforced Conductor ou ACCC : Aluminium-Conductor Composite Core) sont 2,5 fois plus chers que les câbles ACSR, références du marché, et les câbles de type de l’invention sont entre 1 ,5 et 2 fois plus cher préférentiellement 1 ,7 fois plus chers. Cependant, en associant les gains d’énergie perdue par effet joules sur les solutions composites par rapport à la solution ACSR en exploitation par l’exploitant de réseau, il apparaît que l’invention permet un amortissement entre 1 ,5 et 3 fois plus rapide que la solution HVCRC ou ACCC à iso ampacité, voltage et longueurs, préférablement 2,15 plus rapide.

00561 [Table!

[0057] Différentes combinaisons sont possibles pour réaliser l’âme composite, comme par exemple l’utilisation de matrices basses températures de transition vitreuse (Tg) de type système époxy - anhydride, vinylesther ou thermoplastique associées à un ratio en volume de fibre de renfort de carbone structurel dans la première couche pleine de sections cylindriques, par rapport à la couche moins structurelle, mais isolante en surface de 40% à 80% (en surfacique) et une couche isolante en fibre de verre grade E ou S, ou fibre de silice, ou en fibre de basalte ou une couche isolante en fibre thermoplastique par exemple de type PE HT (polyéthylène haute ténacité) ou para-aramide. [0058] Pour un premier exemple de réalisation de l’âme composite, on utilise : une matrice époxydique comprenant: une base bisphénol-A- épichlorhydrine et/ou bisphénol-F-épichlorhydrine, mélangée avec un durcisseur anhydride tétrahydrométhylphtalique ou hexahydro-4- methylphthalic anhydride, mélangé avec accélérateur 1 -(2-hydroxypropyl) imidazole et/ou 2,4,6-tris(dimethylaminomethyl)phénol, des fibres de carbone de type haute résistance Graphil G37-800 et/ou Toray T700 et/ou Toho Tenax STS et/ou type haut module Toray T800 ou équivalent présentant les ratios similaires de rigidité/résistance à ±10% et préférentiellement ±5% avec des fibres isolantes en fibres de verre SE30303B et/ou fibre de verre SE15003B et/ou SE20203B.

[0059] Les dégradations à l’ozone du bisphénol A pouvant être significativement impactant pour la durée de vie des câbles haute tension en exploitation < 100°C, une solution optimisée consiste à écarter le bisphénol A de la formulation de la matrice pour limiter la dégradation par l’ozone de l’âme en matériaux composites. Cette problématique n’est pas nécessaire sur les câbles HVCRC ou ACCC haute température où l’ozone est dissocié en dioxyde et en oxyde au-dessus de 100°C. Pour sécuriser cette problématique l’invention consiste à privilégier les formulations sans bisphénol A, par exemple dans un deuxième mode de réalisation de l’âme composite ci-dessous qui comprend : une matrice époxydique avec une base bisphénol-F-épichlorhydrine, mélangée avec un durcisseur anhydride tétrahydrométhylphtalique ou hexahydro-4-methylphthalic anhydride, mélangée avec accélérateur 1-(2- hydroxypropyl) imidazole et/ou 2,4,6-tris(dimethylaminomethyl)phénol, des fibres de carbone de type haute résistance Graphil G37-800 et/ou Toray T700 et/ou Toho Tenax STS et/ou type haut module Toray T800 ou équivalent présentant les ratios similaires de rigidité/résistance à ±10% et préférentiellement ±5% et des fibres isolantes en fibres de verre SE3030 3B et/ou fibre de verre SE15003B et/ou SE20203B.

[0060] Un troisième mode de réalisation de l’âme composite est possible avec : une matrice Vinylique comprenant de la résine d’ester vinylique à base d’époxy bisphénol-A et/ou résine d’ester vinylique à base d’époxy novolaque, des fibre de carbone de type haute résistance Graphil G37-800 et/ou Toray T700 et/ou Toho Tenax STS et/ou type haut module Toray T800 ou équivalent présentant les ratios similaires de rigidité/résistance à ±10% et préférentiellement ±5% et des fibres isolantes en fibres de basalte Basaltex KV11 et/ou KV12 et/ou KV42. [0061] Un quatrième mode de réalisation de l’âme composite est particulièrement optimisé pour le recyclage, car la dépolymérisation de la matrice en fin de vie est possible par traitement chimique, broyage de la fibre de carbone pour intégration dans les compounds thermoplastiques, et fusion de la fibre PE HT pour réutilisation dans l’industrie thermoplastique par exemple en injection ou extrusion thermoplastique.

[0062] Cette âme composite est constitué : d’une matrice de type ELIUM® C595 E ou 591 + un mélange d’initiateurs et d’additifs, de fibres de carbone de type haute résistance Graphil G37-800 et/ou Toray T700 et/ou Toho Tenax STS et/ou type haut module Toray T800 ou équivalent présentant les ratios similaires de rigidité/résistance à ±10% et préférentiellement ±5%, de fibres isolantes en PE HT Honeywell Spectra.

[0063] Le tableau de la figure 3 montre des exemples de minimum et maximum des performances attendues pour chaque diamètre existant sur le marché du premier mode de réalisation en fonction de la variation des taux fibres de carbone dite haute résistance (STS) ou de fibres de carbone dite haute rigidité (T800) par rapport au taux de fibres isolantes.

[0064] La deuxième colonne concerne un câble avec une âme comprenant 80% de fibres de verre et 20% de fibres de carbone, cette solution est optimisée en coûts. La troisième colonne concerne un câble avec une âme avec 40% de fibres de verre et 60% de fibres de carbone, cette solution est plus chère de 70% que la solution précédente, mais elle permet des portées plus grandes entre les pylônes dans le cas de traversées de rivières ou de canyons. [0065] Dans tous ces exemples illustrant l’invention, le ratio d’aluminium est compris entre 6 et 13, ce qui permet de limiter la proportion de fibres de carbone donc le prix, d’avoir la même résistance mécanique qu’un câble ACSR mais avec une plus faible résistance électrique donc une plus faible perte par effet joule.