Maîtriser le Contraint Électrique dans les Jonctions & Terminaisons de Câbles : Bonnes Pratiques

Comment Contrôler le Contraint Électrique dans les Jonctions & Terminaisons de Câbles ?

Introduction

Les câbles d'alimentation sont d'une grande importance dans les systèmes de transport et de distribution d'énergie.

Les terminaisons et jonctions sont les accessoires de base des câbles d'alimentation et elles sont requises pour faire des connexions entre lignes ou vers un appareil électrique.

Divers aspects sont considérés lors de la conception des terminaisons et jonctions de câbles car elles doivent posséder la même intégrité que leurs câbles associés lors de la connexion pour applications intérieures et extérieures.

L'aspect le plus critique de la jonction et terminaison de câbles haute tension est le contrôle du stress diélectrique originaire au point de terminaison de l'écran – contrôle du stress électrique.

Stress Électrique & Contrôle du Stress

Les bornes et jonctions de câbles haute et moyenne tension doivent gérer les champs électriques aux extrémités. Quand l'écran d'isolation est retiré d'un câble, des gradients de potentiel élevés sont concentrés au point de coupe, comme montré dans la Figure 1.

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Dans cette figure, on peut voir que l'écran de terre d'un câble (0%) est coupé, les lignes équipotentielles (de 20% à 80%) se concentrent au bord de l'électrode de terre, causant un stress électrique élevé.

L'amplification du champ électrique à ces points peut produire des décharges partielles qui pourraient mener soit à un flashover le long de la surface d'isolation ou à une rupture diélectrique causant la défaillance du câble.

Dans l'installation de câbles, les câbles blindés nécessitent un contrôle du stress électrique quand ils sont terminés.

Les terminaisons et jonctions de câbles sont conçues pour éliminer la concentration de stress au point de terminaison de l'écran pour éviter la rupture du câble – le champ électrique doit être contrôlé dans une terminaison et jonction de câble.

La distribution du stress au niveau de la jonction du conducteur varie considérablement en raison des changements de profil introduits par l'utilisation d'un manchon.

Arêtes vives et saillies au niveau de la jonction, si laissées sans traitement résultent aussi en un changement brutal du gradient de stress.

Il est donc essentiel que le conducteur ait un profil lisse pour qu'il n'y ait pas de concentration excessive de stress.

Cependant, l'aspect le plus important du contrôle du stress s'applique à l'endroit où l'écran d'isolation est terminé.

Il convient de noter que non seulement le stress diélectrique augmente dans la région de terminaison, mais aussi un gradient de potentiel est mis en place le long de l'interface entre le diélectrique et le milieu environnant.

Le stress dans le diélectrique au point de terminaison de l'écran sera bien au-dessus du stress de conception et peut mener à une défaillance prématurée.

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De plus, si le milieu environnant est l'air, ou s'il y a un vide entre le diélectrique et le milieu de remplissage, alors le stress dans la zone peut causer l'air à permettre des décharges même à la tension de service.

Le papier est quelque peu résistant à ces décharges, mais pour l'isolation polymérique, comme le XLPE (Polyéthylène Réticulé), de telles décharges éroderont rapidement le diélectrique et entraîneront éventuellement la défaillance.

Sans application de contrôle du stress, des décharges se produiraient, affectant négativement la durée de vie de la jonction et terminaison.

Figure 2 montre la distribution du champ électrique sans et avec contrôle du stress.

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Causes

Faiblesses majeures dans la zone de terminaison et jonctions de câbles haute et moyenne tension nécessitant un contrôle du stress sont :

• Cosses de compression permettant à l'humidité de pénétrer les âmes du conducteur
• Échec à éliminer les poches d'air
• Croisement des âmes résultant en décharges partielles
• Mauvaise préparation du câble
• Pénétration d'humidité
• Dégagement phase-à-phase et phase-à-terre inadéquat
• Traçage
• Mauvaises instructions de jonction

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Méthodes de Contrôle du Stress

Il n'y a pas de terminaison ou jonction universelle. Il y a une variété de différents types de terminaisons et jonctions chacun avec avantages et inconvénients.

