Kabels 
Hoever gaan de mogelijkheden?

Bij het ontwerp van een ondergrondse kabelverbinding dient men hoofdzakelijk met twee beperkingen rekening te houden. De eerste beperking volgt uit de maximaal toegelaten stroom, en de tweede betreft de lengte van de kabel.

De opwarming van de kabel is in de meeste gevallen de meest bepalende factor inzake het toelaatbaar overbrengbaar vermogen. Wanneer de maximale temperatuur overschreden wordt, kan dit een versnelde veroudering van het isolatiemateriaal met zich meebrengen. Het gevolg hiervan is dat er zich voortijdige defecten kunnen voordoen. In de loop van de jaren hebben technische en economische elementen, die hierbij een rol spelen, een evolutie doorgemaakt, maar steeds blijft de temperatuur van kabel en omgeving de doorslaggevende factor.
Met andere woorden, de begrenzing die aan een kabel wordt opgelegd is in wezen een thermisch probleem. De temperatuursverhoging is een gevolg van de thermische weerstand tussen de aders (de plaats waar de warmte opgewekt wordt) en de omgeving. Gezien er een maximaal toegelaten temperatuur is, bestaat er ook een maximum voor de warmtestroom door de thermische weerstand. De warmtestroom luistert in zekere zin naar een « thermische » wet van Ohm. Anders gezegd :er zal een grote warmtestroom zijn als er veel opgewekte verliezen zijn. Deze verliezen zijn van vier factoren afhankelijk : de aard van de kabel, de opbouw van de kabel, de bedrijfsspanning en de bedrijfsstroom. Al in de ontwerpfase moet men deze vier factoren op hun temperatuursgedrag beoordelen. Wanneer de kabel niet continu dezelfde stroom voert, mag men in zekere mate een hogere stroom toelaten.
De toegelaten stroomdichtheid neemt af naarmate de geleiders dikker worden Men heeft een benaderende formule gevonden die dat weergeeft :
I= kSexp0,6
waarbij I de stroom in Ampère is, S de kerndoorsnede in mm² voorstelt en k een constante is.

Warmtebron
De belangrijkste oorzaak van de warmte is het Joule-effect, voorgesteld door de formule
P = R.I²
De totale weerstand van de geleider hangt af van de soortelijke weerstand, de temperatuur, het skineffect en het proximiteitseffect. Vermenigvuldigd met het kwadraat van de doorlopende stroom bekomt men het Joulevermogen. Naast dit Joule-effect zijn er nog andere warmtebronnen :
- de isolatieverliezen die van de frequentie, het kwadraat van de bedrijfsspanning en de capaciteit van de kabel afhangen.
- de verliezen in de mantel die van de geïnduceerde circulatiestromen en de Foucaultstromen afhangen
- de verliezen in de wapening : wanneer de wapening van een ferromagnetisch materiaal is gemaakt, kan dit tot verhoogde verliezen aanleiding geven. Dit is zeker het geval bij eenfasige kabels ; bij een driefasige is het naar buiten tredend veld beperkt, zeker in het geval dat de drie geleiders dicht bij elkaar liggen.
Wat de thermische weerstand betreft, bestaan er benaderende formules voor de verschillende isolatielagen. De thermische weerstand tussen de buitenomtrek en de omgeving is gebaseerd op de formule van Kennelly, die van een isotherm grondoppervlak uitgaat. Maar wanneer verschillende kabels bij elkaar in de grond liggen, wordt het probleem complex. Vele factoren komen dan om de hoek kijken : de vochtigheid, de samenstelling van de grond, enz. Deze laatste thermische weerstand is de belangrijkste maar tegelijk de moeilijkste om te berekenen.

Kritische lengte
Naast de beperking op de maximale stroom is er een tweede begrenzing : de lengte van de kabel. Gezien kabels capacitief zijn, loopt er bij inschakelen een laadstroom. Deze laadstroom heeft volgende waarde :
I = U.w.C :10³ A/km
waarbij
U = de fasespanning in kV
w = de pulsatie
C = de bedrijfscapaciteit in µF/km
Uit bovenstaande formule blijkt dat bij inschakelen van een onbelaste kabel de nominale stroom kan bereikt worden. Hoe hoger de spanning, hoe korter de kritische lengte. Voor een 220 kV-kabel bedraagt die lengte 48 km.

