Signalisation maritime

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1 Cetmef centre d'études techniques maritimes et fluviales les outils Signalisation maritime Documentation technique Ingénierie des aides à la navigation Transpondeur AIS Transpondeur AIS Protection des Etablissements de Signalisation Maritime et de Surveillance de la Navigation Maritime contre l électricité atmosphérique et la foudre MAI 2005

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3 SOMMAIRE 1. PREAMBULE p.1 2. GENERALITES SUR L ELECTRICITE ATMOSPHERIQUE p.2 A. CHAMP ELECTRIQUE TERRESTRE p.2 B. LES ORAGES p.3 B.1. Electrisation des particules B.2. Formation des orages B.3. Champ au sol C. LA FOUDRE p.5 C.1. Apparition de la décharge disruptive C.2. Charges d espace Effet couronne C.3. Propagation de la décharge Apparition d un «traceur» C.4. Saut final C.5. Arc en retour et décharges subséquentes 3. DENSITE DES COUPS DE FOUDRE AUTRES DECHARGES p.12 A. DENSITE DES COUPS DE FOUDRE p.12 B. AUTRES DECHARGES p.13 B.1. Décharges intra-nuage B.2. Orages de chaleur B.3. Autres phénomènes de décharges localisées B.4. Décharges d électricité statique C. L IMPULSION ELECTROMAGNETIQUE NUCLEAIRE HAUTE ALTITUDE p.14 D. DECHARGES DE FOUDRE ET COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE p EFFETS DE LA FOUDRE ET PRINCIPE DES PROTECTIONS p. 17 A. EFFETS DE LA FOUDRE p.17 B. PHENOMENE D IMPACT PARATONNERRE p.17 B.1. Décharge descendante négative B.2. Décharge descendante positive B.3. Décharges ascendantes positives et négatives B.4. Paratonnerres à dispositif d amorçage C. ECOULEMENT DE LA DECHARGE p.21 C.1. Courant crête et surtension C.2. Inductions C.3. Rayonnements D. EFFETS SECONDAIRES p.23

4 5. PROTECTION CONTRE LES DANGERS DE L ELECTRICITE ATMOSPHERIQUE MESURES A PRENDRE DISPOSITIFS A UTILISER p.23 A. GENERALITES p.23 B. PRESCRIPTIONS CONCERNANT LES DIVERS ETABLISSEMENTS p.24 B.1. Bouées B.2. Tourelles B.3. Phares B.4. Bâtiments B.5. Navires B.6. Aérogénérateurs B.7. Panneaux solaires B.8. Antennes C. PRESCRIPTIONS COMMUNES p.27 C.1. Masses C.2. Canalisations C.3. Descentes de terre C.4. Prises de terre et de mer C.5. Raccordement aux lignes électriques, téléphoniques et de signaux H.F. et B.F. C.6. Neutre des installations C.7. Parafoudres D. COMPOSANTS DE PROTECTION p.34 D.1. Eclateurs D.2. Varistances D.3. Diodes à absorption D.4. Protection série E. MESURES DE PRECAUTION p.36 E.1. Vérification des installations de protection E.2. Prescriptions diverses 6. BIBLIOGRAPHIE p ANNEXES ET PLANCHES p.38 ANNEXE 1 : Réalisation des prises de terre et de mer p.41 ANNEXE 2 : Mesure des prises de terre p.46 ANNEXE 3 : Réalisation de protections parafoudre p.51 ANNEXE 4 : Terminologie p.58 ANNEXE 5 : Questionnaire, compte-rendu de visite p.61 PLANCHE 1 : Exemple schématique de la protection d un phare PLANCHE 2 : Exemple de protection d une station radio PLANCHE 3 : Exemple de protection d une station radar

