[PDF] Analyse de la résistance dun conducteur électrique en fonction des

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1 Université Lille Nord de France ± École doctorale SPI - ED072 (LSEE)

THÈSE

Discipline : Génie Électrique

et de sa géométrie

Youcef ZEROUKHI

Soutenue le 18 Novembre 2014

Composition du Jury :

Président du jury:

M. F. BETIN

Rapporteurs :

M. M. FELIACHI

M. L. DANIEL

Examinateurs:

M. C. E. BRUZEK

Mme E. NAPIERALSKA

M. K. KOMEZA

M. G. VEGA

M. F. MORGANTI

Professeur, IUT de St-NAZAIRE - IREENA

Maitre de conférences habilité, U. Paris Sud, LGEP, Supelec Docteur, Nexans France, Établissement de Clichy Professeur, École Polytechnique de Lodz, Pologne, Co-directeur de thèse Docteur, Nexans France - Nexans Research Center Lens, Encadrant

Travail effectué au Laboratoire Systèmes Électrotechniques et Environnement (LSEE), Faculté des

sciences Appliquées, Technoparc Futura, 62400 Béthune 2

Remerciements

Mes travaux de thèse, ont été effectués au Laboratoire des systèmes électroniques et environnement

développement de la société Nexans France, située à Lens et polytechnique de Lodz en Pologne.

Je souhaite remercier Madame Ewa NAPIERALSKA JUSZCZAK, maître de conférences habilitée à

universités de polytechnique de Lodz en Pologne, pour avoir accepté de diriger mon travail pendant

ces trois années de thèse. Je tiens également à remercier Monsieur Fabrice MORGANTI, maître de

apprécié de travailler.

Je souhaite remercier Monsieur Jean-François BRUDNY, professeur des universités et Monsieur Jean-

doctorants. Je souhaite remercier Monsieur Francis DEBLADIS, directeur du centre de recherche et

à David DICKSON, manager du pôle " tréfilage & câblage » pour son soutien et les nombreux

échanges techniques. Une pensée toute particulière à Michel SAUREL, ancien manager du pôle

Sébastien, Isabel, Denis, Emilien, Rodrigue, Thomas, Cédric, Mathieu, Nicolas M. et Nicolas P.,

Daniel, Paul, Thibault, Patricia, Géry, Christian-Eric ... et la liste et longue. Merci à tous mes

collègues des différents sites de production de Nexans à travers le monde qui ont pris part, avec grand

ce travail et pour leur participation à la soutenance.

soutenu et encouragé, et ce, depuis de longues années. Merci à tous mes amis (ies). Merci pour votre

présence et votre soutien, particulièrement dans les moments difficiles. Je remercie également mes

SMUHQPV PHV IUqUHV HP V°XUV j TXL ÓH GpGLH se travail de thèse.

Pour conclure, je tiens à remercier Laure, ma compagne, qui a toujours été présente et encourageante

possible. 3

Résumé

Le mémoire de thèse propose une méthode de modélisation multi physique capable de

comportement mécanique et électrique des câbles électriques.

métallurgique, des contraintes mécaniques exercées et de la conductance électrique des aires de

contact inter-fils. De nombreuses mesures ont permis de définir les caractéristiques des câbles mais

Abaqus®, est utilisée pour étudier les différents paramètres impliqués dans les processus de câblage et

de compactage. Cela a permis de déterminer les déformations géométriques des fils ainsi que les

contraintes mécaniques dans le câble. Les résultats de simulation sont comparés aux mesures afin de

valider la précision des modèles numériques développés.

Un couplage faible entre les modèles mécanique et électrique permet de mettre en évidence la

subi des contraintes mécaniques dues au processus de déformation à froid, le câblage et le compactage.

réduire de 2 % la masse du matériau conducteur utilisés dans les processus de fabrication, tout en

conservant des propriétés mécaniques et électrique répondant aux exigences normatives des

constructeurs de câbles.

