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Les isolateurs électriques
Les isolateurs les plus connus du public sont certainement ceux utilisés sur les lignes électriques de Haute ou Moyenne Tension.
Ils sont constitués d'ensembles complexes de pièces de verre et de métal et font appel à des technologies avancées.
Il ne saurait être question ici de rentrer dans les détails de leur conception.
Les isolateurs téléphoniques
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Jadis, les lignes télégraphiques puis téléphoniques étaient constituées par des fils indépendants portés par des poteaux en bois et fixés sur des isolateurs en verre ou en porcelaine.
Il est encore possible de découvrir en FRANCE quelques lignes téléphoniques de cette conception le long d'anciennes voies ferrées.
Mais cette configuration devrait complètement disparaître d'ici quelques années, surtout avec le développement du téléphone cellulaire.
Ces isolateurs étaient vissés sur un support en bois lui même fixé à un poteau. Plus tard, avec la mise en oeuvre de supports plus résistants en acier galvanisé, ils seront scellés à l'aide d'un ciment.
Aujourd'hui, les lignes téléphoniques aériennes sont constituées de fils multiconducteurs enfermés dans un seul fil isolé et suspendus de distance en distance sur des poteaux généralement en bois, mais aussi en béton ou en acier galvanisé.
Cette disposition est plus discrète et demande un moindre entretien.
La résistance au vent est meilleure et les ruptures moindres.
En plus les techniques actuelles permettent un "multiplexage" des informations c'est à dire rendent possibles la circulation simultanée d'un grand nombre de communications sur un même fil ce qui n'était pas possible dans les premières années du téléphone.
Jadis, les fils étaient en laiton (alliage cuivre/zinc) pour garder une bonne conductibilité électrique et une bonne résistance à la corrosion en particulier dans les régions côtières où l'air humide et salin est particulièrement agressif.
Du phosphore ou du silicium ajouté à la matrice de laiton avait permis d'améliorer la résistance mécanique du métal de base et de rendre les fils plus solides et moins cassants.
Cet alliage très particulier, mis au point vers 1880 par l'ingénieur français Lazare WEILLER, est connu sous le nom de bronze siliceux télégraphique.
Les isolateurs présentés ci-contre, de fabrication américaine, étaient installés au début du 20ième siècle sur des lignes téléphoniques ou électriques et étaient montés sur des supports en bois.
La forme extérieure de l'isolateur pouvait varier ainsi que la couleur du verre comme le montre les exemples ci-après.
Plus tardivement et principalement en Europe, les supports en bois ont été remplacés par des supports métalliques en acier galvanisé (protection anticorrosion par du zinc déposé à chaud).
En Amérique du Nord, les supports bois sont encore très utilisés compte tenu des conditions climatiques et sans doute aussi de considérations de maintenance et de coût.
La fonction première de ces dispositifs est bien sûr d'éviter une mise à la terre des conducteurs téléphoniques ou électriques. La forme retenue a pour but d'éviter un court circuit lors des intempéries (pluie, neige, givre ...).
La coupe ci-dessous montre le détail de la forme intérieure que l'on retrouve sur la plupart de ces composants.
Elle permet d'éviter une mise en contact du conducteur avec la terre en cas de pluie ou de condensation sur le verre.
Le conducteur (en rouge à droite) est fixé sur la tête de l'isolateur.
Ce mode de fixation est assez complexe. Il doit permettre à la fois le maintien solide du fil et laisser une possibilité de déplacement pour équilibrer les efforts de traction différentiels.
Cliquez ici pour voir le détail de la fixation du fil conducteur sur l'isolateur (technique française).
Si vous voyagez dans des régions éloignées du FAR-WEST, vous aurez peut-être encore la chance de découvrir une ligne comme celle-ci, dans une configuration quasi identique à celle qu'elle avait au début du télégraphe.
L'ensemble du support est en bois (résineux pin ou sapin) et les isolateurs sont vissés sur une broche en bois très dur usiné.
Compte tenu des conditions de sécheresse de ces régions arides, les lignes, dont la construction remonte sans doute au début du 20 ième siècle, ont semble-t-il bien résisté aux attaques du temps.
