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Identification de l’exposant
Ela Aba Jeff Hermann 12G02019
Nom de l’enseignant
J. Ndoumbe
Etude des moyens de
protection contre les
perturbations
électromagnétiques : CAS DE
LA FOUDRE
1
RESUME
L’objectif de ce travail est de faire dans un premier temps une étude de l’art de la compatibilité
électromagnétique et dans un second temps présenter les moyens de protection contre les
perturbations électromagnétiques dans le cas particulier de la FOUDRE. Il en ressort que la
compatibilité électromagnétique fait une classification en distinguant : les perturbations
conduites : celles qui se propagent par les câbles de liaison ; les perturbations rayonnées : celles
qui n’empruntent pas de voie matérielle, mais agissent par l’intermédiaire de champs
magnétique, électrique, électromagnétique ; les perturbations électrostatiques : décharge
électrostatique. La transmission d’une perturbation entre la source et une « victime » fait
intervenir un ou plusieurs phénomènes physiques que l’on appelle des « couplages ». A cet
effet, la foudre qui fait l’objet de notre étude représente un phénomène naturel, imprévisible et
néfaste sur tous les systèmes électro-énergétiques et si on peut affirmer que de nos jours, les
transporteurs d'énergie maîtrisent convenablement la protection du réseau contre les défauts
accidentels(internes), ce n'est pas le cas pour sa protection contre la foudre (défaut naturel et
externe) surtout lors d'un impact indirect où elle rayonne des champs électromagnétiques
important et qui vont induire par couplage électromagnétique des surtensions cruelles dans leurs
cibles, notamment les réseaux de transport d’énergie électrique. La deuxième partie de notre
travail met un accent sur l’aspect physique et électrique de la foudre, la formation, les
caractéristiques, la forme du courant, les effets et enfin les moyens de protection contre la
foudre.
2
ABSTRACT
The objective of this work is to make at first a study of the art of the electromagnetic
compatibility and secondly to present the ways (means) of protection against the
electromagnetic disturbances in the particular case of the LIGHTNING. It emerges from it that
the electromagnetic compatibility makes a classification by distinguishing: the led (driven)
disturbances: those who propagate by the cables of connection; the shone disturbances: those
who do not follow of material path, but act through magnetic, electric, electromagnetic fields;
the electrostatic disturbances: electrostatic discharge. The transmission of a disturbance
between the source (spring) and the "victim" brings in one or several physical phenomena which
we call "couplings". For that purpose, the lightning which is the object of our study represents
a natural, unpredictable and fatal phenomenon on all the electro-energy systems and if we can
assert that nowadays, the carriers of energy master suitably the protection of the network against
the (internal) accidental defects, it is not the case for its protection against the lightning ( natural
and external defect) especially during an indirect impact where it shines with importing
electromagnetic fields and which the transport networks of electrical energy are going to
lead(infer) by electromagnetic coupling of the cruel surges in their targets, in particular. The
second part of our work emphasizes the physical and electric aspect of the lightning, the training
(formation), the characteristics, the shape of the current, the effects and finally the ways (means)
of protection against the lightning.
3
Table des matières
INTRODUCTION..........................................................................................................................4
Chapitre 1 PRESENTATION GENERALE DE LA COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE.........................5
I. Concept de compatibilité électromagnétique.......................................................................5
1. Les parasites...................................................................................................................5
2. Définition de la CEM........................................................................................................5
3. Les sources de perturbations...........................................................................................6
4. Propagation des perturbations.........................................................................................6
5. Risques...........................................................................................................................7
II. Normes de la CEM ..............................................................................................................7
III. Moyens d’amélioration de la compatibilité des installations..............................................8
1. Le choix des câbles..........................................................................................................8
2. Le cheminement des câbles.............................................................................................8
Chapitre 2 MOYENS DE PROTECTION CONTRE LES PERTURBATIONS CAUSEES PAR LA FOUDRE.........10
I. Définition.........................................................................................................................10
II. Formation et caractéristiques de la foudre.........................................................................10
1. Formation et types de coup de foudre...........................................................................10
2. Caractéristiques des coups de foudre.............................................................................14
3. Effets de la foudre.........................................................................................................15
III. Moyens de protections contre la foudre.........................................................................17
1. Le paratonnerre............................................................................................................17
2. L’éclateur.....................................................................................................................18
3. Le Parafoudre (Varistance) ............................................................................................19
4. Câbles de garde ............................................................................................................20
5. Cage maillée.................................................................................................................20
CONCLUSION...........................................................................................................................21
Bibliographie........................................................................................................................22
4
INTRODUCTION
La foudre représente le phénomène naturel, imprévisible et le plus néfaste sur tous les systèmes
électro-énergétiques et si on peut affirmer que de nos jours, les transporteurs d'énergie
maîtrisent convenablement la protection du réseau contre les défauts accidentels(internes), ce
n'est pas le cas pour sa protection contre la foudre (défaut naturel et externe) surtout lors d'un
impact indirect où elle rayonne des champs électromagnétiques important et qui vont induire
par couplage électromagnétique des surtensions cruelles dans leurs cibles, notamment les
réseaux de transport d’énergie électrique. La Foudre est un éclair qui tombe au sol C'est un
phénomène fréquent qui se comporte comme un générateur parfait de courant électrique. Pour
se protéger dans 95% des cas, le courant à prendre en compte est de 100kA avec un temps de
montée très bref. En plus du phénomène de conduction, le canal ionisé de la foudre se comporte
comme un fil long qui rayonne un champ électromagnétique.
