PERTURBATIONS DORIGINE ATMOSPHERIQUE Jacques Cuvillier IUT de Nantes

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

Mise en danger d’une installation : n n 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 : n Evénement catastrophique Accidentel Improbable Contre lequel il n ’y a rien à faire è « Pourvu qu’elle tombe ailleurs… » n n n

Constatations objectives : La foudre frappe le sol habité de la planète » 30 fois par seconde en moyenne n Courants : typiquement 25000 A, mais quelquefois > 100 000 A. n Durée : des pics de courant (» 50 ms) toutes les » 30 ms, pendant » 0, 5 à 2 s n 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 intranuages 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 : n 100 à 150 V/m par beau temps, 10 000, 20 000 V/m sous un nuage d’orage n

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 - 1 er 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 - 2 temps me + + + + 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 - 3 temps me + + + + Formation d’un canal ionisé continu par lequel les charges vont brusquement s’écouler

La décharge typique n Elle atteint un pic de l'ordre de 25 KA en » 2 ms n le pic dure environ 100 ms, Il est suivi de répliques de moins en moins intenses pendant » 100 ms n n 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 Vmax I 0. 9 Vmax 0. 9 Imax 0. 5 Vmax 0. 5 Imax 0. 3 Imax 1. 2 ms 50 ms Onde de tension 1. 2/50 ms t Imax 8 ms 20 ms t Onde de courant 8/20 ms

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

Elévation du potentiel du sol Ud (KV) 300 -100 -50 0 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 n nombreuses têtes de bétail) Différences de potentiel très importantes entre les différentes parties d ’un bâtiment reliées à des prises de terre séparées. n

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. n Elles agissent par influence sur les conducteurs placés dans ce champ, toitures métalliques, pylônes. . . et les lignes aériennes n èUne 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…) n Elle se transmet par capacités entre le primaire et le secondaire des transformateurs n Là où elle déclenche un éclateur ou un parafoudre, le potentiel de la terre sur laquelle il est relié s’élève localement n è 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 n Apparition de courants élevés dans les boucles conductrices n Apparition de phénomènes oscillatoires sur les circuits excités par l’énergie introduite, avec émission d’ondes électromagnétiques sur leur fréquence propre. n

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

Synthèse : Bâtiment A écrêteur de surtensions Bâtiment B Parafoudre installation électrique T 1 T 2 T 3 Retrouvons sur cette figure les différents effets possibles des perturbations d’origine atmosphérique.