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1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Les différents types d’isolation Sommaire Gaines métallique

1 2 3 4 5 1 2 3 4 5 Les différents types d’isolation Sommaire Gaines métalliques des câbles moyenne tension Diagnostic, monitoring et durée de vie Technique des accessoires Service montage 5 4 3 2 1 Montageabteilung Garniturentechnik Diagnose, Monitoring und Lebensdauer Metallschirme von Mittelspannungskabel Isolationen für Mittelspannungskabel Dr. Francis Krähenbühl Claude Biolley Charles Wyler Dr. Francis Krähenbühl Peter Bracher Werner Jenni Jean-Paul Ryser Anton Marro Hanspeter Bosshard Nexans Suisse SA 2, rue de la Fabrique CH – 2016 Cortaillod Tél. 41(0) 32 843 55 55 Fax 41(0) 32 843 54 43 Les différents types d’isolation Dr. Francis Krähenbühl 1 1 Les différents types d’isolation INTRODUCTION Dr. Francis Krähenbühl Le présent article porte en pre mier lieu sur les types d’isolation qui sont utilisés sur les câbles à pose souterraine dans les réseaux de MT. Le passage suc cessif du papier aux isolations thermoplastiques et plus tard aux polymères réticulés ne s’est pas fait sans encombres. On n’avait qu’une vague idée, au début, de la manière dont l’humidité, les décharges partielles, les sollici tations mécaniques etc. allaient influencer le vieillissement des matériaux. Grâce à des efforts considé rables en recherche et déve loppement, les propriétés des isolations synthétiques ont été sans cesse améliorées. Quelques services industriels en Suisse et à l’étranger ont préféré, jusqu’à présent, l’isolation en papier imprégné aux isolations à base de matériaux synthétiques. Nous allons évoquer les techniques en vigueur aujourd’hui et les activi tés de développement qui visent à optimiser, toujours et encore, l’isolation des câbles. Il convient de différencier deux groupes principaux, soit les ver sions rubannées et extrudées. 3 Types d’isolation et domaines d’utilisation Papier extrudée PPLP PVC PE XLPE EPR rubannée Isolation Les divers types usuels d’isolation Fig. 1. 1 Les différents types d’isolation Dr. Francis Krähenbühl Pour les câbles de BT, de MT et de HT, on utilise généralement du papier normal, fabriqué à base de fibres de cellulose. On utilise des papiers de différentes épaisseurs allant de 50 à 200 µm, avec une densité de 650 à 1000 kg/m3. Etant donné que la densité intrin sèque des fibres est de l’ordre de 1500 kg/m3, l’espace libre entre elles doit être rempli d’éléments d’imprégnation, comme l’huile minérale ou synthétique, ou par une sorte de cire (« masse »), migrante ou non. Cette dernière possède la propriété intéressante d’être fluide à une température de 120 °C ce qui lui confère d’excel lentes propriétés d’imprégnation, et de se transformer, jusqu’à la température maximale de service, en une masse hautement visqueu se. Sa composition est soumise à un contrôle rigoureux pour mainte nir une consistance plastique afin d’assurer au câble un bon compor tement au pliage. Pour le domaine des très hautes ten sions (220 kV et plus), de nouveaux types de papier ont été utilisés ces dernières années. Il s’agit d’un lami né de papier et de polypropylène appelé PPLP (PolyPropylene Lami- nated Paper). Ce type d’isolation combine les particularités de l’isola tion traditionnelle au papier impré gné avec les excellentes caracté ristiques électriques et diélectriques des isolations synthétiques. Par rap port à l’isolation papier, ce type d’isolation engendre des pertes dié lectriques inférieures et augmente le gradient de tension de claquage. Etant donné son prix supérieur, ce type d’isolation reste cependant réservé aux câbles de très haute tension, (< 400 kV). 4 L’isolation en papier imprégné La plupart des thermoplastes uti lisés aujourd’hui ont été dévelop pés dans les années 30. Mis à part quelques utilisations spéciales, l’emploi de PVC (PolyVinyl Chlorid) et de PE (Polyéthylène) comme isolants pour câbles ne débuta que dans les années 50. Les essais étaient d’abord focalisés sur le PE à basse densité (LDPE) de 916-930 kg/m3 ainsi que sur le PE à densité élevée (HDPE) de 945-960 kg/m3. Il s’est avéré que le comportement au vieillissement de ces matériaux n’était pas suffisant et que le point de fusion était trop bas par rapport aux températures de service admissibles pour les câbles isolés au papier. Pour pallier à cet inconvénient, on a eu recours aux procédés de réti culation qui seront décrits dans le chapitre suivant. On a ainsi obtenu le polyéthylène réticulé (XLPE pour CrossLinked PolyEthylene) et l’EPR (Ethylene Propylene Rubber), ce