Dans les réseaux électriques modernes, les câbles à haute tension jouent un rôle essentiel. Des réseaux souterrains urbains aux lignes de transport d'électricité longue distance traversant montagnes et cours d'eau, ces câbles garantissent une transmission efficace, stable et sûre de l'énergie électrique. Cet article explore en détail les différentes technologies relatives aux câbles à haute tension, notamment leur structure, leur classification, leur processus de fabrication, leurs caractéristiques de performance, leur installation et leur maintenance.
1. Structure de base des câbles à haute tension
Les câbles haute tension sont principalement composés de conducteurs, de couches isolantes, de couches de blindage et de couches protectrices.
Le conducteur est le canal de transmission du courant et est généralement en cuivre ou en aluminium. Le cuivre possède une bonne conductivité et une bonne ductilité, tandis que l'aluminium est relativement peu coûteux et léger. Ces conducteurs se présentent généralement sous forme de fils multibrins torsadés afin d'accroître leur flexibilité.
La couche isolante est un élément essentiel des câbles haute tension ; elle empêche les fuites de courant et isole le conducteur des perturbations extérieures. Parmi les matériaux isolants courants, on trouve le polyéthylène réticulé (XLPE) et le papier huilé. Le XLPE possède d'excellentes propriétés électriques, une grande résistance à la chaleur et une robustesse mécanique élevée, ce qui explique son utilisation répandue 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 localisées d'endommager la couche isolante ; le blindage externe réduit les interférences du champ électromagnétique externe sur le câble et empêche également ce dernier d'avoir un impact électromagnétique sur l'environnement extérieur.
La couche protectrice protège principalement le câble des dommages causés par des facteurs externes tels que les chocs mécaniques, la corrosion chimique et les infiltrations 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 garantit l'étanchéité et la protection contre la corrosion.
2. Classification des câbles à haute tension
Selon leur niveau de tension, les câbles à haute tension se divisent en câbles moyenne tension (généralement de 3 à 35 kV), câbles haute tension (35 à 110 kV), câbles à très haute tension (110 à 500 kV) et câbles à ultra-haute tension (plus de 500 kV). Les câbles de différents niveaux de tension se distinguent 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 précédemment, on trouve également les câbles en caoutchouc éthylène-propylène. Ces derniers, bien qu'ayant une longue histoire, ont été progressivement remplacés par les câbles XLPE en raison de leurs coûts d'entretien élevés et d'autres facteurs. Le câble en caoutchouc éthylène-propylène offre une bonne flexibilité et une excellente résistance aux intempéries, ce qui le rend adapté à certaines applications spécifiques.
3. Processus de fabrication des câbles haute tension
La fabrication des câbles à haute tension est un processus complexe et délicat.
La fabrication des conducteurs nécessite d'abord que les matières premières, le cuivre ou l'aluminium, soient étirées, torsadées et soumises à d'autres procédés afin de garantir la précision dimensionnelle et les propriétés mécaniques du conducteur. Lors du torsadage, les brins doivent être étroitement agencés pour améliorer la conductivité du conducteur.
L'extrusion de la couche isolante est une étape cruciale. Dans le cas d'une couche isolante en polyéthylène haute densité (XLPE), le matériau est extrudé à haute température puis enroulé uniformément autour du conducteur. Lors de ce processus, des paramètres tels que la température, la pression et la vitesse d'extrusion doivent être rigoureusement contrôlés afin de garantir la qualité et l'uniformité d'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 diffèrent légèrement, 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 épouser parfaitement le 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, de faibles pertes diélectriques et une bonne tenue en tension. Une résistance d'isolement élevée permet de prévenir efficacement les fuites de courant, de faibles pertes diélectriques limitent les pertes d'énergie électrique lors du transport et une bonne tenue en tension garantit le fonctionnement sûr du câble en environnement haute tension.
Du point de vue des 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'utilisation, il peut être soumis à des étirements, des flexions et des chocs. Des propriétés mécaniques insuffisantes risquent d'endommager le câble.