Le dessin des isolateurs téléphoniques
Les isolateurs en verre ou en porcelaine ont des formes et des couleurs qui varient à l'infini suivant l'époque et la provenance.
Les isolateurs ci-contre datent des années 1870. Ils équipaient la ligne TUCSON-TOMBSTONE en ARIZONA (souvenez vous de O.K. CORRAL).
Le verre est partiellement dépoli par les vents de sable du désert.
La tête comporte une partie filetée qui assure une fixation solide et permet un démontage facile.
Au FAR-WEST, ces composants étaient souvent détruits par les Cow-Boys qui s'exerçaient au tir sur ces cibles faciles !
Imaginez tous les messages qui ont couru le long de ces fils. GERONIMO, Pat GARRET et Billy the KID ne sont pas loin.
Dans ces contrés lointaines où la vie était rude, les citoyens n'acceptaient pas toujours les jugements prononcés par les Autorités locales à l'encontre des "hors la loi". Ils prenaient alors d'assaut la prison et pendaient le coupable au premier poteau télégraphique venu.
Bien triste utilisation de ces supports dont la fonction première visait l'amélioration de la condition humaine.
On peut imaginer aussi tous les problèmes liés à l'entretien, la surveillance et l'extension de ces réseaux télégraphiques dans des pays immenses comme les Etats-Unis.
De plus, en période d'instabilité politique, voire de guerre, la lutte contre le sabotage organisé de ces liaisons sensibles était un soucis permanent des autorités civiles et militaires.
Fixation des isolateurs
Les premières lignes téléphoniques qui ont été construites vers le milieu du 18ième siècle, n'étaient pas équipées avec les dispositifs de supportage et d'isolation des fils que nous connaissons aujourd'hui.
L'isolateur en verre ou en porcelaine n'existait pas encore.
Les fils étaient souvent simplement supportés par des crochets en fer fixés à des poteaux en bois.
Pour eviter une mise à la terre des conducteurs, le crochet était isolé du bois par un manchon en caoutchouc (plus tard en verre).
Ces ramshorn insulator, comme les collectionneurs américains les appellent aujourd'hui, ont été très employés sur les lignes de l'Ouest américain dans les années qui ont précédé la guerre civile (guerre de Sécession).
Plus tard, vers 1870, l'emploi des isolateurs en verre ou en porcelaine s'est généralisé. Ces isolateurs téléphoniques étaient en général vissés sur des supports en bois (pins) cloués sur des traverses.
Très tôt, l'Europe a opté pour des supports métalliques. La liaison entre l'isolateur en verre et la tige de maintient est dans ce cas réalisée par un scellement.
Diverses techniques ont été employées, par exemple scellement au soufre fondu, à la litharge, mais les fabricants d'isolateurs ont assez rapidement préconisé l'emploi de plâtre à modeler additionné de colle forte liquide à froid ou des scellements au ciment de portland à prise lente.
La meilleure recette semblait être la suivante :
"Un kilogramme de plâtre gaché serré avec une demi bouteille d'eau (40 cl) et une cuillère à soupe de colle forte liquide".
La recette était sûrement bonne, car presque un demi siècle plus tard, le démontage des ces isolateurs de leur support métallique est une vraie galère !!
Autres types d'isolateurs
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La porcelaine a été aussi un matériau très employé dans la fabrication de supports isolants.
L'image ci-contre montre quelques exemples d'applications :
Isolateur d'antenne en forme d'oeuf, poulie support pour fils électriques, isolateur de mat d'antenne à oeillets, isolateur téléphonique etc ...
Cliquez ici pour découvrir quelques exemples d'anciens isolateurs télégraphiques, d'origine française, en porcelaine.
Tension des fils et risque de ruine des lignes
Entre les poteaux distant d'une portée p, le fil se courbe en forme de chaînette sous l'effet de son propre poids (effet de la pesanteur).
Pour limiter la flèche du fil et son balancement sous l'effet du vent, il est nécessaire de tirer sur le fil.
Le fil prend alors une flèche (f) d'autant plus faible que la tension sur le fil est forte et que la distance entre les poteaux (p) est petite.