Constructie van de kern
Koper en aluminium zijn de twee geleiders die op de eerste plaats bij kernen worden gebruikt. Hoewel aluminium lichter is, heeft het ten opzichte van koper een hogere weerstand, neigt het tot vloeien bij mechanische belasting en heeft het een grotere gevoeligheid voor corrosie. De kernen kunnen hard of soepel zijn. De vorm kan rond of sectoraal zijn. De sectorale vorm laat toe de diameter van de kabels in belangrijke mate te verminderen in het geval van 3 of 4 geleiders per kabel. Soepele kernen zijn altijd rond van vorm.

Isolatie
De fabrikanten beschikken momenteel over een grote verscheidenheid van isolerende materialen. Men kan ze in drie categorieën opdelen :
- de thermoplastische (PVC, NYLON, RILSAN, FEP, TEFZEL,…)
- de thermosets of vernet polyethyleen (XLPE)
- de elastomeren (EPR, EPDM, silicoonrubber, brandvrije samenstellingen zonder halogenen)
- gewikkelde materialen (doordrenkt papier, polyestervezels, mica).
Bij temperaturen die lager zijn dan 70°C is PVC hard en resistent. Onder de 5°C treedt broosheid op en boven de 70°C weekheid en smelten. Vernette polyethylenen kunnen hogere temperaturen (bv. 90°C) verdragen dan de thermoplastische. Voor lage temperaturen tot onder het vriespunt kunnen elastomeren goede diensten bewijzen omwille van hun elasticiteit.

Schermen
Energiekabels voor middenspanning en hoogspanning zijn voorzien van schermen met een elektrische functie. Wanneer deze schermen uit een niet-metaal zijn vervaardigd, dienen ze vooral om het elektrisch veld te beïnvloeden. Wanneer die schermen vlak op de geleidende kern zijn geplaatst, wordt het elektrisch veld uniformer, en wanneer een scherm op het isolerend omhulsel geplaatst is, dient het om het elektrisch veld radiaal te maken. De schermen van het geëxtrudeerd of gewikkeld type zijn licht geleidende materialen die ten onrechte soms halfgeleiders worden genoemd. Schermen uit metaal worden meestal op het isolerend omhulsel met een zwak geleidend scherm aangebracht. Ze worden met de aarde verbonden om personen te beschermen, de verliesstroom fase-aarde in geval van kortsluiting uit te schakelen en om capacitieve stromen naar de aarde af te leiden. Deze schermen worden gemaakt van lagen koperdraden of uit buizen gevormd door gelaste strips uit aluminium of koper. Voor spanningen boven de 70 kV brengt men nog een loden tussenmantel aan.

Mantels
Energie- en transmissiekabels kunnen voorzien worden van loden metalen mantels om de geleiders te beschermen tegen vocht en chemisch actieve stoffen maar tegelijk worden inductiestromen gereduceerd. Telefoon- en signalisatiekabels moeten extra beschermd worden tegen elektrostatische invloeden. Dit gebeurt door koperen vlechten of linten of nog door gealumiumiseerde plastieken linten. Ze kunnen collectief of individueel aangebracht worden. In elk geval moeten ze geaard of op een gecontroleerd potentiaal gebracht worden. Daatoe dienen ondermeer draineringsdraden.

Opvulmantel
De geleiders worden samengeslagen en bedekt met een opvulmantel. De belangrijkste taak van opvulmantels bestaat erin te beletten dat ze noch aan de isolerende mantels, noch aan de schermen of uitwendige mantels zouden gaan kleven.

Pantser
Wanneer de kabels aan sterke mechanische krachten onderworpen zijn, wordt een metalen pantser voorzien. De metalen pantsers worden in het algemeen uitgevoerd in staalbanden. Het kan gebeuren dat de kabel aan relatief grote krachten bloot staat. In dat geval maakt men gebruik van een pantsering die bestaat uit een laag staaldraden. Bij ondergrondse kabels van geringe doormeter vindt men hier in het algemeen koperdraden terug. Het kan best gebeuren dat de totale sectie van die koperdraden van de zelfde grootorde is als die van de hoofdgeleider. Hieruit volgt dat de door deze draden gevormde kring kan dienen voor de aarding van apparaten die door deze kabels gevoed worden. Dit is het geval bij VFVB-kabels, maar niet bij EVAVB-kabels omdat hier deze draden als doel hebben het inschakelen van het veiligheidssysteem te verbeteren.

