Tewfik KHAYATE

Tewfik KHAYATE
Laura MILLOT
Yoann ROTMAN
Projet de Cindynique
Avril 2000
LA FOUDRE
DANGER, PREVENTION ET PROTECTION
Tuteur : J.L. QUERI
SOMMAIRE
INTRODUCTION……………………………………………………………………….…………….………….3
A-LE PHENOMENE DE LA FOUDRE ............................................................................................................. 4
I-BREF HISTORIQUE................................................................................................................................... 4
II-LES PHENOMENES PRECURSEURS .................................................................................................... 4
1°)L'ACTIVITE ORAGEUSE ...................................................................................................................................... 4
2°)L'ELECTRIFICATION DU NUAGE D'ORAGE ............................................................................................................ 6
3°)PHENOMENOLOGIE ELECTRIQUE ........................................................................................................................ 6
III-L’ECLAIR................................................................................................................................................. 9
1°)CHAMPS ELECTRIQUES ET ORAGES..................................................................................................................... 9
2°)INITIATION DE L'ECLAIR .................................................................................................................................. 10
3°)CLASSIFICATION DES COUPS DE FOUDRE .......................................................................................................... 11
4°)DESCRIPTION DU COUP DE FOUDRE NEGATIF .................................................................................................... 11
B-PREVENTION ................................................................................................................................................ 13
I-MESURES ET SYSTEMES DE DETECTION ........................................................................................ 13
1°)LA METHODE PAR LOCALISATION HYPERBOLIQUE ............................................................................................ 13
a)Fonctionnement ..................................................................................................................................... 13
b)Caractéristiques..................................................................................................................................... 14
c)Performances ......................................................................................................................................... 15
2°)LA METHODE GONIOMETRIQUE ........................................................................................................................ 15
a)Fonctionnement ..................................................................................................................................... 15
b)Performances......................................................................................................................................... 17
3) INTERFEROMETRIE ........................................................................................................................................... 17
a)Fonctionnement ..................................................................................................................................... 18
b)Performance .......................................................................................................................................... 18
c)Caractéristiques fournies par le constructeur........................................................................................ 18
d)Utilisations............................................................................................................................................. 19
II-UN SYSTEME DE DETECTION PARTICULIER : METEORAGE ..................................................... 20
1°)LES DETECTEURS UTILISES PAR METEORAGE............................................................................................... 20
2°)LA SURVEILLANCE EN TEMPS REEL .................................................................................................................. 20
3°)L’ANALYSE EN TEMPS DIFFERE ........................................................................................................................ 22
C-PROTECTION CONTRE LA FOUDRE ..................................................................................................... 23
I-PRELIMINAIRES ..................................................................................................................................... 23
1°)EFFETS DE LA FOUDRE SUR UNE INSTALLATION INDUSTRIELLE ......................................................................... 23
a)Les effets directs..................................................................................................................................... 23
b)Les effets indirects ................................................................................................................................. 23
2°)ETUDE PREALABLE .......................................................................................................................................... 24
a)La législation sur les risques de foudre sur les installations industrielles ............................................. 24
b)L'étude préalable : une approche cindynique ........................................................................................ 24
3°)UNE APPROCHE DETERMINISTE DE LA PROTECTION .......................................................................................... 24
II-LES DISPOSITIFS DE PROTECTION................................................................................................... 25
1°)LA PROTECTION EXTERIEURE ........................................................................................................................... 25
2°)LA PROTECTION INTERIEURE ........................................................................................................................... 27
III-MODELISATIONS ET ESSAIS ............................................................................................................ 28
1°)MODELISATION ............................................................................................................................................... 28
2°)ESSAIS ET SIMULATIONS .................................................................................................................................. 28
a)Généralités............................................................................................................................................. 28
b)Essais de simulation de la foudre sur des maquettes au sol................................................................... 29
CONCLUSION………………………………………………………………………………………..……...….31
2
INTRODUCTION
Symbole antique du courroux divin dans la main de Zeus, la foudre a longtemps fait
peur aux hommes. Grâce à Benjamin Franklin, on sait aujourd’hui qu’elle est de nature
électrique et que des décharges peuvent être générées par un nuage électrisé : ce sont les
orages. Environ un tiers de ces décharges frappent le sol : on parle alors d’éclairs ou de coups
de foudre.
Pour le seul territoire français, on estime à 1,5 millions le nombre de coups de foudre
qui s'abattent chaque année sur le pays. La foudre cause des victimes et d’importants dégâts :
entre vingt et quarante personnes foudroyées, des centaines de bêtes tuées, des milliers
d’incendies, des explosions de liquides ou gaz inflammables, les dommages se chiffrant
chaque année en termes de milliards de francs.
On conçoit donc que les recherches sur la foudre, au-delà de la seule connaissance
scientifique, se donnent pour objectif le développement des moyens et des méthodes pour s’en
protéger. Nous chercherons donc tout d’abord à présenter l’état des connaissances actuelles
sur la foudre : d’où vient-elle ? sous quelle forme se présente-t-elle ? Puis nous verrons alors
quels moyens de protection et de prévention sont actuellement mis en œuvre, afin de se
préserver et de préserver nos installations des risques liés à la foudre.
3
A-LE PHENOMENE DE LA FOUDRE
I-BREF HISTORIQUE
Depuis les temps les plus reculés de l’humanité, l’homme a été terrorisé et fasciné par
la foudre et le tonnerre. Depuis la plus haute Antiquité, il faisait appel à des divinités pour
expliquer ces phénomènes et pour conjurer le danger. La foudre était associée à la colère des
dieux et à la notion de châtiment pour les fautes ou les péchés.
On retrouve ces représentations primitives chez tous les peuples et dans toutes les
religion de la terre, y compris chez les chrétien du Moyen Age.
Ce n’est qu’au XVIIè siècle que l’homme commence à se dégager de ces terreurs, et
c’est du XVIIIè siècle que l’on peut dater les débuts de la connaissance proprement
scientifique de la foudre. On rappellera notamment la célèbre expérience du cerf-volant de
Franklin en Amérique, les travaux de l’abbé Nollet, puis l’expérience de la « tige de Marly »,
réalisée par Buffon et Dalibard en France, qui devait identifier sans doute possible la nature
électrique de la foudre.
Le XIXè siècle s’attacha surtout à rassembler des statistiques, concernant le nombre et
la répartition des victimes de la foudre, les diverses manifestations par lesquelles la foudre
frappe les êtres vivants, édifices et objets. On sait ainsi qu’au cours du XIXè siècle, la foudre
a tué, en France seulement, plus de 10000 personnes, soit 100 par an en moyenne, avec un
maximum de 187 en 1892, nombre assez considérable, si on le compare à la trentaine de
victimes annuelles aujourd’hui. Cela s’explique évidemment par le fait que la France du siècle
dernier était essentiellement rurale, et que par conséquent beaucoup de personnes se
trouvaient aux champs pendant les orages.
II-LES PHENOMENES PRECURSEURS
1°)L'ACTIVITE ORAGEUSE
La foudre est un phénomène électrique, lié à la formation de nuages électrisés : les
nuages d'orage. Cependant, la foudre n'est qu'une manifestation de l'orage; les précipitations
(pluies, grêles) et le vent en sont des manifestations tout aussi dangereuses.
De nombreux scientifiques ont essayé de décrire la phénoménologie des orages.
Malheureusement la complexité des phénomènes orageux est telle qu'aucun modèle
satisfaisant n'existe à ce jour.