5
Chapitre 1 PRESENTATION GENERALE DE LA COMPATIBILITE
ELECTROMAGNETIQUE
I. Concept de compatibilité électromagnétique
Dans la vie courante, l’électronique est devenue presqu’omniprésente. Il suffit pour cela de
penser aux appareils tels que les téléphones portable, les véhicules de transport, les écrans, les
ordinateurs, pour nous rendre compte de cela. Avec l’évolution du temps, ces appareils sont de
plus en plus sophistiqués par conséquent ils sont plus sensible aux perturbations
électromagnétiques rencontrées dans leur environnement.
1. Les parasites
Dès la présence des informations sous forme électrique, on peut noter des perturbations
électromagnétiques temporaires. Ces derniers se propagent soit par conduction le long des
conducteurs, soit par rayonnement. Dans la plupart des cas, ces deux modes de
propagation sont couplés.
Ce sont les variations rapides de courant ou de tension à travers les conducteurs qui créent
les courants parasites. Ceux-ci peuvent se superposer à d’autres signaux et les brouiller.
2. DéfinitiondelaCEM
La Compatibilité Electromagnétique (CEM) d’un équipement caractérise son aptitude à
fonctionner de manière attendue dans son environnement et sans y occasionner lui-même
des perturbations gênantes.
La CEM regroupe deux notions, celle d’émissivité (pouvoir perturbateur) et celle de
susceptibilité (immunité aux perturbations). L'immunité correspond aux mesures de
protections envisagées pour rendre les équipements insensibles aux perturbations. La CEM
s'intéresse donc à tout ce qui est phénomène électromagnétique (sources d'émission,
6
couplage), protection (immunité des équipements, blindage, filtrage), effets biologiques et
normalisation.
3. Les sourcesdeperturbations
Les perturbations proviennent de phénomènes radioélectriques et de phénomènes
impulsionnels ou transitoires.
a. Les phénomènes radioélectriques
Ce sont les brouillages entre systèmes radioélectriques ainsi que les perturbatio ns
au niveau des réceptions.
b. Les phénomènes impulsionnels ou transitoires
C'est le cas de la foudre, les surtensions dans les réseaux de télécommunication ou
encore les décharges d'électricité statique.
4. Propagationdesperturbations
Un conducteur parcouru par un courant variable dans le temps induit un champ
électromagnétique variable dans le temps et dans l'espace. De même, un conducteur présent
dans un champ magnétique variable développera un courant en son sein.
Ces phénomènes expliquent une grande partie des mécanismes de création, de réception et
de propagation des signaux, parasites ou non. Le couplage dépend de la longueur d'onde
des phénomènes, ainsi que de la longueur relative des conducteurs par rapport à celle-ci.
7
La CEM est alors compromis entre les sources, la sensibilité et le couplage, pour un niveau
de prix et de fonctionnement acceptables. Il est à noter que la sécurité des personnes sera
considérée avant tout.
5. Risques
Les risques liés à ces perturbations peuvent se faire ressentir dans des domaines tels que les
télécommunications, dans le domaine médical et aussi dans le domaine militaire.
Pour ce qui est des télécommunications, les données qui transitent sur un réseau peuvent
être altérées; en ce qui concerne le domaine médical, il s’agit de s'assurer que les appareils
fonctionnant dans les hôpitaux comme sur des patients ne subiront aucune interférence avec
des sources extérieures enfin dans le domaine militaire, on a affaire aux problèmes de
confidentialité des données. L'analyse des rayonnements électromagnétiques est un mode
de piratage informatique aujourd'hui bien connu.
