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pour "Perfectionnements aux câbles électriques et aux joints pour lesdits câbles"
La présente invention est relative aux câbles électriques du genre comportant un diélectrique composite forme de couches d'enroule- monta hélieeidaux de papier imprégné présentant, dans les interstices, un gaz à la pression atmosphé- rique on à une pression plus élevée quelconque* Le papier est imprégné d'une matière telle et dans des conditions telles que ladite matière soit retenue
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dans le papier, ou à sa surface, pour toutes les conditions de travail du câble il peut par suite être désigné sous le nom de papier "à imprégnation permanente".
Le gaz occupe le reste de l'espace, c'est-à-dire les interstices existant entre les spires de chaque couche et entre les couches. Un câble de ce genre (avec du gaz à une pression supé- rieure à la pression atmosphérique) a été décrit dans le brevet belge n 393.910.
On a reconnu, en générale qu'avec les procédés habituels de fabrication, il y a proba- blement une mince couche de gaz entre des couches adjacentes de papier. On a proposé d'augmenter arti- ficiellement l'épaisseur de cette couche, par exemple en gaufrant le papier de manière à former des saillies, ou bien en disposant des organes d'espacement dis- tincts entre les couches de papier. A la suite de recherches prolongées, il a été constaté que les propriétés électriques d'un tel diélectrique composite dépendent de la proportion entre l'épaisseur du papier et l'épaisseur de la couche de gaz entre des couches adjacentes de papier; la présente invention a pour objet un diélectrique perfectionné obtenu par un réglage approprié de ladite proportion.
La rigidité diélectrique intrinsèque d'un tel diélectrique composite a une valeur élevée lorsque les espaces remplis de gaz entre les couches de papier imprégné ont des dimensions radiales com- prises entre tes valeurs nettement définies, ainsi que cela sera spécifié plus loin* On a constaté que si l'on augmente le rapport de l'épaisseur de gaz à l'épaisseur de papier depuis le minimum pratique (lequel est obtenu lorsqu*on applique d ea papiers
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unis à la manière habituelle),la tension de claquage du diélectrique augmente d'abord, atteint un maximum,
puis déorott. La tension de claquage à laquelle il est fait allusion ici est celle que 16'on obtient dans des essais prolongés avec des efforts alternes* Les limites des valeurs de la dimension radiale des espaces remplis de gaz, con- fermement à l'invention, sent d'environ 10 % à 20 % de épaisseur de la couche adjacente de papier* Les limites peuvent être étendues jusqu'à des valeurs quelque peu plus faibles pour les qualités plus épaisses de papier utilisé.
Le procédé pour l'obtention dune rigidité diélectrique intrinsèque élevée exposé plus haut peut être appliqué à la totalité,? ou à une partie seulement, du diélectrique d'un câble* Il est applicable depuis la pression atmosphérique jusqu'à une limite pratique supérieure de pression.
Celle-ci peut être considérée, à l'heure actuelle, comme étant d'environ 17 atmosphères au-dessus de la pression atmosphérique,mais il n'y a aucune raison de supposer que l'effet avantageux de l'espar cernent radial ne serait pas obtenu au delà de cette valeur a'il y avait avantage, pour d'autres raisons, à utiliser des pressions plus élevées.
On a constaté que si l'on fait varier le rapport de l'épaisseur de la couche de gaz à l'épaisseur de la couche de papier d'un point à un antre de l'épaisseur radiale du diélectri- que , on produit une variation de la permittivité du diélectrique.
Conformément à une autre caractérise- tique de l'invention, ce procédé pour faire varier
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la permittivité est utilisé pour obtenir une forée de gradient de permittivité du diélectrique et la répar- tition électrique dans le diélectrique est ainsi contrôlée* Comme on l'a dit plus haut. il a été reconnu qu'il est pratiquement probable que, dans les diélectriques composites du type auquel se rapporte 1*invention, une couche mince de gaz se trouve entre des couches adjacentes de papier lorsqu'elles sont enroulées sans que l'on ménage intentionnellement un espace.
Par augmentationde la proportiondes dimen- nions radiales de gaz à l'épaisseur du papier depuis la valeur la plus faible (laquelle peut, ou non, être la très petite valeur non intentionnelle dont on vient de parler) dans la région immédiatement voisine du conducteur, par degrés, de 1*intérieur vers l'exté- rieur du diélectrique, on fait décroître la permitti- vité par degrés* De cette manière la chute rapide continue d'effort qui est obtenue aveo une valeur constante de la permittivité est modifiée, l'effort étant augmenté aux pointe où se produisent les change- ments de permittivité. Par ce procédé on obtient une diminution de l'épaisseur totale du diélectrique pour une valeur donnée d'effort électrique maximum.