4
Les nuages orageux sont d’énormes masses généralement de type cumulo-nimbus, en
forme d’enclume, occupant une surface de plusieurs dizaines de kilomètres carrés, ayant une
épaisseur de plusieurs kilomètres. Leur volume peut dépasser 1000 km3 et leur masse est de
l’ordre de centaines de milliers de tonnes d’eau. Ils sont constitués de gouttes d’eau dans leur
partie inférieure, de particules de glace dans leur partie supérieure.
La formation des nuages d'orage trouve son origine dans la présence d'une instabilité
thermique importante de l'atmosphère, soit liée à des conditions météorologiques locales :
réchauffements de masses d'eau (orages de chaleur), en présence d'accidents de reliefs, soit à
la rencontre de fronts atmosphériques froids avec des fronts chauds (orages cycloniques), soit
des deux.
Des mouvements de convection prennent alors naissance et conduisent à des
phénomènes de condensation de masses de vapeur d'eau importantes favorisant la création de
gros nuages cumuléiformes. Ces nuages peuvent se développer pratiquement entre quelques
milliers de mètres du sol et la stratosphère (plusieurs dizaines de kilomètres). Leur
développement horizontal est très variable et peut atteindre des fronts de plusieurs dizaines de
kilomètres. Certains orages restent stationnaires, d'autres peuvent parcourir des distances
considérables (quelques milliers de kilomètres).
On distingue deux sortes d'orages :
•
•
les orages de convection, ou orages isolés, naissent de l’effet combiné de l’humidité et du
réchauffement local du sol : il se forme alors une « bulle » d’air chaud et humide, qui
s’élève pratiquement isolée thermiquement de l’air environnant. Cette bulle formera un
nuage orageux aux altitudes où la condensation commencera. C’est l’orage de chaleur,
souvent très localisé, qui ne dure généralement que 1 à 2 heures,
les orages océaniques ou frontaux naissent de la rencontre de masses d'air importantes de
température et d'humidité différentes. Cette rencontre produit également des courants
ascendants accompagnés de condensation. Les fronts orageux ainsi formés peuvent durer
plusieurs jours et se propager sur des milliers de kilomètres (squall lines ou lignes de
grains).
Parallèlement à ces phénomènes thermodynamiques, il se produit une séparation des
charges électriques au sein du nuage. La partie supérieure des nuages orageux, constituée de
cristaux de glace, se charge positivement, tandis que leur base se charge négativement. On
observe souvent un îlot de charges positives enserré dans la masse négative. Les estimations
concernant la charge totale formée montrent que celle-ci est très variable : entre quelques
dizaines et quelques centaines de coulombs, selon la violence des orages.
L'observation et la détermination des principales caractéristiques physiques des nuages
ne peuvent être appréhendées que par des moyens indirects en raison de l'extrême violence
des phénomènes météorologiques à l'intérieur du nuage. Les moyens dont on dispose sont
donc les mesures directes périphériques (ballons sondes, avions spécialement équipés), les
observations à partir du sol ou à partir de satellites et fusées (photographies, radars) et
l'analyse des informations électriques émises par les coups de foudre.
5
2°)L'ELECTRIFICATION DU NUAGE D'ORAGE
Deux éléments caractérisent les nuages orageux :
•
•
la présence d'une masse d'eau importante, qui de fait va se trouver sous forme vapeur,
liquide (eau et eau surfondue) et solide (cristaux de glace, grésil, grêlons...),
des mouvements de convection atmosphériques notables conduisant à des vents
extrêmement violents pouvant dépasser la centaine de kilomètres/heure.
Par suite de phénomènes physiques encore largement inexpliqués, on constate que des
décharges électriques vont se former à l'intérieur du nuage, majoritairement négatives en bas
du nuage, et positives en haut du nuage. L'éclair n'est ni plus ni moins qu'une décharge
électrique permettant le rééquilibrage et la recombinaison de ces charges, en mettant en jeu
non seulement le nuage, mais également les structures au sol par influence électrostatique.
La majorité des éclairs se développe à l'intérieur des nuages, activité qui, d'ailleurs,
n'est pas directement accessible à la perception humaine. Ce n'est que moins de 10 % de
l'activité orageuse qui intéresse le sol.
La phénoménologie de la foudre et la protection contre ses effets s'appuient sur l'étude
de deux aspects fondamentaux :
•
•
l'étude et la maîtrise du point de connexion, ainsi que l'évacuation de l'énergie de la
foudre, ce qui très schématiquement correspond à l'aspect "protection contre les effets
directs",
l'étude et la maîtrise des effets liés à la circulation d'un courant de grande amplitude, ce
qui, toujours schématiquement, correspond à l'aspect "protection contre les effets
indirects".
3°)PHENOMENOLOGIE ELECTRIQUE
Les nuages orageux sont de type cumulo-nimbus et sont composés de cristaux de
glace, de grêlons et d'eau surfondue. A l'intérieur du nuage coexistent des vents violents
(jusqu'à 200 km/h) conduisant à des processus d'ionisation par collisions des particules
constituant le nuage.
Deux types de théories tentent d'expliquer l'activité électrique des orages, mais aucune
n'est franchement satisfaisante.
La première attribue un rôle essentiel aux porteurs de charges libres positifs et
négatifs, dont la répartition à l'intérieur du nuage dépendra de leur entraînement par les
mouvements de convection naturelle du nuage.
La deuxième théorie s'appuie sur des processus d'échanges de charges entre les
particules qui entrent en collision à l'intérieur du nuage. Ce transfert de charges s'effectue
entre les petits cristaux de glace (quelques micromètres) et les particules de grésil (quelques
millimètres), en présence d'eau surfondue. Pour une température inférieure à -10°C, c'est-à6
dire dans la partie supérieure du nuage, les cristaux se chargent positivement, et le grésil
négativement. Pour des températures supérieures à -10 °C, donc dans la partie inférieure du
nuage, c'est l'inverse qui se produit. La répartition des charges dans le nuage est alors régie
par les transferts de charges vers les particules précipitantes.
Dans tous les cas, le processus conduit, phase 1 du développement, à la création d'un
tripôle électrique. Une charge principale négative se trouve entre 2 et 6 km du sol et est
généralement constituée de gouttelettes d'eau à une température descendant jusqu'à -15 °C.
Au-dessus et jusqu'à des altitudes de 15 km, se trouvent des particules de glace chargées
positivement (figure 1). Enfin, on trouve souvent une petite charge positive tout en bas du
nuage (description de Krehbiel, 1986).
Figure 1 : Profil du champ électrique dans un nuage d'orage à son initiation
La phase 2 du développement est caractérisée par le début d'une activité électrique à
l'intérieur du nuage d'orage, alors que le champ électrique atteint quelques centaines de
kilovolts par mètre et qu'on note une grande densité d'hydrométéores. Cette activité orageuse
se trouve corrélable avec l'accroissement de la cellule orageuse et trouve son maximum
d'intensité avec le développement maximal de cette cellule orageuse.
La phase 3 est celle de la maturité et est caractérisée par une activité orageuse
intranuage intense, le maximum d'activité convective et des phénomènes internes importants.
Elle précède toujours la phase 4 et l'activité postérieure de l'orage peut être appréhendée par
7
l'étude de cette phase. L'étude des déplacements des cellules orageuses permet d'estimer la
vitesse de propagation et la direction des orages. Les prévisions sont actuellement réalisées
sous 30 min., pour des zones limitées à 150-200 km.
La phase 4 est celle de l'effondrement du nuage. L'activité intranuage décroît tandis
que l'activité au sol atteint son apogée : foudre nuage-sol, précipitations violentes de grêle ou
de pluie, vents violents et cisaillements de vent (microbursts), particulièrement dangereux
pour la navigation aérienne et les structures de grande hauteur. C'est à ce moment-là que les
manifestations au sol présentent le risque le plus important pour l'homme.