Mots clés : Câbles électriques, procédé de câblage et compactage, simulation électromécanique,

méthode des éléments finis, résistance de contact, écrouissage localisé, conductivité électrique,

optimisation. Electrical resistance analysis of a conductor according to the hardening process parameters and its geometry The presented PhD thesis propose multi-physics modeling method able to predict the impact

of stranding and compacting processes parameters on the mechanical and electrical behavior of

stranded conductors. The electrical properties of stranded conductors depend on the nature of the material, on its

metallurgical state, on the mechanical pressure within the conductor and on the electrical conductance

of contact areas between wires. A wide range of measurements has allowed us to define the

characteristics of structures and materials, such as for example the resistivity as a function of the

stresses due to material hardening. The electromechanical modeling with Abaqus and Vector Fields

software are used to study different parameters involved in the stranding and compacting processes to

determine actual wires shapes, induced deformations and actual stresses between wires within the conductor. The results obtained by simulation were compared to experimental measurements to analyze the accuracy of the developed models. By coupling mechanical and electrical simulations, we pointed out the non-homogeneous

distribution of the electrical conductivity along conductor cross sections resulting from the hardness of

each single wire. Applying the optimization procedure, we have identified the parameters able to reduce the mass of conducting material by 2 % while maintaining mechanical and electrical properties that meet the prescriptive requirements of cables manufacturers and standards. Keywords: Electrical conductors, Stranding and compacting processes, electromechanical simulation, Finite Element Method, electrical contact resistance, residual hardness, electrical conductivity and optimization.

Sommaire

4

Sommaire

Introduction: Contexte et objectifs de l'étude ..................................................................................... 7

1 Chapitre 1 - Conception et production des câbles .................................................................... 12

1.1 Analyse bibliographique ........................................................................................................ 13

1.2 Un peu d'histoire sur les câbles ............................................................................................. 14

1.3 Généralités sur les conducteurs électriques ........................................................................... 16

1.4 Le processus de câblage ........................................................................................................ 17

1.4.1 Le procédé de fabrication ................................................................................................................ 17

1.4.2 Paramètres de conception des câbles ............................................................................................... 19

1.5 Le compactage : Procédé de fabrication ................................................................................ 23

1.6 Paramètres et modèles électromécaniques des conducteurs métalliques .............................. 27

1.6.1 Paramètres du modèle mécanique ................................................................................................... 27

1.6.2 Paramètres du modèle électrique ..................................................................................................... 33

1.6.3 Théorie du contact électrique .......................................................................................................... 34

1.6.4 Le contact mécanique ...................................................................................................................... 35

1.6.5 La résistance électrique de contact ................................................................................................. 39

1.6.6 Modèles de conduction électrique ................................................................................................. 42

1.7 Conclusion du chapitre .......................................................................................................... 44

2.1 Mesure de la résistance électrique de contact ........................................................................ 46

2.1.1 Conception et réalisation du dispositif de mesure de résistance de contact .................................... 46

2.1.2 Principe de fonctionnement du dispositif de mesure ....................................................................... 47

2.1.3 Description du protocole de mesure ................................................................................................ 48

2.1.4 Analyse des résultats des mesures ................................................................................................... 49

Sommaire

5

2.4 Étude de l'influence de la réduction de section sur la conductivité électrique et l'écrouissage

d'un fil de cuivre ................................................................................................................................ 64

2.4.1 Description du procédé de tréfilage ................................................................................................. 64

2.4.2 Propriétés mécanique et électriques du fil machine initial .............................................................. 64

2.4.3 Protocoles expérimentaux des essais ............................................................................................... 65

2.4.4 Analyse et bilan des résultats obtenus ............................................................................................. 66

2.5 Conclusions du chapitre ........................................................................................................ 69

3 Chapitre 3 - Simulation numérique par la méthode des éléments finis des procédés de

fabrication ............................................................................................................................................ 70

3.1 Simulation du procédé de câblage ......................................................................................... 71

3.1.1 Choix de la longueur du modèle éléments finis .............................................................................. 71

3.1.2 Données d'entrée et conditions aux limites ..................................................................................... 72

3.1.3 Sensibilité des paramètres de simulation: ........................................................................................ 74

3.1.4 Validation des paramètres de simulations par comparaison aux mesures ....................................... 78

3.2 Simulation du procédé de compactage .................................................................................. 80

3.2.1 Données d'entrée et conditions limites ............................................................................................ 80

3.2.2 Sensibilité des paramètres de simulations ....................................................................................... 82

3.2.3 Validation des paramètres par comparaison aux mesures ............................................................... 89

3.3 Simulation numérique du modèle électrique ......................................................................... 95