5 dispositif expérimental d essai au LEHT des Renardières 1. PREAMBULE Ce document annule et remplace l instruction IBIM 0280 édition de décembre 1997 du Service Technique de la Navigation Maritime et des Transmissions de l Equipement. Les établissements de signalisation maritime et de surveillance de la navigation sont, du fait de leur hauteur et de leur isolement, particulièrement exposés aux décharges de la foudre. De plus, l'intégration de matériels comprenant des composants électroniques leur confère une fragilité aux surtensions. Le présent livret a pour objet de donner des conseils sur la manière de disposer les installations pour limiter les effets destructeurs se rattachant aux manifestations de l électricité atmosphérique et spécialement la foudre. 1

6 Les normes françaises NF C , NF C et NF C contiennent des prescriptions précises pour l installation des prises de terre, des paratonnerres et des matériels de protection contre les surtensions. Ces normes sont prises comme référence aux dispositions détaillées ci-après. On examine au chapitre 2 les principes physiques des décharges atmosphériques, puis au chapitre 3 leurs manifestations. Le chapitre 4 décrit les effets sur les systèmes et le principe des protections. Le chapitre 5 présente les mesures à prendre et les dispositifs de protection à utiliser dans les installations de signalisation maritime. 2. GENERALITES SUR L'ELECTRICITE ATMOSPHERIQUE A. CHAMP ELECTRIQUE TERRESTRE Les couches supérieures de l'atmosphère, à partir de 50 km d'altitude, sont ionisées par le rayonnement électromagnétique et le flot de particules émises par le soleil que l'on appelle "vent solaire." fig.1 processus d'ionisation des molécules de l'atmosphère Cette ionisation diminue fortement dès disparition du soleil du fait de recombinaisons des charges des particules entre elles, mais ne disparaît pas totalement en raison du libre parcours moyen élevé entre particules. Cette ionisation n'est pas équilibrée : on constate dans l'atmosphère un plus grand nombre de charges positives et un défaut de charges négatives, défaut que l'on attribue à la plus grande mobilité des charges négatives. Ces charges positives vont émigrer lentement vers la terre en formant un courant appelé "courant de beau temps". Ce courant, intégré sur toute la surface du globe, est évalué entre 1000 A et 2000 A. La charge de la terre va donner lieu à un champ électrique de l'ordre de 100 V/m variant d'environ 15 % dans la journée, le maximum étant atteint l'après-midi. Les orages estimés à 300 par jour en moyenne jouent un rôle régulateur en limitant la charge électrique au sol et donc le champ électrique ambiant. (réf. bibl. 13) 2

7 fig.2 mouvement des porteurs de charges négatives autour de l'orage B. LES ORAGES Les orages procèdent du même principe d'électrisation que les décharges statiques. Les principes généraux permettant d'expliquer la formation de la foudre sont décrits ci-après. B.1. Electrisation des particules Toute particule se caractérise par une tension triboélectrique liée à sa constante diélectrique. Si deux particules électriquement neutres sont mises en contact puis séparées, celle dont la constante diélectrique est la plus élevée se chargera d'électricité positive, l'autre se chargera de la même quantité d'électricité négative. Il se produit un transfert de charges électriques égales et de signes contraires. fig.3 principe d'électrisation des particules Un nombre élevé de chocs n'a pas pour résultat d'annuler les charges par recombinaison, mais de renforcer leur nombre. Le courant de charge est proportionnel au nombre d'impacts par unité de temps, soit à la vitesse relative des particules, à la densité de particules par unité de surface et à la surface d'impact : (réf. bibl. 15) I = α v S I : courant de charge v : vitesse d'impact S : surface d'impact α : coefficient = 0,1 pour gouttelettes d'eau dans un nuage type strato-cumulus = 1,5 pour flocons de neige = 10-3 pour cristaux de sel 3

