TITRE : Âme composite pour conducteur électrique résistant aux fissures

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

[0001] Le domaine technique de l’invention est celui des conducteurs électriques, plus particulièrement ceux ayant une âme composite.

[0002] La présente invention concerne en particulier cette âme composite et un câble électrique comprenant ladite âme en matériaux composites.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

[0003] La demande de câbles pour le transport et la distribution électrique augmente avec la demande de plus en plus forte d’électricité. Le besoin de puissance augmentant, de nouveaux câbles électriques doivent être posés. D’autre part, pour augmenter la capacité, les câbles électriques existants doivent être remplacés par des câbles de plus grande capacité.

[0004] Habituellement, ces câbles comprennent une âme centrale en fils d’acier toronnés sur laquelle est enveloppée un ou plusieurs conducteurs en aluminium toronné. Ce type de câbles ont été utilisés pendant des décennies sans beaucoup de changements. Parmi d’autres inconvénients, ce type de câbles est susceptible de s’affaisser de façon excessive sous certains climats et sous certaines conditions de fonctionnement.

[0005] Des solutions ont été proposées pour répondre à ces défauts, comme par exemple le brevet EP 1 506 085, intégré par référence, qui propose de réaliser une âme composite monobrin comprenant des fibres de carbone continues en longueur formant une couche interne et une couche isolante non conductrice comprenant des fibres de verre et entourant la couche interne. Bien que la couche externe protège la couche interne, celle-ci peut se fissurer sous l’effet d’un choc lors des manipulations non maitrisées sur l’âme composite et/ou les câbles comprenant une âme centrale en matériaux composites ce qui va fragiliser les câbles électriques qui les contiennent et parfois entrainer sa rupture totale. [0006] Il a également été proposé d’introduire un cœur en composite constitué d’un brin de fibres de verre enrobé dans une résine dans la couche interne en carbone enrobé dans une résine, le cœur et la couche interne étant introduit dans la couche externe en fibre de verre enrobé dans une résine dans le brevet EP 2 1 18 909, intégré par référence, et un procédé de fabrication a été décrit. Cependant d’une part, l’âme monobrin obtenue ne permet pas d’arriver à un rendement supérieur à 90% de la fibre de carbone, d’autre part le surmoulage du cœur en matériaux composites constitué de fibre de verre rend l’interface entre le cœur et la couche interne sensible à la propagation de fissure, l’adhésion chimique et mécanique de l’interface étant limitée par la cuisson indépendante du cœur et de la couche interne. L’âme monobrin ainsi constituée peut présenter des fragilités transversales en cas de choc lors des manipulations non maîtrisées sur l’âme composite et/ou les câbles comprenant une âme centrale en matériaux composites. On entend par rendement du composite, le ratio entre la performance théorique du composite en traction, calculée par rapport aux valeurs données par les fournisseurs des lots de fibres utilisées pour la fabrication pondérée par le taux volumique de fibre dans le composite et la valeur réelle obtenue en test laboratoire sur le composite fabriqué.

[0007] Il a également été proposé d’introduire des solutions en matériaux composites multibrins pour répondre à ces défauts, comme par exemple le brevet US 8 250 845, intégré par référence, qui propose de réaliser une âme composite comprenant une pluralité de profilés en matériaux composites, des fibres de carbone enrobé dans une résine, l’ensemble des profilés étant toronnés les uns avec les autres pour former une âme, limitant ainsi la capacité d’un choc à être transmis entre les profilés constituant l’âme du conducteur, l’âme obtenue ne permet pas d’arriver à un rendement supérieur à 90% de la fibre de carbone. Cette conception nécessitant une étape supplémentaire de toronnage des brins constituant l’âme multibrin présente également l’inconvénient d’être beaucoup plus complexes et chères que les solutions monobrins à produire.

[0008] De plus, les différentes normes, comme la norme ASTM (American Society for Testing Material) ou la norme européenne définissent la taille des câbles électriques en fonction de la charge du courant. Ces câbles de différentes tailles peuvent transporter entre 100A (ampère) et plus de 3200A, soit une plage de fonctionnement comprise entre 40 °C et 230 °C, de préérence entre 75 °C et 180 °C. L’âme en matériaux composites doit également pouvoir résister à une contrainte de plus de 2100MPa.

