Les raccords en cuivre, un gage de fiabilité

cover


Étude de la résistance de raccords électriques


Introduction

L'étude présentée ici a été effectuée pour le compte de la Canadian Copper & Brass Development Association (CCBDA) de Toronto, en Ontario, par la société Powertech Lab Inc. de Surrey, en Colombie-Britannique. On peut se procurer la version intégrale de cette étude en s'adressant à
la CCBDA. En raison de la contrainte d'espace, seuls les résultats des essais intensifs sont présentés ici.

Objectif

Les essais effectués visaient à comparer la performance des raccords sous des conditions environnementales extrêmes. Les raccords
soumis aux essais étaient :

• des raccords en cuivre servant à relier des câbles à âme en cuivre ;
• des raccords en aluminium servant à relier des câbles à âme en cuivre ; et
• des raccords en aluminium servant à relier des câbles à âme en aluminium.

On s'est procuré les raccords, les conducteurs et l'inhibiteur d'oxydation servant d'échantillons auprès de plusieurs fabricants. Ces produits standard étaient tous offerts dans le commerce. Le calibre des câbles à âme en cuivre était de 2/0 AWG et celui des câbles à âme en aluminium
de 4/0 AWG.


Contexte

Les raccords en cuivre servent à relier des câbles à âme en cuivre alors que les raccords en aluminium servent à relier des câbles à âme en aluminium ou en cuivre. Parmi les essais servant à tester les raccords pour câbles et fils d'énergie, on compte l'essai de résistance à un
courant cyclique de 500 cycles selon la norme CSA C57 ou AINSI C119.4, qui sert à vérifier le rendement à long terme. Il existe de grandes différences entre les propriétés physiques et électriques de l'aluminium, celles du cuivre et celles de leurs oxydes. Par conséquent, le
rendement à long terme peut varier en fonction de ces propriétés.

L'aluminium s'oxyde facilement au contact de l'air. Une couche d'oxyde isolant très dur se forme rapidement autour du métal. Voilà pourquoi les raccords d'aluminium sont souvent revêtus d'une couche d'étain empêchant l'oxydation des surfaces. Les raccords sertis en aluminium sont remplis d'un inhibiteur servant à réduire l'oxydation au point de contact du câble et du raccord pendant le service. Il faut toujours passer les raccords en aluminium à la brosse métallique pour faire disparaître la couche d'oxyde et appliquer immédiatement l'inhibiteur pour réduire l'oxydation.

Le cuivre s'oxyde aussi au contact de l'air. Mais la couche d'oxyde se formant autour du métal est relativement molle et conductrice, sans pour autant être aussi conductrice que le cuivre lui-même. Voilà pourquoi on utilise souvent les raccords en cuivre sans inhibiteur d'oxyde. Bien que recommandé, le passage à la brosse métallique n'est pas aussi essentiel que pour les raccords en aluminium. Les raccords en cuivre sont souvent revêtus d'une couche d'étain empêchant les surfaces de s'oxyder et de se décolorer. Mais on en trouve aussi sans un revêtement d'étain.

Le cuivre et l'aluminium n'ayant pas les mêmes propriétés, le contact des deux métaux en présence d'humidité déclenche une vive réaction galvanique. On ne peut donc pas utiliser des raccords en aluminium avec des câbles ou fils à âme en cuivre à moins d'avoir recours à un
matériau d'interface plus compatible avec le cuivre et l'aluminium, comme l'étain par exemple. Cependant, l'étain est aussi susceptible de
s'oxyder ; s'il est attaqué, de la corrosion galvanique risque de se former entre les métaux de base.

Le cuivre et l'aluminium ayant des propriétés différentes, le rendement des divers types de raccords électriques peut grandement varier à long terme.