Le réglage des dimensions des espaces contenant du gaz, c'est-à-dir l'organisation de l'espacement des couches de papier, est obtenu de la manière la plus convenable par gaufrage du papier de manière que des parties relativement petites d'une des surfaces dudit papier se placent en dehors du plan général dans une mesure suffisante pour donner l'espacement désiré. Il est avantageux d'exécuter le gaufrage suivant un dessin de lignes ondulées courant,
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d'une manière générale, dans une direction sensible- ment parallèle à la longueur de la bande de papier.
Une telle configuration peut être facilement produite par gaufrage.9 par des procédés connus, sur le papier tel qu'il est utilisé comme diélectrique et elle reste sensiblement inaltérée par les procédés d'im- prégnation et 4 *,application au cable.
Linvention va être décrite plus complètement en se référant au dessin annexé sur lequel :
La figure 1 est une coupe longitu dinale d'une portion de câble comportant Inapplication de linvention;
La figure 2 est une vue en coupe à échelle beaucoup plus grande montrant la disposi- tion des rubans adjacente de papier;
La figure 3 est une vue. agrandie dans les mêmes proportions, de la surface gaufrée du papier;
La figure 4 est une courbe type d'essai;
La figure 5 montre schématiquement en coupe une moitié de câble à une seule âme dans lequel le diélectrique est gradué conformément à l'invention;
cette figure montre aussi à la partie supérieure la répartition de -effort calculé à la suite de Inapplication de l'invention par comparai- son aveo un câble établi .pour @@ travailler sous la même tension et construit de la manière adoptée antérieurement à 1 invention;
La figure 6 montre des courbes utilisées pour 1'l'étude du diélectrique.
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La figure 7, enfin, montre en coupe longitudinale un joint de câble auquel a été appliquée l'invention.
Le câble représenté sur la figure 1 affecte la forme générale de l'ensemble d'éléments d'un câble pour hautes tensions du type auquel se réfère l'invention (ainsi que cela a été indiqué plus haut). Ce câble comprend le conducteur toronné 1 (recouvert d'un ruban de métal mince 2, destiné à réaliser une surface extérieure unie pour le conduc- teur), le diélectrique 3, aveo une couche de papier métallisé 4 servant d*écran électrostatique à la surface extérieure (cette couche étant de préférenoe perforée), la gaine de plomb 5, le ruban de renforce- ment 6 et une couche protectrice extérieure 7 qui peut être une seconde gaine ou bien être constituée par des couches de tissu imprégné.
Le ruban métallique 2, le papier métallisé 4 et le ruban de renforcement 6 sont, à la manière habituelle, enroulés en hélice* On n'a pas cherché à représenter cette disposition sur le dessin.
Le diélectrique est formé de rubans de papier qui ont été imprégnés avant leur applica- tion au conducteur, ainsi que cela a été indiqué plus haut.
Le papier, au lieu de comporter la surface unie habituelle$, est gaufré comme le montrent le s figures 2 et 3. Par ce gaufrage on forme des creux, comme on le Toit en 8, sur un coté du papier, de manière à produire des lignes en saillie 9 sur 1*autre coté. Les lignes ne sont pas droites mais sont de préférence ondulé..,. comme en le voit sur la
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figure 3, avec une certains irrégularité de manière que, en pratiquée un jeu de lignes 9 d'une couche de papier :ne puisse pas coïncider avec un jeu de creux 8 d'une couche adjacente et venir se loger dans lesdits creux.
La direction générale des lignes est parallèle à la longueur du ruban de papier, de manière qu'une section longitudinale faite comme sur la figure 2 coupe les lignes sensiblement à angle droite On voit, en se référant à la figure 2, que les couches adjacentes de papier sont, par suite:, du gaufrage... écartées le@ unes des autres d'une distance, indiquée sur la figure 2 par la lettre b: qui est une cortaine fraction de l'épaisseur t du papier non gaufrée Les saillies occupent une très petite partie de l'espace existant entre les couches de papier; par suite la distance b peut être prise comme épaisseur effective de la couche de gaz.
Sur la figure 4 on a représenté une courbe expérimentale obtenue à la suite dressais exécutés avec du papier d'une épaisseur 1 de 0,064 mm imprégné et gaufré conformément à l'invention et rempli d'azote sous une pression de 14,6 atmosphères au-dessus de la pression atmosphérique.
Les essais ont été faits au moyen d'un certain nombre d'échantillons de papier présen- tant des hauteurs différentes de gaufrage de manière à donner des valeurs différentes pour la dimension b, laquelle est exprimée en pourcentage de l'épaisseur t du papier. Les essais ont été exécutés en appli.,-. quant des efforts alternés par le procédé du claquage de longue durée, les points de la courbe représentant des valeurs d'efforte pour lesquelles le claquage
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ne se produit pas dans un délai de 50 heures* On voit que la courbe monte d'abord à partir de la valeur représentant l'existence d'une couche de gaz d'épaisseur négligeable, prise comme zéro.
