Dans les systèmes électriques modernes, les câbles haute tension jouent un rôle essentiel. Des réseaux électriques souterrains urbains aux lignes de transport longue distance traversant montagnes et rivières, ils assurent un transport d'énergie électrique efficace, stable et sûr. Cet article explore en détail les différentes technologies liées aux câbles haute tension, notamment leur structure, leur classification, leur procédé de fabrication, leurs caractéristiques de performance, leur installation et leur maintenance.
1. Structure de base des câbles haute tension
Les câbles haute tension sont principalement composés de conducteurs, de couches isolantes, de couches de blindage et de couches de protection.
Le conducteur est le canal de transmission du courant et est généralement en cuivre ou en aluminium. Le cuivre présente une bonne conductivité et une bonne ductilité, tandis que l'aluminium est relativement peu coûteux et léger. Ces conducteurs se présentent généralement sous la forme de fils multibrins torsadés pour une plus grande flexibilité.
La couche isolante est un élément clé du câble haute tension. Elle joue un rôle dans la prévention des fuites de courant et l'isolation du conducteur du monde extérieur. Les matériaux isolants les plus courants sont le polyéthylène réticulé (XLPE) et le papier huilé. Le XLPE présente d'excellentes propriétés électriques, une excellente résistance à la chaleur et une excellente résistance mécanique, ce qui le rend largement utilisé dans les câbles haute tension modernes.
La couche de blindage se divise en blindage interne et blindage externe. Le blindage interne uniformise le champ électrique et empêche les décharges locales d'endommager la couche isolante ; le blindage externe réduit les interférences du champ électromagnétique externe sur le câble et empêche également son impact électromagnétique sur le monde extérieur.
La couche protectrice protège principalement le câble des dommages causés par des facteurs externes tels que les dommages mécaniques, la corrosion chimique et l'infiltration d'eau. Elle est généralement composée d'une armure métallique et d'une gaine extérieure. L'armure métallique assure la résistance mécanique, tandis que la gaine extérieure assure l'étanchéité et la protection contre la corrosion.
2. Classification des câbles haute tension
Selon le niveau de tension, les câbles haute tension peuvent être classés en câbles moyenne tension (généralement de 3 à 35 kV), haute tension (de 35 à 110 kV), très haute tension (de 110 à 500 kV) et très haute tension (de plus de 500 kV). Les câbles de différents niveaux de tension diffèrent par leur conception structurelle, leurs exigences d'isolation, etc.
Du point de vue des matériaux isolants, outre les câbles XLPE et les câbles papier-huile mentionnés ci-dessus, il existe également des câbles en caoutchouc éthylène-propylène. Les câbles papier-huile sont anciens, mais en raison de leurs coûts de maintenance élevés et d'autres raisons, ils ont été progressivement remplacés par les câbles XLPE. Le câble en caoutchouc éthylène-propylène offre une bonne flexibilité et une bonne résistance aux intempéries, ce qui le rend adapté à certaines situations particulières.
3. Procédé de fabrication du câble haute tension
La fabrication de câbles haute tension est un processus complexe et délicat.
La fabrication des conducteurs nécessite d'abord l'étirage, la torsion et d'autres procédés pour garantir la précision dimensionnelle et les propriétés mécaniques du conducteur. Lors de la torsion, les brins doivent être serrés pour améliorer la conductivité du conducteur.
L'extrusion de la couche isolante est une étape clé. Le matériau XLPE est extrudé à haute température et enroulé uniformément sur le conducteur. Durant le processus d'extrusion, des paramètres tels que la température, la pression et la vitesse d'extrusion doivent être strictement contrôlés afin de garantir la qualité et l'uniformité de l'épaisseur de la couche isolante.
La couche de blindage est généralement réalisée par tissage de fils métalliques ou par enroulement de ruban métallique. Les procédés de fabrication des blindages intérieur et extérieur sont légèrement différents, mais tous deux doivent garantir l'intégrité de la couche de blindage et une bonne connexion électrique.
Enfin, la fabrication de la couche protectrice comprend la pose de l'armure métallique et l'extrusion de la gaine extérieure. L'armure métallique doit s'ajuster parfaitement au câble, et l'extrusion de la gaine extérieure doit garantir un aspect lisse, sans défauts tels que bulles ou fissures.
4. Caractéristiques de performance des câbles haute tension
En termes de performances électriques, les câbles haute tension doivent présenter une résistance d'isolement élevée, une faible perte diélectrique et une bonne tenue en tension. Une résistance d'isolement élevée permet d'éviter efficacement les fuites de courant, une faible perte diélectrique réduit les pertes d'énergie électrique pendant la transmission, et une bonne tenue en tension garantit un fonctionnement sûr du câble dans un environnement haute tension.