Dans l'étude présentée ici, on a fait subir à des raccords en cuivre servant à relier des câbles à âme en cuivre, à des raccords en aluminium servant à relier des câbles à âme en cuivre et à des raccords en aluminium servant à relier des câbles à âme en aluminium un essai de vieillissement accéléré, c'est-à-dire qu'on les a exposés pendant 2 000 heures à un milieu environnant corrosif, puis pendant peu de temps à
un courant électrique de forte intensité. On a observé que la résistance des raccords en cuivre servant à relier des câbles à âme en cuivre
avait très peu changé et que le rendement de ceux-ci était supérieur à celui des autres raccords testés.


Échantillons d'essai

Les échantillons d'essai étaient diverses combinaisons de câble électrique et de raccords en cuivre et en aluminium, les pièces étant toutes offertes dans le commerce. Le câble à âme en cuivre était un câble toronné à 19 brins 2/0 AWG ; le câble en aluminium, un câble à toron
compact NUAL à 18 brins 4/0 AWG. Le calibre des câbles a été choisi de façon à fournir à peu près le même courant admissible. Les raccords d'essai étaient des raccords de compression et de raccords mécaniques boulonnés à une cosse à un trou. Tous les raccords de compression
en aluminium étaient revêtus d'étain et remplis d'inhibiteur d'oxydation. Le tableau 1 présente la liste exhaustive des échantillons utilisés. La
figure 1 est une photographie des échantillons avant la pose.









Méthodes de pose des raccords

Conformément aux directives du fabricant, on a posé les raccords sur des segments de câbles de 50 cm, de la façon suivante :

  • On a passé tous les câbles à la brosse métallique immédiatement avant de poser les raccords.
  • On a appliqué une couche d'inhibiteur d'oxydation de marque Contax CTB8 de Thomas & Betts sur les câbles à âme en aluminium devant être reliés par des raccords mécaniques.
  • On n'a pas appliqué de couche d'inhibiteur d'oxydation sur les raccords en cuivre devant servir à relier des câbles à âme en cuivre.
  • On a serti les raccords de compression à l'aide d'une sertisseuse de modèle TBM5 fabriquée par Thomas & Betts (Blackburn).
  • On a posé les raccords mécaniques en appliquant les couples indiqués dans le tableau 2.
  • On a posé un égalisateur brasé ou soudé à chaque extrémité du segment du câble pour assurer une bonne répartition du courant électrique sur le conducteur et permettre la mesure du courant et de la résistance.

Déroulement des essais

On a exposé les échantillons à un milieu corrosif pendant une certaine période de temps après quoi on leur a appliqué un courant électrique de forte intensité de façon à reproduire les conditions dans lesquelles les raccords susceptibles de corroder deviennent plus résistants à mesure que les essais progressent.

Voici comment l'essai de résistance à un courant cyclique s'est déroulé :

  • L'exposition à un brouillard salin s'est déroulée par bloc de 500 heures.
  • Les essais d'éclatement sous courant de forte intensité ont été effectués après chaque bloc de 500 heures d'exposition au brouillard salin.
  • Pour chaque raccord, la résistance au c.c. a été mesurée à peu près toutes les 170 heures pendant l'essai de corrosion, de même qu'avant et après chaque essai d'éclatement.
  • Au total, on a effectué quatre ensembles d'essais au brouillard salin et d'essais d'éclatement sous courant de forte intensité, ce qui a représenté environ 2 000 heures d'essais sous brouillard salin.

Essai de corrosion cyclique

On a disposé des groupes d'échantillons sur un support en PVC à trois étages de manière que les segments de câble et les raccords soient placés à l'horizontale et les raccords soient suspendus dans l'air libre. On a ensuite placé le support dans une enceinte à atmosphère contrôlée. On a changé périodiquement la position des raccords de manière que l'exposition au milieu corrosif soit uniforme d'échantillon en échantillon pendant la durée de l'essai.

Voici comment s'est déroulé chaque test de corrosion cyclique de quatre heures :

1. Pendant 1 heure 45 minutes, on a pulvérisé un fin brouillard salin composé d'une solution aérée de NaCl 3 % tamponnée à l'aide d'acide
nitrique pour que son pH soit de 5,5.
2. Pendant deux heures, on a laissé les échantillons sécher à l'air chaud jusqu'à ce que leur température atteigne 70 oC.
3. Pendant 15 minutes, on a rincé les échantillons à l'eau claire.

