Composés de câbles haute tension : exigences d'isolation pour les fabricants de câbles d'alimentation

Lorsqu'un câble de 132 kV ne parvient pas à passer son écran de décharge partielle de routine à 5 PC, la ligne d'extrusion est examinée en premier et le composé est examiné en dernier. L'ordre est généralement inversé. Les décharges partielles, le hot-set et les pannes sur les câbles haute tension remontent à trois propriétés qu'un certificat composé ne montre pas : la propreté, l'humidité et l'intégralité de la réticulation. Pour un fabricant de câbles électriques industriels, ces trois éléments sont décidés dans les spécifications d'achat, des mois avant l'extrusion du premier mètre.

Ce qu'un composé de câble haute tension doit offrir

Un composé isolant pour câble haute tension doit répondre à quatre exigences en même temps : une faible perte diélectrique, une rigidité diélectrique qui survit aux tests standard de courant alternatif et d'impulsion, une endurance thermique et mécanique à la température de conception du conducteur et un comportement de traitement qui n'ajoute aucun défaut pendant l'extrusion. Une note qui manque l'un d'entre eux échoue au stade du test du câble, pas au stade composé.

• Perte diélectrique : le facteur de dissipation doit rester faible et stable sur toute la plage de températures de service, car la perte régit l'épaisseur de l'isolation et le courant nominal à l'extrémité supérieure de la plage de tension.
• Rigidité diélectrique : l'isolation durcie doit résister aux niveaux de test de tension alternative et de choc de foudre de la norme de câble, et supporter la limite de décharge partielle de routine, par exemple 10 pC selon la norme CEI 60502-2.
• Endurance thermique et mécanique : 90°C de température de conducteur en continu et 250 °C en court-circuit, avec déformation vérifiée par le test hot-set selon CEI 60811-507.
• Possibilité de traitement : le composé doit fonctionner sur la ligne qualifiée à la température de fusion et au débit qualifiés, et rester exempt de contamination pendant le transport, le séchage et le stockage.

La classe de tension décide de la qualité du composé

Les normes de câbles divisent le marché en trois régimes d'isolation : la CEI 60502-2 couvre de 1 kV à 30 kV, la CEI 60840 couvre de plus de 30 kV à 150 kV et la CEI 62067 couvre de plus de 150 kV à 500 kV. Le niveau de qualification du composé change à chaque frontière, tout comme les preuves qu'un fournisseur doit fournir.

En dessous de 36 kV, la paroi isolante est relativement mince et la contrainte électrique est modérée, le XLPE réticulé au silane reste donc un choix pratique. Au-dessus de 36 kV, l'épaisseur de paroi et les contraintes à l'interface du tamis augmentent, et seules les qualités de peroxyde super propres avec des niveaux de sous-produits contrôlés conviennent à la conception.

La ligne de base du XLPE et où s’arrête la réticulation du silane

Le XLPE réticulé au peroxyde est l’isolation par défaut au-dessus de 30 kV. Le XLPE réticulé au silane dessert 35 kV et moins, où une cure au bain-marie est suffisante et où le coût de l'équipement pèse plus que la marge diélectrique.

La différence réside dans la chimie, pas dans le marketing. Le peroxyde de dicumyle se décompose pendant le durcissement en acétophénone, alcool cumylique, méthane et alpha-méthylstyrène. Ces résidus augmentent le facteur de dissipation et doivent être éliminés par dégazage avant que les limites tan delta au sommet de la classe de tension puissent être atteintes. La fiabilité de cette voie dépend autant des conditions de cure que de la formulation, ce qui est abordé dans cette note sur Qu'est-ce qui rend les composés de peroxyde XLPE fiables pour les câbles électriques .

Les portefeuilles d'isolation destinés aux projets industriels et de distribution s'arrêtent généralement au plafond de 35 kV, de sorte que la liste de qualités auprès de laquelle un fabricant achète est plus étroite que ne le suggère la gamme standard. Un exemple représentatif est cette qualité peroxyde XLPE pour l'isolation des câbles jusqu'à 35 kV, où le comportement de réticulation et les valeurs de fixation à chaud sont les critères d'achat plutôt que les valeurs diélectriques principales.

Composé isolant XLPE au peroxyde ML-YJ35 pour câbles de 35 kV Peroxyde XLPE insulation compound for power cables up to 35 kV, listed to JB/T 10437-2004; a representative grade when crosslinking and hot-set values guide specification. Voir le produit →

Contamination, humidité et dégazage : ce que la fiche technique omet

Trois sources de défauts déterminent si un composé conforme devient un câble conforme : contamination retenue, humidité absorbée et dégazage incomplet. Aucun d’entre eux n’apparaît sur une fiche technique type, les trois doivent donc être écrits dans les spécifications d’achat.

• Contamination : les particules supérieures à la taille convenue créent des concentrations de stress qui provoquent le départ des arbres et des décharges partielles. Les qualités haute tension sont spécifiées par la taille maximale des particules et vérifiées par inspection des pellets ou des rubans, et non par un nombre moyen.
• Humidité : l'eau absorbée forme des vides lors de l'extrusion et alimente l'arborescence en service. Fixez une limite d'humidité Karl Fischer dans les spécifications et exigez un emballage résistant à l'humidité, car un sac en aluminium ouvert sur un sol humide retrouve rapidement son équilibre.
• Dégazage : les sous-produits résiduels de peroxyde doivent être éliminés après durcissement, et le niveau acceptable dépend de la classe de tension et de l'épaisseur de l'isolation. Elle est vérifiée sur câble fini, jamais sur pellets.

