La foudre: Préambule

Cette présentation foudre n’a pour seule ambition que d’aborder de façon concrète les différents aspects pratiques de la protection contre la foudre, des installations et matériels courants dans l’industrie.

Bien entendu, la protection des personnes reste pour tout responsable la première des préoccupations.

Cependant ce domaine est affaire de spécialistes et les organismes de contrôle des installations électriques, remplissent ce rôle avec compétence.

Nous nous cantonnerons donc à l’aspect matériel du sujet foudre même si un regard sur l’aspect protection des personnes est parfois esquissé.

Les dommages :   En France : Plusieurs millions d’impacts de foudre par an (particulièrement en période de fortes chaleurs).

La foudre tue parfois et surtout provoque des dégâts, souvent spectaculaires :

– Personnes et animaux foudroyés,

– Bâtiments détruits par dizaines,

– Matériels électroniques, électroménager, … endommagés,

– Dysfonctionnements des systèmes automatiques.

L’importance des dommages traduit tout autant la puissance du phénomène que le peu d’attention porté aux méthodes de protection.

« On ne peut rien faire contre la foudre« .

Voilà, une idée extrêmement répandue et cependant particulièrement fausse.   Une approche résolument technique ne peut que convaincre du contraire :

« Il est, bien sûr, toujours possible de se protéger des effets de la foudre. »

La première étape consiste à considérer la foudre comme un événement physique classique et non plus comme une intervention divine ou surnaturelle.

On s’échappera alors du domaine des superstitions pour entrer dans celui du rationalisme.

On tentera alors de mettre en lumière les faits et de caractériser l’action de la foudre.

La foudre, un phénomène physique:

Si donc, la foudre est un phénomène physique, son étude doit être possible.   De nombreux talents, particulièrement français s’y sont attelés avec brio. De leurs travaux on tire les enseignements suivants :

– Processus de la décharge de foudre

– Zones exposées

– Onde de choc

– Propagation de l’onde

– Les effets de la foudre    

Processus de la décharge de foudre :

La foudre ne se produit qu’en présence de cumulo-nimbus. Ils présentent une masse particulièrement importante dans le plan vertical et peuvent atteindre des hauteurs comprises entre 2 et 14 km.  Les différences de température entre les parties hautes et basses des nuages provoquent des circulations d’air, intenses, (activité thermodynamique).

Par frottement les particules en mouvement se chargent alors électriquement et ces charges s’accumulent aux extrémités verticales des nuages. Par influence l’environnement, dont le sol, se polarise de façon inverse à celle de la zone nuageuse la plus proche.

Les coups de foudre : Un coup de foudre est qualifié de négatif lorsque la partie négative du nuage se décharge, et de positif dans le cas contraire.   

Un coup de foudre est appelé descendant lorsque le précurseur part de la base du nuage, et ascendant si le précurseur aboutit à la base du nuage.

Sous l’influence de ces charges, des champs électriques apparaissent, entre nuages et terre aussi bien qu’entre nuages.

Les valeurs de ces champs peuvent atteindre quelques dizaines de kV/m.

Les impuretés de l’air et l’humidité ambiante en période d’orage, favorisent une augmentation locale des champs électriques ainsi qu’une diminution des tensions d’amorçage.

Des décharges électrostatiques sont alors produites au sein de ces différents dipôles.

Le processus de décharge commence.

Le processus de décharge commence donc son cycle dès l’instant ou une première rupture d’isolement se produit entre la base du nuage et un point quelconque de son environnement.

Alors, par bonds successifs, de 50 à 100 mètres une partie de la charge du nuage est transférée vers le point d’impact. Le parcourt de ces « pré-décharges », trace un chemin fortement ionisé appelé : traceur ou précurseur.

Le chemin suivit par le traceur est très irrégulier. Pendant sa progression, le gradient de potentiel (champ électrique) augmente et donne naissance à de nombreuses ramifications. A proximité d’objets, de constructions ou de tous autres éléments susceptibles de servir de vecteur à la dissipation de l’énergie de foudre, des étincelles (décharge de capture) jaillissent et rencontre le précurseur.

Le chemin ionisé, entre le point d’impact et le nuage est alors complètement tracé.

La différence de potentiel le long de ce chemin atteint quelques centaines de millions de volts. il s’écoule aussitôt un courant d’une intensité considérable, appelé : premier trait de retour, décharge principale ou encore arc en retour.

La valeur crête du courant de décharge varie de quelques dizaines de kA (40 kA en moyenne) à une centaine de kA maximum pour les coups de foudre négatifs descendants.

En Europe, où le climat est tempéré, ils représentent 80 à 90 % des chocs.

Les chocs positifs ascendants peuvent atteindre des intensités de plusieurs centaines de kA.

