Tewfik KHAYATE Laura MILLOT Yoann ROTMAN

Projet de CindyniqueAvril 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

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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.

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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.

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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.

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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-à-

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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

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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 (phase 1)

Développement (phase 2)

Maturité (phase 3)

Décroissance (phase 4)

début des mécanismes

d'électrification

début de la phase d'activités

activité électrique intranuage

vents ascendants violents

activité électrique intense

développement vertical

maximal

activité convective intense

phénomènes internes

sévères

décroissance de l'activité interne

répercussions au sol maximales : foudre, pluies

violentes, grêle, cisaillements de

vents

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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.

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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

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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.

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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

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• 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...

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II-UN SYSTEME DE DETECTION PARTICULIER : METEORAGE

La société Météorage exploite les 16 stations de détection de la foudre de Météo-France. 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 :

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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.

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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.

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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

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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:

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• 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.

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Les actions de recherche portent actuellement sur l'utilisation de lasers pour canaliser la décharge de foudre. Un exemple : le paratonnerre pulsar

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.

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 propage vers le traceur descendant du nuage après 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.

① La pointe du Pulsar joue un triple rôle: - recueillir le courant nécessaire à

l'alimentation du dispositifélectrique contenu dans lecylindre

- émettre les aigrettes par lesimpulsions haute tension

- capter le courant de foudre pourl'amener à la terre.

② Le disque métallique constitue lapartie supérieure de l'éclateur à airextérieur visant à écouler le courantde foudre à la terre. ③ Le cylindre métallique contient ledispositif électrique d'amorçage quigénère des impulsions haute tension. ④ La tige permet la fixation duPulsar lors de l'installation. Lecollier de raccordement doit y être

xé.

de descente es

fi ⑤ Le conducteur traccordé au collier.

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.

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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 coupe-circuit, 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.

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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

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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.

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Figure 11 : Schéma du circuit d'essais de simulation de la foudre, aux Laboratoires de Génie Electrique d’EDF

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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.

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ANNEXES

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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.

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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.

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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

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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/

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