[0009] Mais ces âmes composites monobrin plus économiques à fabriquer par rapport aux âmes multibrins ont le défaut d’être plus fragiles et donc plus sujettes à la casse que les âmes de l’art antérieur en métal ou les âmes multibrins en composite. Ainsi si l’âme reçoit un choc, une fissure risque de se créer et de se propager dans toute la largeur de l’âme la rendant plus fragile en résistance mécanique, jusqu’à la rendre inutilisable.

RÉSUMÉ DE L’INVENTION

[0010] L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment, en limitant la propagation de la fissure tout en utilisant une technologie de fabrication compétitive monobrin.

[0011] L’âme composite pour conducteur électrique selon l’invention est pleine et comprend un cœur en fibres de verre, une couche intérieure en fibres de carbone, une couche extérieure en fibres de verre, elle est caractérisée en ce que le cœur et la couche extérieure ont une tension mécanique inférieure à la couche intérieure et que le cœur a une surface non uniforme. La résine sert à enrober les fibres du cœur et des deux couches intérieure et extérieure. Comme la couche intérieure a une tension supérieure à la tension du cœur, elle est plus contrainte, la fissure va donc se propager vers celui-ci où la tension est moindre puis va être déviée ou arrêtée selon le profil ou la dimension du cœur en dissipant l’énergie nécessaire à la propagation de la fissure. Du fait de la surface non uniforme du cœur, la fissure se dirigeant vers le cœur, elle va s’arrêter en dissipant son énergie sur sa surface et comme celle-ci n’est pas plane, elle va rebondir sur une autre excroissance et s’arrêter. De cette façon, l’âme ne sera pas coupée en deux parties faisant chuter sa résistance drastiquement.

[0012] Avantageusement, la tension des fibres de la couche intérieure est 2 à 10 fois supérieure à la tension des fibres du cœur. Cet écart de tension permet une bonne transmission de la fissure vers le cœur en fibres de verre. On pourra, par exemple, avoir une tension moyenne des fibres de verre avant imprégnation de 100 à 300 centinewtons (cN) et préférentiellement de 150 à 250 cN avec une tension des fibres de carbone avant imprégnation de 200 à 600 centinewtons (cN) et préférentiellement de 300 à 500 cN.

[0013] Avantageusement, le cœur a un section 10 à 35 fois plus petites que la section de la couche intérieure. La couche interne étant plus tendue donc plus contrainte que le cœur, celui-ci doit rester de faibles dimensions par rapport à la couche interne qui assure l’essentiel de la rigidité et de la résistance de l’âme.

[0014] Dans un premier mode de réalisation, la résine est commune et continue dans l’ensemble des fibres. Ceci garantit ainsi une liaison chimique optimum entre les différentes fibres. La continuité de la résine signifie que tous les éléments constituant l’âme sont cuits en même temps et donc qu’il n’y a pas de discontinuité physique et chimique de la matrice entre les fibres, ni entre les couches, ni entre le cœur et les couches.

[0015] Dans un deuxième mode de réalisation, les résines imprégnant les différentes couches et le cœur de fibre sont chimiquement compatibles ensemble lors de la polymérisation. On entend par chimiquement compatible ensemble, le fait que les résines sont aptes à polymériser ensemble sans discontinuité lors d’une cuisson commune. Cela garantit ainsi une liaison chimique optimum entre les différentes fibres. La continuité chimique entre les différentes résines permet à ce que tous les éléments constituant l’âme soient cuits en même temps et donc qu’il n’y ait pas de discontinuité physique et chimique des matrices entre les fibres et les matrices, ni entre les couches, ni entre le cœur et les couches.

[0016] Avantageusement, le cœur est disposé au centre de la couche intérieure. Cette position permet de limiter la fissure à la moitié de la section de l’âme.