L'optimisation des terminaisons de câbles est réalisée en étudiant diverses constructions.

La méthode de terminaison appropriée doit fournir une bonne intégrité électrique et mécanique.

Pour concevoir une terminaison appropriée, une analyse de distribution du champ électrique doit être faite dans les régions critiques.

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Méthode du Cône de Stress

La méthode courante employée pour le contrôle du stress est l'utilisation d'un cône de stress qui est montré dans la Figure 3.

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Le cône de stress est un moyen de contrôler la capacitance dans la zone de terminaison de l'écran, réduisant ainsi le stress diélectrique le long d'un gradient jusqu'à des limites tolérables au point de terminaison.

Le cône de stress est étendu au-delà de la terminaison de l'écran, de sorte que le gradient de potentiel à la surface du diélectrique est réduit à un niveau où les décharges ne se produiront pas.

Dans les jonctions de câbles papier haute et moyenne tension, le cône de stress est généralement construit selon un contour prédéterminé par application manuelle de bandes de papier isolant imprégné, tandis que dans les terminaisons, le cône de stress est soit appliqué manuellement ou préformé. Avec le développement des câbles polymériques et élastomères, des cônes de stress pré-moulés ont aussi été introduits.

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Avant que le cône de stress ne soit appliqué, il est nécessaire de réduire le stress électrique au niveau de la jonction du conducteur, découlant des raisons expliquées plus tôt.

Le concept est de fournir un profil lisse pour que le stress soit uniformisé. Ceci est obtenu par « l'étagement » des papiers de câble, qui est réalisé en enlevant l'isolation en papier par une série d'étapes, ayant des contremarches et des giron du surface du conducteur interne à la surface d'isolation externe.

Avec les deux extrémités de câble ainsi traitées et jointes ensemble, des bandes de papier imprégné appliquées manuellement sont appliquées sur l'assemblage pour former le diélectrique de la jonction.

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Méthode du Tubulure Thermorétractable de Contrôle de Stress

Une autre méthode courante est la tubulure thermorétractable de contrôle de stress qui est utilisée pour contrôler les hauts stress électriques au point de terminaison de l'écran d'isolation dans les jonctions et terminaisons de câbles plastiques et papier isolés moyenne tension jusqu'à 36 kV.

Elles contrôlent aussi les hauts stress sur les connecteurs dans les jonctions.

La tubulure de contrôle de stress est faite de matériau polymérique à haute permittivité et haute résistivité, réticulé et thermostabilisé.

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Autres Méthodes pour Contrôler le Stress

Autres méthodes sont :

• Bandes ou revêtements à haute résistance, et matériaux avec couches de résistance non-linéaire, le matériau étant de résistivité de surface constante passe un petit courant et établit ainsi un gradient de tension linéaire le long de sa longueur. Une meilleure distribution du stress est obtenue en utilisant des matériaux de résistivité non-linéaire, qui permettent aussi un petit courant dans la couche d'augmentation, la résistance du matériau chute, et un gradient de tension linéaire lisse est obtenu le long de la longueur appliquée.
• Matériaux ayant une permittivité relative significativement plus élevée que le diélectrique du câble. La méthode est basée sur le principe que quand des matériaux de permittivité dissemblable sont soumis à un gradient de potentiel à travers leur épaisseur combinée, le stress le plus élevé est expérimenté par le matériau ayant la permittivité la plus faible. On peut voir sur le diagramme schématique que les lignes équipotentielles émergent progressivement du diélectrique, produisant ainsi un gradient lisse à la surface du diélectrique.

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À propos de l'Auteur : Manuel Bolotinha

-Licence en Génie Électrique – Énergie et Systèmes de Puissance (1974 – Instituto Superior Técnico/Université de Lisbonne)
– Master en Génie Électrique et Informatique (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Université Nova de Lisbonne)
– Consultant Senior en Postes et Systèmes de Puissance ; Instructeur Professionnel