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Article

1 - PHÉNOMÉNOLOGIE DE LA FOUDRE

  • 1.1 - Physique de la foudre
  • 1.2 - Principales caractéristiques de l'éclair négatif
  • 1.3 - Diverses échelles pour l'étude de la foudre
  • 1.4 - Détection de la foudre

2 - EFFETS DE LA FOUDRE

  • 2.1 - Effets directs et effets rayonnés
  • 2.2 - Modélisation du champ électromagnétique rayonné par l'arc en retour

3 - PROTECTION CONTRE LA FOUDRE

  • 3.1 - Paratonnerre à la pointe du système de protection des structures contre la foudre
  • 3.2 - Évaluation du besoin de protection contre la foudre
  • 3.3 - Techniques de protection contre la foudre

4 - NORMALISATION ET RÉGLEMENTATION EN MATIÈRE DE PROTECTION FOUDRE

  • 4.1 - Normes relatives à la protection des installations
  • 4.2 - Normes relatives aux dispositifs de protection (parafoudres)

5 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D1335 v1

Phénoménologie de la foudre
Protection contre la foudre - Principes généraux et normes en vigueur

Auteur(s) : Sonia AIT-AMAR DJENNAD, Ahmed ZEDDAM

Date de publication : 10 févr. 2015

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RÉSUMÉ

Les équipements électriques et électroniques, de plus en plus sophistiqués et performants, sont également devenus de plus en plus vulnérables aux effets de la foudre. Dans ce contexte, le besoin de nouvelles recherches sur les phénomènes orageux et sur les dispositifs et méthodes pour se protéger contre leurs effets néfastes est crucial. Cet article se propose de dresser un état de l'art des connaissances dans le domaine de la protection contre la foudre. À cet effet, il examine l'évolution des méthodes de protection des bâtiments et des réseaux en faisant référence à la fois aux approches empiriques, aux connaissances actuelles dans le domaine ainsi qu'aux normes en vigueur.

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ABSTRACT

Lightning Protection. General Principles and Standards

Sophisticated electronic equipment has become more and more vulnerable to the effects of lightning. We can easily understand the need for new research on lightning phenomena and on the protective measures needed to mitigate their dangerous effects. This article presents a state of the art of knowledge in the field of lightning protection. It examines the evolution of the methods for the protection of buildings and networks, making reference to the empirical approaches and current scientific knowledge in the domain, together with the existing standards.

Auteur(s)

  • Sonia AIT-AMAR DJENNAD : Maître de conférences IUT de Béthune - Département GEII, Université d'Artois, Béthune, France

  • Ahmed ZEDDAM : Sénior manager en normalisation - Président de la Commission d'études UIT-T/CE5 « Environnement et changement climatique », Orange Labs, Lannion, France

INTRODUCTION

Au XVIII e siècle, période durant laquelle s'instaurèrent de nouvelles exigences de rigueur pour les théories et les expériences, on comprit que la foudre n'était pas une arme dont disposait un dieu tonitruant, mais un phénomène naturel régi par les lois de la Physique. Sans trop connaître ces lois, les chercheurs de cette période ont alors démontré qu'il était possible de perturber sa marche et de lui tracer une route qu'elle pouvait suivre sans danger pour autrui, grâce aux systèmes de protection contre la foudre, composés de paratonnerres et de conducteurs de descentes reliés à la terre. Dès lors, on s'efforça de trouver la meilleure méthode pour installer le système de protection contre la foudre, afin d'améliorer son efficacité.

Aux États-Unis, pendant un certain temps, les lignes de transmission d'énergie électrique ont été protégées sur la base d'un angle de protection de 30o par rapport à la verticale. Au milieu des années 1950, lorsque l'on est passé au transport de niveaux de tensions plus élevées (345 kV) en utilisant des pylônes plus hauts, il s'est avéré que cette protection a perdu en fiabilité. Le taux de coupure due au foudroiement s'est révélé plus élevé que ce qui était prévu. À partir de données statistiques sur le foudroiement des réseaux électriques, un modèle empirique appelé « modèle électrogéométrique » a pu être établi. Il permet de déterminer l'étendue de la zone de protection d'un paratonnerre en fonction de sa hauteur et du courant de foudre qu'il peut intercepter.

Aujourd'hui, les connaissances dans le domaine de la physique de la foudre ont été améliorées, grâce particulièrement aux expériences sur les grands intervalles d'air et aux expériences de déclenchement artificiel de la foudre. On sait que l'interception de la foudre résulte de l'augmentation du champ électrique produit par un traceur descendant issu d'un nuage orageux. En effet, l'approche d'un traceur descendant induit et amplifie un champ électrique au voisinage d'une aspérité du sol, ce qui provoque la formation d'un traceur ascendant. Le coup de foudre a lieu lorsqu'il y a jonction entre ces deux traceurs.

