Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2013/135489 PCT/EP2013/054011
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CABLE DE TRANSPORT ELECTRIQUE EN PARTICULIER POUR
LIGNE AERIENNE
L'invention concerne un câble de transport électrique en
particulier pour ligne aérienne.
Elle concerne plus précisément un câble de transport électrique
en particulier pour ligne électrique aérienne, connportant au moins un
jonc composite central constitué de fibres imprégnées par une matrice
et dont la contrainte spécifique à la rupture est supérieure à 0,4
MPa.nr13/kg et au moins une couche de fils conducteurs à imbrication
mutuelle, en aluminium ou en alliage d'aluminium et enroulés autour de
ce jonc.
Un tel câble est décrit dans le document de brevet EP 1 816 654.
Ce câble de transport électrique en particulier pour ligne
électrique aérienne, comporte un jonc composite central constitué de
fibres imprégnées par une matrice de résine époxy et deux couches de
fils conducteurs de section en Z et en S, en aluminium ou en alliage
d'aluminium, enroulés autour du jonc. Eventuellennent, le jonc peut être
recouvert d'une couche de matière isolante.
De tels fils conducteurs sont des fils de forme selon la norme
IEC 62219.
Un tel câble peut comporter un seul jonc central, comme
représenté, ou trois joncs centraux.
Il peut également comporter une ou plusieurs couches de fils
conducteurs 3.
La tennpérature de fonctionnennent d'un tel câble peut atteindre
200 C ou plus. Il s'avère donc, l'ensemble des composants du câble
étant bloqué aux extrénnités par des ancrages, que, lors d'une
augnnentation de la tennpérature des fils conducteurs, de la tennpérature
ambiante à la température de fonctionnennent du câble, les couches de
fils conducteurs ont tendance à gonfler suite à la différence de
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coefficient de dilatation du jonc et des fils conducteurs, et les fils
conducteurs ont tendance à sortir de leur couche ce qui peut entraîner
un déchaussement des fils hors de leur couche. On peut même
constater la formation d'un positionnement des fils conducteurs de type
cage d'écureuil qui a tendance à se résorber lorsque la sollicitation
thermique a cessé.
Il est à craindre qu'après un certain nombre de cycles
thermiques, un ou plusieurs fils conducteurs ne reprennent pas leur
place correcte au sein de leur couche et provoque ainsi une
augmentation de l'effet Corona ainsi qu'une augmentation des
nuisances sonores.
Pour résoudre ce problème, l'invention propose un câble de
transport électrique en particulier pour ligne électrique aérienne,
comportant au moins un jonc composite central constitué de fibres
imprégnées par une matrice et dont la contrainte spécifique à la rupture
est supérieure à 0,4 MPa.nr13/kg et au moins une couche de fils
conducteurs à imbrication mutuelle, en aluminium ou en alliage
d'aluminium et enroulés autour de ce jonc, ledit câble présentant un
diamètre externe à température ambiante dit diamètre initial et le
rapport entre le coefficient de dilatation thermique des fils conducteurs
et celui du jonc central est supérieur à trois, caractérisé en ce que
lesdits fils conducteurs (3) à imbrication mutuelle sont d'une géométrie
telle que l'augmentation du diamètre externe d'une longueur de ce
câble inférieure à 45 m, lors d'une augmentation de la température
durant deux à quatre minutes, de la température ambiante à une
température comprise entre 150 et 240 C est inférieure ou égale à 10%
de son diamètre initial, ledit câble étant soumis à une tension
mécanique comprise entre 10 à 30% de la résistance à la rupture
nominale du câble.
Ce câble comporte au moins une couche de fils conducteurs à
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imbrication mutuelle. Plus précisément il peut comporter une ou
plusieurs couches de fils conducteurs à imbrication mutuelle, associées
ou non à au moins une couche de fils conducteurs de section ronde ou
trapézoïdale.
Ce câble comporte au moins un jonc composite central constitué
de fibres, par exemple des fibres de verre, de carbone, d'alumine ou de
céramique, imprégnées par une matrice qui peut être en polymère, par
exemple en résine époxy, ou en métal, par exemple en aluminium, en
acier, en titane ou en tungstène.
La contrainte spécifique à la rupture est la contrainte à la rupture
rapportée à la densité du matériau ou des matériaux.
Selon un mode de réalisation préféré, le diamètre externe du
câble après une diminution ultérieure de sa température à la
température ambiante est sensiblement égal à son diamètre initial.
De préférence, la variation de la température est réalisée par
application ou coupure d'une intensité du courant.
Le câble, dont chaque dit fil conducteur à imbrication mutuelle
comporte une face dite supérieure et une face dite inférieure disposées
sur un cylindre géométrique circulaire ayant pour axe longitudinal l'axe
longitudinal du câble et pour rayon Rs et R,, est de préférence tel que la
largeur de chaque dit fil conducteur à l'intersection d'un cylindre
géométrique circulaire de même axe longitudinal et de rayon 1/2 (R, +
R,) est comprise entre 80 et 120% de la différence (R, - R,).
