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1 SYSTEME DE CABLE 36 kv ECONOMIQUE POUR LE RESEAU BELGE J. Becker NEXANS BENELUX S.A. F. Musique ELECTRABEL S.A. RESUME Pour aborder avec confiance et réalisme le marché dérégulé, les Compagnies de Distribution belges reconsidèrent leur approche des fournitures. Pour le câble des réseaux 36 kv, elles redéfinissent les câbles plus en terme de performance que par le passé en terme de spécifications constructives, en maintenant toutefois un haut niveau de qualité. Le tirage du câble et les aspects d installation ont également été considérés dans le processus d optimalisation. Sur base d une longue expérience dans le domaine de la haute et de la moyenne tension, les câbles 36 kv ont été conçus avec des épaisseurs d isolant plus basses. Le courant de court-circuit exigé autorisait une section d écran plus petite, qui entraîne à son tour des pertes plus faibles. La réduction des dimensions de la gaine extérieure a été également envisagée en même temps que le polyéthylène haute densité était retenu et du point de vue qualité, les spécifications CEI et européennes actuelles étaient toujours considérées comme une nécessité. Du fait des gradients électriques plus élevés dans l isolant du câble, certaines études sur les accessoires étaient nécessaires pour évaluer les contraintes dans les jonctions et les terminaisons prémoulées. Les systèmes de câble avec les terminaisons intérieures ou extérieures et avec des jonctions de deux fabricants subirent aussi bien les essais de type suivant CEI que les essais de longue durée avec cycle de chauffage pour contrôler la performance du système. Les adaptations des accessoires du câble suivant la nouvelle construction aux anciens types de câble avec une isolation plus épaisse furent aussi considérées et essayées. Tous les tests ont été menés avec succès. Depuis plus d un an, ces câbles économiques sont produits pour les compagnies d électricité belges testées, en routine, à 4 U 0 comme d habitude, avec des essais de décharges partielles à 2 U 0 (niveau de décharges partielles < 2 C). Le champ d expérience n est pas encore très important mais les résultats jusqu à présent sont satisfaisants. C est pourquoi, il entre dans les intentions des compagnies d électricité de demander au Comité Electrotechnique Belge de prendre les dispositions nécessaires pour introduire la nouvelle construction du câble 36 kv dans la normalisation européenne.

2 SYSTEME DE CABLE 36 kv ECONOMIQUE POUR LE RESEAU BELGE J. Beker NEXANS BENELUX S.A. F. Musique ELECTRABEL S.A. INTRODUCTION Dans le domaine de la moyenne tension, l Europe possède une longue tradition avec les câbles isolés au papier imprégné à la masse. L épaisseur d isolant était spécifiée tant dans les normes nationales que CEI. Quand les matériaux d isolation synthétique apparurent sur le marché, le polyéthylène (PE) d abord, le polyéthylène réticulé (XLPE) et l éthylènepolypropylène rubber (EPR) ensuite, remplacèrent progressivement l isolation au papier imprégné à la masse. Les épaisseurs d isolant furent choisies identiques en raison du manque de connaissance de ces nouveaux produits. Depuis l introduction du XLPE dans l industrie du câble, une amélioration sensible de la qualité des matériaux semi-conducteurs, isolants aussi bien que du processus de fabrication permirent le développement de câbles XLPE haute tension et très haute tension avec des contraintes diélectriques devenant de plus en plus grandes. Il y a vingt ans, un câble XLPE 60 kv avait une épaisseur d isolant d environ 13 à 16 mm. Un câble 60 kv produit aujourd hui a une épaisseur d isolant égale à celle des câbles 36 kv produits durant les années 80 (9 mm). Cette évolution fut autorisée grâce au développement des jonctions prémoulées avec un haut niveau de fiabilité. Jusqu aujourd hui, dans le domaine de la moyenne tension, l épaisseur de l isolation XLPE n avait pas changé bien que le progrès enregistré pour le matériau isolant moyenne tension soit presque le même que dans le domaine de la haute tension. Le niveau de qualité et la haute productivité des câbles moyenne tension fabriqués de nos jours avec les équipements et les matériaux modernes sont tels que presque aucune réduction de coût ne doit plus être attendue sans des modifications à la conception. Pour faire d'autres