PERTURBATIONS D’ORIGINE ATMOSPHERIQUE Jacques Cuvillier IUT de Nantes Novembre 2000

Mise en danger d’une installation : Le coup de foudre direct Impact distant sur le réseau relié à l’installation Impact proche de l’installation Perturbation induite

Sentiment subjectif sur la foudre : Evénement catastrophique Accidentel Improbable Contre lequel il n ’y a rien à faire « Pourvu qu’elle tombe ailleurs… »

Constatations objectives : La foudre frappe le sol habité de la planète » 30 fois par seconde en moyenne Courants : typiquement 25000A, mais quelquefois > 100 000 A. Durée : des pics de courant (» 50ms) toutes les » 30 ms, pendant »0,5 à 2 s Mais les décharges atmosphériques vers le sol ne sont pas les seuls phénomènes, il y a également les décharges entre des masses d’air (décharges intra- nuages et entre nuages).

Origine physique : L’atmosphère est en permanence le siège de phénomènes électriques, du fait en particulier du frottement et du télescopage des molécules d’eau entre elles.

Champ électrique au sol : 100 à 150 V/m par beau temps, 10 000, 20 000 V/m sous un nuage d’orage

Effet de pointe + Le champ électrique se renforce au dessus des points saillants du sol, et particulièrement au dessus des pointes (effet mis à profit dans le paratonnerre

Coup de foudre - 1er temps + Formation d’un “ traceur ” descendant, canal ionisé se propageant par bonds de 30 à 50 mètres vers le sol, et qui se ramifie.

Coup de foudre - 2me temps + Le champ au sol est porté à quelque 300 000 volts par mètre. Des traceurs ascendants se développent alors à partir des points critiques.

Coup de foudre - 3me temps + Formation d’un canal ionisé continu par lequel les charges vont brusquement s’écouler

La décharge typique Elle atteint un pic de l'ordre de 25KA en » 2ms le pic dure environ 100 ms, Il est suivi de répliques de moins en moins intenses pendant »100ms Entre ces pics, un courant de »100 A persiste. Les ordres de grandeurs sont en réalité très variables. Les décharges à long courant persistant sont les plus à même de provoquer des incendies.

Ondes normalisées pour les tests d ’équipements V 0.9Vmax 0.9 Imax Imax I Vmax 0.5 Imax 0.3 Imax 0.5 Vmax 1.2ms 50ms 8ms 20ms t Onde de tension 1.2/50ms Onde de courant 8/20 ms

Les effets de la foudre : D ’abord des phénomènes électrostatiques impliquant des transferts de charges Ensuite des phénomènes à la fois Electromagnétiques Electrodynamiques Thermiques Electrochimiques Sonores ...

Elévation du potentiel du sol Ud (KV) 300 -100 -50 50 100 d(m) L’élévation du potentiel, plusieurs centaines de KV à proximité du point d’impact, peut encore être très importante à plusieurs dizaines de mètres.

Elévation du potentiel du sol Conséquences : Entre deux points de la surface du sol, une différence de potentiel va apparaître  : la tension de pas (responsable de la mort de nombreuses têtes de bétail) Différences de potentiel très importantes entre les différentes parties d ’un bâtiment reliées à des prises de terre séparées.

Variation brutale du champ électrique au sol - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ ++ Perturbation introduite par les déplacement de charges Les éléments en présence forment un réseau de condensateurs mutuellement couplés. La décharge rapide liée à un coup de foudre provoque des variations considérables du champ électrique au dessus du sol.

Variation brutale du champ électrique au sol Conséquences : Ces variations sont provoquées aussi bien par les décharges vers le sol que celles qui ont lieu entre masses nuageuses. Elles agissent par influence sur les conducteurs placés dans ce champ, toitures métalliques, pylônes... et les lignes aériennes Une telle ligne développe une surtension qui va se propager de part et d’autre.

Surtension sur les lignes électriques Conséquences : La surtension met en danger les équipements de la ligne (transformateurs…) Elle se transmet par capacités entre le primaire et le secondaire des transformateurs Là où elle déclenche un éclateur ou un parafoudre, le potentiel de la terre sur laquelle il est relié s’élève localement Elle atteint donc le réseau de distribution et provoque des avaries plus ou moins décelables (vieillissement des condensateurs et des protections anti-surtension, claquages…)

Champ magnétique intense à variation rapide Boucle conductrice Descente de paratonnerre Courant élevé induit dans la boucle

Champ magnétique intense Conséquences : Apparition de tensions induites dans les matériaux conducteurs Apparition de courants élevés dans les boucles conductrices Apparition de phénomènes oscillatoires sur les circuits excités par l’énergie introduite, avec émission d’ondes électromagnétiques sur leur fréquence propre.

Emission d’ondes électromagnétiques Le canal de décharge forme une grande antenne qui émet des ondes radio dans un spectre relativement large Conséquences : Perturbation des communications radio Perturbations sur les appareils sensibles aux rayonnements électromagnétiques.

Synthèse : Bâtiment Bâtiment A B écrêteur de surtensions Parafoudre installation électrique installation électrique T1 T2 T3 Retrouvons sur cette figure les différents effets possibles des perturbations d’origine atmosphérique.