En termes de propriétés mécaniques, le câble doit présenter une résistance à la traction, un rayon de courbure et une résistance aux chocs suffisants. Lors de l'installation et de l'exploitation, le câble peut être soumis à des étirements, des flexions et des impacts externes. Des propriétés mécaniques insuffisantes peuvent facilement l'endommager.
La performance thermique est également un aspect important. Le câble génère de la chaleur en fonctionnement, notamment sous forte charge. Il doit donc présenter une bonne résistance à la chaleur et pouvoir fonctionner normalement dans une certaine plage de températures sans problèmes tels que le vieillissement de l'isolation. Le câble XLPE présente une résistance thermique relativement élevée et peut fonctionner longtemps à des températures plus élevées.
5. Installation et maintenance de câbles haute tension
Concernant l'installation, la première étape consiste à planifier le tracé afin de garantir un tracé raisonnable et sûr. Lors de la pose, il convient d'éviter tout étirement, flexion et extrusion excessifs du câble. Pour la pose de câbles longue distance, des équipements tels que des convoyeurs à câbles sont généralement utilisés pour faciliter la construction.
La production de jonctions de câbles est une étape essentielle du processus d'installation. La qualité de la jonction influence directement la fiabilité du câble. Lors de la fabrication des jonctions, le câble doit être dénudé, nettoyé, connecté et isolé. Chaque étape doit être réalisée dans le strict respect des exigences du procédé afin de garantir que les propriétés électriques et mécaniques de la jonction répondent aux exigences.
Les travaux de maintenance sont essentiels au fonctionnement stable et durable des câbles haute tension. Des inspections régulières permettent de détecter rapidement toute détérioration de l'apparence ou de la gaine du câble. Parallèlement, des équipements de test permettent de tester les performances d'isolation et les décharges partielles du câble. En cas de problème, il convient de le réparer ou de le remplacer rapidement.
6. Défaillance et détection des câbles haute tension
Les défaillances courantes des câbles haute tension comprennent la rupture d'isolant, la déconnexion des conducteurs et la rupture des jonctions. La rupture d'isolant peut être causée par le vieillissement de l'isolant, une décharge partielle ou une surtension externe. La déconnexion des conducteurs est généralement causée par une force mécanique externe ou une surcharge prolongée. La rupture des jonctions peut être due à un mauvais procédé de fabrication ou à un échauffement important pendant le fonctionnement.
Afin de détecter ces défauts, de nombreuses méthodes existent. La détection des décharges partielles est une méthode couramment utilisée. En détectant le signal généré par une décharge partielle dans le câble, il est possible de déterminer la présence de défauts d'isolation. Le test de tension de tenue permet de déterminer la capacité de tension de tenue du câble et d'identifier d'éventuels problèmes d'isolation. De plus, la technologie d'imagerie thermique infrarouge permet de détecter la répartition de la température à la surface du câble, afin de détecter d'éventuels problèmes tels qu'une surchauffe locale.
7. Tendances d'application et de développement des câbles haute tension dans les systèmes électriques
Dans les systèmes électriques, les câbles haute tension sont largement utilisés pour la transformation des réseaux électriques urbains, les lignes de sortie des grandes centrales électriques, la transmission par câbles sous-marins et d'autres domaines. Dans les réseaux électriques urbains, en raison de l'espace limité, l'utilisation de câbles souterrains permet de gagner de la place et d'embellir les villes. Les lignes de sortie des grandes centrales électriques nécessitent l'utilisation de câbles haute tension pour acheminer l'électricité vers des sous-stations éloignées. La transmission par câbles sous-marins permet de réaliser des transmissions transocéaniques et d'assurer une alimentation électrique stable aux îles et aux zones côtières.
Avec le développement continu des technologies énergétiques, les câbles haute tension ont également connu des évolutions. La première concerne la recherche, le développement et l'application de câbles à haute tension. Face à la demande croissante de transport d'électricité longue distance, le développement de câbles à très haute tension deviendra une priorité. La deuxième concerne l'intelligence des câbles. L'intégration de capteurs et d'autres équipements permet de surveiller en temps réel l'état de fonctionnement du câble et d'alerter en cas de panne, améliorant ainsi sa fiabilité. La troisième concerne le développement de câbles respectueux de l'environnement. Face aux exigences croissantes en matière de protection de l'environnement, la recherche et le développement de câbles recyclables et peu polluants constitueront un axe de développement futur.
Date de publication : 24 septembre 2024