Grâce à une telle géométrie, le déplacement radial des fils
conducteurs est limité voire même empêché, tout en ayant un niveau
de nuisances sonores faibles en cas de grand vent.
Il est également possible de réaliser un câble dont le coefficient
de trainée est avantageux dans le domaine des vitesses de vent utiles
par exemple et de manière non exhaustive : les vitesses de calcul ViQB et
V2QB prévues par la réglementation belge et de conserver cette propriété
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malgré les multiples et sévères sollicitations thermiques que subira le
câble lors de sa vie active. Pour obtenir ce résultat, il est nécessaire que
la couche externe soit constituée de fils de forme à imbrication
mutuelle, que la largeur de chacun de ses fils réponde aux critères cités
ci-dessus et que la profondeur des rainures de chaque fil répondent aux
critères du brevet EP 0 379 853.
De préférence, ladite largeur de chaque dit fil conducteur est
sensiblement égale à la différence (R, - R,).
Ledit fil conducteur peut être de section en Z, en S ou en C.
Avantageusennent, lesdites fibres du jonc sont en carbone et
ladite matrice en résine époxy.
De préférence, les fils conducteurs sont à base d'alliage
d'aluminium et de zirconium.
Le jonc peut comporter un revêtennent étanche tel que décrit
dans la demande de brevet WO 2010/089500.
Une couche diélectrique peut éventuellennent être disposée entre
ce revêtennent et le jonc composite.
L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures
illustrant uniquement des modes de réalisation préférés de l'invention.
La figure 1 est une vue en coupe d'un câble selon l'invention.
Les figures 2 à 4 sont des vues en coupe transversale d'un fil
conducteur selon plusieurs modes de réalisation de l'invention.
Comme représenté sur la figure 1, l'invention concerne un câble
de transport électrique en particulier pour ligne électrique aérienne,
connportant au moins un jonc composite central 1 constitué de fibres
imprégnées par une matrice et dont la contrainte spécifique à la rupture
est supérieure à 0,4 MPa.nr13/kg et au moins une couche de fils
conducteurs 3 à imbrication mutuelle, en aluminium ou en alliage
d'aluminium et enroulés autour de ce jonc 1. Le jonc 1 peut comporter
un revêtennent étanche 2.
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De préférence, les fils conducteurs sont à base d'alliage
d'aluminium et de zirconium.
Ce câble présente un diamètre externe à température ambiante
dit diamètre initial et le rapport entre le coefficient de dilatation
5 thermique des fils conducteurs et celui du jonc central est supérieur à
trois.
Selon l'invention, les fils conducteurs (3) à imbrication mutuelle
sont d'une géométrie telle que l'augmentation du diamètre externe
d'une longueur de ce câble inférieure à 45 m, lors d'une augmentation
de la température durant deux à quatre minutes, de la température
ambiante à une température comprise entre 150 et 240 C est inférieure
ou égale à 10% de son diamètre initial, ledit câble étant soumis à une
tension mécanique comprise entre 10 à 30% de la résistance à la
rupture nominale du câble.
Par ailleurs, de préférence, son diamètre externe après une
diminution ultérieure de la température à la température ambiante est
sensiblement égal à son diamètre initial.
Les figures 2 à 4 sont des vues en coupe transversale
d'exemples de fils conducteurs permettant d'assurer un tel degré limité
d'expansion du diamètre.
La figure 2 représente un fil conducteur en Z.
Ce fil conducteur 3A comporte une face dite supérieure 38 et une
face dite inférieure 3C disposées chacune sur un cylindre géométrique
circulaire ayant pour axe longitudinal l'axe longitudinal A-A du câble et
pour rayon Rs et R,, et est tel que la largeur L de ce fil conducteur à
l'intersection d'un cylindre géométrique circulaire C de même axe
longitudinal A-A et de rayon 1/2 +
R,) est comprise entre 80 et 120%
de la différence (R, - R,).
De préférence, cette largeur L de chaque fil conducteur est
sensiblement égale à la différence (R, - R,).
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Selon ce premier exemple, le câble est de section en Z, mais il
peut être de façon générale à imbrication mutuelle, par exemple en S
ou en C.
La figure 3 représente un fil conducteur à imbrication mutuelle
en S et la figure 4 représente un fil conducteur à imbrication mutuelle
en C.
Ces fils conducteurs 3A comportent une face dite supérieure 38
et une face dite inférieure 3C disposées chacune sur un cylindre
géométrique circulaire ayant pour axe longitudinal l'axe longitudinal A-A
du câble et pour rayon Rs et R,, et sont tels que la largeur L de ces fils
conducteurs à l'intersection d'un cylindre géométrique circulaire C de
même axe longitudinal A-A et de rayon 1/2 +
R,) est comprise entre
80 et 120% de la différence (R, - R,).
De préférence, cette largeur L de ces fils conducteurs est
sensiblement égale à la différence (R, - R,).
Les caractéristiques précédentes sont vérifiées par l'essai suivant
réalisé par exemple sur un câble comportant deux couches de fils de
forme conducteurs à imbrication mutuelle.
