La foudre

Le nuage orageux

Pouvant atteindre plusieurs kilomètres de hauteur et de côté, le nuage orageux de type cumulo-nimbus est à l’origine de la production des foudres.

Le phénomène de la décharge

De la base d’un nuage en général chargée négativement s’échappe une pré-décharge appelée "dard", faiblement lumineuse, dont la progression vers le sol se fait par bonds successifs de quelques dizaines de mètres.

À l’approche du sol, l’extrémité fortement chargée du traceur ou "dard" engendre à sa verticale un important accroissement du champ électrique local. À environ 200 m du sol, des effluves de charges ou "streamers" s’échappent des points d’impact préférentiels de la foudre où le champ électrique est le plus intense (cimes des arbres, cheminées, paratonnerres, …). Localement , ces effluves se transforment en décharges ascendantes positives et vont à l’encontre du dard.

Le streamer qui offre les meilleures caractéristiques d’amorçage et de propagation rejoint le traceur descendant et assure la jonction électrique nuage-sol par la formation d’un canal ionisé. Ce chemin privilégié donne lieu à une forte décharge électrique de plusieurs milliers d’ampères appelée "arc en retour".

En l’espace de 0,2 à 1 s, plusieurs coups de foudre peuvent être échangés, leur progression est continue et leur vitesse de propagation très élevée.

Types de foudre et paratonnerres

Selon la polarité du nuage (charges positives ou négatives à sa base) et le sens de la décharge (ascendante ou descendante), quatre types de décharges peuvent avoir lieu. Sous nos latitudes, des mesures statistiques in situ ont démontré que plus de 90 % des décharges sont des coups de foudre descendants de type négatif.

Installés suivant les règles de l’art, les paratonnerres sont conçus pour fournir quel que soit le type de foudre des caractéristiques d’amorçage et de propagation meilleures que tout autre élément à sa proximité immédiate. Ils n’attirent (ne repoussent) pas la foudre mais protègent les structures contre ses effets en déviant le courant de foudre à la terre et en assurant son écoulement.

Sans protection appropriée, la propagation du courant de foudre peut se traduire par de multiples effets. D’où la nécessité de réaliser une protection suivant les règles de l’art en accordant une attention particulière aux prises de terre et à leurs interconnexions avec les éléments conducteurs jouxtant les descentes de paratonnerres et les masses électriques de l’installation.

Effets lumineux

L’ionisation de l’air engendrée par le courant de foudre génère des quantités énormes de particules lumineuses, ou "photons". Elles peuvent provoquer l’éblouissement d’un observateur proche du point d’impact pendant de longues secondes.

Effets acoustiques

Le courant de foudre est à l’origine de forces électrodynamiques énormes qui se traduisent par une forte élévation de la pression de l’air (2 à 3 atmosphères) dans le canal de décharge. L’onde de choc générée ou "tonnerre" peut être entendue à plusieurs dizaines de kilomètres du point d’impact sous la forme de grondements ou de claquements selon sa distribution spectrale et la position de l’observateur.

Effets dus aux claquages

La résistivité des sols et des prises de terre provoque une élévation brutale du potentiel de l’installation lors du passage du courant de foudre. Des différences de potentiel peuvent apparaître sur divers éléments métalliques reliés incorrectement à la prise de terre provoquant amorçages, claquages et destructions d’équipements électriques ou électroniques. Une mise à la terre mal effectuée engendre des problématiques importantes.

Effets électrochimiques

La présence de plus en plus fréquente d’électronique sensible confère aux équipements électriques une vulnérabilité accrue aux surtensions transitoires. De diverses autres origines possibles (surtensions industrielles, surtensions de manœuvre sur les réseaux, décharges électrostatiques, …), les surtensions transitoires d’origine atmosphérique sont les plus néfastes pour les équipements et les installations électriques ou électroniques du fait des énormes énergies engendrées dans des temps très courts. Elles peuvent être provoquées par un coup de foudre direct sur le réseau électrique (ligne téléphonique, …), induites par induction ou par des remontées de terre.

Les mesures d’isolement rendues obligatoires par les normes de fabrication des équipements ne permettent pas de faire face à ces effets (CEI 61000-4-5 : immunité des équipements). L’équipotentialité des masses et des terres doit être réalisée et la mise en place de parafoudres (dispositifs de protection contre les surtensions) est nécessaire pour absorber les énergies mises en jeu.

La présence de plus en plus fréquente d’électronique sensible confère aux équipements électriques une vulnérabilité accrue aux surtensions transitoires. De diverses autres origines possibles (surtensions industrielles, surtensions de manœuvre sur les réseaux, décharges électrostatiques, …), les surtensions transitoires d’origine atmosphérique sont les plus néfastes pour les équipements et les installations électriques ou électroniques du fait des énormes énergies engendrées dans des temps très courts. Elles peuvent être provoquées par un coup de foudre direct sur le réseau électrique (ligne téléphonique, …), induites par induction ou par des remontées de terre.

Les mesures d’isolement rendues obligatoires par les normes de fabrication des équipements ne permettent pas de faire face à ces effets (CEI 61000-4-5 : immunité des équipements). L’équipotentialité des masses et des terres doit être réalisée et la mise en place de parafoudres (parasurtenseurs ou dispositifs de protection contre les surtensions) est nécessaire pour absorber les énergies mises en jeu.

Surtensions par conduction

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Lors d’un coup de foudre direct sur une ligne électrique ou un pylône, le courant peut se propager et atteindre toutes les installations distribuées par la ligne même si elles sont localisées à plusieurs kilomètres du point d’impact. Ces courants sont d’autant plus destructeurs que la majorité de l’énergie du coup de foudre est "conduite" par le réseau.

Surtensions par induction

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Tous les éléments métalliques localisés dans un périmètre proche d’un coup de foudre se comportent comme des antennes qui captent par "induction" les brusques variations du rayonnement électromagnétique induit par la foudre. Des surtensions et des courants transitoires apparaissent ainsi sur tous les équipements qui leur sont reliés dont les effets sont proportionnels à la puissance et à la proximité du coup de foudre.

Même s’il constitue un moyen de protection contre l’impact direct de la foudre, l’enfouissement sous terre des réseaux constitue aucunement une garantie totale de protection contre la foudre.

Remontées de terre

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Lors d’un coup de foudre à proximité d’un bâtiment, la dispersion du courant dans le sol peut atteindre celui-ci et induire une montée en potentiel de la terre électrique de l’installation à laquelle sont reliées toutes les masses des équipements. Des différences de potentiels apparaissent alors entre les masses des équipements et les réseaux auxquels ils sont reliés. En l’absence de protection, ces surtensions sont à l’origine de "remontées" de forts courants transitoires qui peuvent être très destructeurs.

De même qu’une partie du courant de foudre est évacuée par la terre via le paratonnerre, une proportion non négligeable du courant de foudre est aussi dissipée vers la terre de l’installation sous la forme de remontées de terre.