Monogeleiders
Bij eenvoudige monogeleiders dient de enige mantel als isolatie èn bescherming. Denken we maar aan VOB en VTB. Gezien deze geleiders zeer kwetsbaar zijn, moeten ze in een buis of andere bescherming geplaatst worden.

Flexibiliteit
Verschillende toepassingen zoals lasposten, robotten, enz. vereisen soepele kabels. Men bekomt die flexibiliteit door een multidraadconstructie van de koperen geleider. De geleiders bestaan uit zeer dunne getorste of getwijnde draden. Aluminium is niet aanbevolen wegens te broos. Ook voor de isolatie gebruikt men een ander PVC mengsel. Bij zuivere PVC wordt een weekmaker toegevoegd en de verhouding weekmaker bepaalt de gradatie tussen soepel en hard. Gezien PVC een thermoplast is en dus weker wordt met stijgende temperatuur, moet men voor toestellen met verwarmingselement een ander materiaal kiezen. Het zijn meestal elastomeren zowel voor de isolatie als voor de mantel. Een elastomeer is zowel voor hoge en lage temperatuur geschikt. Tenslotte kan men door oordeelkundig gebruik te maken van verschillende soorten rubber, bepaalde eigenschappen bekomen. Zo is men erin geslaagd een hogere vuurbestendigheid, een hogere wrijvingsweerstand, betere hittebestendigheid en weerstand aan oliën en oplosmiddelen te bekomen.

Besluit
Kabels zijn beperkt in stroomsterkte en lengte. De belangrijkste oorzaak hiervoor is het thermische gebeuren. Toch werden er gestaag vorderingen geboekt op het gebied van de materiaaleigenschappen. Al naargelang de omgeving waarin de kabels zich bevinden, zijn er aangepaste mantels, isolaties en schermen beschikbaar. Op die manier kan de betrouwbaarheid van een kabel zeer grote voldoening schenken.

Herman Paternoster
met dank aan de Heer Kirschvink, Eupen

Câbles 
Jusqu’où vont les possibilités?

Lors de la conception d’une liaison souterraine par câble, on doit principalement tenir compte de deux limitations. La première est liée au courant maximal autorisé et la seconde concerne la longueur du câble.

Le réchauffement du câble est généralement le facteur le plus déterminant pour la puissance transmissible maximale. Lorsque la température maximale est dépassée, cela peut provoquer un vieillissement accéléré du matériau d’isolation. La conséquence se traduit par des défectuosités anticipées. Au cours des années, les éléments techniques et économiques, qui jouent un rôle dans cet aspect, ont connu une évolution mais la température et l’environnement du câble demeurent les facteurs décisifs.
Autrement dit, la limitation qui est imposée à un câble est essentiellement un problème thermique. L’accroissement de la température est une conséquence de la résistance thermique entre les veines (l’endroit où la chaleur est générée) et l’environnement. Comme il existe une température maximale autorisée, il y a également un maximum pour le flux calorifique par la résistance thermique. Dans un certain sens, le flux calorifique répond à une loi « thermique » de Ohm. Autrement dit : il y aura un grand flux calorifique si les pertes générées sont importantes. Ces pertes dépendent de quatre facteurs : la nature du câble, sa composition, la tension de régime et le courant de régime. Déjà dans la phase de la conception, ces quatre facteurs doivent être évalués sur leur comportement par rapport à la température. Lorsque le câble ne véhicule pas le même courant en continu, on peut, dans une certaine mesure, autoriser un courant plus élevé.
La densité de courant autorisée diminue en fonction de l’augmentation de l’épaisseur des conducteurs. On a trouvé une formule approchante qui dit que :
I = kSexp0,6
dans laquelle I est le courant en Ampères, S le diamètre central en mm² et k une constante.

