Composé de blindage de câble HT : exigences ultra-lisse, ultra-propre et HVDC

Content

1 Qu'est-ce qui change lorsque la tension augmente
2 Super fluide : mesure des défauts que vous pouvez à peine voir
3 La propreté comme paramètre de conception
4 Lignes de soudure : un défaut né du processus de fabrication lui-même
5 HVDC ajoute une autre couche d'exigences
6 Ce que cela signifie pour l'approvisionnement en composé de blindage de qualité HV

Qu'est-ce qui change lorsque la tension augmente

La même catégorie de matériaux – un composé de blindage en polyoléfine chargé de noir de carbone – se trouve à la fois à l'intérieur d'un câble de distribution de 15 kV et d'un câble de transmission de 500 kV. Ce qui est différent, c'est le degré de tolérance aux imperfections permis par chaque application, et cette tolérance diminue considérablement à mesure que la tension augmente.

Un défaut qu'un câble moyenne tension ignorerait pendant des décennies peut devenir un point de défaillance d'un câble HT ou THT en une fraction de sa durée de vie, tout simplement parce que la contrainte électrique au niveau du même défaut physique est plusieurs fois plus élevée. C'est pourquoi les spécifications HV et EHV n'introduisent pas de produits chimiques fondamentalement différents, mais poussent la même famille de formulations de base (résine polyoléfine, noir de carbone conducteur, système de réticulation) vers un contrôle beaucoup plus strict de la douceur, de la propreté et de la cohérence du processus.

Trois domaines capturent l'essentiel de ce resserrement : la douceur de la surface mesurée à une résolution que la plupart des spécifications MV ne prennent pas en compte, la propreté ionique traquée jusqu'aux niveaux de contamination et les défauts de fabrication - comme les lignes de soudure issues de la coextrusion - qui ne commencent à avoir d'importance qu'une fois que la marge d'erreur se réduit jusqu'à présent.

Super fluide : mesure des défauts que vous pouvez à peine voir

Les spécifications standard du blindage semi-conducteur comptent les saillies dans la plage de 50 à 100 micromètres. Les applications de câbles HT et THT réduisent la fenêtre de mesure d'un ordre de grandeur, en utilisant un profilomètre pour cataloguer les saillies par incréments de 10 microns sur une plage de 20 à 70 micromètres, avec une densité de défauts signalée par mètre carré plutôt que par centimètre carré.

Il ne s’agit pas d’une mesure en soi. Des recherches comparant les blindages de conducteurs conventionnels et ultra-lisses ont révélé que les micro-saillies sur un matériau ultra-lisse sont de forme sensiblement plus plate, ce qui se traduit directement par une contrainte électrique localisée plus faible au niveau de l'interface d'isolation. La hauteur d'une saillie est importante, mais sa forme aussi : une pointe pointue concentre les lignes de champ bien plus qu'une bosse basse et arrondie de même hauteur.

Pour atteindre ce niveau de douceur, il faut que la qualité de la dispersion du noir de carbone et le contrôle du processus d'extrusion travaillent ensemble. Le noir de carbone lui-même doit être sélectionné pour ses caractéristiques de particules qui se dispersent proprement, et la ligne d'extrusion doit maintenir un cisaillement et une température constants pour éviter de réintroduire des défauts que de meilleures matières premières ne peuvent à elles seules empêcher.

La propreté comme paramètre de conception

Impuretés ioniques solubles dans l'eau dans les semi-conducteurs Composé de blindage de câble HT ont un effet documenté sur le nombre et la taille des arbres d'eau qui se développent dans l'isolation adjacente, ce qui fait de la propreté une propriété fonctionnelle plutôt qu'esthétique. Les fabricants de câbles HT et THT évaluent cela à l'aide de la spectroscopie à plasma inductif (ICP) pour quantifier les traces de contamination ionique et la teneur en soufre des composés candidats.

Des tests comparatifs ont montré que les formulations de boucliers ultra-lisses ont tendance à contenir des niveaux d'impuretés ioniques et de soufre nettement inférieurs à ceux des qualités conventionnelles, bien que la propreté des boucliers conventionnels se soit également améliorée au fil du temps, à mesure que l'industrie dans son ensemble a resserré son approvisionnement en matières premières. La qualité du noir de carbone est généralement la variable dominante ici : des recherches antérieures sur les blindages de câbles HT ont révélé que le passage au noir d'acétylène réduisait considérablement les concentrations d'impuretés minérales par rapport aux autres types de noir de carbone, soutenant directement les attentes de durée de vie des câbles plus longues.