8 Lorsque le potentiel créé par ce courant de charge atteint la limite de conductibilité de l'air ou du diélectrique support, il y a formation de décharge statique. La tension de claquage a pour expression : V= li V : potentiel de décharge σ S l : longueur de l'arc i : courant de charge σ : conductibilité de l'isolant : siemens/mètre pour l'air S : surface de l'équipement considéré B.2. Formation des orages Les orages se développent dans les nuages du type cumulo-nimbus qui résultent de la violente instabilité thermodynamique se produisant lorsqu'un apport d'air chaud et humide fait irruption à la base de couches sèches à gradient thermique fortement négatif. Ces masses d'air, en se condensant en gouttelettes d'eau puis de cristaux de glace, libèrent de grandes quantités d'énergie sous forme de chaleur latente qui va renforcer le premier moteur ascensionnel. Ce phénomène se poursuit jusqu'à l'ionosphère, soit environ 12 à 15 km d'altitude, là où la température s'inverse. Le processus fait intervenir des collisions entre les différentes particules d'eau condensées. Les cristaux de glace se chargent positivement vers le sommet du nuage par frottement avec les particules de grésil, et négativement aux températures plus basses en présence des gouttelettes d'eau. La figure 4 représente la répartition des charges statiques dans un nuage "mûr". (réf. bibl. 16) fig.4 anatomie d'un nuage d'orage B.3. Champ au sol Lorsqu'un nuage orageux, ainsi chargé positivement dans sa partie supérieure et négativement dans sa partie inférieure (avec éventuellement inclusions de portions chargées positivement), se présente audessus d'une région, le champ électrique au sol de l'ordre de 100 V/m par beau temps s'inverse et croît dans de fortes proportions. 4

9 Les aspérités (végétation, constructions, relief...) créent des charges d'espace qui limitent le champ au sol (jusqu'à environ 50 m) à une valeur moyenne de 15 kv/m. (réf. bibl. 14) champ électrique en kv/m kv s 10 s 15 s décharges fig.5 évolution du champ au sol temps C. LA FOUDRE C.1. Apparition de la décharge disruptive L'apparition d'une décharge résulte de la présence simultanée : d'un "électron germe" imprimant au phénomène un double caractère aléatoire dans le temps et l'espace ; d'un champ à proximité de l'électrode ou de la cellule de charge, supérieur à un champ critique ; d'un champ à distance élevé conditionnant la propagation de la décharge. Les décharges entre nuage et sol se différencient par la polarité et le sens du phénomène précurseur. C.2. Charges d espace Effet couronne (réf. bibl. 17 à 20) C.2.1. En présence du champ élevé au voisinage d'une pointe, la densité superficielle de charges va se trouver modifiée selon les lois de l'électrostatique et en particulier celle de Laplace. Il en résulte une modification locale des surfaces équipotentielles et une augmentation locale du champ électrique. fig.6 déformation des lignes de force et surfaces équipotentielles autour d'un demi-ellipsoïde pointu 5

10 Une approximation grossière du facteur d'amplification du champ peut être apportée par la formule: E = k E 0 avec k = h/r h : hauteur de l'ellipsoïde r : rayon au sommet de l'ellipsoïde A partir d'une valeur Ec, appelée champ critique, il se produit une ionisation locale de l'atmosphère. La valeur approchée de ce champ critique est donnée par la formule expérimentale de PEEK : Ec = Eo(1 + a r ) avec Eo = 31 kv / cm à pression normale de l'air sec a = 0,3 pour un fil, 0,4 pour une sphère r = rayon en cm C.2.2. Pour une décharge de polarité négative, les électrons émis par la pointe et accélérés par le champ électrique vont ioniser par choc les molécules d'air environnantes et, par un phénomène d'avalanche, vont ioniser à leur tour d'autres molécules d'air. Il en résulte une charge d'espace qui tend à réduire localement le champ qui lui a donné naissance. apparition d un électron germe déclenchement de l avalanche ionisation avec réduction du champ local fig.7 effet couronne en polarité négative Le retour à un niveau d'énergie de repos des particules ionisées s'accompagne d'une émission de photons, phénomène visible qui a donné son appellation de "couronne". C.2.3. Pour une décharge de polarité positive, l'avalanche prend naissance dans l'environnement de la pointe. Les phénomènes lumineux, ou effluves, sont plus importants qu'en polarité négative car les particules ionisées se dégagent plus tôt et pour des valeurs de champ plus faibles. En milieu marin on appelle ces effluves "feux de St Elme". apparition d un électron germe déclenchement de l avalanche ionisation avec réduction du champ local fig.8 "effet couronne" en polarité positive 6