II. Normes de la CEM
Il existe des normes permettant de permettre la cohabitation des systèmes produisant des
perturbations électromagnétiques. Ces normes doivent être respectées par les constructeurs
des appareils c'est dans cette optique que, la commission électrotechnique internationale
(CEI) a mise sur pieds la norme CEI 61000 intitulée Compatibilité Electromagnétique.
L'application de ces directives est obligatoire pour bénéficier du marquage CE et ainsi avoir
le droit de commercialiser les produits concernés dans l'Union Européenne. Ces normes
sont très nombreuses, il existe des normes pour :
 les limites, c'est-à-dire les valeurs maximales d'émissivité et les valeurs minimales
de susceptibilité
 les méthodes de mesure
 les appareils de mesure
On peut regrouper ces normes en 3 grandes familles :
1. Les normes fondamentales : Elles définissent et décrivent le problème posé par la
compatibilité électromagnétique, les méthodes de mesure et de test, les moyens de
mesure de base et les montages de mesure. Elles n'indiquent aucune limite et
n'établissent aucun critère de dégradation du fonctionnement
8
2. Les normes génériques : Elles se rapportent à un environnement déterminé. Elles
fixent une série de spécifications et de tests applicables à tous les produits et
systèmes mis en œuvre dans cet environnement, ceci à condition que ces produits et
systèmes ne fassent pas l'objet de normes CEM spécifiques.
3. Les normes familles produits : Elles comprennent des normes applicables à des
familles de produits et des normes applicables à certains produits spécifiques.
III. Moyens d’amélioration de la compatibilité des installations
Différents moyens qui permettent de limiter l'incidence des perturbations électromagnétique et
de limiter l'émission d'ondes électromagnétiques parasites. On distinguer plusieurs méthodes
d'approche mais nous n’allons citer que deux. Il s’agit :
1. Le choixdescâbles
La majorité des problèmes liés à la CEM proviennent de câbles de conduction. Il est ainsi
primordial de faire le bon choix de câbles dans le but de limiter les risques de perturbation.
Parmi ces câbles on peut citer entre autres, la fibre optique ; les câbles avec blindage métallique ;
la paire torsadée et la paire torsadée blindée. Le choix des câbles n’étant pas aisé il est préférable
de toujours se référer aux recommandations des fabricants d’appareils.
2. Le cheminementdes câbles
Lorsque les câbles de différentes sensibilités sont proches, la transmission des perturbations est
presque inévitable. Eloigner les câbles n’est pas la solution optimale car plus on le fait plus on
a tendance à former des boucles, siège de perturbations sous l’effet d’un champ important
provoqué par la foudre par exemple. Pour éviter cela, l'utilisation de chemins de câbles
métalliques communs ou contigus parait être la meilleure solution. Elle permet de rapprocher
les câbles considérablement sans risque de couplage. Les parois métalliques du chemin de
câbles agissent comme un écran vis-à-vis des perturbations. Il faut, par conséquent, que la
hauteur des parois soit supérieure à la hauteur des câbles ou torons.
9
On peut conclure que la CEM est une discipline très importante car la non maitrise de celle-ci
pourrait provoquer d’importants dommages. Cependant jusqu’ici nous n’avons qu’étudié les
moyens de protection contre les perturbations conduites, quand est-il des perturbations
naturelles ? Dans la suite de ce document nous allons présenter les moyens de protections
contre les perturbations provoquées par la foudre.
10
Chapitre 2 MOYENS DE PROTECTION CONTRE LES PERTURBATIONS
CAUSEES PAR LA FOUDRE
I. Définition
Le phénomène de foudre
Le coup de foudre est une décharge électrique se produisant dans un grand intervalle dont les
« électrodes » sont d’une part un nuage orageux chargé et d’autre part la terre.
La foudre reste scientifiquement assez mal connue car étant brève et imprévisible, son étude
en laboratoire est donc difficile. Dans les grands laboratoires on provoque le coup de foudre
par le lancement d’une fusée reliée par un fil à la terre.
L’impact de la foudre sur une installation est équivalent à un générateur de courant très fort
(10 à 100 kA et plus). Il produit une surtension considérable.
L’étude de la foudre a deux aspects :
 Aspect physique: mécanisme de la foudre ;
 Aspect électrique: protection contre la foudre.
II. Formation et caractéristiques de la foudre
1. Formation et types de coupde foudre
La formation de la foudre se fait en trois grandes étapes:
 La formation d’un nuage d’orage, le cumulo-nimbus
Le cumulo-nimbus est un nuage dense présent en cas de temps orageux. Il se forme lors de forts
contrastes de températures. L’épaisseur de ce nuage peut atteindre une dizaine de kilomètres
carrés, leur masse est de l’ordre de centaines de milliers de tonnes d’eau. Il se forme à l’occasion
11
de forts contrastes de températures, grâce à de puissants courants d’air chaud ascendants.