Pour un acheteur évaluant un composé de blindage, les données de propreté ne sont pas toujours fournies sur une fiche technique standard, comme le sont les propriétés mécaniques ou électriques. Demander des résultats ICP ou des données d'impuretés équivalentes dans le cadre d'un package de qualification est une demande raisonnable pour tout achat HV ou EHV, car deux composés avec des valeurs de résistivité et de lissé identiques peuvent toujours différer de manière significative en termes de résistance à long terme de l'arbre à eau en fonction de la seule teneur en impuretés.

Lignes de soudure : un défaut né du processus de fabrication lui-même

La co-extrusion – faire passer simultanément le blindage du conducteur, l'isolant et le blindage isolant à travers la tête d'extrusion – introduit une catégorie de défauts qui n'a rien à voir avec la formulation du composé mais tout à voir avec la façon dont deux flux de fusion se rencontrent. Lorsque des flux séparés de matériau de blindage semi-conducteur convergent à l'intérieur de la tête d'extrusion, une ligne de soudure peut se former et des saillies ont tendance à se développer exactement au niveau de cette couture.

Sous les niveaux de contraintes typiques des opérations HT et EHV, les saillies se formant à l'emplacement d'une ligne de soudure peuvent créer le même type de concentration de champ localisé que tout autre défaut de surface, avec la complication supplémentaire que les défauts de la ligne de soudure sont liés à la géométrie de l'outillage et du processus plutôt qu'à la seule qualité des matières premières. Un composé testé isolément propre et lisse peut toujours produire des saillies sur la ligne de soudure une fois qu'il est réellement passé à travers une conception de tête d'extrusion spécifique.

C'est en partie pourquoi la qualification des boucliers HV et EHV examine de plus en plus le composé et le processus ensemble plutôt que les propriétés du composé de manière isolée : une formulation optimisée pour résister à la formation de saillies de la ligne de soudure, associée à un outillage d'extrusion conçu pour minimiser les contraintes de convergence du flux de fusion, répond à un mode de défaillance qu'aucun des deux facteurs ne contrôle à lui seul.

HVDC ajoute une autre couche d'exigences

Les câbles à courant continu haute tension imposent des exigences en matière de composé de blindage, contrairement aux systèmes à courant alternatif. Sous une tension continue soutenue, la charge d'espace peut s'accumuler à l'interface entre le blindage semi-conducteur et l'isolation, faussant la distribution du champ électrique d'une manière que les systèmes CA, avec leur polarité constamment inversée, évitent en grande partie.

Les formulations de bouclier spécifiques au HVDC résolvent ce problème avec quelques ajouts ciblés à la recette de base : un copolymère d'éthylène sélectionné pour sa faible cristallinité et son faible résidu de catalyseur, un noir de carbone choisi spécifiquement pour sa faible teneur en espèces ioniques, un modificateur de polymère polaire inclus pour améliorer la conductivité de champ et la fuite de charge d'espace à des champs élevés, et un piégeur d'ions pour réduire la mobilité ionique au sein du composé lui-même.

Aucun de ces composants n'apparaît dans une formulation typique de blindage AC, c'est pourquoi le composé de blindage HVDC ne peut généralement pas être traité comme un substitut immédiat au matériau classé CVC, même lorsque les deux répondent à des spécifications de douceur et de résistivité similaires sur le papier. Le comportement électrique sous-jacent autour duquel chacun est conçu est suffisamment différent pour nécessiter sa propre approche de formulation.

Ce que cela signifie pour l'approvisionnement en composé de blindage de qualité HV

Qualifier un Composé de blindage de câble HT pour une utilisation HT ou THT, cela signifie aller au-delà des valeurs de résistivité et de lissé standard qui suffisent pour les applications à basse tension. Au minimum, demandez les données du profilomètre rapportées par incréments plus fins de 10 microns utilisés pour les qualités ultra-lisses, ainsi que la densité des défauts par mètre carré plutôt que les chiffres plus grossiers par centimètre carré courants dans les spécifications générales.

Demandez des données sur les impuretés ioniques, idéalement issues de la spectroscopie ICP ou d'une méthode équivalente, et demandez quelle qualité de noir de carbone est utilisée dans la formulation - la différence entre le noir d'acétylène et les autres types de noir de carbone a un effet mesurable sur les niveaux d'impuretés et, par extension, sur les performances à long terme de l'arbre aquatique.

Si l'application est HVDC, confirmez que le composé a été formulé spécifiquement pour le service DC plutôt qu'adapté à partir d'une gamme de produits AC, et renseignez-vous sur le système d'élimination des ions et de modificateur polaire utilisé. Enfin, lorsque cela est possible, évaluez les performances du composé en combinaison avec l'outillage d'extrusion réel qui sera utilisé en production, car le comportement de la ligne de soudure est une propriété de la combinaison composé-processus plutôt que du composé seul.