Source de chaleur
La cause principale de la chaleur est l’effet Joule, représenté par la formule
P = R.P
La résistance totale du conducteur dépend de la résistance spécifique, de la température, de l’effet skin et de l’effet de proximité. Après multiplication par le courant continu au carré, on obtient la puissance en Joule.
En plus de cet effet Joule, il existe d’autres sources de chaleur :
- les pertes d’isolation qui dépendent de la fréquence, de la tension de régime au carré et de la capacité du câble ;
- les pertes dans le manteau qui dépendent des courants de circulation induits et des courants de Foucault et
- les pertes dans le blindage : lorsque le blindage est réalisé en un matériau ferromagnétique, cela peut provoquer un accroissement des pertes. Ceci est certainement le cas pour les câbles monophasés ; dans le cas d’un câble triphasé, le champ déporté vers l’extérieur est limité, certainement dans le cas où les trois conducteurs sont très rapprochés les uns des autres.
En ce qui concerne la résistance thermique, il existe des formules approchantes pour les différentes couches de l’isolation. La résistance thermique entre la couche externe et l’environnement est basée sur la formule de Kennelly qui part d’une surface au sol isotherme. Lorsque différents câbles sont enterrés à proximité les uns des autres, le problème se complique singulièrement. De nombreux facteurs font alors leur apparition : l’humidité, la composition du sol, etc. Cette dernière résistance thermique est la plus importante mais simultanément la plus difficile à calculer.

Longueur critique
En plus de la limitation sur le courant maximal, il y a une seconde limitation : la longueur du câble. Comme les câbles sont capacitifs, le branchement provoque un courant de charge. Ce courant de charge a la valeur suivante :
I = U.w.C : 10³ A/km
dans laquelle
U = la tension de phase en kV
w = la pulsation
C = la capacité de régime en µF/km
La formule précitée indique que le courant nominal peut être atteint lors du branchement d’un câble à vide. Plus la tensions sera élevée, plus la longueur critique sera courte. Pour un câble de 220 kV, cette longueur est de 48 km.

Construction du noyau
Le cuivre et l’aluminium sont les deux conducteurs qui sont utilisés en premier lieu pour les noyaux. Bien que l’aluminium soit plus léger, il a une résistance supérieure à celle du cuivre, il a tendance à couler lors de chargement mécanique et il est plus sensible à la corrosion. Les noyaux peuvent être durs ou souples. La forme peut être ronde ou sectorielle. La forme sectorielle permet une réduction considérable du diamètres des câbles dans le cas de 3 à 4 conducteurs par câble. Les noyaux souples ont toujours une forme ronde.

Isolation
Les fabricants disposent actuellement d’une grande quantité de matériaux isolants. On peut les subdiviser en trois catégories :
- les thermoplastiques (PVC, NYLON, RILSAN, FEP, TEFZEL, ....)
- les thermosets (XLPE)
- les élastomères (EPR, EPDM, caoutchouc à la silicone, les compositions à l’épreuve du feu sans halogènes), les matériaux enroulés (papier imprégné, fibres de polyester, mica).
Dans le cas de températures inférieures à 70°C, le PVC est dur et résistant. Lors de températures inférieures à 5°C, le matériau devient fragile et au-dessus de 70°C, apparaissent des phénomènes de mollesse et de fonte. Les polyéthylènes de ce type résistent mieux aux températures élevées (p.ex. 90°C) que les thermoplastiques. Les élastomères rendent d’excellents services à des températures inférieures à 0°C à cause de leur élasticité.

Ecrans
Les câbles énergétiques pour moyennes et hautes tensions sont pourvus d’écrans comportant une fonction électrique. Lorsque ces écrans sont fabriqués en matériaux non métalliques , ils ont surtout pour fonction d’influencer le champ électrique. Lorsque ces écrans sont placés sur le noyau conducteur, le champ électrique devient plus uniforme et, lorsqu’un écran est placé sur la gaine isolante, il sert à rendre le champ électrique radial. Les écrans de type extrudé ou enroulé sont des matériaux légèrement conducteurs qui sont parfois appelés à tort des semi-conducteurs.
Les écrans métalliques sont généralement placés sur la gaine isolante comportant un écran à faible conductibilité. Ils sont reliés à la terre afin de protéger les personnes, d’éliminer le courant de perte phase-terre en cas de court-circuit et de dévier des courants capacitifs vers la terre. Ces écrans sont fabriqués de différentes couches de fils cuivrés ou de tubes formés de strips soudés en aluminium ou en cuivre. Pour les tensions supérieures à 70 kV, on y adjoint un manteau intermédiaire en plomb.