Ces courants entraînent en altitude d’importantes quantités d’eau et de glace.
C’est un nuage dense à extension verticale considérable en forme de montage ou de tour
immense. Une partie au moins de sa région supérieure est généralement lisse, fibreuse ou striée
et presque toujours aplatie. Cette partie s’étale souvent en forme d’enclume ou de vaste
panache.
On peut donc rencontrer les Cumulonimbus de manière isolée, I’été, notamment en montagne.
Un nuage d’orage est composé de cellules à divers stades de sa formation. Au plan horizontal,
la masse nuageuse peut couvrir de 30 à 500 km.
Généralement, ces cellules sont reliées entre elles par d’importantes couches de nuages.
Certains orages peuvent n’être formés que d’une seule cellule, mais celle-ci ne prendra pas
l’importance qu’acquiert une cellule faisant partie d’un système multicellulaire. À mesure que
l’orage évolue, chaque cellule grossit et gagne une altitude supérieure à celle de la cellule
précédente.
En fin de journée, le sol a chauffé toute la journée, et une masse d’air humide arrive. Une bulle
d’air chaud se forme, et s’élève dans le ciel. Les courants ascendants atteignent rapidement 30
m/s.0
Au fur et à mesure qu’il monte, l’air chaud se condense et se transforme en gouttelettes d’eau.
12
En s’élevant, l’air se refroidit. Au-dessous de 0°C, les gouttes d’eau gèlent et se transforment
en grêlons. Le mouvement d’ascension se heurte à la stratosphère, à 15 000 m d’altitude. Le
nuage « s’écrase » alors à son sommet, ce qui lui donne sa forme d’enclume.
 Electrisation du nuage
A l’intérieur du nuage, de violents courants d’air ascendants et descendants entraînent des collisions
entre les molécules d’eau ce qui crée des charges positives, qui s’accumulent au sommet du nuage, et
des charges négatives, qui s’accumulent à la base. La dissociation des charges dans le nuage orageux
génère un champ électrique intense dans l’espace nuage-sol.
Lorsque le nuage atteint, au niveau d’un sol plan, une intensité de 4 à 10 kilovolts par mètre,une
décharge au sol est imminente. Une gigantesque étincelle se produit alors.
 Production d’éclairs
13
Dans un nuage ainsi électrisé, des décharges électriques se produisent entre les différents pôles
électriques, soit à l’intérieur du nuage (éclairs intra-nuages), soit d’un nuage à un autre (éclairs
inter-nuages), soit vers la Terre (éclairs nuage-sol) plus principalement appelé “foudre”. La
foudre qui atteint le sol ne représente en fait que 10% du nombre d’éclairs.
C’est ce qui explique que l’on peut entendre gronder le tonnerre sans qu’un impact au sol se
produise.
La première phase d’un coup de foudre est la formation d’une prédécharge peu lumineuse, le
“traceur”.
On distingue deux types de coups de foudre suivant l’origine du traceur:
 Les coups de foudre descendants: le traceur part du nuage et se dirige vers le sol. Ce
sont les coups de foudre les plus courants.
 Les coups de foudre ascendants: le traceur part du sol, d’un point assez élevé (tour,
pic…), et se dirige vers le nuage.
14
2. Caractéristiquesdescoupsdefoudre
Le courant produit par la foudre est très puissant, il est semblable à celui produit par un
générateur de courant. Ce courant produit est constitué de charges superficielles du sol qui
remontent le canal ionisé du traceur comme vu plus haut.
Ce sont les décharges partielles s’écoulant par le même canal ionisé qui constituent le coup de
foudre. Apres l’apparition de la décharge principale, on a l’apparition d’une ou de plusieurs
décharges secondaires.
Forme du courant de la foudre
Pour effectuer des tests de contrôle, tous les constructeurs d’appareils électriques HT utilisent
une onde appelée Onde de choc conventionnelle.
Onde de choc conventionnelle
*Caractéristiques des coups de foudre
15
3. Effetsde la foudre
La foudre dispose par ces actions de plusieurs effets parmi lesquels on peut citer :
a. Effets thermiques
 Fusion d’éléments au point d’impact (≈30000°C).