3.3.1 Études préliminaires ........................................................................................................................ 95

3.3.2 Validation des paramètres de simulation par comparaison aux mesures des 3 conceptions de câbles

non compactés .............................................................................................................................................. 99

3.3.3 Validation par comparaison aux mesures des 2 conceptions de câbles compactés ....................... 102

3.4 Conclusions du chapitre ...................................................................................................... 109

4 Chapitre 4 ± Optimisation des paramètres de conception des câbles ................................... 110

4.1 Étude préliminaire sur un câble non compacté 1+6 (25 mm²) ............................................ 111

4.2 Optimisation des paramètres de conception du câble .......................................................... 112

Sommaire

6

4.2.1 Paramètres actuels du câble non compacté 1+6 (25 mm²) ............................................................ 112

4.2.2 Méthodologie d'optimisation ......................................................................................................... 112

4.2.3 Optimisation du câble.................................................................................................................... 113

4.3 Influence du nombre de fils sur le poids et la résistance du câble ....................................... 116

4.3.1 Configuration à 19 fils................................................................................................................... 116

4.4 Câbles compactés ................................................................................................................ 120

4.4.1 Câble compacté 1+6 (50 mm²) ...................................................................................................... 120

4.4.2 Câble compacté 1+6+12+18 (240 mm²) ........................................................................................ 125

4.5 Conclusions du chapitre ...................................................................................................... 129

la conductivité électrique .................................................................................................................. 130

5.1 Études préliminaires ............................................................................................................ 131

5.1.1 Protocole des essais et préparation des échantillons ..................................................................... 131

5.1.2 Résultats des essais mécaniques .................................................................................................... 132

5.1.3 Mesure de la résistance électrique pour chaque allongement de fils ............................................. 133

5.2 Analyse des résultats des mesures ....................................................................................... 135

5.3 Simulation numérique ......................................................................................................... 137

5.3.1 Description de la stratégie de couplage ........................................................................................ 137

5.3.2 Validation de la méthode de couplage ......................................................................................... 140

5.4 Conclusion ........................................................................................................................... 144

Conclusions générales et perspectives ............................................................................................. 145

6 Bibliographie .............................................................................................................................. 147

Annexes .............................................................................................................................................. 155

Annexe A : Méthode de résolution du problème mécanique par la méthode des éléments finis 156

Annexe B : Protocole de mesure de la résistance électrique de contact ....................................... 161

Annexe C : Détermination de la réduction de section et e la conductivité des fils de cuivre après

compactage ......................................................................................................................................... 169

Introduction

7

Introduction: Contexte et objectifs de l'étude

Introduction

8

Dans le contexte économique actuel, l'industrie des câbles électriques est face à des défis

techniques et économiques. En effet, à cause de la globalisation des marchés mondiaux et de la hausse

continue du prix des matières premières nécessaires à la fabrication des câbles électriques,

particulièrement le cuivre, les fabricants doivent adapter leurs modèles économiques afin d'assurer la

pérennité de leurs activités. Il leur faut alors mettre en place une stratégie globale en vue d'améliorer

les performances des procédés de fabrication d'une part et, d'autre part, d'optimiser les paramètres de

ŃRQŃHSPLRQ GHV ŃkNOHV pOHŃPULTXHVB I

RSPLPLVMPLRQ GH OM

consommation des matières premières tout en respectant le cadre des exigences normatives des câbles

électriques. Toutefois, cet objectif ne peut aboutir sans une compréhension fine des phénomènes

électriques qui règnent dans les structures des câbles. Pour cela, l'étude des procédés de fabrication et

des paramètres de conception est primordiale afin d'identifier et quantifier leurs impacts sur le

comportement électrique, et plus précisément sur la résistance électrique totale des câbles.

Ces derniers sont généralement constitués d'une âme conductrice en cuivre ou en aluminium et

d'une ou plusieurs couches protectrices en matériaux diélectriques et/ou métalliques. Nos travaux de

recherche se focalisent essentiellement sur l'étude de la partie conductrice du câble. Celle-ci est

constituée de brins unitaires assemblés en couches successives concentriques. La forme des brins peut

être circulaire, profilée, triangulaire, ovale, etc. Généralement, l'âme conductrice est fabriquée en

utilisant des procédés de déformation à froid, tels que le câblage et le compactage. Lors de ces

opérations, elle subit des déformations plastiques de façon à atteindre des spécifications géométriques

bien déterminées. Ces déformations résultent des champs de contraintes générés par les efforts de

traction, de torsion, de compression et de frottement, propres aux procédés de fabrication. Il est admis

que ces déformations influencent les comportements mécanique et électrique de l'âme conductrice.