Les manteaux
Les câbles énergétiques et de transmission peuvent être pourvus de manteaux métalliques en plomb pour protéger les conducteurs de l’humidité et des matières chimiques actives et, simultanément, réduire les courants d’induction. Les câbles de téléphone et de signalisation doivent comporter une protection supplémentaire contre les influences électrostatiques. Cela s’effectue au moyen de tresses ou de rubans en cuivre ou encore de rubans en plastique, traités à l’aluminium. Ils peuvent être appliqués collectivement ou individuellement. Dans tous les cas, ils devront être mis à la terre ou amenés à un potentiel contrôlé. C’est à cet effet qu’on place entre autre des fils de drainage.

Manteau de remplissage
Les conducteurs sont compressés ensemble et recouverts d’un manteau de remplissage. La tâche principale de ces manteaux de remplissage est d’éviter qu’ils ne collent, ni aux manteaux isolants, ni aux écrans ou manteaux externes.

Le blindage
Lorsque les câbles sont soumis à des forces mécaniques importantes, ils sont pourvus d’un blindage métallique. Les blindages métalliques sont généralement fabriqués en bandeaux d’acier ? Il arrive qu’un câble soit exposé à des forces relativement importantes. Dans ce cas, il sera pourvu d’un blindage composé d’une couche de fils d’acier. Les câbles souterrains de diamètre réduit sont généralement des fils de cuivre.
Il est possible que l’ensemble de la section de ces fils de cuivre soit du même ordre de grandeur que le conducteur principal. Il s’ensuit que le cercle, formé par ces fils, peut servir de terre aux appareils qui sont alimentés par ces câbles. Ceci est le cas pour les câbles VFVB mais non pour les câbles EVAVB puisque les fils ont ici pour objectif d’améliorer l’enclenchement du système de sécurité.

Les monoconducteurs
Dans le cas des simples monoconducteurs, l’unique manteau sert d’isolation et de protection. Ne pensons qu’aux VOB et VTB. Comme ces conducteurs sont très vulnérables, ils doivent être placés dans un tube ou autre protection.

Flexibilité
Différentes applications, telles que les postes de soudure, les robots, etc, exigent des câbles souples. On obtient cette flexibilité par une construction à fils multiples du conducteur en cuivre. Les conducteurs sont composés de fins fils torsadés et retordus. L’aluminium n’est pas indiqué car il est trop fragile.
Pour l’isolation, on utilise un autre mélange de PVC. Le PVC pur est obtenu par adjonction d’une composante attendrissante et le rapport de cette composante détermine la graduation entre souple et dur.
Comme le PVC est un thermoplastique et devient dès lors plus tendre lorsque la température augmente, on doit choisir un autre matériau pour les appareils qui contiennent un élément chauffant. Il s’agit généralement d’élastomères, tant pour l’isolation que pour le manteau. Un élastomère convient aussi bien pour les températures élevées que pour les basses.
On peut finalement obtenir certaines caractéristiques en utilisant différents types de caoutchouc à bon escient. C’est ainsi qu’on a réussi à obtenir une meilleure résistance au feu, une résistance plus élevée aux frictions, une meilleure résistance à la chaleur ainsi qu’une résistance élevée aux huiles et solvants.

Conclusion
Les câbles sont limités en intensité de courant et en longueur. La cause principale se situe dans le domaine thermique. Des progrès constants ont toutefois été réalisés au niveau des caractéristiques des matériaux. Des manteaux, isolations et écrans adaptés sont disponibles en fonction de l’environnement dans lequel se trouveront les câbles. De cette façon, la fiabilité d’un câble peut être particulièrement satisfaisante.

Herman Paternoster
avec nos remerciements à monsieur Kirschvink d’Eupen