économies, l'innovation était obligatoire. SPECIFICATION POUR UN NOUVEAU CABLE Conscient de la situation décrite ci-dessus et afin d'aborder également avec confiance et réalisme le marché dérégulé, Electrabel a décidé de reconsidérer son approche des produits fournis. En 1998, ils décidèrent de redéfinir les câbles pour le réseau 36 kv plus en terme de performances qu en termes de spécifications constructives comme par le passé. Néanmoins, il a été considéré essentiel de maintenir le niveau élevé de la qualité existant pour assurer une bonne fiabilité et un excellent service aux clients. Electrabel convia au moyen d un questionnaire commun plusieurs fabricants de câbles à proposer un nouveau câble 36 kv de bonne qualité au prix le plus bas et de justifier leur choix. Le cahier des charges pour le nouveau produit comportait principalement ce qui suit : Conditions du réseau Tensions U 0 /U (U n ) : 20.8/36 (41.5) kv Catégorie du réseau (CEI 502)1 : A Courant de court-circuit : - Monophasé: 4 ka eff. 1 seconde - Triphasé : 25 ka eff. 1 seconde Niveau d isolation : - Essai de choc : 170 kv crête - Essai de routine : 4 U0 AC - 5 minutes Câble Conducteur : - Matériau et construction à choisir pour garantir le câble le plus économique Isolant : - XLPE ou un autre matériau donnant les mêmes performances - Réduction de l épaisseur de l isolant possible mais en maintenant les performances du système de câble Ecran : - Adapté au condition de court-circuit - Etanchéité longitudinale toujours préférée Gaine : - PE ou PVC de couleur rouge avec une bonne qualité mécanique. - La couleur noire est acceptée si elle est moins coûteuse. 1 Nouvelle désignation de la CEI : CEI 60502

3 Tests sur câbles La publication CEI est applicable sauf pour les dimensions et les essais de routine pour lesquels les prescriptions ci-après sont plus sévères : - Essai diélectrique à 4 U 0 5 minutes ; - Niveau de décharges partielles Accessoires - Les accessoires seront adaptés au nouveau câble et satisferont aux différents essais de type prescrits par les normes applicables. - Obligation d avoir deux fournisseurs d accessoires. Conditions spéciales pour les travaux d installations - Possibilités de raccorder le nouveau câble aux câbles classiques déjà installés. - Possibilité d installer des longueurs plus grandes qu antérieurement - Essais après pose Sur l isolant : 3 U 0 à 0,1 HSur la gaine extérieure : 10 kv 2 minutes TABLEAU I : Comparaison de structure entre un câble classique et le nouveau câble XLPE 36 kv. Ancienne conception Nouvelle conception proposée Motifs des changements Conducteur Cuivre (Cu) ou aluminium (Alu) Epaisseur d isolant XLPE Ecran métallique Aluminium L aluminium est moins cher que le cuivre pour un même taux de courant 2 8,8 mm 6,0 mm - 20 ans d expérience des câbles haute tension - Excellents résultats des essais longue durée dans l eau à 12 kv/mm (évaluation de la susceptibilité aux arborescences d eau). - Ecran de fils de cuivre : mm² en fonction de la section du conducteur. - Etanchéité longitudinale Gaine - Gaine en HDPE - Epaisseur de 3,2 mm à 4,0 mm en fonction de la section du conducteur - Ecran de fils de cuivre : 20 mm² - Etanchéité longitudinale - Gaine en HDPE - Epaisseur suivant la publication CEI (Ce qui signifie une réduction d environ 1 mm) - Un écran de 20 mm² de fils de cuivre est suffisant pour un courant de court-circuit de 4 ka 1 seconde. - Un écran de section plus faible génère moins de pertes en service. HDPE est mécaniquement beaucoup plus résistant. Choix d un nouveau câble économique Dans le tableau 1, le nouveau câble est comparé au câble classique précédent. Conducteur Le conducteur en aluminium était choisi, principalement les sections de 400 et 630 mm². Le câble avec un conducteur en aluminium est substantiellement moins cher qu un câble équivalent en cuivre pour la même construction. Système isolant Le polyéthylène réticulé était maintenu comme matériel isolant. La qualité de ce matériau est excellente et sa mise en oeuvre (triple extrusion) est bien connue et optimalisée. L épaisseur d isolant a été réduite de 8,8 mm à 6,0 mm. Cette réduction fixe la contrainte diélectrique sur la couche semi-conductrice intérieure à 4,2 kv/mm et sur l isolant à 3,1 kv/mm. 2 Le rapport de coût entre l aluminium et le cuivre peut être influencé par le niveau des prix sur la bourse.