Une longueur de câble comprise inférieure à 45m, et de
préférence comprise entre 10 et 45 m, est utilisée et est pourvue à ses
extrémités d'un manchon classique en résine époxy afin d'assurer que
les couches gardent sensiblement la même position relative que celle
obtenue en sortie de fabrication et plus particulièrement sans décâblage
de celles-ci. Les fils conducteurs des couches sont évasés dans les
manchons en résine époxy et les couches sont reconstituées en sortie
des manchons pour permettre une connexion à une unité de puissance
électrique en courant alternatif via des connecteurs classiques. Les
manchons en résine époxy sont introduits dans des douilles coniques en
aluminium connectées à des tendeurs pour maintenir une tension
mécanique. D'un côté du câble, une cellule de charge est placée entre le
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câble et le dispositif d'ancrage et, de l'autre côté du câble, ce dernier
est directement relié à l'autre dispositif d'ancrage. Les dispositifs
d'ancrage sont suffisamment solides pour minimiser les déflections des
extrémités du dispositif quand une tension mécanique est appliquée.
Pour le test, la tension mécanique appliquée à température ambiante a
une valeur comprise entre 10 à 30% de la résistance à la rupture
nominale du câble. La température est mesurée en trois emplacements
le long de la longueur du câble en test, de préférence à 1/4, 1/2 et 3/4 de la
distance entre extrémités, en utilisant des thermocouples. A chaque
emplacement, les thermocouples sont disposés en trois positions
radiales différentes sur le câble, à savoir sur la couche externe de fils
conducteurs, sur la couche interne de fils conducteurs et en contact
avec le jonc central.
Le diamètre externe du câble est mesuré au milieu de la
longueur de câble en test tout d'abord à l'état initial à température
ambiante.
L'intensité du courant ensuite appliqué sur le câble est telle que
les couches de fils conducteurs atteignent une température comprise
entre 150 C et 240 C en une durée comprise entre deux et quatre
minutes. La température de référence prise en compte est la plus haute
donnée par les thermocouples.
Dès la coupure de ce courant, le diamètre externe est mesuré au
même emplacement. Puis ce diamètre est de nouveau mesuré au même
emplacement, lorsque le câble est revenu à la température ambiante.
Selon l'invention, l'augmentation du diamètre externe juste
après la coupure du courant est inférieure ou égale à 10% de son
diamètre externe initial et le diamètre externe après sollicitation
thermique et retour à la température ambiante est sensiblement égal à
son diamètre initial.
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Après essai, on peut prélever avec soin pour ne pas les déformer
dans la partie centrale du câble cinq échantillons de 30 cm de fils de
forme de la couche externe. Les rayons de courbure de la face
supérieure des fils sont mesurés. La couche externe réalisée à partir de
ces éléments présente une surface externe lisse à l'exception de petites
rainures hélicoïdales procurées par ces rayons de courbure. Ces rayons
de courbure doivent être sensiblement égaux à ceux du fil en sortie de
fabrication. La mesure de ces rayons est réalisée à partir de l'appareil
Shaped Die/Wire8iRod System cornbination ; Version A : Electro
Optical Frarne CU10 Die Wire 8i Rod Supervisor de la société
Conoptica's.
Cette méthode d'essai a été réalisée avec un câble tel que
précisé ci-dessous à une térnpérature de 240 C.
Ce câble de transport électrique en particulier pour ligne
électrique aérienne, est tel que représenté sur la figure 1 et comporte
un jonc composite central constitué de fibres de carbone continues
imprégnées par une matrice de résine époxy, et deux couches de fils de
forme conducteurs à imbrication mutuelle, dont une couche externe
avec des fils en Z et une couche interne avec des fils en S tels que
précisé plus haut, en alliage d'alliage d'aluminium et de zirconium,
enroulés hélicoïdalernent autour de ce jonc de façon à s'imbriquer
mutuellement. Les fils conducteurs sont des fils tels que décrits plus
haut en référence aux figures 2 et 3.
Ce câble est défini par les caractéristiques suivantes :
Fils conducteurs Jonc central
Section nominale 341 nirn2 38,5 rnrn2
Poids 947 kg/km 63 kg/km
Module d'élasticité 57 kNI/rnm2 170 kNI/rnm2
Coefficient de 23.10-6/ C 0,2.10-6/ C
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dilatation thermique
Les résultats après essai sont :
Diamètre externe Mesures
relevées Moyenne
(mm) (mm)
Mesures avant essai 23,4 -23,3 - 23,5
23,4
Mesures après coupure du 24,7 - 24,8 - 24,9
24,8
courant
Mesure après retour à la 23,3 - 23,4 -23,5
23,4
température initiale
Par ailleurs, les mesures des rayons de courbure restent égales :
Diamètre et tolérances des rayons
de courbure (mm)
Avant essai 0,7 0,1
Après essai 0,7 0,1
ce qui démontre que la profondeur des rainures de chaque fil
répondent aux critères du brevet EP 0 379 853 et qu'une bonne tenue
au vent est conservé malgré le traitement thermique.