Les performances thermiques constituent 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 fonctionner normalement dans une certaine plage de températures sans problème tel que le vieillissement de l'isolation. Le câble XLPE possède une résistance à la chaleur relativement bonne et peut fonctionner longtemps à des températures élevées.
5. Installation et entretien des câbles à haute tension
Pour l'installation, la première étape consiste à planifier le tracé afin de garantir un cheminement raisonnable et sûr des câbles. Lors de la pose, il convient d'éviter tout étirement, flexion ou extrusion excessive. Pour les câbles longue distance, des équipements tels que des convoyeurs à câbles sont généralement utilisés pour faciliter les travaux.
La réalisation des jonctions de câbles est une étape cruciale du processus d'installation. La qualité de la jonction influe directement sur la fiabilité de fonctionnement du câble. Lors de la réalisation des jonctions, le câble doit être dénudé, nettoyé, connecté et isolé. Chaque étape doit être effectuée dans le strict respect des exigences du processus afin de garantir que les propriétés électriques et mécaniques de la jonction soient conformes aux normes.
La maintenance est essentielle au bon fonctionnement à long terme des câbles haute tension. Des inspections régulières permettent de détecter rapidement tout dommage apparent ou à la gaine du câble. Parallèlement, des appareils de test permettent de vérifier l'isolation et les décharges partielles. En cas de problème, les câbles doivent être réparés ou remplacés sans délai.
6. Défaillance et détection des câbles à haute tension
Les défaillances courantes des câbles haute tension comprennent la dégradation de l'isolation, la déconnexion des conducteurs et la défaillance des jonctions. La dégradation de l'isolation peut être due au vieillissement de l'isolant, à des décharges partielles ou à une surtension externe. La déconnexion des conducteurs est généralement causée par une force mécanique externe ou une surcharge prolongée. La défaillance des jonctions peut être due à un défaut de fabrication ou à un échauffement important en fonctionnement.
Afin de détecter ces défauts, plusieurs méthodes de détection existent. La détection des décharges partielles est une méthode couramment utilisée. En détectant le signal généré par ces décharges dans le câble, on peut déterminer la présence de défauts d'isolation. Le test de tenue diélectrique permet de vérifier la capacité de tenue diélectrique du câble et de déceler d'éventuels problèmes d'isolation. De plus, l'imagerie thermique infrarouge permet de visualiser la répartition de la température à la surface du câble et ainsi de détecter d'éventuels problèmes tels qu'une surchauffe localisée.
7. Applications et tendances de développement des câbles haute tension dans les réseaux électriques
Dans les réseaux électriques, les câbles à haute tension sont largement utilisés pour la transformation des réseaux électriques urbains, les lignes de sortie des grandes centrales, le transport d'électricité par câbles sous-marins, etc. En milieu urbain, compte tenu de l'espace limité, l'enfouissement des câbles permet un gain de place et contribue à l'esthétique des villes. Les lignes de sortie des grandes centrales nécessitent l'utilisation de câbles à haute tension pour acheminer l'électricité vers les sous-stations éloignées. Le transport d'électricité par câbles sous-marins permet la transmission d'électricité à travers les mers et assure un approvisionnement stable en électricité aux îles et aux zones côtières.
Avec le développement continu des technologies énergétiques, les câbles à haute tension connaissent également plusieurs évolutions majeures. La première concerne la recherche, le développement et l'application de câbles à très haute tension. Face à la demande croissante de transport d'énergie sur de longues distances, le développement des câbles à ultra-haute tension deviendra un axe prioritaire. La seconde est l'intelligence des câbles. L'intégration de capteurs et d'autres équipements permet une surveillance en temps réel de leur état de fonctionnement et la détection des pannes, améliorant ainsi leur fiabilité. La troisième est 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 matériaux recyclables et peu polluants constituent une voie d'avenir.
Date de publication : 24 septembre 2024