Un orage verra le développement ininterrompu de cellules orageuses de ce type.
Initiation
Développement
Maturité
(phase 1)
(phase 2)
(phase 3)
activité électrique
début de la phase d'activités
début des
intense
mécanismes
activité électrique
d'électrification
développement vertical
intranuage
maximal
vents ascendants violents
activité convective
intense
Décroissance
(phase 4)
décroissance de
l'activité interne
répercussions au
sol maximales :
foudre, pluies
violentes, grêle,
cisaillements de
vents
phénomènes internes
sévères
Tableau 1 : Les différentes phases de développement d'une cellule orageuse
Globalement, les différentes phases ont les durées approximatives suivantes :
•
•
•
Phase d'électrisation du nuage (phase 1) : une dizaine de minutes,
Phase de croissance et maximum (phases 2 et 3) : très variable, peut atteindre l'heure,
Phase de manifestation au sol (phase 4) : 5 à 35 minutes après l'activité intranuage.
L'activité intranuage représente de 70 à 90 % de l'activité électrique globale. Dans les
cas d'orages très violents, elle atteindrait 99 % de l'activité globale.
8
III-L’ECLAIR
1°)CHAMPS ELECTRIQUES ET ORAGES
Lorsque le nuage est mûr pour éclater en orage, il constitue un vaste dipôle, créant des
champs électriques entre les différentes couches intérieures, de même qu’entre sa base et la
surface de la terre. Précisons qu’il existe en permanence dans l’atmosphère un champ
électrique faible qui, mesuré sur un terrain plat et par beau temps, est de l’ordre de 100 à 150
V/m, et qui est dû à des charges positives situées à des altitudes de l’ordre de cinquante
kilomètres. On pense que les orages jouent un rôle important dans la genèse de ces charges.
Au moment de la formation ou de l’approche d’un nuage chargé, sous l’influence des
charges négatives qui sont disposées à sa base, et dont l’effet devient prépondérant, le champ
électrique au sol commence à s’inverser, puis croît dans de fortes proportions : il peut
atteindre des valeurs moyennes de –15 à –20 kV/m. Lorsque son intensité atteint environ –
10kV/m, on peut dire qu’une décharge au sol est imminente (figure 2). Cette inversion, puis
cette forte croissance du champ électrique, est donc le premier signe annonçant la chute
probable de la foudre. La mesure de ces variations est d’ailleurs utilisée dans des appareils
d’alarme sur certains chantiers à risque.
Figure 2 : Schéma du champ électrique au sol
Les valeurs de champ électrique indiquées ci-dessus supposent un champ horizontal
plat. Les reliefs, les proéminences modifient fortement cette situation. En effet les lois de
l’électrostatique enseignent que toute aspérité renforce localement le champ à sa surface,
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notamment à son sommet : c’est l’effet de pointe. Le champ électrique peut alors localement
atteindre des valeurs de quelques centaines de kV/m, suffisantes pour initier un éclair.
A l'intérieur du nuage, les champs créés par la distribution des charges électriques de
polarités différentes peuvent être intenses et atteindre des valeurs suffisantes pour déclencher
des éclairs.
2°)INITIATION DE L'ECLAIR
Physiquement, la transition de l'état isolant de l'air en un état conducteur permet de
rétablir l'équilibre entre les charges électriques distinctes présentes dans le gaz. Ce
phénomène peut se produire aussi bien dans le nuage (décharges intranuages), qu'entre le
nuage et le sol (décharges nuages / sol ou foudre). En fait, des recherches récentes, en
particulier expérimentales, montrent que les éclairs présentent simultanément des
ramifications positives et négatives qui assurent la neutralisation des charges électriques
coexistant à l'intérieur du nuage (figure 3). Parmi ces décharges, certaines sont susceptibles
d'atteindre le sol. Dans nos régions tempérées, et du fait de la prédominance des charges
négatives en bas du nuage, la probabilité d'obtenir un coup de foudre négatif est nettement
plus importante (70-90 %) que celle d'obtenir un coup de foudre positif (10-30 %).
Figure 3 : Phénoménologie du coup de foudre
La première phase d’un coup de foudre est toujours la formation d’une prédécharge
peu lumineuse, ou traceur, qui progresse à travers l’air neutre à une vitesse relativement faible
(de l'ordre du 1/1000 ième de la vitesse de la lumière). Cette prédécharge a son origine soit
dans le nuage, et elle progresse en direction du sol, soit au niveau du sol, et progresse vers le
nuage. Dans les deux cas, tout se passe comme si le canal ainsi formé, quoique faiblement
ionisé, formait entre le sol et le nuage un pont suffisamment conducteur pour préparer la voie
à un courant intense, qui sera le coup de foudre proprement dit.
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On classe donc tout d’abord les coups de foudre selon le sens de développement du
traceur (ou leader), en coups de foudre descendants et en coups de foudre ascendants, mais
aussi suivant la polarité des charges écoulées. On définira conventionnellement le coup
négatif lorsque la partie négative d’un nuage se décharge, et le coup positif lorsque c’est la
partie positive du nuage qui se décharge.
3°)CLASSIFICATION DES COUPS DE FOUDRE
•
Eclair descendant négatif, avec contre-précurseur positif
Ces coups de foudre sont les plus fréquents (70 à 90 % des cas de foudroiement). Dans
ce type de décharge, il y a émission d'un précurseur négatif descendant du nuage. Le champ
électrique sur un objet au sol est alors suffisamment renforcé par l'approche du précurseur
négatif pour provoquer la naissance d'un "contre-précurseur" positif encore appelé "précurseur
de capture". Ce contre-précurseur va aller à la rencontre du précurseur provenant du nuage,
donnant naissance, lorsqu'ils se connecteront, à la décharge principale de foudre.
•
L'éclair descendant négatif, sans contre-précurseur positif
Ce type de décharge est identique à la précédente, mais les conditions de champ
électrique au sol ne permettent pas le développement d'un contre-précurseur. Il y a alors
connexion directe au sol.
•
L'éclair descendant positif
Ce type de décharge est mal connu mais il semble qu'il y ait rarement naissance d'un
contre-précurseur dans ce cas-là. La foudre, comme dans le cas précédent, toucherait
directement le sol.
•
L'éclair ascendant positif
Ce type de connexion correspond au cas où le champ électrique au sol créé par le
nuage est suffisamment intense pour qu'un précurseur puisse se développer du sol vers le
nuage. Ceci est généralement le cas dès lors qu'il existe au sol des structures de grande
hauteur (plusieurs dizaines de mètres). Ce type de connexion est aussi fréquent dans les
régions montagneuses. Dans tous les cas enregistrés, ce précurseur était de type positif.
4°)DESCRIPTION DU COUP DE FOUDRE NEGATIF
Le coup de foudre négatif étant le plus usuel, son développement est mieux connu que
celui du coup de foudre positif. Il ne faut toutefois pas oublier que d'autres types de coups de
foudre sont susceptibles de se développer.
11
Figure 4 : Description des différentes étapes du coup de foudre
Quatre étapes sont généralement distinguées dans le déroulement d'un coup de foudre
négatif (figure 4).
•
•
•
•
La phase d'initiation conduit essentiellement à la fixation du point d'impact d'où son
importance.
La phase d'arc en retour ou "return stroke" s'établit dès que le système de précurseurs
émanant du nuage et du sol a établi un intervalle d'air ionisé. Elle est caractérisée par un
courant impulsionnel intense, dont la valeur crête peut atteindre plusieurs dizaines de
kiloampères. C'est cette phase qui donne naissance aux phénomènes électrodynamiques et
de couplage les plus importants.