On a repris ces opérations pendant toute la durée de l'essai de corrosion cyclique.


Raccords en cuivre servant à relier des câbles à âme en cuivre







Essai d'éclatement sous courant de forte intensité

L'essai d'éclatement sous courant de forte intensité visait à favoriser une dégradation accélérée au point de contact du raccord avec le câble.
On a jugé que l'application d'un courant de 1 750 Arms à un câble à âme en aluminium 4/0 et d'un courant de 1 800 Arms à un câble à âme en cuivre 2/0 était suffisante pour produire l'effet désiré. Durant chaque essai, l'intensité du courant électrique a été maintenue constante pendant assez de temps pour que la température du câble témoin s'élève à 250 oC, comme l'attestait la mesure du thermocouple au centre de l'échantillon témoin. Pour obtenir cette température, on a appliqué un courant pendant environ 50 secondes à un câble à température ambiante.

Voici comment s'est déroulé l'essai d'éclatement sous courant de forte intensité :

  • Les jeux de 10 raccords reliés ensemble en série ont tous subi simultanément l'essai d'éclatement sous courant de forte intensité.
  • Le câble témoin a été relié en série avec les jeux de raccords. On a relié un thermocouple au centre de chaque segment de câble témoin pour mesurer le degré de température atteint durant l'essai.
  • On a appliqué successivement cinq courants électriques de forte intensité et de courte durée. On a ensuite laissé l'échantillon témoin refroidir de façon que sa température soit égale ou inférieure à 40 oC entre les essais.

Avant et après chacun des cinq essais d'éclatement sous courant de forte intensité, on a mesuré la résistance de chaque échantillon (depuis l'égalisateur jusqu'au raccord) à température ambiante, à l'aide d'un micro-ohmmètre.


Raccords en aluminium servant à relier des câbles à âme en aluminium






Résultats finals

Les résultats finals de l'essai de corrosion cyclique et l'essai d'éclatement sous courant de forte intensité sont résumés ci-dessous, indiquant
le nombre d'échantillons de chaque type énumérés par pourcentage de changement de résistance au cours de l'essai. Il avait été déterminé
qu'une augmentation de résistance supérieure à 5 % sur toute l'étendue de l'échantillon (égalisateur, segment de câble et raccord) égalait une hausse de résistance de plus de 100 % du point de contact entre le câble et le raccord. Par conséquent, une hausse de résistance de
l'échantillon de plus de 5 % a été jugée significative.

Raccords en aluminium servant à relier des câbles à âme en aluminium

  • Pour 40 % des échantillons, les essais pourraient être considérés comme échoués.
  • Pour 10 % des échantillons, on a observé une augmentation appréciable de résistance.
  • Pour 20 % des échantillons, on a observé une augmentation modérée de résistance.
  • Pour 30 % des échantillons, on a observé une réduction de résistance.

Raccords en aluminium servant à relier des câbles à âme en cuivre

  • Pour 40 % des échantillons, on a observé une augmentation appréciable de résistance.
  • Pour 30 % des échantillons, on a observé une augmentation modérée de résistance.
  • Pour 30 % des échantillons, on a observé une légère augmentation de résistance.

Raccords en cuivre servant à relier des câbles à âme en cuivre

  • Pour 70 % des échantillons, on a observé une légère augmentation de résistance.
  • Pour 30 % des échantillons, on a observé une réduction de résistance.

Dans l'ensemble, la meilleure performance obtenue après 2 000 heures d'essais de corrosion cyclique et d'éclatement sous courant, fut celle des raccords en cuivre servant à relier les câbles à âme en cuivre, le système tout en cuivre.


Raccords en aluminium servant à relier des câbles à âme en cuivre







CANADIAN COPPER & BRASS
DEVELOPMENT ASSOCIATION

Ligne sans frais : 1-877-640-0946
No de télécopieur : 416-391-3823
Courriel : library@copperalliance.ca
Site Web: www.coppercanada.ca