11 On peut constater qu'en l'absence de la troisième condition énoncée au C.1., on n'obtient pas de décharge, mais une charge d'espace plus ou moins importante suivant le champ appliqué. C.2.4. Des décharges ascendantes peuvent se développer par expansion de la charge d'espace vers le nuage chargé. Ce cas est surtout constaté en polarité positive où les particules ionisées sont naturellement repoussées par la force de Coulomb produite par la pointe (voir fig.8) et, de plus, attirées par les charges opposées du nuage. De telles décharges sont constatées à partir d'installations de grande hauteur, isolées, ou pour des décharges provoquées (par exemple à l'aide d'une fusée reliée par un fil à la terre). A contrario en polarité négative, les ions vont émigrer vers l'électrode et réduire l'effet de pointe. La circulation des électrons donne lieu à un courant d ionisation qui reste très faible, inférieur à la centaine de ma ; ce phénomène ne peut donc "décharger un nuage", mais simplement amorcer une décharge. Le coup de foudre descendant est le phénomène le plus généralement observé. C.3. Propagation de la décharge Apparition d un «traceur» Lorsque les conditions rappelées en C.1. sont satisfaites, il va se développer un canal ionisé de quelques centimètres pour une décharge simulée en laboratoire, ou de plusieurs mètres, dizaines de mètres de longueur pour la foudre. C.3.1. En polarité positive (le précurseur est positif), on observe en laboratoire, après la première phase d'effet couronne décrite en C.2., une période sombre pouvant durer de 20 à 150 microsecondes, puis formation d'un canal d'une certaine longueur et développement d'un nouvel effet couronne. La période sombre serait due à une phase de recombinaison des charges avant thermalisation et conduction du plasma ainsi formé. positifs fig.9 développement d'un traceur par bonds en polarité positive C.3.2. En polarité négative (le précurseur est négatif), le phénomène est plus complexe. A la suite d'un premier effet couronne, apparaît en laboratoire, un dipôle de charge spatial créant deux effets couronne opposés, l'un positif dirigé vers l'électrode, l'autre négatif dirigé dans le sens de la propagation. Ce dipôle peut se propager. Lorsque la connexion entre le dipôle et la source d'origine s'établit, il y a illumination avec production d'un ou de plusieurs autres dipôles spatiaux. 7

12 effluves positifs négatifs effluves négatifs fig.10 développement d'un traceur par bonds en polarité négative C.3.3 La propagation d'un traceur positif ou négatif n'est pas uniforme. Elle se fait par saccades brusques de longueur métrique, voire décamétrique, et une vitesse de 1 à 10 mètres par micro-secondes. Ce phénomène explique l'importance du bruit radioélectrique enregistré sur ces gammes d'onde par temps d'orage. C.3.4. On observe des ramifications importantes d'un traceur descendant à l'approche du sol (cf. figure 13). On observe une ramification inverse d'un traceur ascendant positif à l'approche d'un nuage. C.3.5. On observe quelquefois le phénomène dit de "boule de feu" qui se présente sous la forme d'une boule lumineuse de 10 à 50 cm de diamètre, se déplace dans les constructions de façon erratique, causant des dégâts imprévisibles mais souvent mineurs. Il s'agit vraisemblablement d'une masse d'air fortement ionisée, type dipôle décrit ci-dessus, produite à l'extrémité inférieure d'une décharge secondaire. Seul un laboratoire japonais a pu reproduire (à l'heure actuelle) un tel phénomène à l'aide d'un dispositif à décharges associant des hautes tensions et des niveaux de champ radioélectrique importants. C.4. Saut final En polarité positive, on estime que le dernier effet couronne va déterminer le point d'attachement. La longueur du filament (ou effluve) constitue la distance d'amorçage. En polarité négative, les charges d'espace vont être au contraire attirées par la pointe du traceur qui draine une forte concentration de charges occasionnant des valeurs de champ de 400 à 500 kv/m. Le point d'attachement sera celui qui aura émis l'effluve ascendant le plus rapide. C.5. Arc en retour et décharges subséquentes Le courant d ionisation initiant l effet couronne est de quelques ma. L'ionisation du canal conducteur, ainsi amorcé, s'accompagne d'un accroissement brutal du courant dû à l'écoulement des charges. L'arc en retour se propage à une vitesse de l'ordre de 10 8 ms -1 ( soit 100m/µs). Les charges déposées par le traceur par bonds le long des canaux ionisés sont drainées par l'arc en retour, il s'ensuit une contraction brutale de cet arc, la production d'un éclair lumineux et la production d'une onde de choc, le "tonnerre", dont la pression est d environ : p = 0, /d N/m² (d = distance de l'éclair en m). 8