La phase de courant persistant fait suite au premier arc en retour. Un courant de quelques
centaines d'ampères se maintient en permanence. C'est ce courant qui va provoquer les
effets thermiques les plus importants.
La phase des "décharges subséquentes" est constituée d'arcs en retour, mais dont les temps
de montée sont plus raides que pour l'arc en retour initial. Ces décharges ont des effets
électromagnétiques très importants.
La durée totale du phénomène peut atteindre et même dépasser la seconde.
La foudre (mécanismes, manifestations et effets) est maintenant relativement bien
connue des scientifiques. Cela leur permet donc de conceptualiser des équipements de plus en
plus efficaces et performants, aussi bien au niveau de la prévention des risques liés à la foudre
qu’au niveau de la protection des installations.
12
B-PREVENTION
Suite à la recrudescence des accidents liés aux coups de foudre, des organismes ont
décidé de mettre en place des systèmes de prévention. Ils reposent essentiellement sur des
moyens de détection de l’activité orageuse. Si une installation est potentiellement en danger,
les centres de détection s’empressent de l‘alerter. C’est la protection active. C’est pourquoi
nous allons donc désormais étudier les systèmes de détection.
I-MESURES ET SYSTEMES DE DETECTION
Il existe plusieurs systèmes de détection de l’activité orageuse. Ils permettent
d’analyser les coups de foudre et sont très utilisés dans le domaine de la météorologie ainsi
que pour des grands groupes désirant protéger leur installation.
Les principales méthodes sont les suivantes.
•
Méthode par localisation hyperbolique
•
Méthode goniométrique par mesure du champ magnétique
•
Méthode interférométrique
•
L’imagerie radar permet, quant à elle, de déterminer l’emplacement des cellules
orageuses. Elle s’intéresse aux phénomènes en altitude et ne prend pas en compte
l’activité au sol.
Nous allons donc désormais étudier chacune de ces méthodes successivement.
1°)LA METHODE PAR LOCALISATION HYPERBOLIQUE
Cette méthode repose sur l’analyse du champ électromagnétique émis par la chute de
foudre.
a)Fonctionnement
Le principe de fonctionnement est très simple. Il repose sur une simple méthode de
triangulation. Cela consiste à mesurer l’écart de temps d’arrivée entre plusieurs stations du
champ électrique émis par l’arc en retour des décharges nuage - sol. Les capteurs sont des
antennes permettant de mesurer l'impulsion électromagnétique créée par le coup de foudre.
13
Supposant que la l’onde se propage à la vitesse de la lumière, on peut alors déterminer,
en comparant le temps d’arrivée entre 2 stations, une première hyperbole sur laquelle le coup
de foudre doit se situer. En comparant ensuite, le temps d’arrivée entre une de ces 2 stations et
une troisième, on détermine une deuxième hyperbole et on localise le coup de foudre grâce à
l’intersection de ces 2 hyperboles.
Il existe néanmoins un problème : la synchronisation entre les différentes stations. En
effet, la moindre erreur de temps conduit à une énorme erreur de distance car la vitesse de la
lumière est très importante.
C’est pourquoi il convient de synchroniser les systèmes régulièrement, ce qui est fait
pour le système LAPTS grâce à une horloge assurant une stabilité de détection à 50
nanosecondes près. Dans ce cas, l'erreur idéale liée à l'erreur de temps est de 30 m maximum
ce qui parfaitement acceptable.
Le nombre de stations est évalué à 6 stations par million de kilomètres carrés.
b)Caractéristiques
Les principales caractéristiques d’un système tel que LPATS sont les suivantes :
•
On peut encore décider d’améliorer la précision en utilisant une ou plusieurs autres
stations.
•
La bande passante du système est de 50 kHz - 500 kHz. La fréquence de coupure basse est
choisie de façon à limiter les bruits et en particulier ceux dus aux réseaux d'alimentation
électrique 50 - 60 Hz. La limite haute est fixée par l'appareil de mesure et est choisie de
façon à limiter le bruit lié aux fréquences radio.
•
L'intensité minimale de détection est couramment de 4 à 7 kA, ce qui permet de garantir
en se basant sur la loi de densité de probabilité proposée par la CIGRE un enregistrement
de l'ordre de 95 % des coups de foudre.
Il existe plusieurs sortes d’activité orageuse : les coups de foudre nuage – sol et
intranuage. Ce système permet de faire la différence entre les deux en faisant des études
phénoménologiques ( haute fréquence et forte amplitude pour les premiers ).
Cela pose d’ailleurs un problème car l’activité intra nuage est plus difficile à détecter.
L’activité nuage - sol nécessite des stations éloignées entre elle de 250 km alors que
l’activité intranuage a besoin pour être détectée de stations espacées de 50km au plus.
En ce qui concerne les coups de foudre au sol, les performances de tels systèmes sont
appréciées par l'étude de l'efficacité de la détection et par la précision de la localisation.
14
c)Performances
Il semble naturel de définir l’efficacité de tout système de détection comme étant le
rapport entre le nombre de coups de foudre détectés et le nombre de coups de foudre
réellement tombés.
L'efficacité de la détection est conditionnée par la densité d'antennes installées, le
niveau minimal de signal qui provoquera le déclenchement de l'analyseur de transitoires,
l'atténuation du signal due à la conductivité du sol, l'optimisation des trois systèmes
d'antennes utilisés pour la détermination du point d'impact. Une détermination systématique
de l'efficacité de la détection peut être réalisée lors de l'installation du système de détection.
Pour déterminer entièrement les performances d’un tel système, il faut aussi
s’intéresser à la précision du système. Evidemment, il existe des erreurs de localisation : les
erreurs aléatoires et les erreurs systématiques.
Les erreurs systématiques sont dues :
•
Erreurs d’étalonnage ( facilement corrigible )
•
Erreurs de propagation ( pouvant aller jusqu’à 2 secondes )
Les erreurs aléatoires sont dues :
•
à l'instabilité et à la résolution de la base de temps,
•
au bruit de fond,
•
aux imperfections de détection du signal.
2°)LA METHODE GONIOMETRIQUE
Comme pour la méthode précédente, la goniométrie repose, elle aussi, sur
l’analyse à posteriori des informations transmises par le coup de foudre. Par contre
l’information utilisée est non plus le champ électrique mais le champ magnétique basse
fréquence qui se propage au sol dans le cas des coups de foudre nuage - sol.
a)Fonctionnement
Le principe est le même que précédemment. On agit par triangulation.
15
Figure 5 : La méthode de triangulation
Les capteurs sont donc évidemment des antennes de champ magnétique travaillant
dans des gammes de fréquence variant de 100kHz à 500 kHz. Ce système est très utilisé par la
société METEORAGE comme nous le verrons un peu plus tard.
Le signal reçu par les capteurs est ensuite analysé par un microprocesseur qui sépare
alors le véritable signal des signaux parasites. La direction du signal est alors déterminée à
partir des champs magnétiques.