[0017] L’invention porte également sur un câble électrique comprenant une âme composite avec au moins une des caractéristiques précédentes.

[0018] L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

[0019] Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatives de l’invention.

[0020] [Fig. 1 ] est une vue schématique d’une âme selon l’invention [0021] [Fig. 2] montre la propagation d’une fissure sur une âme de l’état de la technique ;

[0022] [Fig. 3] montre la propagation d’une fissure sur une âme de l’état de la technique ;

[0023] [Fig. 4] montre la propagation d’une fissure sur une âme de l’invention selon un premier mode de réalisation ;

[0024] [Fig. 5] montre la propagation d’une fissure sur une âme de l’invention selon une variante du premier mode de réalisation ;

[0025] [Fig. 6] est une vue en perspective d’un câble selon l’invention.

DESCRIPTION DETAILLEE

[0026] Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatives de l’invention.

[0027] Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique.

[0028] L’âme 1 illustrée à la figure 1 comprend un cœur 2, une couche intérieure 3 et une couche extérieure 4. Le cœur 2 est constitué de fibres de verre 20 continues solidarisées par de la résine. La couche intérieure 3 est constituée de fibres de carbone 30 continues et de résine. La couche extérieure 4 est constituée de fibres de verre 40 continues et de résine. Dans cet exemple, les fibres de carbone 30 et les fibres de verre 40 sont positionnées avantageusement parallèlement les unes par rapport aux autres et dans l’axe de l’âme.

[0029] Le cœur 2 est de taille réduite par rapport au diamètre de l’âme 1 afin de limiter l’impact des performances en rigidité et résistance global de l’âme 1 .

[0030] Lorsque l’âme 1 de l’état de la technique illustrée figure 2 reçoit un choc (représenté par le marteau M), une fissure 5 se crée, elle va se propager pour dissiper l’énergie de l’impact à la fois sur la couche extérieure 4 et dans le centre 3’, constitué de fibres de carbone 30 continues et de résine, soit sur toute la section de l’âme jusqu’à couper entièrement celle-ci en deux parties 31 et 32.

[0031] De la même manière, lorsqu’un cœur 2 constitué d’un composite contenant des fibres de verre 20 et d’une surface uniforme, est placé au milieu de la couche intérieure 3 (cf. figure 3), le cœur va dévier la fissure 5 d’un côté jusqu’à couper entièrement l’âme en deux parties, dans ce dernier cas on va avoir deux parties 33 et 34.

[0032] Dans les exemples des figures 4 et 5, le cœur 2 a une surface non uniforme : avec des excroissances pointues 21 dans le cas de la figure 4 ou avec des bourrelets arrondis 22 dans le cas de la figure 5. Bien entendu, d’autres profils de surface sont envisageables, notamment en choisissant des excroissances de formes différentes: circulaire, ovale, trapézoïdale, rectangulaire ou autre. Ici , la différence de tension entre les fibres de verre 20 et des fibres de carbone 30 facilite la dissipation de l’énergie à l’interface des deux fibres et donc que la fissure 5 va se diriger vers la zone de moindre contrainte, c’est-à-dire vers le cœur 2. La surface du cœur étant non uniforme, elle va dissiper davantage la propagation de la fissure 5 vers une des excroissances qui va l’arrêter. De cette façon l’âme 1 ne sera pas entièrement fissurée et la résistance du câble ne sera pas trop diminuée.

[0033] L’âme 2, la couche interne 3 et la couche externe 4 peuvent être solidarisées dans une même résine par une cuisson unique de l’ensemble ce qui permet d’avoir une continuité chimique de la résine à l’interface des différentes fibres et d’améliorer la dissipation de l’énergie de la fissure jusqu’à l’arrêt de sa propagation dans le sens longitudinal de l’âme.

[0034] Le câble électrique 6 illustré figure 6 comprend une âme 1 décrite précédemment et deux couches de conducteurs 60 et 61 constitués de brins conducteurs, par exemple en aluminium, de forme trapézoïdale et enroulés hélicoïdalement autour de l’âme 1 .