Du point de vue mécanique, les déformations plastiques des brins unitaires entraînent un

durcissement par écrouissage du matériau modifiant ainsi ses propriétés mécaniques globales. Il en

résulte une augmentation de la limite élastique du matériau et une rigidité mécanique plus prononcée

en traction de l'âme conductrice. Il est entendu que les modifications observées ne sont pas les mêmes

d'une conception à une autre. Elles sont alors dépendantes des paramètres de conception, tels que le

nombre et la forme des brins élémentaires, le nombre de couches, le pas de câblage, la direction de

câblage, le taux de compactage (taux de compression de l'âme), la forme et la dimension des zones de

contact inter-brins.

Du point de vue électrique, toutes ces variations doivent être étudiées afin de quantifier leurs

impacts, à la fois sur la conductivité électrique du matériau, la distribution du courant et la résistance

électrique totale du câble.

des leaders mondiaux des câbles et composants électriques et le laboratoire LSEE, Laboratoire des

Introduction

9

Systèmes Électrotechniques et Environnement. Ce laboratoire, situé à la Faculté des Sciences

Appliquées de Béthune, fait partie des laboratoires de l'Université d'Artois.

câbles électriques, et plus précisément sur leur résistance électrique totale. L'analyse concernera

essentiellement l'étude de la résistance électrique en régime stationnaire (courant continu). Les

objectifs industriels s'articulent autour des points suivants : Comprendre les phénomènes électriques qui règnent dans les âmes conductrices, Dimensionner les âmes conductrices pour obtenir une résistance électrique spécifique, Réduire la consommation des matières premières, particulièrement le cuivre.

sur des modélisations numériques permettant de prédire les comportements mécaniques et électriques

des conducteurs. Dans un premier temps, la reproduction des procédés de câblage et de compactage

Ces modèles, basés sur la méthode des éléments finis, seront exploités afin de quantifier l'influence

des paramètres des procédés de câblage et de compactage sur les propriétés électriques des âmes

conductrices. Les résultats des simulations serviront à établir un ensemble de paramètres de

conception de façon à optimiser la consommation de la matière première. LQIOXHQŃHV VXU OM ŃRQGXŃPLYLPp pOHŃPULTXH GX PMPpULMXB

Du point de vue cristallographique, ces déformations plastiques sont dues à la formation, la

multiplication et le déplacement de défauts linéaires mobiles dans le réseau cristallin du métal. Ces

défauts sont appelés dislocations. Le nombre croissant de dislocations produites lors des déformations

plastiques et leur intHUMŃPLRQ HQPUH HOOHV RX MYHŃ GHV LPSXUHPpV SUpŃLSLPpV" ŃRQGXLP j UpGXLUH OHXU

mobilité. Il en résulte un durcissement de la structure métallurgique du métal. Ce phénomène est

appelé " écrouissage ». Celui-ci provoque également une diminution de la taille des grains augmentant

ainsi le nombre de joints de grains dans la structure du métal. De plus, les défauts et les lacunes

renfermées dans le réseau cristallin du métal, constituent des obstacles vis-à-vis des porteurs de

charges électriques (électrons). Ces variations provoquent une dégradation de la conductivité

conductrice.

La résistance électrique de contact et la variation de la conductivité électrique en fonction de

Introduction

10

comportements. Ensuite, ces dernières seront utilisées dans les modèles numériques en définissant une

Pour traiter tous les aspects des problèmes fixés par les objectifs du travail, nous avons choisi

Le chapitre 1 présente une bibliographie axée sur le comportement électrique et mécanique des

conducteurs électriques. Dans un premier temps, nous développons des notions générales sur les

mécanismes de conception des câbles en milieu industriel et nous décrivons leurs procédés de

fabrication. Dans un second temps, nous faisons un bref rappel sur le comportement mécanique des

matériaux et sur la théorie de conduction électrique en régime stationnaire des conducteurs

métalliques. Les définitions du contact mécanique et électrique seront également développées.

