Foudre - Définition

Énergie

Un vieux rêve chimérique est de récupérer l'énergie de la foudre pour s'alimenter en électricité. Une telle récupération de l'énergie des éclairs est toujours apparue impossible, car non seulement elle nécessiterait la couverture de l'ensemble du territoire par un nombre immense de paratonnerres, mais elle serait très peu productive. En effet, un éclair est un phénomène ponctuel dégageant une grande puissance, mais sur une faible durée. L'énergie produite est donc relativement faible, même comparativement à d'autres énergies renouvelables. Pour prendre une image : en lançant très violemment l'eau d'un seau sur une vitre fine, on la brise. Cela ne signifie pas qu'il y avait beaucoup d'eau mais que l'eau allait très vite.

L'ordre de grandeur de l'énergie de la foudre est de quelques centaines de kilowatts-heure par choc (environ 280 kWh, en incluant l'énergie de l'onde rayonnée magnétiquement). Il y a entre 1 et 2 millions de chocs par an en France. Ainsi, si cette énergie était récupérée et partagée entre les 65 millions d'habitants de ce pays, chacun obtiendrait une part de l'ordre de 6 kWh par an, équivalent de trois heures d'utilisation d'un four.

Grâce au téléscope spatial Fermi, Michael Briggs et ses collaborateurs ont analysé le spectre d'émission des flashs de 17 éclairs ; ils y ont trouvé un pic net à 511 kilo-électron-volts, l'exacte quantité d'énergie produite par l'annihilation d'un électron et de son antiparticule, le positron.

Dangers

Il y a environ 2 000 orages dans le monde entier à chaque instant. Ces orages produisent entre 30 et 100 éclairs nuage-sol par seconde ou environ 5 millions d'éclairs par jour.

Les dangers de la foudre sont définis par :

• Les effets directs (thermoélectriques) : la circulation d'un très fort courant électrique échauffe la matière et cause des dommages mécaniques souvent très importants, voire spectaculaires. Chaque année, en France, environ 2 millions de coups de foudre sont enregistrés par les systèmes de détection, et près de 250 clochers sont plus ou moins gravement endommagés par le "feu du ciel" qui provoque également entre 15 000 et 20 000 incendies.

• Les effets indirects (électromagnétiques) : le courant de foudre induit d'une part une tension de mode commun (U = R I+ L dI/dt) et un champ électromagnétique d'une exceptionnelle intensité. Il s'ensuit la génération d'impulsions électriques parasites très puissantes, qui sont statistiquement majoritairement en cause dans les dégâts. Ces parasites suffisent en effet à dégrader des matériels électroniques sensibles (téléviseurs, ordinateurs, etc.) même si l'éclair est éloigné. Si l'éclair est plus proche, le parasite peut aussi détruire des matériels plus résistants (lampes, moteurs, fours…).

• La conduction : Pourquoi nos vaches craignent elles la foudre ? Le foudroiement direct d'animaux (ou personnes) est très rare. Cependant lorsque la foudre frappe la terre, les charges électriques se dissipent dans le sol dont le potentiel électrique devient plus ou moins important suivant la nature du sol (sa résistivité) et de la distance à l'impact. La différence de potentiel (tension) entre deux points est d'autant plus importante que l'écart est grand (amplitude d'un «pas»), pour une résistivité donnée. Plus cette tension est importante, plus le courant qui peut alors circuler par les membres inférieurs est important. Ce phénomène est appelé « tension de pas », plus élevée pour une vache orientée dans la direction du rayon d'un cercle dont le centre est l'impact, que pour un homme..