Les écrans semi-conducteurs représentent la moitié du système d’isolation

L'écran conducteur et l'écran isolant contrôlent les contraintes électriques au niveau des deux interfaces isolantes. Au-dessus de 30 kV, la douceur de l'écran, la liaison et la capacité de dénudage influencent autant les performances d'impulsion et de décharge partielle que le composé isolant lui-même.

Les composés de tamisage sont des formulations réticulables chargées de noir de carbone. Ce qui compte lors de l'achat n'est pas la teneur en noir mais la surface finie : les saillies à l'interface de l'isolation agissent comme des points de contrainte, la résistivité volumique doit rester suffisamment faible pour égaliser le champ le long du conducteur, et l'écran isolant doit pouvoir être retiré au niveau du joint sans déchirer l'isolation située en dessous. L’extrusion simultanée de trois couches est une pratique courante pour une bonne raison : une interface fluide ne peut pas être créée par la suite.

Écran conducteur semi-conducteur ML-PSD pour câbles XLPE 10 kV Écran conducteur semi-conducteur réticulable pour câbles d'alimentation XLPE jusqu'à 10 kV, répertorié selon JB/T 10738 ; pertinent lors de la spécification des composés de contrôle et des chèques entrants. Voir le produit →

Inspection entrante avant extrusion

Quatre contrôles entrants couvrent la plupart des risques liés à un composé haute tension : prise à chaud, humidité, contamination et consistance des pellets. Chacun a une méthode définie qui peut être écrite dans une commande d’achat et répétée lors de l’entrée de marchandises.

Au-delà des données de test, demandez le pack de rapports et l'état d'étalonnage des instruments derrière celui-ci. Un fournisseur qui publie ses équipements de tests en laboratoire et l'environnement de production est plus facile à auditer que celui qui envoie un certificat sans méthode traçable.

Performances de la gaine et de la flamme sur les routes industrielles

La gaine extérieure n'a aucune fonction diélectrique mais décide si le câble survit à l'infiltration d'eau, à l'abrasion, aux rongeurs et à l'exposition au feu. Les composés de gaine sont sélectionnés en fonction de la norme d'installation et de la classe de feu du câble fini, et non en fonction du niveau d'isolation.

Sur les sites industriels, trois familles de gaines dominent. Le polyéthylène ignifuge est utilisé sur les routes à haute tension où la résistance à l'humidité et la faible transmission de vapeur d'eau comptent plus que la flexibilité. Les qualités de PVC à 70 C et 90 C restent courantes lorsque le coût et la résistance mécanique déterminent la décision. Des gaines sans halogène apparaissent là où la densité de la fumée et la corrosivité sont contrôlées sur le câble et non sur le composé. Dans chaque cas, la quantité de composé à préciser est celle figurant sur le dessin : épaisseur de la gaine, adhérence à l'écran et classe d'essai au feu du câble fini.

Gaine en polyéthylène ignifuge ML-ZRPE-H pour câbles haute tension Composé de gaine PE ignifuge sans halogène et à faible émission de fumée pour câbles haute tension, conforme à GB/T 11017 ST12 et combustion en faisceau A/B ; pertinent lorsque la performance au feu de la gaine est spécifiée. Voir le produit →

Questions pratiques des fabricants de câbles

Quel composé convient à un départ industriel de 33 kV ?

Une ligne d'alimentation de 33 kV se trouve à l'intérieur de la CEI 60502-2, qui fonctionne jusqu'à 30 kV et Um 36 kV. Le XLPE réticulé au peroxyde et au silane est utilisé à ce niveau : peroxyde lorsque la marge de décharge partielle est étroite, silane lorsque l'équipement de durcissement est à base d'eau. Spécifiez les propriétés de fixation à chaud, d'humidité et d'écran dans un seul emballage, car le niveau d'isolation à lui seul ne détermine pas le résultat du test.

Comment le dégazage est-il vérifié plutôt que supposé ?

Aucune limite numérique unique ne s’applique aux classes de tension. Le dégazage est vérifié sur le câble fini par la mesure du facteur de dissipation à fréquence industrielle et à température élevée, ainsi que par des tests de sous-produits résiduels ou de dégagement de gaz convenus avec le client. L'épaisseur de la paroi et la température de durcissement définissent le temps de dégazage requis, le calendrier appartient donc aux spécifications du processus.

Les classements B2ca ou Cca s'appliquent-ils au composé isolant ?

Les classes n° EN 13501-6 telles que B2ca et Cca sont attribuées au câble fini à partir des résultats des tests d'incendie, et elles dépendent principalement de la gaine et de la construction globale. L'isolation contribue par la teneur en halogène, la fumée et l'acidité, mais la classe est une propriété du câble et non une propriété composée.

Qu'est-ce qui entre dans une spécification d'achat au-delà de la rigidité diélectrique ?

Au minimum : limite d'humidité avec méthode de test, limite de contamination et méthode d'inspection, valeurs de fixation à chaud selon CEI 60811-507, résistivité volumique de l'écran semi-conducteur et douceur de la surface, conditions d'emballage et de stockage, ainsi que le rapport de test par livraison. Ce sont ces éléments qui déterminent si le composé survit aux tests de routine de décharge partielle à 10 PC.