Le chapitre 2 est consacré à la caractérisation expérimentale des paramètres des câbles

de cuivre, au cours du processus de déformation à froid, sur la conductivité électrique du métal. A la

suite de ces expérimentations, nous avons établis des lois de comportement empiriques permettant de

relier les effets mécaniques, tels que les contraintes et les déformations générées lors des processus de

fabrication, sur le comportement électriques des câbles. Ces lois de comportement nous permettrons

Le chapitre 3 est consacré aux simulations numériques des procédés de fabrication des câbles en

nous effectuant une série de comparaisons avec nos mesures réalisées sur plusieurs catégories de

câbles. Dans un second temps, nous mettons en évidence la corrélation entre les effets mécaniques

variation de la conductivité électrique du cuivre.

Le chapitre 4 est consacré à la recherche des paramètres optimaux dans la conception des câbles

paramètres de conception de câbles non compactés. Une seconde méthode est proposée, sans

multicouches.

répartition de la conductivité électrique dans sa section transverse. Dans un premier temps, une série

de mesures permet de définir une loi de comportement empirique reliant les contraintes et les

Introduction

11

déformations à la variation de la conductivité électrique du cuivre. Ensuite, à partir de deux modèles

simples, nous décrivons la stratégie de couplage faible mécanicoélectrique, permettant de prendre en

la variation spatiale des valeurs de la conductivité électrique dans la structure déformée. Nous

sont comparés aux mesures permettant ainsi de valider le bien fondé de notre démarche de couplage.

Enfin, une conclusion générale clôture ce travail de thèse et permet de synthétiser nos résultats

Chapitre 1 : Conception et production des câbles électriques 12

1 Chapitre 1 - Conception et production des câbles

Chapitre 1 : Conception et production des câbles électriques 13

L'objectif de ce chapitre est de présenter les méthodes de conception et de production des câbles

en milieu industriel. Cette présentation est associée à l'analyse de la résistance électrique des

conducteurs en courant continu, en fonction des paramètres de conception et de fabrication. Dans un

premier temps, nous rappelons les notions générales associées à la construction des conducteurs

électriques : types de conceptions, paramètres géométriques, classification et domaines d'application.

Nous décrirons également leurs processus de fabrication, tels que le câblage et le compactage. Dans un

second temps, les notions générales liées à l'analyse de la résistance électrique des conducteurs seront

données. L'influence de certains paramètres, tels que la résistance de contact, les changements des

propriétés mécaniques et électriques du matériau dus aux opérations de câblage et de compactage est

également abordée.

1.1 Analyse bibliographique

Les câbles métalliques sont des structures constituées de plusieurs torons ou fils torsadés

donnés lieu à de nombreux travaux dans la littérature, tant sur le plan expérimental que sur les plans

analytique et numérique. Une description assez exhaustive de ces modèles est présentée dans [1], [2],

[3]. De nombreux travaux ont été consacrés à la modélisation du comportement statique des structures

hélicoïdales sous sollicitations axiales. Différents modèles analytiques négligeant les phénomènes de

contacts et le comportement plastique des métaux ont été proposés, tels que le modèle de Costello [4]

qui est l'un des plus utilisé. Dans le cas des sollicitations axiales, les éléments de la littérature

permettent, via des approches analytiques, la détermination des coefficients de raideur correspondants

via des approches analytiques. Ces modèles sont basés sur une description des constituants de type

poutre courbe. Un bilan comparatif entre ces différents modèles est dressé par Ghoreishi [3]. Chaplin

[5] a montré que ces modèles analytiques sont essentiellement applicables quand le câble est sous

sollicitations élastiques et leurs applications sont, de ce fait, limitées à la prédiction du comportement

métal constituant les fils, etc., sont le plus souvent négligés dans ces modèles. Plus récemment, des

modèles éléments finis 3D commencent à être développés [6], [2], [7], en particulier le modèle 3D de

Jiang [8], qui prend en compte le problème du contact entre deux fils et le comportement non linéaire

des câbles. Précisons également que pour la plupart de ces modèles, les fils ou les torons constituant le

câble sont remplacés par des cylindres équivalents et tenant compte de la géométrie du câble et des