Outre la direction du signal, cette analyse nous permet d’avoir accès à plusieurs
informations. Les données restituées sont les suivantes :
•
datation ( grâce au GPS )
•
localisation
•
polarité de la décharge,
•
amplitude du courant
•
nombre d'éclairs subséquents
16
b)Performances
Pour ce système encore, il convient de déterminer la performance. Nous avons
recueilli des informations fournies par les constructeurs :
•
élimination des parasites : 99 %
•
efficacité de la détection : 80 à 90 %
•
précision de localisation : la précision de la détection angulaire est de 1°, ramenée pour les
capteurs de la plus récente génération à 0,5°
Là encore nous sommes confrontés aux erreurs de mesure qui sont encore de deux
types :
•
Les erreurs aléatoires regroupent :
- les erreurs de polarisation
- le bruit de fond
- l'imperfection des circuits de détection du signal ( il faut du bon matériel )
•
Les erreurs systématiques regroupent :
- les erreurs dues au mauvais alignement des antennes ( choix stratégique de
l’emplacement des antennes )
- les effets de l'environnement du site ( champ magnétique très variable )
Il existe une erreur d’angle assez importante liée à la réflexion de l’onde magnétique.
Après traitement informatique et correction, on arrive à une incertitude sur l’angle de 0.5° et à
une incertitude sur la distance réduite à 0.5km pour les systèmes de dernière génération.
3) INTERFEROMETRIE
On a vu précédemment que les 2 méthodes proposées analysent surtout l’activité
nuage – sol sauf si on dispose de moyens nécessaires pour se permettre de placer un grand
nombre de stations. L’avantage de la méthode par interférométrie est justement de pouvoir
palier à ce manque. Elle analyse l’activité orageuse, préalable à l’activité au sol, et l’analyse à
posteriori des informations liées à la chute de la foudre au sol.
Le système SAFIR (Système d'Alerte Foudre par Interférométrie Radioélectrique) se
sert de cette méthode. Nous le détaillerons donc. Son but est de suivre le développement de
cellules orageuses. C’est donc un complément de l’imagerie radar.
Il existe en plus une possibilité pour dissocier l’activité nuage – sol et intranuageuse.
Pour cela, on se sert d’une antenne bien particulière. Le capteur de mesure utilisé est une
antenne capacitive à grande sensibilité permettant l'acquisition et le traitement du champ
électrique basse fréquence rayonné par l'arc en retour. Il est constitué par un feuillard
cylindrique plaqué sur le mat de l'antenne à quelques mètres du sol, ce qui permet de ne
mesurer que la composante verticale du champ électrique.
17
a)Fonctionnement
Contrairement aux deux autres méthodes, les capteurs sont des antennes VHF à boucle
magnétique. On procède encore par triangulation. Les stations sont réparties aux sommets
d’un triangle équilatéral de 50 à 150 km de long. Il couvre donc une toute petite zone.
Détecteurs
Zone surveillée
Figure 6 : Fonctionnement du système SAFIR
Par l’analyse des différentes phases ( interférométrie ), le système SAFIR détermine
d’abord la localisation angulaire grâce aux antennes VHF pour chaque station ensuite il
triangularise L’endroit trouvé est le trajet de la décharge. L’analyse successive permet donc
ensuite de déterminer l’évolution de l’activité intranuage.
b)Performance
SAFIR travaille dans la gamme de fréquence comprise entre 110 et 300 MHz, ce qui
lui permet d'enregistrer, non seulement les rayonnements électromagnétiques liés aux
courants de retour des éclairs, mais la plus grande partie de l'activité électromagnétique de
l'orage contrairement à la localisation hyperbolique.
La précision est très bonne. Pour des stations éloignées de 150km, l’incertitude sur la
distance est de 2km alors que pour des stations éloignées de 50km, on arrive rapidement à
moins d’un demi-kilomètre. Le système SAFIR est évidemment utilisé pour des zones
nécessitant une grande prévention : lanceur de fusée, centrale nucléaire à risque, zone
militaire. La portée de détection est comprise entre 70 et 100 km.
c)Caractéristiques fournies par le constructeur
•
bande passante : 1 kHz - 5 MHz
•
temps de montée : 125 ns, 0 à 32 µs
•
temps de descente : 1 µs, 0 à 256 µs
18
•
amplitude : 12 bits.
Les données restituées sont les suivantes :
•
date et heure
•
longitude/latitude
•
polarité
•
temps de montée
•
temps de descente
•
E max. en V/m
•
I max. en kA
•
distance de l'impact à la station de mesure
•
pente en kA/µs
•
Intégrale d'action en A²s
•
intégrale de courant en As.
Les principales limites du système sont liées aux fonctions de discrimination du
système qui peut conduire à des fausses alertes.
d)Utilisations
Les principales utilisations du système SAFIR sont les suivantes :
•
localisation des décharges de foudre
•
cartographie présente des zones à risques
•
prévisions d'évolutions et de déplacements des zones orageuses
Ces systèmes, ne couvrant qu’une zone très restreinte, sont donc utilisés dans des cas
bien précis : Kourou pour un site de lancement, Atlantique pour l’armée française, Kansaï
Japon pour une centrale nucléaire, Belgique...
La pré - alerte des risques orageux permet de prendre un certain nombre de mesures
préventives...
19
II-UN SYSTEME DE DETECTION PARTICULIER : METEORAGE
La société Météorage exploite les 16 stations de détection de la foudre de MétéoFrance. Celles-ci localisent les coups de foudre, identifient leur type et mesurent leur
intensité. A partir de ces informations, Météorage dresse des cartes et informe ses clients
abonnés. Lorsqu'un coup de foudre survient dans un périmètre donné, c'est souvent le signe
annonciateur de l'arrivée d'un orage. Comme nous l’avons signalé précédemment
METEORAGE est un système de détection par goniométrie. Nous allons désormais un peu
plus le détailler.
1°)LES DETECTEURS UTILISES PAR METEORAGE
La méthode de détection exploitée par MEORAGE fait appel à des détecteurs de type
IMPACT, combinant des données goniométriques et de calcul du temps d’arrivée. Le
calculateur du centre opérationnel de METEORAGE, qui gère les informations de détection,
est en mesure d’en évaluer la qualité et d’en optimiser le calcul, tout en fournissant à
l’utilisateur une ellipse de précision de la localisation ainsi que les coordonnées exactes, la
polarité de l’éclair, l’intensité et le nombre d’arcs en retour de chaque impact, avec une
datation au 1/10 de seconde.
Figure 7 : Les détecteurs du réseau Météotech couvrant la Suisse
2°)LA SURVEILLANCE EN TEMPS REEL
L’avantage de système tel que METEORAGE est justement de pouvoir effectuer une
surveillance en temps réel. Nous avons téléchargé une démonstration fournie par le site de
METEORAGE. Nous avons pu constater l’interactivité qu’il pouvait y avoir entre la réalité et
le logiciel :
20
Figure 8 : Intéractivité entre le logiciel Météorage avec la réalité
Ainsi tous les abonnés à METEORAGE peuvent savoir en direct l’évolution de
l’activité orageuse ou plus exactement des impacts de la foudre dans les alentours ( activité
nuage – sol seulement, voir avant )
Ce service permet la visualisation, en temps réel (4 à 5'' après l'événement) des
impacts de foudre sur le terminal d'un utilisateur, par raccordement direct avec le Centre
Opérationnel de METEORAGE via TELEPAC.
21
3°)L’ANALYSE EN TEMPS DIFFERE
L’analyse en temps différé n’a rien à voir avec la prévention immédiate. Elle ne
permet pas de protéger une installation mais elle n’est pas pour le moins inintéressante. En
effet, elle permet d’établir des statistiques sur les zones les plus foudroyées...
Figure 9 : Densité de foudroiement pour la Suisse sur entre le 6 et 7 septembre 1997
On peut alors décider de prendre les mesures de protection adéquates.
Nous avons donc fait le tour de différents moyens de détection des orages et de la
foudre. Quelles que soient ces méthodes, elles permettent de se faire une idée plus précise des
zones à risque. Mais si la détection s’avère indispensable, on ne peut pas toujours éviter la
foudre. C’est pourquoi il faut savoir s’en protéger.
