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4.2.3 Application
4.2.3.1 Systèmes d’isolation internes
Réseaux souterrains
Les réseaux souterrains moyenne tension et haute tension sont composés de câbles
blindés et d’accessoires. Les accessoires sont les jonctions et les terminaisons. La figure
4.1 illustre deux câbles de distribution pour des applications à haute (figure 4.1a) et à
moyenne tension (figure 4.1b). Pour séparer le conducteur central du neutre
concentrique, on rencontre trois types de système d’isolation dans différentes
applications : les systèmes d’isolation papier-huile, les systèmes d’isolations extrudés et
les systèmes d’isolation gazeux. Les systèmes d’isolation papier-huile ne sont
pratiquement plus utilisés de nos jours pour les câbles souterrains de moyenne tension.
Au Québec, la très grande majorité des câbles de distribution sont des câbles extrudés.
La figure 4.16 illustre des câbles extrudés isolés au polyéthylène pour différents niveaux
de tension de 5 à 46 kV. Les systèmes d’isolation papier-huile ayant été traités ailleurs
dans le contexte des transformateurs, nous discuterons ici surtout des câbles extrudés.
Figure 4.16 Câbles extrudés de distribution [16].

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a) b)
c) d)
Figure 4.17 : a) Portées de câbles de distribution dans des bac d’eau; b) Touret d’un
câble de distribution; c) jonction séparable; d) terminaisons de câbles (toutes ces photos
proviennent du centre de recherche d’Hydro-Québec (IREQ)).
La figure 4.17 illustre les éléments composants un réseau de distribution 25 kV. Les
matériaux isolants utilisés pour les câbles extrudés sont le polyéthylène basse densité
(LDPE) ou le caoutchouc éthylène-propylène (EPR). Pour améliorer les propriétés
thermo-mécanique du PE, ce dernier est réticulé lors de la fabrication du câble.
Habituellement cette réticulation est activée par un agent chimique (le péroxyde
dicumylique) de telle sorte que l’on parle de polyéthylène réticulé chimiquement (PRC)
ou XLPE en anglais. La figure 4.18 ci-dessous illustre la structure chimique du
polyéthylène et de l’EPR. Les propriétés mécaniques de l’EPR comportent certains
avantages sur le XLPE. En effet, ce matériau est plus souple et son ramollissement à
haute température est moindre que celui du XLPE. Par contre, les pertes diélectriques du
caoutchouc sont au moins 5 fois plus élevées que celles du XLPE. La puissance dissipée
dans le diélectrique qui est donnée par
δω tan
2CVP = (4.55)
est donc plus 5 fois plus élevée. C’est pourquoi on ne rencontre pas les câbles au
caoutchouc pour les niveaux de tension de transport. Un nouveau type de matériau utilisé
de nos jours dans la fabrication des câbles de distribution est le polyéthylène avec
retardeur d’arborescence (TRXLPE). Dans la conception de ce matériau des additifs
polaires sont ajoutés au polyéthylène de base. Différents essais de vieillissement en

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laboratoire ont montré que généralement ces polyéthylènes améliorés présentent une
densité moindre d’arbres d’eau par rapport au XLPE standard. Conséquemment depuis
plusieurs années, Hydro-Québec utilise ce type de matériau pour ses câbles de
distribution. La figure 4.17a montre deux câbles 28 kV de colorations différentes. Le
câble jaunâtre est un câble isolé au TRXLPE. Évidemment, l’ajout d’additifs polaires
augmente les pertes diélectriques du TRXLPE par rapport au XLPE mais ces pertes
restent toutefois plus basses que pour le caoutchouc.
a) b)
Figure 4.18 Structures chimiques a) du PE et b) du caoutchouc EPR [16].
L’épaisseur nécessaire du mur isolant dépend de l’intensité du champ électrique. Le
champ électrique en géométrie coaxiale est donnée par
()
a
b
r
U
Eln
= (4.56)
où a et b sont les rayons internes et externes du mur isolant et U est la tension sur l’âme
centrale. Le champ maximum survient donc au semi-conducteur interne et est donné par
()
a
b
a
U
Eln
max = (4.57)
La tenue diélectrique des isolants extrudés est de plusieurs centaines de kV/mm. Pour
des raisons de fiabilité à long terme, un câble sera évidemment conçu pour que le champ
auquel il est exposé en service corresponde à une fraction de sa tenue diélectrique. Les
valeurs maximales du champ permises dépendent du niveau de tension. Par exemple
pour un câble XLPE 69 kV, la norme AEIC CS7-93 [18] stipule un champ maximum de
6 kV/mm alors que pour un câble 500 kV un champ maximum de 15 kV/mm est
généralement accepté. Pour les câbles 28 kV, la normes AEIC CS5-94 [25] précise un
niveau d’isolation minimal de 7,11 mm. C’est cette valeur qui est utilisée par Hydro-
Québec pour ses câbles 25 kV. Les dimensions du câble de la figure de l’exemple 4.1
correspondent environ aux dimensions d’un câble XLPE 750 kcm - 28 kV tel qu’utilisé
par Hydro-Québec pour son réseau souterrain 25 kV. En utilisant l’équation (4.57), le
champ électrique près de l’âme centrale est alors donné par

