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Trois types de câbles sont utilisés pour le transport souterrain
d'énergie :
• Le câble à liquide fluide.
• Le câble à liquide fluide en tuyau haute pression.
• Le câble à isolant synthétique.
Les câbles sous-marins utilisés pour des installations sous l'eau peuvent aûssi faire
partie d'un système de transport d'énergie.
Câbles à liquide fluide (câbles à liquide fluide basse pression)
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Âme à brins profilés en cuivre à deux couches. La confection de
l'âme constitue la première étape du processus de fabrication
du câble. |
Ferranti a été le premier à utiliser l'isolation au papier imprégné
pour un câble de 10 kV. Le papier imprégné ne donne pas l'impression
d'un bon matériau isolant. C'est pourtant l'ensemble de ses propriétés
électriques et mécaniques qui fait de lui un isolant fiable, bon
marché que nul autre isolant n'a surpassé depuis presque 100 ans.
Bon nombre de circuits à isolation au papier, dont la pose remonte
au début du siècle, sont toujours en service. D'autres qui, après
plusieurs décennies de service, ont été remplacés par des câbles
de plus grande dimension, démonstrent d'excellentes propriétés
isolantes, lorsqu'on les examine en laboratoire.
Le procédé de séchage et d'imprégnation utilisé pour les câbles
isolés au papier de type solide sans pression, peut causer la
formation de vides (air) dans le diélectrique qui se transforment
en ions sous l'effet du champ électrique. Comme le bombardement
d'ions dans le liquide et le papier risque de provoquer une défaillance,
Emanueli a mis au point le câble à huile fluide qui fut utilisé
la première fois en 1924. Le principe de base de la confection
du câble à liquide fluide est le suivant : tous les interstices
à l'intérieur de la gaine du câble sont remplis de façon à ce
que l'enveloppe isolante soit exempte de vides.
Les figures 1 et 2 illustrent deux câbles unipolaires à liquide
fluide. Le premier câble est doté d'une âme creuse à brins profilés
en cuivre alors que le deuxième est doté d'une âme segmentée en
cuivre (type M) avec support d'acier en spirale.
La première étape du processus de fabrication consiste à confectionner
l'âme du câble. L'âme à brins profilés en cuivre, comme celle
qui est illustrée à la figure 1, peut comprendre une, deux ou
trois couches de brins superposés. En raison de la forme des brins,
ce type d'âme creuse ne nécessite pas de support central pour
assurer le maintien des brins.
Les âmes de grande dimension, comme celle qui est illustrée à
la figure 2, sont segmentées. Elles sont constituées de six segments
comprenant chacun des fils câblés et formés dans une toronneuse.
Ces segments sont faiblement isolés les uns des autres par des
rubans de papier. Les six segments sont enroulés sur un support
d'acier en spirale.
L'enveloppe isolante en papier est entreposée et appliquée sous
température constante, à degré d'humidité relative peu élevé en
une seule opération. Dans le cas du câble d'au moins 220 kV, par
exemple, cette opération nécessite l'utilisation d'une machine
dotée de nombreuses têtes de rubanage dans un endroit où la propreté
est impeccable et où le degré de température et d'humidité est
constant.
L'application des rubans de papier isolant doit être effectuée
en une seule opération, dans un endroit où la propreté est impeccable
et la température et où le degré de température et d'humidité
est constant.
Le câble isolé est ensuite placé dans un bac, qui, à son tour,
est placé dans un réservoir d'imprégnation. L'enveloppe isolante
est séchée sous vide, puis imprégnée de liquide isolant sous pression.
Après refroidissement, on pose la gaine métallique. Les gaines
métalliques sont soit en alliage de plomb, soit en aluminium.
Elles ne comportent pas de soudure et leur intégrité est essentielle.
Le câble gainé et imprégné est doté d'une gaine de protection
externe en polyéthylène (PE) ou en polychlorure de vinyle (PVC).
À partir du moment où le câble est imprégné, il reste relié à
un réservoir de liquide maintenu sous pression pour que des vides
ne se forment pas durant le transport, la pose et le service.
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Application de frettage en cuivre sur une gaine de plomb, au cours
de la fabrication d'un câble. |
Câbles à liquide fluide en tuyau haute pression
Pour transporter des quantités massives d'énergie dans des câbles
à liquide fluide en tuyau haute tension, on pose à l'intérieur
d'une conduite d'acier enfouie en pleine terre, trois âmes isolées
au papier imprégné de liquide fluide, en formant un triangle équilatéral,
comme l'illustre la figure 3.
La conduite est ensuite remplie de liquide isolant. Ce type de
câble est conçu pour servire sans gaine métallique, sous une pression
hydraulique nominale d'environ 200 lb/po2. Les niveaux d'ondes et de fonctionnement électrique de ce type
de câble sont les mêmes que ceux du câble a liquide fluide isolant.