22
C-PROTECTION CONTRE LA FOUDRE
Les effets de la foudre sur les installations et plus particulièrement sur les installations
à risques ont donné lieu à de nombreuses études, et ce d’autant plus que les perturbations
étaient importantes, en occurrence et en gravité potentielle. Les producteurs d’énergie, les
opérateurs de télécommunications, les industries pétrolières et pétrochimiques, les
professionnels utilisant des explosifs ont déjà des procédures de protection et d’exploitation
tenant compte de ces risques.
Tous les moyens pratiques de protection contre la foudre se fondent sur un principe
unique : offrir au courant de foudre un chemin conducteur aussi direct que possible entre le
point d’impact et la terre et y interconnecter tous les éléments métalliques voisins. Cette
protection est dite passive: il s'agit d’assurer la maîtrise de la connexion de la foudre sur les
structures, d’évacuer son énergie à la terre et de limiter les perturbations électromagnétiques.
Mais cette action de protection passive doit être accompagnée d’une démarche de protection
active basée sur la prévention du risque : alerte et prévention des situations orageuses,
procédures spéciales d’exploitation pour les industriels, information du public, comme nous
l’avons vu dans la partie précédente.
I-PRELIMINAIRES
1°)EFFETS DE LA FOUDRE SUR UNE INSTALLATION INDUSTRIELLE
Les agressions liées à la foudre sont de deux types : les effets directs et indirects.
a)Les effets directs
La foudre peut agir par effet thermique (la température peut monter à plus de
30000°K), étincelage thermique, ou effet mécanique. Ces effets se manifestent en particulier
sur les infrastructures de l'installation (effet électrodynamique, montée en potentiel), sur tous
les circuits électriques et canalisations métalliques accessibles depuis l'extérieur qui peuvent
assurer le passage du courant de foudre à l'intérieur d'un bâtiment, sur les produits présents sur
le site (exemple : inflammation de rejets de solvants dans l'atmosphère), sur des matériaux
(échauffement pouvant entraîner des fusions ou des percements (une canalisation sous
pression par exemple),déformations et laminages pour certains matériaux composites par
effets mécaniques).
b)Les effets indirects
Les effets indirects liés au rayonnement électromagnétique de l’éclair vont venir
perturber, par conduction ou induction, le bon fonctionnement des dispositifs et systèmes
23
électroniques et informatiques des installations. La complexité, toujours croissante, des
installations les rend de plus en plus vulnérables.
Les effets peuvent être de nature :
•
•
électrique : destructions de systèmes électroniques et de composants, perte de contrôles
commandes, modifications d’informations numériques.
thermique : étincelages, mises à feu de systèmes pyrotechniques.
Citons quelques exemples de telles agressions dont on peut imaginer les
conséquences : ouverture d'une électrovanne, mise hors service des circuits de détection
incendie, des ascenseurs…
2°)ETUDE PREALABLE
a)La législation sur les risques de foudre sur les installations industrielles
Le ministère français de l'environnement a promulgué en 1993 un arrêté rendant
obligatoire la protection de certaines installations classées contre les effets de la foudre. C'est
en 1996 qu'une circulaire d'application de cet arrêté voit la jour, elle précise les étapes d'une
analyse préalable des risques afin de définir si besoin est le système de protection. Précisons
en outre qu'elle impose des méthodes de maintenance de ces dispositifs.
Le schéma en annexe 3 montre les étapes de cette étude préalable rendue obligatoire
pour toute installation classée.
b)L'étude préalable : une approche cindynique
Elle a donc pour but de définir s'il est nécessaire d'assurer une protection de
l'installation.
On définit d'abord les dangers présents (étude des dangers) : structures, produits,
matériels présents sur le site. On analyse ensuite les vecteurs de transmission des
perturbations électromagnétiques, les circuits et réseaux de terre et de masse. Lors de cette
analyse, on tient compte bien évidemment de l’environnement extérieur à l’installation du
niveau local d’activité orageuse.
Le risque ainsi préétabli et calculé peut alors être confronté à une échelle de risques.
Ainsi, à l'issue de cette analyse, on pourra évaluer la nécessité d'une protection, le type de
protection adaptée et son efficacité.
3°)UNE APPROCHE DETERMINISTE DE LA PROTECTION
Toute velléité de protection d'installation industrielles contre la foudre doit
comprendre les points suivants:
24
•
•
•
•
•
•
Evaluation de la susceptibilité de l’installation vis à vis de l’agression et en soulignant les
interactions possibles avec l’environnement (cf. étude préalable).
Protection des points les plus sensibles : identification des points d’impacts potentiels,
surtensions et surintensités, qualité du réseau de terre, prise en compte de spécificités
propres à l’installation.
Définition des matériels de protection et les procédures de maintenance qui y sont
associées (ces dernières sont importantes, Il faut en effet bâtir un système global de
protection qui englobe les procédures de maintenance et de contrôle, ce qui permettra de
conserver la pérennité des systèmes de protection installés).
Renforcement et installation des systèmes de protection ( avec des méthodes d'installation
répondant aux exigences de l'ingénierie de protection, voire à des normes)
Définition de procédures d'exploitation qui tienne compte du risque foudre.
Analyse des risques pour juger de l'utilité et de l'efficacité du dispositif de protection.
II-LES DISPOSITIFS DE PROTECTION
On distingue deux grands types de moyens de protection :
•
•
la protection extérieure : elle concerne les effets de la circulation d’un courant électrique
de forte amplitude dans la structure c'est à dire de se protéger des effets directs e la foudre.
Il s’agit de protéger l’installation en captant la foudre à l’extérieur de l’édifice pour la
canaliser vers le sol afin d'en disperser l’énergie.
la protection intérieure :elle vise plus particulièrement les circulations de courant dans les
des éléments conducteurs ou encore des surtensions induites par couplages sur les parties
métalliques de l’installation (notamment les systèmes informatiques ou électroniques,
particulièrement sensibles).
1°)LA PROTECTION EXTERIEURE
Ce type de protection a donc pour fonction d’assurer la maîtrise de la connexion de la
foudre sur les structures, et évacuer son énergie à la terre. Il s’agit, pour l’essentiel, des
dispositifs paratonnerres (de type tige Franklin, cages maillées ou blindage).
Les dispositifs les plus courants sont les paratonnerres associés à un dispositif de
raccordement à la terre : le réseau de masses. Celui-ci est constitué de l’ensemble des masses
métalliques du site : toutes les structures métalliques des bâtiments, les chemins des câbles,
les structures métalliques des faux planchers, pylônes, antennes, doivent y être interconnectés.
Chacun des ces éléments participe au maillage des réseaux de masses, et a un effet réducteur
important contre les champs électromagnétiques rayonnés par les éclairs et les courants de
circulation conséquents. Il convient de réaliser une bonne mise à la terre du réseau de masses,
car un bon raccordement à la terre peut limiter les conséquences d’un réseau de masse peu
efficace, et inversement.
On peut noter que l’on ne détermine pas à l’heure actuelle l’efficacité de ce type de
dispositif de protection, il est donc difficile de mesurer le risque de non fonctionnement.
25
Les actions de recherche portent actuellement sur l'utilisation de lasers pour canaliser
la décharge de foudre.
Un exemple : le paratonnerre pulsar
① La pointe du Pulsar joue un triple
rôle:
- recueillir le courant nécessaire à
l'alimentation
du
dispositif
électrique contenu dans le
cylindre
- émettre les aigrettes par les
impulsions haute tension
- capter le courant de foudre pour
l'amener à la terre.