Détection

Antennes faisant partie d'un réseau de détection de la foudre en Chine. Ce réseau peut détecter les éclairs en trois dimensions dans les orages

Il existe différents systèmes de détection de la foudre :

• Le moulin à champ est un instrument de mesure d'un champ électrique statique. En météorologie, cet instrument permet, grâce à l’analyse du champ électrostatique au-dessus de lui, de signaler la présence d'un nuage électriquement chargé traduisant l'imminence de la foudre.
• Réseau d’antennes réceptrices qui reçoivent le signal radio généré par la décharge. Chacune des antennes en tire la direction d’où vient la foudre et son intensité. Par triangulation des directions, on peut ensuite déduire la position.
• Système mobile qui n’utilise qu’une antenne directionnelle pour déduire la direction et l’intensité du coup de foudre pour ensuite déduire la distance par l’analyse de la fréquence et de l’atténuation de l'amplitude du signal.
• Détection par satellite artificiel des éclairs lumineux produits par les orages.

Les réseaux de détecteurs de foudre sont utilisés par les services météorologiques comme le Service météorologique du Canada, Météo-France et le National Weather Service américain pour suivre les orages et prévenir les populations. D'autres utilisateurs privés et gouvernementaux les utilisent également, dont en particulier les services de préventions des feux de forêts, les services de transport d'électricité, comme Hydro-Québec, et les usines d'explosifs.

Le repérage par satellite est en développement, il a un meilleur taux de détection mais les données sont rapportées à intervalles de 5 à 10 minutes et non en continu. Les systèmes mobiles sont utilisés par l’industrie du transport aérien à bord d’avions afin de détecter les orages et de les éviter.

Protection

Éclair frappant la Tour Eiffel en 1902

La foudre est comme issue d'un générateur parfait de courant. Une des méthodes de protection est donc de faciliter la circulation des charges électriques vers la terre au moyen de conducteurs non fonctionnels.

Le paratonnerre va faciliter le chemin du canal foudre par effet de pointe. Le paratonnerre sera efficace à condition d'être en présence d'un coup de foudre descendant dont le précurseur avance par bonds successifs ; ce qui est le cas dans 90% des coups de foudres. Il est, ensuite, très important d'assurer une continuité électrique de grande capacité jusqu'à la terre.

Ce procédé ne garantit pas l'interception d'un arc électrique, qui peut tomber juste à proximité. Pour cette raison, les constructions industrielles sensibles sont équipées de nombreuses pointes et filins conducteurs. Il est aussi conseillé de réaliser l'interconnexion de toutes les parties conductrices présentes aux abords (par exemple les conduites d'eau) avec ce circuit de descente de foudre.

Un bon dispositif extérieur de protection d'une installation contre la foudre est constitué de trois composantes :

1. Un dispositif de capture, qui peut prendre plusieurs formes : fils tendus, paratonnerres à tige ou paratonnerres à dispositif d'amorçage, conducteurs maillés… Ces dispositifs doivent être dimensionnés, en fonction du niveau de protection souhaité, par la méthode de la sphère fictive déduite du modèle électrogéométrique de la foudre, de manière à ce qu'un impact foudre se produise préférentiellement sur le dispositif et non sur l'installation à protéger.
2. Une prise de terre, constituée d'un réseau de conducteurs nus et enterrés, en contact intime avec le sol, qui doit permettre de disperser "facilement" les courants dans le sol. Pour ce faire, ces conducteurs doivent présenter une faible résistance de terre, ce qui permet en outre de limiter les surtensions susceptibles d'apparaître sur les liaisons électriques extérieures qui pénètrent dans l'installation à protéger.
3. Des conducteurs de descente, qui assurent la jonction entre le dispositif de capture et la prise de terre.

Cet ensemble de conducteurs doit être interconnecté correctement et durablement.

Toutefois, l'installation d'un paratonnerre ne prend pas en compte les effets indirects de la foudre sur une installation. La circulation du courant foudre sur les conducteurs du dispositif génère un champ magnétique impulsionnel intense qui peut perturber voire détruire certains constituants de l'installation électrique du bâtiment à protéger. Plusieurs solutions peuvent être envisagées afin de limiter ces effets :