13 En polarité négative le premier arc en retour de durée de front de 1,8 µs à 18 µs, de pente de 9 à 65 ka/µs est suivi par en moyenne 2,2 décharges secondaires d'amplitude plus faible. Ces décharges sont initialisées par des "traceurs flèches" progressant de manière continue. En polarité positive on ne constate que rarement plus d'un arc en retour. Sa raideur est beaucoup plus faible, puisque inférieure à 5 ka/µs pour 50% des cas, mais d'amplitude plus élevée, pouvant dépasser les 250 ka. 300 amplitude (ka) 200 décharges positives % 95% 80% 50% 5% décharges négatives fig.11 répartition des caractéristiques des décharges de foudre en amplitude (d après CEI ) La pente n'est pas uniforme, à l'approche de la valeur crête, elle peut être cinq à dix fois plus élevée, ce qui conduit à des valeurs de 100 à 300 ka/µs en polarité négative (cf. bibliographie 15). Un courant persistant de quelques centaines d'ampères va fréquemment suivre le premier arc et parfois le suivant. Il va drainer une partie de la charge du nuage. La durée totale du phénomène peut atteindre une seconde. L'impression visuelle de la décharge incluant l'arc en retour et les arcs subséquents a donné son nom à "l'éclair". La charge totale (en coulomb) neutralisée par un éclair présente les valeurs suivantes (d après CEI 1024) : coups de foudre Fréquence cumulée 95% 50% 5% premier coup de foudre négatif 1,1 5,2 24 coups de foudre négatif suivants 0,2 1,4 11 éclairs négatifs 1,3 7,5 40 éclairs positifs L'énergie rayonnée par les différentes décharges d'un orage est de 10 3 J à 10 5 J pour les décharges négatives et 10 4 J à 10 7 J pour les décharges positives ; alors que l'énergie sous forme de chaleur latente, mise en jeu dans un cumulo-nimbus est de l'ordre de J. Les éclairs ne constituent donc pas un phénomène énergétique majeur. Le rayonnement des «traceurs» et de l arc en retour est particulièrement intense dans la bande des basses et très basses fréquences 1 khz à 300 khz. Des composantes du spectre de fréquences sont toutefois observées au-delà de 1 GHz. (réf. bibl. 21 et 22) 9

14 fig.12 phases de la production d'une décharge atmosphérique (descendante, négative) - développement d'un traceur ascendant positif et arc en retour 10

15 fig.13 représentation schématique des diverses phases d'une décharge atmosphérique A) amorçage d un précurseur descendant négatif B) propagation du «leader» et de traceurs secondaires avec effets couronne C) amorçage d un traceur positif à la rencontre du leader D) arc en retour et annulation des charges d espace des traceurs descendants négatifs 11

16 3. DENSITE DES COUPS DE FOUDRE - AUTRES DECHARGES A. DENSITE DES COUPS DE FOUDRE On caractérise la sévérité orageuse d'une région par sa densité de foudroiement soit le nombre d impacts au km². La carte ci-après se fonde sur des données statistiques de mesures enregistrées depuis La densité de foudroiement (N) se déduit de la densité d arc en retour (Na) par un facteur 2,2 représentant le nombre moyen d arc par impact selon la formule N = Na/2,2. Les valeurs de la densité d arc peuvent être obtenues à l échelon d une commune en consultant le fichier du serveur MINITEL 3617 METEORAGE ou le site Internet (réf. bibl. 24) fig.14 carte générale de densité d arc en France 12