② Le disque métallique constitue la
partie supérieure de l'éclateur à air
extérieur visant à écouler le courant
de foudre à la terre.
Figure 10 : Schéma de Pulsars de tailles
différentes
Il s’agit de paratonnerres à dispositif d'amorçage
développé conjointement par le CNRS et la
société Hélita.
③ Le cylindre métallique contient le
dispositif électrique d'amorçage qui
génère des impulsions haute tension.
④ La tige permet la fixation du
Pulsar lors de l'installation. Le
collier de raccordement doit y être
fixé.
Au moment où la foudre s'approche du sol,
une décharge ascendante est créée sur toute
structure conductrice. Dans le cas d'une tige de
type Franklin, cette décharge ascendante se ⑤ Le conducteur de descente est
propage vers le traceur descendant du nuage après raccordé au collier.
une longue phase de transition. Le dispositif
d'amorçage du Pulsar lui permet de réduire le temps nécessaire à la formation et à la
propagation continue de la décharge ascendante et lui assure ainsi une plus grande efficacité
pour la capture de la foudre qu'une tige de type Franklin.
Grâce à son dispositif d’amorçage, le Pulsar émet un signal de haute tension
impulsionnelle d'amplitude et de fréquence déterminées et contrôlées. Il assure son efficacité
par la formation très rapide d'un traceur ascendant se propageant de façon continue vers le
traceur descendant, tout en réduisant le développement des charges d'espace qui se
formeraient naturellement et qui inhiberaient le processus naturel.
26
Les Pulsar, totalement autonomes au point de vue énergétique, puisent l'énergie
nécessaire à la génération des impulsions de haute tension dans le champ électrique ambiant,
de l'ordre de 10 à 20 kV/m, existant lors de l'orage. Le dispositif d’amorçage fonctionne dès
que le champ ambiant dépasse une valeur seuil qui correspond au risque minimum de
foudroiement.
Des essais en laboratoires permettent de mesurer l’efficacité relative des Pulsars (cf III
2° « Essais et simulations »). L'analyse comparative des décharges ascendantes d'un Pulsar et
d'une tige simple de même géométrie, placés dans les mêmes conditions, met en évidence une
avance à l'initiative du traceur ascendant pour les Pulsars. Cette avance se caractérise par une
initiation précoce du traceur ascendant se propageant d'une façon continue à la pointe du
Pulsar.
2°)LA PROTECTION INTERIEURE
Mais une protection extérieure ne suffit pas à se prémunir de tous les effets de la
foudre. Une protection des installations électriques contre les surtensions générées par la
foudre est parfois nécessaire. A ce stade, il faut prendre en considération la totalité des modes
de transmission des perturbations électromagnétiques occasionnées par la foudre (lignes
électriques, téléphoniques, câbles, conduites métalliques, le sol lui-même, l'air...).
De manière générale, il existe plusieurs types de protection qui reposent notamment
sur :
•
•
•
La maîtrise des perturbations électromagnétiques induites, assurée en coaxialisant et en
faradisant au mieux les installations
L'équipotentialité locale (nécessité d'un réseau de masses maillées avec des connexions de
masse les plus courtes possibles)
La maîtrise de l'impédance de terre (en particulier pour la protection des personnes)
Pour la protection directe des appareils, les parafoudres (on parle de parasurtenseurs)
et leur raccordement à la terre permettent de limiter ces surtensions. Dès que la tension est
supérieure à celle qu’ils sont capables de supporter, ils se comportent alors comme des coupecircuit, protégeant ainsi les appareils électriques situés à l’aval du parafoudre.
L’analyse et la mise en place de ces systèmes de protection nécessitent une expertise
de plus en plus grande, à mesure que les risques et leurs coûts augmentent. De plus, pour être
vraiment efficaces, ces systèmes de protection doivent être étudiées dès la conception des
structures et des bâtiments.
Il est à noter qu'il existe des normes d'installation et des normes produits concernant
ces dispositifs de protection.
27
III-MODELISATIONS ET ESSAIS
1°)MODELISATION
Avant toute chose, il faut tenir compte, avant toute modélisation, d'un certain nombre
de grandeurs, dites grandeurs d'influence. De ces grandeurs, en effet, dépend en partie
l'efficacité des systèmes de protection. Parmi elles, la plus importante est l'impédance de la
mise à la terre (permettant l'évacuation de l'énergie de la foudre, en basse fréquence, la terre
est considérée comme résistive et en haute fréquence, elle a des composantes selfiques et
capacitives). Cette grandeur doit être minimisée et on doit pour cela tenir compte de la
longueur et de la forme de la prise de terre mais également de l'intensité et des fréquences du
courant de foudre dont dépend cette impédance.
La modélisation permet d'étudier de manière théorique l'impact de la foudre sur une
installation et ainsi d'essayer d'y pallier par les moyens que l'on vient de voir afin de
confronter notamment ces résultats avec une protection contre la foudre (en vue par exemple
d'une analyse préalable des risques).
D'une manière générale, il existe un grand nombre de modèles utilisables, tant sur les
plans thermique et électrodynamique qu'au niveau électromagnétique. Ainsi, les modèles
thermiques permettent de déterminer les échauffements des matériaux touchés (et de
déterminer éventuellement les modifications de structure telle que les laminages ou les
fusions), les modèles de conduction (comme EMTP) permettent de calculer les surtensions
générées au niveau des installations électriques, les modèles de couplage permettent
notamment de calculées ces surtensions crées par la perturbation électromagnétique liée à la
foudre sur des circuits électriques.
2°)ESSAIS ET SIMULATIONS
a)Généralités
Cependant, les modélisations demeurent insuffisantes. Et, l'ensemble des études
réalisées sur la foudre et ses moyens de protection nécessite l'utilisation de moyen d'essais
souvent exceptionnels. Les simulations de coup de foudre et les essais permettent notamment
l'étude :
• Du point d'attachement de la foudre (il s'agit du point de connexion de la foudre sur une
structure)
• De la tenue des matériels exercées par la foudre (résistance aux contraintes thermiques,
vieillissement…)
• Des interactions électromagnétiques
28
Ces simulations peuvent ainsi permettre la validation d'un système de protection au
niveau de son efficacité.
b)Essais de simulation de la foudre sur des maquettes au sol
Nous allons considérer l’exemple de l’expérience des Laboratoires de Génie
Electrique d’EDF. L’objectif de ces essais de simulation de la foudre est d’étudier et
d’optimiser la protection des installations au sol, comme en vol (pour l’aéronautique en
particulier), contre les effets de la foudre.
Le champ électrique créé par le nuage d'orage juste avant le coup de foudre est simulé
et reproduit en laboratoire, avec un facteur d'échelle de l'ordre du dixième.
Une maquette de l'installation étudiée est placée dans ce champ électrique. Le champ
électrique est obtenu en appliquant à un intervalle d'air (intervalle d’air situé entre la pointe
génératrice de la décharge et l’extrémité supérieure de la maquette foudroyée) une onde de
tension. Cette onde de tension est en général de quelques millions de volts, et se développe en
quelques dixièmes de seconde.
L'objet, ou son système de protection contre la foudre en essai, répond à cette
contrainte. Cela permet de vérifier son comportement. Une optimisation du système de
protection peut à ce stade être réalisée.
Si besoin est, des mesures de courant, de tension, de champs électriques et
magnétiques, peuvent être enregistrées pendant la décharge électrique, de façon à caractériser
l'agression. Les résultats sont ensuite validés par rapport au phénomène réel. On se base alors
sur les données collectées par une analyse physique des phénomènes de foudroiement.