• éloigner les conducteurs de capture et de descente de l'installation à protéger, puisque le champ magnétique rayonné par un conducteur est inversement proportionnel à la distance par rapport à ce conducteur ;
• multiplier ces conducteurs de manière à diviser les courants : on réduit ainsi les niveaux de champs à proximité des conducteurs et si le courant est bien réparti autour de l'installation à protéger, on obtient également un effet de compensation du champ magnétique créé par chaque conducteur ;
• augmenter l'atténuation propre à la structure de l'installation, par exemple par une amélioration de la continuité électrique du ferraillage dans le cas de constructions en béton armé (soudure des croisements et des chevauchements de fers) de manière à constituer un meilleur écran électromagnétique ;
• améliorer l'équipotentialité des masses métalliques de l'installation pour limiter les différences de potentiels induites, en interconnectant les différents éléments conducteurs de l'installation (poutres métalliques, conduites d'eau, châssis des armoires et des équipements électriques…) au moyen de tresses de masse par exemple ;
• apporter un traitement particulier au câblage de l'installation : placer les câbles au plus près des masses métalliques (poutres par exemple) ou sur des chemins de câbles métalliques reliés à la masse à leurs deux extrémités, ce qui permet de réduire les surfaces des boucles de masses et donc les tensions parasites induites aux entrées / sorties des équipements électriques.

Dans les réseaux électriques, on évite que la foudre tombant sur les lignes électriques ne se propage à l'intérieur poste en installant au-dessus des conducteurs électrique de ces lignes des câbles de garde, qui en plus de leur rôle de support de communication (ils contiennent des fibres optiques), jouent un rôle de protection contre la foudre. Au-delà de cette protection primaire, la protection des installations électriques contre les surtensions produites par la foudre sur les conducteurs actifs des liaisons électriques est réalisée par l'utilisation de composants parasurtenseurs (parafoudres, éclateurs à gaz, thermistances, diodes Transil) qui ont pour but de court-circuiter les impulsions parasites cheminant sur les liaisons électriques en dérivant la majeure partie de l'énergie de l'impulsion directement vers la terre. Le bon câblage de ces composants est essentiel à leur efficacité. La longueur et la position des câbles jouent en effet un rôle primordial.

Normalisation en France

Le dimensionnement d'un dispositif extérieur de protection foudre est régi en France par les normes NF EN 62 305 et NF C 17-100, qui proposent une méthode d'analyse de risque à partir de paramètres tels que la sensibilité d'une installation (présence de matières dangereuses, risque de panique…) et son exposition au phénomène foudre, estimée à partir de statistiques de foudroiement de la zone géographique dans laquelle l'installation à protéger se situe. Cette analyse aboutit à la détermination d'un niveau de protection à apporter et à partir duquel la norme propose un dimensionnement adéquat du dispositif extérieur de protection de l'installation.

L'analyse de risque proposée par la norme NF EN 62305-2 est beaucoup plus fine, mais également plus difficile à appliquer, que celle de la norme NF C 17-100. Quant à la norme NF EN 62305-3, elle propose des solutions plus concrètes et est beaucoup plus exhaustive en termes de configurations d'installations que la norme NF C 17-100.

Également, la norme NF EN 62305-4 permet de prendre en compte les effets de l'impulsion magnétique créée par un impact foudre sur une installation électrique, contrairement à la NF C 17-100 qui ne traite que des effets directs.

Les paratonnerres à dispositif d'amorçage (PDA) sont régis par la norme NF C 17-102 mais leur utilisation est très controversée à cause du manque de démonstrations solides de l'augmentation du rayon de protection qu'un PDA est censé apporter par rapport à un paratonnerre classique de hauteur équivalente.

En ce qui concerne les parafoudres à placer sur les liaisons d'alimentation en entrée d'une installation électrique, se référer à la norme NF EN 61643-11 pour le choix des caractéristiques de ces composants et au guide UTE C 15-443 pour des préconisations sur leur intégration dans l'installation électrique. La norme NF C 15-100 donne quelques informations à ce sujet mais renvoie essentiellement à ces deux textes. Les liaisons de communications entre installations peuvent également nécessiter une protection par parafoudres en entrée d'installation électrique, auquel cas c'est vers la norme NF EN 61643-21 qu'il conviendra de se tourner.