17 EVENEMENT FOUDRE DATE longitude latitude LOCALISATION polarité amplitu n. d arcs champ électrique jour, mois, année de en rayonné (V/m) heure, minute, retour distance du point seconde d impact heure T.U. degrés degrés kilomètres degrés ka 1 km 2 km 3 km 02/10/ ,416-4,806 19,5 km /10/ ,421-4,764 22,3 km /10/ ,501-5,061 2,7 km /10/ ,587-4,773 24,0 km /10/ ,494-5,236 13,5 km /10/ ,557-4,992 10,0 km /10/ ,542-5,088 7,6 km fig. 15 données fournies par «météorage» pour une décharge près de la tour radar du Stiff à Ouessant (on notera la présence d une décharge exceptionnelle, à l origine de la recherche) L'exploitation de telles informations permet d'acquérir des connaissances sur la localisation des impacts, la répartition des intensités et des polarités par site ou région. Elle permet également de confirmer une installation de protection en associant ces données aux observations effectuées sur place sur les équipements. B. AUTRES DECHARGES B.1. Décharges intra-nuage Notre intérêt se porte sur les décharges entre les nuages et le sol. Toutefois il faut savoir qu'elles ne représentent que 20 à 30 % des décharges totales, la majorité d'entre elles sont de type intra-nuage. B.2. Orages de chaleur Sous l'effet combiné de l'humidité du sol et d'un réchauffement local, il peut se produire une ascension d'une masse d'air chaud et humide. Arrivée à l'altitude de condensation, et pour les mêmes raisons qu'exposées à l'article 2.B.2, elle sera l'objet de turbulences. Un phénomène d'électrisation prendra naissance et formera un nuage orageux, dénommé "orage de chaleur". Ce nuage est souvent très localisé et les décharges de type intra-nuage. B.3. Autres phénomènes de décharges localisées D'autres phénomènes de décharges localisées sont observés lors de tempêtes de sable ou de neige. B.4. Décharges d électricité statique Ces décharges se produisent par suite d'accumulation de charges statiques sur des corps non conducteurs ou conducteurs isolés. Ce phénomène, appelé également triboélectricité, est particulièrement sévère pour les mobiles en mouvement, tels les avions et automobiles. Ce phénomène est renforcé dans les zones industrielles, en raison des fumées, ou en site maritime, en raison des vents et des particules en suspension dans l'air. 13

18 Ces décharges se caractérisent par des intensités crêtes faibles, rarement de l'ordre de l'ampère, des tensions élevées, jusqu'à 100 kv et une durée extrêmement brève de valeur typique de 10 ns de temps de montée pour 50 ns de durée à mi-puissance. Ces décharges peuvent créer des perturbations dans les transmissions de données, détruire certaines jonctions de composants électroniques et présenter un risque lors du remplissage de soutes à combustibles inflammables. C. L'IMPULSION ELECTROMAGNETIQUE NUCLEAIRE HAUTE ALTITUDE (IEMN) (réf. bibl. 30) L'impulsion électromagnétique nucléaire en haute altitude (IEMN HA) résulte de l'explosion d'une bombe nucléaire à une hauteur de plusieurs dizaines de kilomètres. Ce phénomène est de probabilité d'occurrence très faible car ne pouvant résulter que d'un acte délibéré d'agression ou d'un incident non contrôlé d'un satellite ou d'un avion portant le vecteur nucléaire. Il a pour conséquences de détruire le matériel électronique d'une très vaste zone et d'immobiliser les ressources d'un pays. La décharge apporte un rayonnement intense en particules de même nature que le vent solaire : neutrons, photons gamma, photons X. A la suite d'une explosion nucléaire en haute altitude, la couche ionosphérique, située entre 10 et 60 km, va absorber les rayons gamma comme pour le vent solaire. Toutefois l'intensité des photons est telle (1,5 Mev) qu'ils produisent lors des interactions avec les particules de l'air des électrons de haute énergie appelés "COMPTON". fig.16 schéma de production des électrons Compton Les électrons Compton vont avoir une trajectoire presque alignée avec celle des photons initiateurs. Cette trajectoire va être toutefois déviée par le champ magnétique de la terre. Puis, après un libre parcours moyen d environ 20 mètres, l'électron va rencontrer une autre molécule d'air et engendrer d'autres électrons secondaires et ainsi de suite, rendant très rapidement toute la zone de dépôt ionosphérique extrêmement conductrice (fig. 16). 14

