Composés ZPE pour câbles d'alimentation : propriétés et avantages

Dans les infrastructures électriques modernes, le composé isolant à l’intérieur d’un câble est aussi essentiel que le conducteur lui-même. Composés ZPE pour câbles d'alimentation — les formulations réticulables à base de polyéthylène sans halogène — sont apparues comme une alternative haute performance aux matériaux conventionnels, offrant une combinaison d'intégrité d'isolation électrique, d'endurance thermique et de fiabilité de traitement que les opérateurs de réseau et les fabricants de câbles exigent désormais à des tensions allant des systèmes à moyenne et très haute tension (EHV).

Que sont les composés ZPE et pourquoi ils sont importants

Les composés ZPE sont des formulations de polyéthylène réticulables au peroxyde conçues spécifiquement pour l'isolation des câbles électriques. Le processus de réticulation — déclenché par la chaleur lors de l'extrusion ou dans un tube de vulcanisation continue (CV) — convertit les chaînes PE linéaires en un réseau thermodurci tridimensionnel. Cette structure de réseau confère à l’isolation ZPE sa combinaison exceptionnelle de robustesse mécanique et de stabilité électrique sur une large plage de températures de service.

Le marché mondial de l’isolation des câbles en polyéthylène réticulé était évalué à plus de 6,8 milliards de dollars en 2023 et devrait croître à un TCAC supérieur à 5,9 % jusqu’en 2030, grâce aux programmes de modernisation du réseau en Asie-Pacifique, en Europe et en Amérique du Nord. Dans le cadre de cette croissance, les variantes sans halogène comme les composés ZPE occupent une part croissante à mesure que les réglementations en matière de sécurité incendie se durcissent dans les tunnels, les systèmes de transport en commun et les chemins de câbles urbains densément peuplés.

Performance d’isolation électrique : l’avantage principal

Les composés ZPE offrent des propriétés d'isolation électrique qui satisfont ou dépassent les exigences CEI 60502 et CEI 60840 pour la construction de câbles moyenne et haute tension. Trois paramètres définissent leur supériorité dans les applications de réseau exigeantes :

• Rigidité diélectrique Valeurs constamment supérieures à 30 kV/mm, permettant des parois d'isolation plus fines à des tensions nominales équivalentes — réduisant la distance entre conducteurs et le diamètre extérieur total du câble jusqu'à 12 % par rapport au XLPE standard dans certaines conceptions MT.
• Faible facteur de dissipation (tan delta) Delta de bronzage inférieur à 1x10 ^-4 à la fréquence industrielle, il minimise les pertes de chauffage diélectrique, un critère de performance critique pour les câbles fonctionnant en continu à des facteurs de charge élevés dans les couloirs de transport souterrains.
• Résistance aux décharges partielles La morphologie propre et homogène obtenue avec les composés ZPE — résultat d'une dispersion d'additifs étroitement contrôlée — produit une isolation avec un contenu de vide minimal, réduisant directement la susceptibilité à la dégradation par décharge partielle pendant la durée de vie nominale de 40 ans du câble.

Stabilité thermique dans des conditions continues et de défaut

La stabilité thermique de l'isolation des câbles est évaluée selon trois régimes distincts : service continu, surcharge et court-circuit. Les composés ZPE sont formulés pour fonctionner de manière fiable dans les trois domaines, sans dégradation structurelle ni perte de propriétés diélectriques.

En fonctionnement continu à une température de conducteur de 90 °C, l'isolation ZPE réticulée conserve plus de 95 % de son allongement initial à la rupture après 20 000 heures de vieillissement thermique — un résultat confirmé dans les études de vieillissement accéléré référencées par les méthodologies CEI 60216. Dans des conditions de court-circuit, le réseau thermodurci résiste à des températures transitoires supérieures à 250 °C sans fusion ni écoulement, un mode de défaillance qui élimine entièrement le PE thermoplastique des applications HT résistantes aux courts-circuits.

Composés ZPE et composés XLPE : une comparaison directe

Le débat ZPE contre XLPE est fondamentalement une question d’environnement d’application. Les deux sont des systèmes en polyéthylène réticulé – la distinction réside dans la teneur en halogène, le comportement à la combustion et la conformité réglementaire.

Pour les spécifications régies par le CPR (Règlement sur les produits de construction) en Europe ou les codes nationaux de sécurité incendie équivalents, les composés ZPE constituent la voie techniquement conforme aux classifications de performance au feu Cca et Dca sans repenser l'architecture du conducteur ou de l'écran métallique du câble.

Performances de traitement dans les lignes d'extrusion à grande vitesse

Les performances d'un composé sur le terrain ne signifient rien s'il ne peut pas être traité de manière fiable aux vitesses des chaînes de production. Composés ZPE pour câbles d'alimentation sont conçus avec la performance de traitement comme critère de conception principal aux côtés des propriétés électriques.

Le temps de grillage contrôlé est la spécification la plus critique sur le plan opérationnel. Il définit la fenêtre de traitement entre la plastification du composé dans le corps de l'extrudeuse et l'initiation de la réticulation dans le tube CV : une réticulation trop courte et prématurée provoque des défauts de rugosité de surface et d'excentricité ; une durée trop longue et une densité de durcissement au niveau de l'âme du câble peuvent être insuffisantes pour les tests de qualification CEI.

Propriétés diélectriques qui définissent la fiabilité à long terme

Les modes de défaillance de l'isolation des câbles sont principalement d'origine électrique : accumulation de charges d'espace, arborescence d'eau et emballement thermique sous des contraintes de champ élevées. Les formulations de composés ZPE abordent les trois mécanismes grâce à la conception des matériaux.

• Suppression des charges spatiales : Des packages d'antioxydants et de stabilisateurs de tension spécialement sélectionnés réduisent l'accumulation d'hétérocharges à l'interface de l'écran conducteur - un mécanisme connu pour amplifier la contrainte du champ électrique local jusqu'à 40 % dans le XLPE non traité dans des conditions CC.
• Retardateur d'arbre à eau : Les qualités ZPE ignifuges (TR-ZPE) intègrent des additifs au niveau moléculaire qui interrompent la voie d'oxydation électrochimique responsable de l'initiation de l'arbre aquatique, prolongeant ainsi la durée de vie de l'isolation dans les environnements humides d'enfouissement direct au-delà des projections de base de la CEI 60502.
• Marge d'emballement thermique : La faible caractéristique tan delta de l'isolation ZPE garantit que l'auto-échauffement diélectrique aux gradients de champ de fonctionnement reste bien en dessous du seuil auquel une instabilité thermique à rétroaction positive peut se développer - une exigence explicitement abordée dans la norme CEI 62067 pour la conception des câbles THT.

Spécification des composés ZPE : paramètres clés à définir

La sélection de la bonne qualité de composé ZPE pour une conception de câble nécessite un alignement sur six axes de spécification. Fournissez à votre fournisseur de composés des objectifs clairs pour chacun afin de recevoir une recommandation techniquement conforme :