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Mais il ne faut pas dépasser un certain effort sous peine de voir le fil se rompre.
Pour les mécaniciens, la flèche s'exprime par la relation suivante :
Le poids du fil (P en Kg par mètre) dépend bien sûr de la section du conducteur fixée par la puissance électrique et les pertes en ligne par effet joule.
En général la tension maximale T est limitée au 1/4 de la résistance à la rupture du matériau employé.
Pour le bronze phosphoreux ou le bronze siliceux, cette résistance à la rupture est d'environ 70 Kg/mm2.
La valeur de contrainte maximale admissible prise en compte dans les calculs des lignes laisse une marge pour tenir compte des effets de la température, du vent et de la neige, mais ne protège pas d'un givrage exceptionnel des fils.
Les effets du vent en Europe sont limités et ne représentent pas des efforts supérieurs à quelques dizaines de gramme-force par mètre de conducteur.
Les effets de la température sont beaucoup plus grands et pourraient conduire à des ruptures de lignes s'ils étaient mal pris en compte au montage.
Sachez par exemple que pour des poteaux distants de 50 m, une flêche des fils de 75 cm à 20 °C passera à 50 cm à 0 °C et sera seulement de 13 cm à -25 °C
On imagine que si les fils sont trop tendus au montage en été, ils casseront en hiver sous l'effet de l'effort suppémentaire dû au racourcissement du métal par le simple effet de la température.
Le givrage lui, conduit à la formation d'une gaine de glace autour du fil qui augmente son poids. En général, cette augmentation n'excède pas 1 kg au mètre et la vie de la ligne n'est pas en danger.
Des cas de givrages exceptionnels peuvent conduire cependant à la formation d'une gaine énorme (jusqu'à 20 cm de diamètre) qui augmente la masse du conducteur de plus de 12 kg au mètre. De plus le fil est soumis à un effet de torsion qui le vrille. Dans ces conditions, l'effet conjugué de l'augmentation de poids et du vrillage du fil peut conduire à la rupture de la ligne.
La flèche sur les lignes télégraphiques était en général limitée à 0,75 mètres par les normes d'installation.
Cette contrainte conduisait à séparer les poteaux d'une distance ne dépassant pas 50 mètres compte tenu des caractéristiques mécaniques des matériaux employés.
Cliquer ici pour agrandir l'imageLes données indiquées sont tirées de valeurs de référence du Post-Office anglais vers 1878 et obtenues à partir d'essais réalisés sur des alliages mis spécialement au point à l'époque.
Les valeurs actuelles n'ont pas sensiblement changé. Toutefois on a utilisé depuis la deuxième guerre mondiale (période où le cuivre est devenu métal stratégique), des câbles composites en aluminium/acier ou en alliage de type Almélec ou Aldrey.
Épissure de raccordement de 2 fils téléphoniques
Fils en Bronze siliceux - Diamètre 3 mm
Les isolateurs d'antenne pour la radio
Les isolateurs d'antenne de TSF ont une forme différente.
Pour les antennes unifilaires dites long fil, le plus connu des isolateurs est le VEDOVELLI, sorte de noix de porcelaine pourvue de 2 trous pour insérer les fils.
En général, 2 ou 3 isolateurs en série sont montés aux deux extrémités du fil d'antenne.
Une poulie à une extrémité permet de tendre l'antenne et de la démonter en cas de besoin.
Il existe aussi des maillons en forme d'os, tels ceux représentés sur l'image ci-contre....
... ou en forme d'olive en porcelaine ou en verre pour maintenir des antennes légères à usage domestique.
Des isolateurs en verre sont utilisés pour tendre un long fil entre deux mats sur les gros bateaux de la marine marchande ou sur des bateaux plus petits (bateaux de pêche, chalutiers, thoniers ....).
Aujourd'hui l'emploi d'émetteurs/récepteurs utilisant des bandes hautes fréquences (liaisons VHF) a fait disparaître ces longues antennes au profit d'antennes courtes verticales (antennes fouet).
Quelques exemples isolateurs dédiés à d'autres fonctions
Isolateur téléphonique
Origine Mauritanie
Cet isolateur téléphonique pour ligne nue ou en cable isolé était installé sur la voie ferrée industrielle d'une mine de fer entre Zouérate et Nouhadibou (Nouâdhibou) en Mauritanie.