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()
mmkV
mm
kV
E/ 61.2
12
19
ln12
4,14
max == (4.58)
Pour les câbles coaxiaux 5 à 46 kV, les niveaux minimum d’isolation sont aussi donnée
dans la norme ICEA S-97-682-2004 [17]. Le 7 mm d’isolation de l’exemple ci-dessus
correspond aussi aux recommandations de cette norme.
Dans la fabrication des câbles et des jonctions des polymères contenant du noir de
carbone sont utilisés comme électrodes. Le rôle des ces semi-conducteurs interne (appelé
écran interne) et externe (appelé écran externe) est d’assurer une géométrie parfaitement
cylindrique, c’est-à-dire d’éviter que la forme des torons du conducteur central ne cause
une concentration locale du champ électrique. Pour fabriquer ces écrans semi-
conducteurs, on utilise des co-polymères thermoplastiques contenant des groupements
polaires de telle sorte que ces matériaux peuvent contenir une quantité importante de noir
de carbone. Pour les jonctions, on utilise des caoutchoucs contenant du noir de carbone
tenant également le rôle de matériaux semi-conducteurs. La figure 4.19a ci-dessous
illustre la création d’un chemin conducteur dans ce type de matériau par contact grain-à-
grain. Ce type de conductivité s’appelle conduction par percolation. Évidemment
lorsque la concentration des particules conductrices n’est pas suffisante, la conduction ne
se fait pas. Par contre, lorsqu’une certaine concentration seuil, le seuil de percolation, est
excédée, le matériau devient conducteur. Ce comportement est illustré à la figure 4.19b
pour différents composites renforcés par du noir de carbone.
a) b)
Figure 4.19 : Propriétés des composites renforcés par du noir de carbone : a)
représentation schématique de la percolation [10]; b) variation de la conductivité en
fonction de la concentration de noir de carbone [11].
Dans un réseau souterrain, inévitablement on doit connecter des câbles entre eux et
raccorder les extrémités des câbles de chaque côté à des transformateurs ou à des câble de
raccordement dans des postes Conséquemment en plus des câbles, le réseau souterrain
comprend des accessoires de raccordements, les jonctions, et des terminaisons. Dans les
deux cas, on doit dans une première étape dégainer le câble sur une certaine longueur de

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sa gaine de mise à la terre. On obtient conséquemment une géométrie dite à électrode
tronquée. Cette situation est illustrée à la figure 4.20 ci-dessous
Figure 4.20 : Terminaison d’un câble coaxiale avec la gaine extérieure dégainée [16].
Pour les applications en haute tension, l’extrémité dégainée d’un système blindé ne peut
pas être laissée avec l’isolation à nu telle qu’illustrée à la figure 4.20. En effet, dans cette
situation, le potentiel au point B est pratiquement le même que celui au point C, c’est-à-
dire le potentiel de l’âme centrale. Puisque le point A est mis à la terre, il se développe
donc un fort champ électrique tangentielle le long de la surface de l’isolation. On
utilisera donc un dispositif spécial, appelé terminaison dans le cas des câbles, ou
traversée dans le cas des transformateur ou revêtement anti-effluves dans le cas des
machines tournantes afin d’éviter que des décharges de surface apparaissent à la surface
de l’isolation lorsque le semi-conducteur externe est interrompu. Cette situation sera
aussi très importante dans le cas des machines tournantes. Pour comprendre la pertinence
de l’utilisation de terminaisons ou de revêtements anti-effluves, il faut se référer à la
forme des lignes équipotentielles le long de la surface dans la situation d’une électrode
tronquée. Cette situation est illustrée à la figure 4.21a ci-dessous.