Cette montée ne se continue pas et la courbe atteint un :maximum, puis continue à descendre lorsque la dimension b croît par rapport à la dimension t. On voit que 1+on obtient des valeurs élevées dans la région pour laquelle b a une valeur comprise entre 10 % et 20 % de . Les valeurs élevées peuvent aussi être obtenues pour des rapporte inférieurs à 10 % mais on a constaté quoi, avee des papiers minces,, de telles petites valeurs réelles de b, correspondant à moins de 10 %, ne peuvent pas tiré obtenues d'une manière certaine dans la fabrication.
Pour cette raison des valeurs comprises dans la région quelque peu inférieure à 10 % (laquelle rentre dans le cadre de l'invention) ne peuvent être adoptées que si les qualités de papier plus épais peuvent être utilisées.
En général ceci ne peut pas se faire dans la partie du diélectrique voisine du conducteur, lorsqu'on étudie des dispositions efficaces pour des câbles destinés aux tensions très élevées, parce que la dimension a (figure 2) croît lorsque la dimension t croît également et détermine une limite dans la résistance du diélectrique.
La construction perfectionnée du diélectrique est applicable à des câbles ayant plus dune tune, aussi bien qu'aux câbles à'une seule âme.
-Elle peut être utilisée pour tout le diélectrique ou pour une partie seulement de celui-ci* Sur la figure 5 elle forme une partie d'un diélectrique gradué.
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Dans cet exemple le câble est destiné à faire partie d'un système triphasé pour
132 kV. Le câble est du type décrit dans le brevet belge 393.910 précité; autrement dit il comporte un diélectrique formé de papier à imprégnation perma. nente et il travaille avec une pression de gaz sensiblement supérieure à la pression atmosphérique$ à savoir sous une pression de 13,6 atmosphères. Le conducteur 1 a un diamètre de 1,74 cm et il présente une surface unie. Le diélectrique est établi en trois seotions en vue de la gradation.
La section interne 2 est faite en papier uni, c'est-à-dire en papier du genre ordinaire sans aucune saillie de lignes sur sa surface produites par gaufrage, ce qui fait que 1'l'on obtient, entre les couches de papier de cette section, l'épaisseur minimum pour la couche de gaz (en fait, une épaisseur de valeur négligeable).
Dans les deux sections externes 3 et 4, le papier est gaufré et, dans la section 4, le gaufrage porte les lignes d'espacemetn à une hauteur plus grande que dans la section 3. L'effet de ce gaufrage est de ménager des couches de gaz entre les couches de papier et de donner ainsi une permittivité effective dans le.(, section 3 inférieure à celle qui existe dans la section 2, la permittivité effective de la section 4 étant inférieure à celle de la section 3.
Les dimensions et les valeurs calculées dans ce cas sont données par le tableau suivant :
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<tb> Gaufré <SEP> 0,42 <SEP> 0,100 <SEP> 28,5 <SEP> 1,96 <SEP> 75 <SEP> 59,0
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Certaines de ces quantités sont également représen- tées sur la figure 5.A la partie supérieure de cette figure, la manière dont est réparti l'effort dans le diélectrique est représentée par la courbe en gradins 5; par comparxison avec cette courbe, la courbe inférieure 6 montre la répartition de l'effort dans un câble établi, conformément aux procédés connus, pour le même type et le mime régime en utilisant un diélectrique uniforme de papier non gaufré- Ce câble de comparaison a un diélectrique d'une épaisseur radiale de 1,52 cm; il supporte un effort variant de 85 kV par centimètre au niveau du conducteur à 38 kV par centimètre au niveau de la ,gaine .
Le procédé de calcul de la diapo- sition du diélectrique gradué sera indiqué ci- après- Dans l'exemple considéré, le câble est complété par un écran ou blindage électrique 7 dis- posé à l'extérieur du diélectrique et comprenant une gaine 10, un renforcement ou armature 11 (habituel- lement moue forme de ruban métallique) et un revête- ment protecteur 12 qui peut être une seconde gaine
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ou bien un enroulement de tissu imprégné. Les rubans de papier du diélectrique, l'écran 7 et l'armature 11 sont appliqués en hélice à la manière habituelle.
Le dessin, ou étude, du diélec- trique gradué peut être réalisé de la manière sui- vante :
En partant d'une valeur d'étude donnée de le'effort diélectrique à la surface du conducteur correspondant à la permittivité du papier choisi pour la partie interne du diélectrique (section 2 de la figure 5), l'effort électrique en un point donné quelconque du diélectrique variera en raison inverse de la distance radiale du point à partir de l'axe du conducteur et aussi en raison inverse de la permittivité à travers la section 2.