Par ailleurs, les câbles électriques sont fabriqués par des processus de déformation à froid

mécaniques et électriques des câbles. Une modélisation fine des phénomènes mécaniques et

étude. Cela nécessite le développement de modèles numériques permettant de prendre en compte le

couplage des paramètres mécaniques et électriques tels que le contact électrique entre les fils du câble

la résistance électrique totale des câbles. I

la résistance totale du câble est peu abordée dans la littérature ; seules quelques publications y font

référence, [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20]. La plupart des auteurs prennent en compte

une répartition uniforme de la conductivité dans la section transversale du conducteur, [21], [22], [23],

[24], [25]. Chapitre 1 : Conception et production des câbles électriques 14

électriques est la résistance électrique linéaire qui détermine les pertes par effet Joule provoquées par

le passage du courant électrique. Cette résistance dépend de la conductivité du métal, de la

température, du diamètre des brins, des contraintes mécaniques appliquées, de la résistance électrique

de contact entre les fils du câble. Les phénomènes électriques qui existent dans la zone de contact

inter-fils sont complexes car cette interface va dépendre de la pression, de la présence d'un corps

mauvais conducteur (oxydes) et de la taille de la zone de contact. De plus, cette zone dépend de la

capacité du matériau à subir une déformation plastique durant le processus de mise en forme. Il a été

fondamentale réalisée par Holm [26] montre que les phénomènes de surface de contact sont importants

à prendre en compte dans la conception des câbles. Les travaux de R.S. Timsit [27] décrivent ce

problème dans un cadre général. Les auteurs ont étudié les facteurs qui influencent la résistance de

contact électrique et thermique. Dans un certain nombre de travaux, l'influence de la résistance de

contact sur le comportement électrique des conducteurs a été étudiée [28], [29], [30], [31], [32], [33],

[34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44], [45], [46] [47], [48], [49]. Nous devons

la résistance des câbles supraconducteurs [50], [51], [52], [53], [47] [46], [50], [54], il en existe très

peu concernant les câbles classique à température ambiante.

1.2 Un peu d'histoire sur les câbles

La fabrication des structures torsadées et leur utilisation évoluent depuis l'antiquité.

Initialement, nos ancêtres fabriquaient des cordes. De nombreuses représentations montrant la

dans les carrières de calcaire couvertes dans les collines de Mokattam à l'est du Caire [55]. Les

matériaux utilisés pour les fabriquer étaient facilement accessibles. Ils utilisaient principalement de

l'herbe, du papyrus et des gaines fibreuses du palmier [57]. L'utilité de ces cordes était multiple et

d'une grande nécessité pour accomplir les tâches du quotidien. Figure 1.1 : Représentation de la fabrication de cordes dans l'ancienne Égypte - Tombeau de

Akhethotep et Ptahhotep [56]

Les premières constructions de câbles étaient destinées aux applications télégraphiques [58].

l'électricité d'un point à un autre, et l'invention de la lampe électrique par Thomas Edison en 1879

[59]. Quelques années plus tard, vers 1892, Thomas Edison a obtenu un brevet pour ce qu'il a appelé

"conducteur électrique". L'invention ainsi décrite est composée de trois parties (Figure 1.2): un fil

conducteur, une tresse en coton recouvrant le fil et un revêtement extérieur fait de mélanges de

caoutchouc. Chapitre 1 : Conception et production des câbles électriques 15

Figure 1.2 : Dessin du conducteur él [59]

technologiques. Les processus de fabrication sont plus performants. Les câbles sont alors devenus des

structures complexes recouvrant diverses applications dans de nombreux domaines industriels. On

peut citer à titre d'exemple, le domaine de l'aérospatial, l'infrastructure, la télécommunication et les

réseaux de distribution de l'énergie électrique. Les câbles électriques sont conçus pour assurer le

transport et la distribution de l'énergie électrique. Ils doivent tenir compte des contraintes d'usage qui

peuvent être de natures : électrique, thermique, mécanique et environnementale [58] [60]. Leur durée

de vie dépend fortement de ces contraintes et peut varier entre 25 et 40 ans [58]. La plupart du temps,

ils sont constitués d'une partie conductrice en cuivre ou en aluminium, qui est entourée d'une ou

plusieurs couches de matériaux isolants et ou métalliques. La partie conductrice est composée de

plusieurs fils souvent de même diamètre, superposés les uns aux autres en couches concentriques

successives autour d'un fil central droit. Les fils des couches sont enroulés suivant des pas d'hélices,

qui peuvent être identiques d'une couche à l'autre ou différents. De même, le sens d'enroulement des

couches se fait dans des directions semblables ou différentes. Les autres couches du câble, forment

quant à elles, un isolant électrique, un isolant magnétique et des protections contre les courts-circuits

la partie conductrice, que nous dénommerons conducteur électrique ou câble.