Depuis 1974, c'est la Société nationale industrielle et minière (SNIM), qui contrôle en Mauritanie, l'extraction du minerai de fer. Celui-ci provient de trois mines à ciel ouvert - Guelb El Rhein, Kedia d'Idjll et M'Haoudaz. La production est d'environ onze millions de tonnes de minerai par an ce qui fait de la Mauritanie le troisième producteur mondial de minerai de fer après le Brésil et l'Australie. Ce minerai est acheminé jusqu'au terminal portuaire de Cansado à Nouadhibou sur une distance de 650 km à travers le désert par une ligne ferroviaire longeant la frontière du Maroc. Sur cette voie circule un des plus longs trains du monde : 2,5 km de long, 200 wagons transportant le minerai et quelques voitures pour passagers.
La partie centrale de l'isolateur est un anneau en fibre composite multi-couches qui confère une grande résistance à la traction à l'ensemble.
Cet isolateur en verre servait à faire passer les descentes de paratonnerre et à les isoler des façades ou des toits.
Les spécifications de l'époque indiquait en effet que le cable de descente devait être supporté de loin en loin et éloigné du toit d'environ une quinzaine de centimètres (6"). Des "crampons" métalliques étaient prévus à cet usage.
Certains spécialistes, en particulier aux Etats-Unis, préconisaient même d'isoler le cable de descente.
Pour ce faire on pouvait trouver dans le commerce des supports spéciaux avec un isolateur en verre muni d'un trou central dans lequel passait le cable.
L'isolateur présenté ci-dessus, à droite, à un diamètre extérieur et une hauteur de 2" (environ 50 mm) et le trou central a un diamètre de 3/4" (environ 18 mm).
Celui de gauche est monté sur son support métallique. Cette entretoise pouvait être clouée sur les poutres du toit comme celle présentée ou se terminer par une partie filetée pour être vissée directement dans le bois ou dans une cheville.
Fil pour descente de paratonnerre
Fils en cuivre composé d'une tresse multi-brins - diamètre 3/4" environ
Echantillon original datant des années 1900
Origine Etats-Unis
Le domaine des collectionneurs
La variété de forme et de couleur des isolateurs téléphoniques et des différents dispositifs d'isolation électrique, a conduit à en faire de vrais objets de collection. Il existe même des clubs importants de collectionneurs tel le NIA (National Insulators Association) aux USA.
Ces composants ont même inspiré de grands artistes comme en témoigne cette oeuvre de Salvator DALI exposée au musée de Figeras.
Il existe des milliers de sortes d'isolateurs en verre ou en porcelaine de couleurs diverses et de formes très variées qui font la joie des collectionneurs.
Pour le plaisir des yeux voici quelques modèles d'isolateurs téléphoniques et électriques, en verre et en porcelaine vernie.
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et pour terminer sur ce sujet passionnant, voici l'image insolite de la Chapelle de Pincher Creek.
L'Eglise de Pincher Creek
Photo Westworld Magazine, Spring, 1999
La ville de Pincher Creek est située dans l'Alberta au Canada à environ 200 km au sud de Calgary près de la frontière américaine. Son église est l'une des 13 constructions au Canada qui ont été réalisées en incorporant dans les murs plus de 200,000 isolateurs téléphoniques de récupération. Cette conception donne aux murs de l'édifice l'aspect d'un immense vitrail et laisse rentrer une lumière multicolore du plus bel effet dit-on.
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Saône et Loire - France
La façade est ornée de 2 médaillons qui rappellent
les lignes téléphonique d'antan
avec leurs isolateurs de verre ou de procelaine
Sources :
- Collection personnelle du webmaster complétée de quelques images trouvées sur le web.
- Manuel Pratique du Téléphone - Dr V. Wietlisbach - Editions Bernard TIGNOL - PARIS - 1890
Merci à mon ami Bob Scafe collectionneur canadien qui m'a donné quelques belles images de son pays
Merci à Jean-Pierre Guélon pour ses images de Saint-Désert