dernier étant connu sous le nom de caoutchouc synthétique. Nous reviendrons sur les caractéristiques intéressantes des matériaux les plus utilisés. L’XLPE est utilisé mondialement à tous les niveaux de tension jus qu’à 400 kV. L’EPR est employé comme isolant pour câbles de moyenne tension, mais son utilisa tion est en nette diminution. Les isolations extrudées 1 Les différents types d’isolation Dr. Francis Krähenbühl Le diagramme ci-dessous donne un aperçu des domaines d’utilisation des différents types d’isolation : A tous les niveaux de tension, les isolations en matière synthétique réticulée remplacent petit à petit les isolations à papier imprégné. En France, on avait installé des câbles jusqu’à 400 kV à isolation PE non réticulée. Cependant, la fabrication de ce type de câble a été abandonnée définitivement en 1994. 5 Domaines d’utilisation 10 Isolation rubannée Isolation extrudée 30 60 1 150 110 380 220 760 500 Tension [kV] Masse Huile PPLP PVC PE XLPE EPR L’isolant du câble est recouvert, à l’intérieur et à l’extérieur, d’une couche semi-conductrice destinée à homogénéiser le champ élec trique dans l’isolation. En règle générale, la couche semi-conduc trice est constituée de polymères à base d’EVA (Ethyle Vinyle Acetate) ou de matériaux similaires com prenant 40 % de graphite, noir de carbone ou de fumée pour assurer les propriétés semi-conductrices. Au début, on accordait peu d’im portance à ces couches semi-con ductrices. Mais on a pu observer que les ions qu’elles contenaient contaminaient fortement l’isolant et risquaient d’engendrer des arbo rescences d’eau (voir chapitre plus loin le traitant du vieillissement). On a ainsi rapidement renoncé aux couches de graphite pur uti lisées dans les premiers câbles à isolation synthétique. Par un choix approprié de la com position chimique du polymère, on arrive à peler facilement la couche semi-conductrice extérieure, ce qui facilite le montage. Cependant, à part en France et aux Etats-Unis, pays qui prescrivent encore aujourd’hui le semi-conducteur facilement pelable, on renonce de plus en plus à cette exigence. Raisons : d’une part le coût, et d’autre part l’existence d’outils de pelage performants. Les semi-conducteurs Domaines d’utilisation des différents types d’isolation Fig. 2. 1 Les différents types d’isolation CABLES A ISOLATION EN PAPIER IMPREGNE Dr. Francis Krähenbühl La réticulation consiste à créer des liaisons chimiques transver sales entre chaînes de polyéthy lène voisines (voir fig. 3). Elle améliore la stabilité thermique du matériau à des températures nettement supérieures à celles admissibles pour les matériaux thermoplastiques. La réticulation augmente sensiblement les coûts de production ce qui explique le fait qu’on renonce souvent à cette technique, par exemple pour les câbles d’installation. La méthode de réticulation la plus courante utilise des peroxydes incor porés dans le polymère. Après l’extrusion, la réaction s’effectue à une température d’environ 210°C. Dans le tube de réticulation d’une chaînette, la pression est de 18--20 bars en utilisant de la vapeur d’eau, et de 5---10 bars avec de l’azote. Pour la production de câbles HT et MT, on préfère la seconde méthode afin d’éviter le contact de l’isolant avec l’humidité. Dans une chaînette, le câble est toujours maintenu au centre du tube. Afin d’éviter toute déformation de l’isolation, le câble ne doit pas tou cher la paroi tant que le processus de réticulation n’est pas terminé. Pour les câbles à grande épaisseur d’isolation ou ayant des conduc teurs à forte section, la réticulation s’effectue dans un tube horizon tal (système MDCV) ou dans une tour verticale. Les deux procédés garantissent une isolation parfaite ment cylindrique et empêchent le phénomène de gouttage du poly mère. Etant donné l’investissement important que nécessitent de telles installations, leur usage se limite à la fabrication de câbles à haute et très haute tensions. 6 La réticulation chimique aux peroxydes H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H C H H C H H C H H C H H C H C H H C H H C H H C H Peroxyde H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H Peroxyde H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H H C H Principe de la réticulation chimique avec peroxydes Fig. 3. 1 Les différents types d’isolation Dr. Francis Krähenbühl Les techniques de réticulation décri tes précédemment nécessitent des équipements de production coûteux et complexes. Il existe une autre technique, plus simple, qui se con tente d’une installation comparable à une ligne d’extrusion uploads/s3/ connecteur-doc-nexans.pdf