Ce type de simulation peut être utilisé pour étudier la connexion de la foudre sur toute
structure au sol ou en vol : pylônes EDF, radars, pales d'éoliennes, avions, fusées, dispositifs
de protection.
29
Figure 11 : Schéma du circuit d'essais de simulation de la foudre, aux Laboratoires de Génie
Electrique d’EDF
30
CONCLUSION
Afin d’avoir une impression globale sur la situation actuelle et à venir, il s’agit de
préciser que sous la pression des besoins modernes, les recherches sur la foudre et les
phénomènes orageux ont repris une vigueur nouvelle depuis une trentaine d’années. Comme
nous l’avons vu, les connaissances dont nous disposons aujourd’hui permettent de
comprendre globalement la plupart des manifestations de la foudre, aussi bien qualitativement
que quantitativement. Si des progrès plus important ont pu être obtenus plus récemment, c’est
essentiellement grâce à des équipements de mesure extrêmement performants, notamment
dans le domaine d’investigation des phénomènes à l’échelle de la microseconde.
En France, plusieurs équipes d’ingénieurs et de scientifiques appartenant à divers
organismes ou universités forment aujourd’hui une véritable communauté de recherche. Cette
communauté entretient d’étroits contacts avec nombre de chercheurs étrangers, soit dans le
cadre de la protection des réseaux électriques, soit dans le cadre de la protection des aéronefs
et des fusées, soit encore dans le cadre des travaux d’élaboration des normes et de
recommandations internationales. Dans cet ensemble de travaux, la France tient une place
plus qu’honorable, et on peut même dire qu’elle a pris la première place dans le domaine des
paratonnerres modernes, de la foudre déclenchée, de la simulation de la foudre en laboratoire
et de la protection des aéronefs.
31
ANNEXES
32
ANNEXE 1
LA FOUDRE EN QUELQUES CHIFFRES
• Entre 2000 et 5000 orages se produisent en permanence autour de la terre
• La terre reçoit un coup de foudre frappe par seconde
• 1 million de coups de foudre frappent la France chaque année
• Nombre record d’impact en une journée en France : 74000 le 28 juillet 1994 mais aussi
70000 le 5 août 1997
• 80 000 d’impacts sur le réseau électrique d’EDF chaque année
• 1 orage produit une centaine de décharges par seconde
• La densité moyenne de foudroiement en France est de 2 coups de foudre par km² et par
année.
• L’intensité d’un coup de foudre va jusqu’à 200 000 Ampères.
• La température de l’arc électrique de la foudre est de 30 000 degrés.
• Une soixantaine de personnes sont foudroyées chaque année en France, dont une
quinzaine de mortellement foudroyées.
• Le risque moyen de foudroiement en France est de :
- un tous les 100 ans pour un grand bâtiment,
- un tous les 200 ans pour un arbre,
- un tous les 10 000 ans pour un homme.
33
ANNEXE 2
EXEMPLE DE LA FUSEE ARIANE HERMES
Une fusée est particulièrement exposée à la foudre lorsqu’elle est sur son pas de tir et
lorsqu’elle décolle. Dans le cas de la fusée Ariane, sa hauteur et le climat tropical de la Guyane
favorisent ce phénomène. En phase de décollage, c’est lorsqu’elle traverse la couche atmosphérique
que la fusée peut elle-même déclencher un coup de foudre.
La foudre peut avoir un effet destructeur sur une fusée. C’est ainsi que la fusée Atlas Centaure
a du être détruite en vol à la suite de dommages causés par la foudre sur le système de contrôle de la
fusée. C’est la raison pour laquelle le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) et l’Office National
d’Etudes et de Recherches Aérospatiales (ONERA) ont demandé à EDF de procéder à des études sur
la fusée Ariane Hermès, préalablement au départ de son
premier vol habité. L’objectif était de conserver l’intégrité
du lanceur et de la navette.
Ces études de simulation ont permis d’optimiser le
système de protection du pas de tir par paratonnerre. Elles
ont
aussi
permis
de
mesurer
les
perturbations
électromagnétiques susceptibles d’affecter les systèmes
électroniques internes à la fusée.
34
ANNEXE 3
NORMES RELATIVES A LA PROTECTION DES
INSTALLATIONS CLASSEES CONTRE LES EFFETS
DE LA FOUDRE
NORMES FRANCAISES :
NF C 13 100..............Postes de livraison établis à l’intérieur d’un bâtiment et alimentés par un réseau de
distribution publique de deuxième catégorie (juin 1983)
NF C 13 200..............Installations électriques à haute tension : Règles (avril 1987)
NF C 15 100..............Installations électriques à basse tension : Règles (mai 1991)
NF C 17 100..............Protection contre la foudre - Installations de paratonnerres : Règles (février 1987)
NF C 17 102..............Protection contre la foudre - Protection des structures et des zones ouvertes contre la
foudre par paratonnerre à dispositif d’amorçage (juillet 1995)
NF C 61 740..............Matériel pour installations alimentées directement par un réseau de distribution publique
à basse tension - Parafoudres pour installations basse tension.
(juillet 1995)
NORMES EUROPEENNES :
ENV 61024-1............Protection of structures against lightning - Part 1 - General Principles (janvier 1995)
NORMES INTERNATIONALES :
CEI 1024-1 ................Protection des structures contre la foudre Première Partie : Principes Généraux (mars
1990)
CEI 1024-1-1 ............Protection des structures contre la foudre - Première Partie : Principes Généraux Section 1 : Guide A - Choix des niveaux de protection pour les
installations de protection contre la foudre (août 1993)
CEI 1312-1 ................Protection contre l’impulsion électromagnétique générée par la foudre - Partie 1 :
Principes Généraux (février 1995)
CEI 1662......................Evaluation des risques de dommages liés à la foudre (avril 1995)
MIL-STD-1757A ......Lightning qualification test techniques for aerospace vehicules and hardware (1983)
FAA AC 20 53 A ......Protection of airplane fuel systems against fuel vapour ignition due to lighning (1985)
and user’s manual
DOCUMENT AYANT VALEUR DE NORME ET DE CODE :
NFPA - 780 ................Lightning Protection Code - 1992 Edition 1992
35
BIBLIOGRAPHIE
Titre : La foudre, connaissances actuelles et recherche moderne
Auteur : Claude GARY, conseiller scientifique honoraire d’électricité de France
Source : Sciences, 98-4, octobre 1998 (périodique)
Titre : Warding off lightning strikes
Auteur : J. CHOWDHURY
Source : Chemical Engineering, vol. 106, n°3
Titre : Foudre : Protection des installations industrielles
Auteur : M. DIEY, S. HALAMA
Source : Prévention sécurité, n°37
Titre : Ground terminations of lightning protective systems
Auteur : A.S. FARAG, T.C CHENG, D. PENN
Source : IEEE transactions on dieletrics and electrical insulation, vol 5, n°6
CRAM Service prévention des risques professionnels : Brochure prévention SP 1076
prévention du risque foudre
Ainsi que de nombreux sites Internet, dont voici les plus utiles :
•
http://www.franklin-France.com/franklin
•
http://www.serpe-iesm.com/isoline.htm
•
http://pages.infinit.net/bewindo/chronique/liens.html
•
http://www.spotimage.fr/
•
http://www.edf.fr/EDF/html/fr/actualites/pdf/foudre.pdf
•
http://www.serpe-iesm.com/isoline.htm
•
http://www.meteo.fr/produits/foudre.html
•
http://www.helita.fr/
•
http://galileo.cyberscol.qc.ca/InterMet/pheno_extreme/p_foudre.htm
•
http://www.oragenet.org/
36