Le type de papier est maintenu inchangé jusqu'à ce qu'une épaisseur suffisante ait été appliquée pour amener la diminution de l'effort à une valeur pratique de l'effort au niveau du conducteur, par exemple jusqu'à 0,75 ou 0,80 de cet effort.
Sur ce rayon on effectue le change- ment de papier* L'épaisseur à utiliser peut être choisie-en se fondant, en grande partie, sur des considérations mécaniques connues comprenant l'effet de distance à. partir de l'axe neutre lorsque le câble est. courbé. l'épaisseur de la couche de gaz est déterminée par comparaison entre l'effort de travail applicable au diélectrique et l'effort diélectrique imposé par les conditions régnant sur le rayon considéré.
Il est commode de faire cette
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comparaison graphiquement, comme le montre la figure 4, en traçant des courbes sur la base du rapport de l'épaisseur de l'espace rempli de gaz à l'épaisseur de papier pour le papier choisi* Une première courbe peut être tracée à partir des résultats d t'expérience pour montrer l'effort de claquage de longue durée. 'Une telle courbe est tracée, et désignée par 13. sur la figure 6. Elle est semblable à la courbe de la figure 4. A partir de cette courbe on peut en tracer uneseconde, telle que 14. cette dernière étant calculée de manière que le rapport des ordonnées des deux courbes soit constant et égal au rapport adopté lors de la fixa- tion de l'effort diélectrique à la surface du conduc- teur.
Une troisième courbe, telle que 15, est ensuite tracée pour montrer l'effort diélectrique imposé.
On peut faire le calcul pour les conditions existant sur le rayon en question en utilisant des râleurs obtenues expérimentalement pour la permittivité effective du diélectrique. L'intersection de la seconde et de la troisième courbe donne l'épaisseur d'espace rempli de gaz à utiliser. La courbe 13 dépend en grande partie de la dimension a de la figure 2 pour les espaces remplis de gaz situés entre les bords de spires adjacentes dans une couche de papier, étant donné que le claquage peut s'amorcer dans de tels espaces dans la plupart des cas,
ainsi qu'on l'a constaté* La courbe 15 dépend principale- ment de la dimension b des espaces remplis de gaz entre des couches adjacentes de papier*
Le procédé ci-dessus exposé donne une valeur numérique pour 1@effort diélectrique à la
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limite interne de la seconde section (section 3) du diélectrique* Cette section est prolongée jus- qu'à ce que '-effort ait diminué et qu'il ait atteilt une fraction pratique appropriée de l'effort au niveau de la limite interne; un nouveau change- ment est fait ensuite, s'il y a lieu$, dans les qualités du diélectrique de la manière qui vient d'être indiquée.
Il n'est pas nécessaire,, bien entendu, que le papier des couches internes soit uni et on peut utiliser aussi en ce point du papier gaufré- Des pâleurs plus élevées que celles données dans l'exemple peuvent être adoptées pour le rapport des épaisseurs (!.). La proportion peut, par exemple, t atteindre 80 %, dans certains cas, notamment pour les parties externes du diélectrique des câbles pour hautes tensions comportant de petits conduc- tours,, On voit que le procédé d'étude décrit plus haut permet d'obtenir, pour les valeurs les plus élevées de ce rapport,, des efforts maxima inférieurs au départ, étant donné que la rigidité effective du diélectrique se trouve réduite pour la proportion plus grande de gaz (voir courbes 13, 14, figure 4).
L'invention est applicable$ non seulement aux parties de .installation de câble fabriquées à l'usine, mais aussi aux parties qui doivent être établies après la pose, à savoir aux joints* Dans ces derniers il existe habituellement un rapport élevé entre le diamètre extérieur et le diamètre intérieur du diélectrique et la gradation est, en conséquence, particulièrement avantageuse.
Le procédé objet de la présente invention est
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le "compound", avec lequel est rempli l'espace 23 à l'intérieur dn manahon 22 de joint, de pénétrer dans la partie 20 du diélectrique. Dans un joint avec écran (ou blindage), un ruban conducteur est appliqué sur l'enveloppe 21 pour décharger de l'ef- fort électrique le compound contenu dans l'espace 23.
Lorsque le gaz est à une pression supérieure à la pression atmosphérique dans le câble, cette pression' est communiquée, aux espaces remplis de gaz existant entre les spires de papier 20, par les trajets hélicoidaux existant sous et entre les spires de ruban de soie vernis 21.
L'utilisation de papier avec es- paces remplis de gaz dans la partie externe 20 du diéleotrique réduit l'effort dans la partie interne 16 et réduit également le gradient de voltage le long /-surfaces des desextrémités coniques de câble 18.