4 Les arguments en faveur d un tel changement sont : - Importantes améliorations de la qualité des matériaux semi-conducteurs tant du point de vue de la rugosité que de la propreté et de l extrudabilité de la matière isolante. - Production des câbles 36 kv dans des conditions similaires à celles des câbles haute tension (triple extrusion, matériau isolant extraclean,...). Plus de 20 ans d expérience dans la production de câbles haute tension avec des contraintes diélectriques plus élevées que celles du nouveau câble 36 kv. - Des câbles semblables soumis dans de l eau à 50 C à une contrainte de 12 kv/mm pendant 2 ans (suivant les prescriptions VDE) avec un niveau de rupture résiduel de plus de 40 kv/mm. Ecran métallique L écran de fils de cuivre sur les câbles classiques était soit de 25 mm² ou 35 mm² suivant la section du conducteur. Pour un courant prescrit de 4 ka durant 1 seconde, un écran de fils de cuivre de 20 mm² était considéré suffisante. Malgré les considérations relatives à la résistance de la terre globale du réseau, la section réduite de l écran a été acceptée par les utilisateurs. Comme une plus faible section engendre une plus grande résistance, les pertes en service dans l écran sont plus faibles, ce qui constitue un autre avantage du point de vue des coûts d exploitation. Gaine extérieure En fonction du diamètre du câble, l épaisseur de la gaine d un câble classique 36 kv prescrite par les normes belges (NBN C33-323), se situe entre 3,2 et 4,0 mm. Le polyéthylène haute densité (HDPE), considéré comme le matériau le plus dur, a un très bon comportement mécanique par rapport à l abrasion et au choc. Les épaisseurs proposées par la publication CEI ont été considérées comme suffisantes. Cela mène donc à une réduction de l épaisseur d environ 1 mm. Si jamais une détérioration mécanique conséquente à cette réduction d épaisseur s avérait inacceptable, l épaisseur de la gaine pourrait être reconsidérée. Dimensions globales La conception du nouveau câble génère une réduction du diamètre extérieur du câble d environ 8 mm. Ceci autorise de plus grandes longueurs de câbles sur un touret donné et contribue à réduire le nombre de jonctions durant l installation. Coûts La réduction du coût est de l ordre de 20 % comparativement au câble classique de même section. Accessoires Les accessoires devaient être choisis pour satisfaire au câble de la nouvelle conception. Les compagnies d électricité désiraient disposer d au moins deux fournisseurs. Les accessoires prémoulés et rétractables à chaud ont été testés sur le nouveau câble. Les calculs informatisés montraient que les contraintes diélectriques à l intérieur des jonctions prémoulées n étaient pas plus grandes avec la nouvelle conception de câble et que les contraintes à l interface n étaient pas critiques. Tests d acceptation Test du système de câble. Pour évaluer la qualité de la nouvelle conception du câble avec les différents types d accessoires, le système de câble devait satisfaire principalement la séquence d essais suivante en plus des essais de routine à 4 U 0 : cycles de chauffage jusqu à 100 C à 2 U 0 ; - Chocs, à chaud à 170 kv après 20 et 100 cycles de chauffage ; - 2,5 U 0 AC 15 minutes, après l essai de choc, suivi d un essai de décharges partielles à 2 U0. - Le niveau de décharges partielles doit être inférieur à 2 pc. Les essais furent exécutés avec succès sur un câble Alu 400 mm² avec les deux types d accessoires retenus. En outre, le système réussissait l essai de chocs à 200 kv destiné à vérifier le niveau de sécurité du câble et des accessoires choisis. Test du nouveau câble raccordé à un câble classique. Une boucle d essais était réalisée, elle comportait un câble cuivre classique de 240 mm² avec une épaisseur d isolant de 8,8 mm qui était raccordé à un nouveau câble aluminium de 400 mm² avec une isolation de 6,0 mm. Les essais longue durée sous 2,5 U 0 avec des cycles de chauffage jusqu à 100 C pendant plus de 2500 heures étaient satisfaisants. Test du nouveau câble raccordé à un câble isolé au papier. La compatibilité avec le nouveau câble a également été vérifiée avec les jonctions rétractables sans le moindre problème.

5 Champ d expérience Après tous ces tests, le système de câbles était accepté par les compagnies de distribution belges. Plusieurs centaines de kilomètres de câble 36 kv aluminium 400 mm² et 630 mm² «allégé» ont été produits, ils ont subi avec succès les essais de routine à 4U 0 avec un niveau de décharges partielles inférieur à 2 pc (à 2U 0 ). Ces câbles sont installés dans le réseau sans problème particulier et mis en service. CONCLUSION En vue de réduire le coût du câble 36 kv, Electrabel redéfinissait les câbles en termes de performance plutôt que, comme par le passé, en termes de spécifications constructives. Ceci permettait une construction de câble avec des épaisseurs d isolant et de gaine plus faibles et une section d écran réduite, qui mena à une réduction de coût de 20% sur les câbles. Les essais du nouveau câble allégé avec les accessoires ont été réalisés avec succès. Plusieurs centaines de kilomètres ont déjà été installées dans le réseau depuis la fin de Il entre dans les intentions des compagnies d électricité de demander au Comité Electrotechnique Belge de prendre les dispositions nécessaires pour introduire la nouvelle construction du câble 36 kv dans la normalisation européenne.