19 fig.17 schéma de l'ionisation et de formation du champ électromagnétique Le courant provoqué par la trajectoire des électrons Compton va engendrer un champ électromagnétique. Ce champ va se propager au sol pendant le laps de temps très court où l ionisation n est pas complète. Il présentera les caractéristiques suivantes : - d'intensité très élevée (plusieurs dizaines de kv/m) - de temps de montée très rapide (quelques nano-secondes), et de courte durée (quelques centaines de nano-secondes), - intéressant une zone extrêmement étendue (plusieurs milliers de km), malgré la déformation due à la condition de propagation d'orthogonalité des champs électriques et magnétiques, - de grande directivité (l'observateur A de la figure 17 ne sera sensibilisé que par le rayonnement de la ligne de visée E-A), - de spectre d'énergie élevé (80% de la densité d'énergie est estimée entre 1 MHz et 10 MHz). 15

20 figure 18 illustrant le champ résultant d'une explosion à 300 km au dessus de l'europe Ces caractéristiques du champ rayonné vont engendrer dans tous les éléments conducteurs quelque peu étendus, des inductions extrêmement élevées à l'origine des destructions. La protection contre l IEMN consiste en des blindages très sévères de tous les matériels, locaux, et des parafoudres à l entrée de tous les conducteurs dans les installations dont les performances s étendent aux très hautes fréquences. D. DECHARGES DE FOUDRE ET COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE La compatibilité électromagnétique (C.E.M.) répond à plusieurs objectifs : - permettre la libre circulation des biens (et personnes) au sein de la communauté européenne. - protéger les télécommunications contre les émissions diverses de toute origine et en particulier des équipements scientifiques, industriels et médicaux, Des normes très précises ont été édictées suite à la directive 89/336 CEE du 3 mai 1989 de la communauté européenne, elles sont devenues obligatoires en France le premier janvier

21 Ces normes limitent d une part les niveaux rayonnés par les matériels, et d autre part fixent les niveaux de perturbation qu ils doivent supporter. Le champ d application de la directive s adresse également aux systèmes et aux installations. A la différence des décharges atmosphériques, la CEM se préoccupe moins des ondes de choc en courant, car les phénomènes ne prennent pas en compte le passage d une quantité élevée de charges. Les protections CEM contribuent néanmoins à la protection des matériels contre les surtensions atmosphériques. 4 - EFFETS DE LA FOUDRE ET PRINCIPE DES PROTECTIONS A. EFFETS DE LA FOUDRE On a coutume de qualifier le coup de foudre suivant ses effets : chaude, détonante, froide, etc. Ceci résulte des caractéristiques ayant eu une conséquence la plus immédiate : - tétanisation et décès des êtres vivants par fibrillation du sang, soit à la suite d'un contact avec la décharge, soit par influence d'un courant d'écoulement de la décharge à la terre ; - éclatement des enduits ou parois bétonnées par dilatation des fers ; - projection de matériaux sous l'impulsion de la force de Laplace due au champ magnétique ; - éclatement des arbres par vaporisation immédiate de l'eau contenue dans la sève ; - incendies, explosions notamment dans les locaux où sont entreposées des matières inflammables (carburants, bois) par suite d'amorçage d'étincelles entre conducteurs non raccordés à un même potentiel proche. Tous ces effets résultent des caractéristiques de la décharge d'une part, du corps ou matériau la recevant d'autre part. B. PHENOMENE D'IMPACT - PARATONNERRE Les effets d'impacts diffèrent suivant le sens et la polarité du phénomène précurseur. On essaiera toutefois de dégager des dispositions de protection communes quels que soient ces paramètres. B.1. Décharge descendante négative La plupart des décharges atmosphériques sont initialisées par un précurseur descendant de polarité négative. Nous avons vu qu'à l'approche du traceur négatif descendant, les charges d'espace formées par "effet couronne" vont créer un précurseur ascendant positif, qui va pouvoir se développer et provoquer l'amorçage. 17