Plusieurs arcs en retour, en moyenne 4 par éclair, se succèdent dans un laps de temps de 500 ms à 1 s

Zones exposées à la foudre

Pour fixer les idées sur la plus ou moins grande exposition d’une zone géographique, il est d’usage d’utiliser maintenant la notion de niveau kéraunique, d’ailleurs consacrée par la norme NF C15 100.   Le niveau kéraunique qui indiquais, pour un endroit déterminé, le nombre de jours pendant lesquels on a entendu le tonnerre en une année est de plus en plus remplacé par le nombre moyen de chocs au km².   La relation entre ces deux notions oscille entre :

Nc = Nk / 10 et Nk/20

Le niveau kéraunique en France peut atteindre 35 on en déduit que 3 à 4 chocs aux km² affectent, chaque année, les zones les plus exposées de notre pays.

Pour fixer les esprits on peut retenir que l’Indonésie connaît des niveaux kérauniques de 200 ! Chacun comprend bien que ces tentatives de mesure de l’intensité orageuse d’une zone ne rendent pas compte des réalités propres à un site déterminé. Certains aspects complémentaires que nous verrons plus loin permettrons d’y parvenir.

Onde de choc

Pour faciliter les études, analyses, tests, comparaisons, il est indispensable d’utiliser des références communes à tous les acteurs.

Pour caractériser la tenue des matériels a la foudre ainsi que les tensions d’amorçage des dispositifs de protection foudre l’onde de choc foudre a été normalisée. Elle est couramment désignée sous le nom d’onde :  1,2 / 50    8 /20

Elle comporte un spectre de fréquence très large qui s’étale depuis les très basses fréquences jusqu’à plus de 1 MHz.

L’onde de tension : – Montée de 1,2µs (de 10% à 90 % de U), – Lorsque la tension disruptive (tension d’amorçage) est atteinte (100 % de U), l’onde de courant apparaît et la descente s’effectue en 50 µs (50 % de U).     L’onde de courant: –          Montée de 8 µs (de 10% à 90 % de I) –          Descente de 20 µs (50 % de I). –          Elle est responsable des destructions de matériels par effet thermique.

Propagation de l’onde

La description du processus de décharge présente l’ensemble nuage/terre comme un dipôle qui se décharge suite à des amorçages par bons successifs.

Pour définir les circonstances qui favorisent la décharge de cet immense condensateur il faut s’interroger sur les raisons qui justifient qu’un choc est lieu en un endroit déterminé. Parmi les éléments favorisants on peut citer:

–          La distance qui sépare les charges(= entre le nuage et le sol) : Plus elle sera réduite plus l’amorçage sera facilité. Les impacts les plus nombreux sont toujours recensés dans les zones montagneuses.

–          La nature du sol : plus il est conducteur plus il se charge. Les régions minières, charbon, fer, même en pays plat sont plus exposées ainsi que les grandes surfaces d’eau.

–          La topographie des lieux qui, comme les vallées, favorisent la circulation des vents et provoquent une ionisation de l’air, ici plus que là créant des passages de faible impédance.

– La présence d’antennes longues (câble HT aérien) ou de structures hautes avec ou sans effet de pointe favorisent grandement les amorçages.

Le parcours du traceur par bons ne doit donc rien au hasard, il se réalise toujours par le chemin le plus aisé. S’agissant d’un phénomène électrique, le chemin le plus aisé est celui qui présente l’impédance la plus faible. Il convient bien ici de parler d’impédance et non pas seulement de résistance, car les fréquences de l’onde de choc sont, comme nous l’avons vu supérieures au MHz.

On rappellera que l’impédance d’un circuit est directement proportionnelle à sa résistance ainsi qu’à la fréquence à laquelle il est soumis et inversement proportionnelle à sa capacité.

Dans le cas d’analyse, des méthodes et moyens de protection, qui nous occupe ici, la terre est toujours la destination finale du choc de foudre, même si les amorçages aériens (entre nuages) sont les plus nombreux. Cette simplification volontaire sur la propagation de l’onde de choc, permet en termes concrets d’entrevoir les voies à retenir pour se protéger et aussi d’énoncer une règle simple, à l’usage des non-spécialistes qui souhaitent, comprendre le phénomène pour maîtriser leur propre système de protection :

Un choc de foudre va toujours à la terre et prend le chemin de moindre impédance.

Les effets de la foudre

On distingue, par leurs effets et donc par les moyens de s’en protéger deux types de coups de foudre :

Chocs directs :

Ils s’agit de chocs qui tombent directement sur un objet ou un être vivant pour s’écouler à la terre.

Chocs indirects :

un objet ou un être vivant qui subit le passage d’un courant, bien qu’il n’ai pas été touché par le coup de foudre.

Ce courant circule, soit parce qu’un conducteur achemine la surtension du point de choc au point d’écoulement, soit parce qu’elle s’est propagée par couplage inductif, électrostatique ou électromagnétique.

Si les effets d’un choc qui frappe directement un matériel ou un bâtiment n’ont pas besoin d’être détaillés. Ceux des chocs indirects ne sont pas toujours identifiés comme étant dus à une décharge d’origine atmosphérique.

Par exemple, les effets électrostatiques sur un appareil ne sont pas précédés du bruit caractéristique du coup de foudre et de ce fait pas associés à une activité orageuse.

Les énergies en jeu peuvent être suffisantes pour endommager, sur l’instant, des composants qui se détruiront un peu plus tard dans le temps.