Par ailleurs, il ne suffit pas seulement d'attirer le traceur ascendant et d'acheminer le courant de foudre vers le sol pour assurer la protection d'une structure. Il est aussi nécessaire de bien dimensionner tout le système de protection et de tenir compte du champ électromagnétique induit par le courant de foudre afin de s'en protéger également. C'est la raison pour laquelle, de nos jours, des normes internationales donnent différentes recommandations afin d'optimiser la protection contre la foudre, avec comme souci d'apporter une solution globale et de plus en plus fiable.

L'article proposé fait un état de l'art des connaissances concernant la protection contre la foudre. Afin de bien comprendre les concepts utilisés de nos jours, il est nécessaire en premier lieu, de définir les différentes phases de formation d'un coup de foudre au sol. Étant donné qu'environ 90 % des coups de foudre sur des terrains plats sont du type négatif descendant, nous ne nous intéresserons qu'aux modèles qui s'appliquent à ce type de décharge.

La protection et la prévention vont de pair. On s'intéressera aux réseaux de détection qui permettent en premier lieu la surveillance des orages et aussi la collecte de données. Ces dernières permettront, d'une part, d'enrichir les connaissances sur les caractéristiques de la foudre, mais aussi d'apporter une aide à la prévision du risque de foudroiement d'une région donnée afin de mettre en place une protection adaptée.

Afin de justifier la nécessité d'une protection, il est utile de rappeler les différents effets de la foudre qui causent des pertes humaines et matérielles.

Nous aborderons par la suite les concepts qui permettent justement de protéger les hommes, les structures et les réseaux, en faisant un rappel historique de l'évolution des systèmes de protection contre la foudre et une présentation des principes généraux de protection préconisés dans les normes en vigueur.

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KEYWORDS

electromagnetic compatibility   |   lightning rod   |   surge arrester

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d1335


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1. Phénoménologie de la foudre

1.1 Physique de la foudre

La foudre est une décharge électrique aérienne qui permet à des nuages chargés électriquement de transférer au sol une partie de leurs charges et de compenser ainsi le courant de beau temps qui se répartit en permanence entre l'électrosphère et la Terre.

Le nuage orageux qui se développe verticalement est appelé cumulonimbus. Dans ce dernier, divers mécanismes d'électrisation conduisent, grâce aux mouvements d'air chaud, à une séparation des charges électriques. Les charges positives portées par des cristaux de glace se retrouvent vers le sommet et, à la base du nuage, des gouttelettes d'eau sont chargées négativement. Un îlot de charges positives se crée aussi en bas du nuage, dans une région à températures négatives comprises entre – 10 et – 20 o . Cette répartition de charges, illustrée sur la figure 1, a pour effet d'inverser et d'augmenter le champ électrique au sol, qui passe d'une centaine de volts par mètre par beau temps à une quinzaine de kilovolts par mètre.

Différentes théories tentent de décrire ce phénomène de création et de séparation de la charge dans un nuage orageux. Elles sont parfois complexes et certains aspects ne sont pas pris en compte. Comme il n'existe pas de consensus sur le mécanisme de ce processus, différents chercheurs continuent donc à essayer de trouver la bonne théorie qui explique qualitativement les phénomènes mis en jeu  ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KRIDER (E.P.) -   The earth's electrical environment.  -  Dans Physics of lightning. Studies in geophysics, National Academy Press, Washington, DC, p. 30-40 (1986).

  • (2) - RAKOV (V.A.), UMAN (M.A.) -   Lightning physics and effects.  -  Cambridge University Press (2003).

  • (3) - GARY (C.) -   La foudre des mythologies antiques à la recherche moderne.  -  Éditions Masson (2004).

  • (4) - COORAY (V.) -   The lightning flash.  -  The Institution of Electrical Engineers, London (2003).

  • (5) - STOLZENBURG (M.), RUST (W.D.), SMULL (B.F.), MARSHALL (T.C.) -   Electrical structure in thunderstorm convective regions. 1. Mesoscale convective systems.  -  J. Geophys. Res., 103(D12) (1998).

  • (6) - CHILINGARIAN (A.), BOSTANJYAN (N.), VANYAN (L.) -   Neutron bursts associated with thunderstorms.  -  ...

1 Sites Internet

GAUVIN (D.) Chasseur d'orage http://www.impact-orage.com/

Recommandations sur la protection contre la foudre et manuel sur la foudre par la Commission d'étude no 5 de l'UIT-T http://www.itu.int/ITU-T/studygroups/com05/index.asp

HAUT DE PAGE

2 Normes et standards

CEI 62305-1 - 2010 - Protection against lightning – Part 1 : General principles - -

CEI 62305-2 - 2010 - Protection against lightning – Part 2 : Risk management - -

CEI 62305-3 - 2010 - Protection against lightning – Part 3 : Physical damages to structures and life hazard - -

CEI 62305-4 - 2010 - Protection against lightning – Part 4 : Electrical and electronic systems within structures - -

ITU-T K.46 - 2008 - Protection of telecommunication lines using metallic symmetric conductors against lightning-induced surges - -

ITU-T K.47...

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