22 On a pu établir à la suite d'un grand nombre d'observations sur des lignes aériennes une correspondance entre la distance d'amorçage et le courant crête de l'impulsion au retour selon la formule expérimentale : da = 10 I 2/3 da en m I en ka fig.19 distance d'amorçage d'une décharge Tout objet lié au sol, se trouvant à une distance inférieure ou égale à la distance d'amorçage, déclenche le mécanisme d'impact. Dans le cas d'une pointe, nous avons vu au paragraphe 3.B que " l'effet couronne" était renforcé (pour une décharge négative) par la hauteur et le rayon de la pointe. Par ailleurs, expérimentalement, on observe que l'amorçage intervient pour un champ moyen de 500 kv/m pour une ligne et peut descendre à 300 kv/m pour une pointe. (réf. bibl. 27) On en déduit les deux caractéristiques du paratonnerre : - il fixe le point d'attache de la décharge et en conséquence protège les points situés à proximité. - il crée une zone d'attraction dont l'efficacité est supérieure d environ 35 à 40 % à celle d'une ligne. La normalisation n a pas prévu de distinguer une protection par ligne d une protection par pointe. Par contre, elle fixe des distances d amorçage fonction des intensités observées des décharges du courant de foudre et en déduit quatre niveaux de protection détaillés ci-après. Efficacité en % Intensité en ka Niveau de protection Distance d amorçage en m. > à 98 2, à 95 5, à 90 9, < 80 14, tableau des distances d amorçage pour un conducteur filaire ou un paratonnerre en fonction de la distribution statistique des amplitudes de courant et le niveau de protection souhaité au sens de la norme NF C

23 fig.20 modèle électrogéométrique de la distance d'amorçage d'une décharge pour une tige verticale type paratonnerre (réf. bibl. 25) On déduit la notion de rayon de protection Rp par la formule : Rp = h( 2 Da h) avec h hauteur du paratonnerre et Da distance d amorçage B.2. Décharge descendante positive Ce cas correspond à 10 % des observations (mais peut atteindre 80 % pour certains orages en hiver et en mer). Ce cas correspond aux intensités les plus élevées. Nous avons vu à l'article 3.B. que le dernier effet couronne du traceur positif descendant déterminait la distance d'amorçage. De plus à l'article 2.C.2 nous avons montré que " l'effet de pointe" était plutôt défavorable à un phénomène d'impact. Pour ce cas il n'y a pas " d'effet paratonnerre", le point d'impact sera le premier point de contact et la distance d'attraction sera égale à la distance d'amorçage. On a pu constater ce phénomène lors d essais de localisation de décharges sur une antenne radar au centre des très hautes tensions de EDF aux Renardières (réf. bibliographie 28). La séquence d essais, illustrée par la figure 21, montre qu un paratonnerre dominant l antenne de 2 m (soit 20 cm pour les essais avec le rapport d échelle utilisé de 1/10) n était sollicité par aucune décharge positive, bien que plus proche de l électrode initiatrice. Par contre il remplissait correctement son rôle de protection en polarité négative. 19

4 Installation des parafoudres

4 Installation des parafoudres 4 nstallation des parafoudres 4.1 Raccordement Les connexions aux récepteurs d'un parafoudre doivent être les plus courtes possibles afin de réduire la valeur du niveau de protection en tension (Up installé)

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