Figure 1.3 : câble électrique [58]

Chapitre 1 : Conception et production des câbles électriques 16

1.3 Généralités sur les conducteurs électriques

Les conducteurs électriques existent sous plusieurs formes et géométries. Selon le type

d'utilisation et les contraintes d'usage, ils sont composés d'un ou plusieurs fils et d'une ou plusieurs

couches (Figure 1.4 a). La géométrie des fils peut être ronde, plate, triangulaire, compactée, etc. De

même, la géométrie des fils peut être ronde, triangulaire, ovale, profilée en Z, rectangulaire, cintrée,

etc. (Figure 1.4 b). Figure 1.4 : xemples de géométries de câbles (a) et de fils (b) [61]

La conception des conducteurs électriques doit tenir compte des exigences des normes en

vigueur. Selon le pays, le domaine d'utilisation et les contraintes de services, les géométries des

conducteurs sont composées de plusieurs sous éléments et sous structures. Le plus souvent, ils sont

identifiés par leur capacité à résister aux sollicitations mécaniques. Selon la norme CEI 60228 [62], il

existe quatre familles de conducteurs : Classe 1: Conducteurs mono fil (rigides) Classe 2: Conducteurs torsadés multi couches concentriques (semi rigides) Classe 5: Conducteurs multi torons ou multi tordons concentriques (flexibles) Classe 6: Conducteurs multi torons ou multi tordons concentriques (extra flexibles) Chapitre 1 : Conception et production des câbles électriques 17

Les conducteurs de classe 1 et 2 sont identifiables grâce à leur rigidité mécanique élevée. Ils

sont utilisés dans des domaines nécessitant une bonne tenue mécanique car ils ne tolèrent pas de

grandes déformations. Les conducteurs de classes 5 et 6 sont formés, soit par des fils assemblés dans

différents éléments dans le conducteur procure au câble une souplesse mécanique. Chaque famille est

caractérisée par une plage de section de conducteur, un nombre de fils, etc. (Figure 1.5).

Conducteur

classe 1

Conducteur

Classe 2

Conducteur

Classe 5

Conducteur

Classe 6

Figure 1.5: de construction pour chaque classe de conducteur

conducteurs de classe 2. Pour ce type de conducteurs, il existe deux procédés majeurs de fabrication :

le câblage et le compactage, tous deux décrits dans les parties suivantes.

1.4 Le processus de câblage

1.4.1 Le procédé de fabrication

Le dispositif global pour câbler les fils peut être décomposé en trois parties distinctes

schématisées à la Figure 1.6 : un système de dévidage des fils (bobines donneuse),

câbleuse (Figure 1.6b). Ce processus de câblage débute alors. La câbleuse assemble les fils en les

bobine, qui sert de système de dévidage du câble fini. Chapitre 1 : Conception et production des câbles électriques 18 a. b. Figure 1.6 : Schéma du processus de câblage âbleuse à lyre à double torsion (b) [63]

De manière détaillée, lors du câblage, les fils sont tractés à travers une filière guide par le biais

traction dans le sens longitudinal au câblage. Afin d'éviter le glissement des fils au niveau du cabestan,

un système de freinage est prévu, exerçant une contre-traction qui permet de maintenir les fils tendus.

Selon le matériau et le diamètre des fils, la force de freinage peut varier de 100 à 200 (N) [64].