Dans le cas du câble à liquide fluide, sous une pression de service
normale de plus de 10 lb/ po2, l'étanchéité de la gaine métallique retient le liquide sous
pression. Dans le cas du câble en tuyau haute pression, sous une
pression de service de plus de 200 lb/ po2, tout le conduit est rempli de liquide, y compris le câble. Le
conduit et le câble sont maintenus sous une même pression de liquide
et la conduite d'acier assure l'étanchéité.
La première étape du processus de fabrication d'un câble consiste
à confectionner l'âme en cuivre. L'âme dont la section ne dépasse
pas 500 mm2 est ordinairement une âme ronde compacte toronnée. L'âme compacte
segmentée (type M) est de section plus grande et elle a l'avantage
de présenter une résistance en courant alternatif moins élevée.
Une fois l'isolation en papier posée, on procède à l'imprégnation
de l'ensemble. Une couche d'étanchéité prémunit le papier contre
la perte excessive de liquide d'imprégnation et l'exposition à
l'humidité. Le câble est finalement enroulé sur des dévidoirs
spéciaux, qui demeurent scellés avec une couverture sous basse
pression d'azote jusqu'au moment de la pose.
La conduite d'acier utilisée est d'une épaisseur de paroi de 1/4
po (6 mm), en longueurs tout-venant de 40 à 50 pieds (12 à 15
mètres). Les dimensions nominales des conduites servant à l'élaboration
des divers systèmes sont les suivantes :
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Diamètre intérieur
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Système
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5 po (127 mm) ............
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72 kV
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6 po (152 mm) ............
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138 kV
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8 po (203 mm) ............
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230 kV
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10 po (254 mm) ..........
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345 kV
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La dimension du conduit est habituellement la dimension standard
proximale d'une section 2,5 ou 2,8 fois plus grande que celle
des trois câbles. Cette dimension correspond environ à un remplissage
de 50 %, ce qui laisse assez d'espace pour la pose sans coincement
et permet le mouvement latéral des câbles durant les cycles de
charge électrique.
Câbles à isolant synthétique
L'enveloppe isolante des câbles à isolant synthétique est ordinairement
en polyéthylène réticulé (PR) ou en caoutchouc éthylène propylène
(EPR). Ce type de câble est doté d'une âme unipolaire compacte
à brins en cuivre. Il sert ordinairement aux installations dont
la tension électrique nominale maximale est de 138 kV.
Le procédé de fabrication de base consiste à l'extrusion en une
seule opération de l'écran sur âme, l'enveloppe isolante et l'écran
isolant. Cette triple opération d'extrusion assure des interfaces
lisses entre les trois couches, qualité qui influe directement
sur la rigidité diélectrique du câble. L'âme isolée pénètre ensuite
dans un tube à l'intérieur duquel on élève la température du produit
d'extrusion pour amorcer la réaction chimique de réticulation.
L'âme isolée pénètre ensuite dans une zone de refroidissement
où la température est réduite presque au niveau de la température
ambiante. La réticulation et le refroidissement sont toutes deux
des opérations effectuées sous pression pour empêcher la formation
de vides microscopiques qui risqueraient de réduire considérablement
la rigidité diélectrique et la vie utile du câble. On procède
ensuite à l'application d'un blindage de rubans en cuivre, puis
d'une gaine métallique, et enfin d'une enveloppe de protection
externe en polyéthylène (PE) ou en polychlorure de vinyle (PVC).
Les câbles haute tension (de plus de 69 kV) comme ceux requis
dans les systèmes de transport souterrain, comportent toujours
une gaine en alliage de plomb ou en aluminium. Cette gaine est
destinée à protéger l'âme isolée contre l'infiltration d'humidité.
Cette gaine assure également l'absence d'humidité et aide à améliorer
la fiabilité et la durée de service prévue des circuits de transport.
Lorsque ces câbles servent à des installations souterraines situées
à proximité de raffineries de pétrole ou de complexes pétrochimiques,
les spécifications de fabrication comprennent toujours la pose
d'une gaine en alliage de plomb destinée à protéger le câble des
avaries que pourraient causer les produits dérivés du pétrole.
Câbles sous-marins
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Armure en fil de cuivre appliquée pendant la fabrication d'un
câble sous-marin. |
Bien que les trois types de câbles haute tension puissent tous
servir comme câbles sous-marins (en eau douce ou en eau salée),
on utilise plutôt le câble à liquide fluide ou le câble à isolant
synthétique, et plus souvent le premier des deux qui est capable
de résister aux niveaux de tension plus élevés.
En raison des rudes conditions environnementales, on applique
souvent une gaine en alliage de plomb, parce que cet alliage est
compressible, souple et résistant à la corrosion. Cette gaine
est d'habitude couverte d'un certain nombre de gaines externes,
dont la gaine de polyéthylène, l'armure de brins métalliques et
le ruban de jute imprégné de bitume.
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