L'impression du pas de câblage est le résultat de deux mouvements simultanés : une translation et une

rotation. La translation est entraînée par le cabestan et la rotation par la lyre. Le pas de câblage est

obtenu en deux rotations. La première est réalisée entre le point de commettage (Figure 1.7) et le début

de la lyre symbolisé par la lettre A sur la figure. La deuxième torsion s'effectue, quand à elle, entre le

cabestan et le début de la bobine de dévidage symbolisé par la lettre B. La vitesse linéaire de câblage

varie de 10 à 300 (m/min) [64] en fonction de la machine utilisée et du diamètre du conducteur

fabriqué. Chapitre 1 : Conception et production des câbles électriques 19 a. b. Figure 1.7 : Photographie du point de commettage mpression du pas de câblage en deux rotations successives (b)

Précisons que la filière guide, dimensionnée de façon à avoir le même diamètre que le diamètre

extérieur du câble, ne sert qu'à maintenir les fils de la couche autour du fil central. Elle n'exerce

aucune force de compression sur le conducteur.

Le processus de câblage est généralement utilisé pour la fabrication des câbles non compactés.

Nous allons développer dans le point suivant les différents paramètres de conception de ces câbles.

1.4.2 Paramètres de conception des câbles

Les câbles non compactés sont construits à partir d'un ensemble d'éléments dont la structure

peut être non concentrique ou concentrique. Les structures non concentriques sont appelées tordons et

les concentriques, torons (câbles de classe 2).

Le tordon

Il est constitué de fils assemblés aléatoirement. En effet, un certain nombre de fils est regroupé

en faisceau puis twisté pour former le tordon (Figure 1.8). La surface du câble est irrégulière. Ni le

diamètre, ni la circularité du conducteur ne sont contrôlés. Ils sont réservés, dans la majorité des cas,

pour la fabrication des câbles flexibles ou extra flexibles car ils possèdent une rigidité mécanique

moindre que les assemblages géométriques avec un glissement des fils entre eux facilité.

Figure 1.8 : Schéma de la strordon [65]

Le toron

Il présente un assemblage parfaitement régulier des fils. Chaque fil occupe une position bien A B Chapitre 1 : Conception et production des câbles électriques 20

Toron à 7 fils = 1+6

Toron à 19 fils = 1+6+12

Toron à 37 fils = 1+6+12+18

Figure 1.9 : Représentations des constructions typiques de torons concentriques [66] Le nombre total de fils noté ܰ d'un câble concentrique composé de ܭ déterminé par : Dans les paragraphes suivants, nous allons présenter quelques paramètres de conception des

câbles concentriques, tels que le pas de câblage et l'angle d'hélice, la direction de câblage et la section

droite.

Le pas de câblage et l'angle d'hélice

Le pas de câblage ou le pas d'hélice peut être défini comme étant la distance requise pour qu'un

fil d'une couche périphérique effectue une rotation complète autour de l'axe principal du câble (Figure

Figure 1.10 : Schéma représentant le pas de câblage et l'angle d'hélice pour un câble monocouche 1+6 Chapitre 1 : Conception et production des câbles électriques 21
Le pas de câblage peut être calculé pour une couche donnée par :

Où ்ܸ (m.min-1) et ܸ

générées par la machine de câblage.

La longueur du fil torsadé ܮ

Et l'angle d'hélice ߙ

La direction de câblage

Les deux sens de câblage envisageables sont habituellement représentés par les lettres S et Z.

Elles désignent, respectivement, une torsion avec un pas de câblage à gauche et une torsion avec un

pas de câblage à droite (Figure 1.11). a. b.

Figure 1.11 : Schéma monocouche, avec

câblage à gauche S (a) et câblage à droite Z (b)

Les deux directions de câblage peuvent être utilisées pour tous les conducteurs concentriques.

Par exemple, dans le cas d'un câble constitué de deux couches, nous pouvons distinguer 2 possibilités

de câblage : x Câblage conventionnel concentrique

Les couches sont enroulés en sens inverse soit en SZ ou ZS et leurs pas sont égaux ou

S Z Chapitre 1 : Conception et production des câbles électriques 22
Figure 1.12 : Schéma du câblage conventionnel concentrique de type SZ x Câblage concentrique - directions identiques Les couches du câble sont enroulées dans le même sens, soit en SS ou ZZ, et leurs pas sont Figure 1.13 : Schéma du câblage concentrique de type SS

La section droite d'un câble

Les câbles électriques sont le plus souvent identifiés par leur section droite. Prenons l'exemple

d'un conducteur constitué de 7 fils de même diamètre, la section droite de ce conducteur peut être

observée en faisant la projection des cercles délimitant les surfaces des fils dans un plan P

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