 Risque d’incendie du à la circulation d’un courant important.
b. Effets électrodynamiques
Lorsque les courants de la foudre circulent dans des conducteurs parallèles, la force magnétique
qui en résulte (attraction et répulsion) peut entraîner des déformations mécaniques et même des
ruptures.
c. Surtensions directes
L’impact direct sur une ligne électrique ou téléphonique, génère une onde de tension qui se
propage. Cette onde, qui est amortie par l’effet couronne et la longueur de la ligne, est coupée
soit par l’isolateur à cornes soit par les moyens de protection au poste.
Comme le courant de la foudre est rarement inférieur à 10kA, et que l’impédance caractéristique
d’une ligne aérienne est environ 300Ω, l’onde de tension atteindra 1500 kV.
d. Surtensions induites (indirectes)
Si la foudre tombe à proximité de la ligne, le courant provoque une variation extrêmement
rapide du champ électromagnétique. A cause des ondes électromagnétiques générées par la
16
foudre, des surtensions sont induites dans des conducteurs situés loin du point d’impact. Ses
effets se font sentir à plusieurs centaines de mètres, voire plusieurs kilomètres.
Les ondes induites sur la ligne sont similaires en forme et en amplitude à celles obtenues par
choc de foudre direct. Leur caractéristique principale est leur front très raide (de l’ordre de la
microseconde), et leur amortissement très rapide. Ce rayonnement est d’autant plus important
que le front de montée est raide (20 à 100 kA/µs). Un coup de foudre tombant à proximité d’une
ligne développe un champ d’induction magnétique suffisamment important pour y créer une
surtension induite, dont l’ordre de grandeur peut être estimé par la formule suivante:
Uind= Z0I h / d Avec Z0= (0,25/π) (√µ0/ε0) ≈ 30 Ω
h : hauteur du conducteur
d : distance entre la ligne et le point d’impact de la foudre.
I : courant de la foudre.
e. Montée en potentiel de la prise de terre
Une élévation du potentiel de terre a lieu lorsque le courant de foudre est écoulé par le sol.
Cette variation du potentiel de terre touche les installations lorsque l'impact de la foudre au
sol est à proximité de leurs prises de terre. Le courant circulant dans la terre peut provoquer la
montée en potentiel des équipements par les prises de terre.
Prise de terre
Tension de pas: la distribution des courants de foudre dans un sol dépend de la nature du
chemin parcouru. Dans le cas d’un sol hétérogène, des différences de potentiel dangereuses
17
peuvent s’établir entre deux points voisins. Cette différence est appelée Tension de pas. Les
charpentes métalliques des bâtiments et les prises de terre doivent être toutes reliées entre
elles afin d’éviter des tensions dangereuses pour l’homme, ainsi que pour les risques
d’incendie et d’explosions dus aux amorçages d’arc.
Remarque : C'est ce phénomène qui
explique souvent le foudroiement
indirect des animaux : même à 100 m
du point d'impact, un cheval dans un
pré peut subir entre ses pattes arrières
et ses pattes avants, une différence de
Potentiel de 500 V.
6)- Effet électrochimique
L’action de la foudre contribue à la création d’ozone (O3) d’après la réaction chimique
suivante :
O2 + hν → 2O ; 2O + 2O2→ 2O3
III. Moyens de protections contre la foudre
Le but des protections contre la foudre est de dévier le courant vers la Terre. Parmi ces
projections on peut citer : le paratonnerre, l’éclateur, le parafoudre, les câbles de garde et
la cage maillée.
1. Le paratonnerre
Le paratonnerre est un conducteur qui présente au sommet une forme pointu, on le place sur
ou près de l’installation à protéger.
a)- Principe de fonctionnement :
La décharge créée au sommet du paratonnerre progresse à la rencontre et capture le traceur de
la foudre pour dévier le courant vers la terre ceci garce au pouvoir de pointe.
Principe du paratonnerre à tige
18
b) Zones de protection contre la foudre :
La zone de capture est définie comme un volume bien déterminé pour lequel l’entrée en
contact d’un canal ionisé, provoquera à coup sûr l’amorçage du coup de foudre sur le sommet
de la tige. L’expérience montre que pour un paratonnerre en forme de mat (tige), l’intérieur
d’un cône (α =45°), centré sur la tige, présente une bonne probabilité de protection.
c) Distance critique d’amorçage dc :
Elle représente la distance de capture (saut final) entre le traceur et le
sommet de la tige. Elle est donnée par la formule empirique :
dc = 6,7 I0,8.
I : courant de crête de la foudre.
On constate que la zone de capture est d’autant plus grande que la
foudre est intense. Par contre, si la foudre est faible la protection est
moins sure.
Il est donc clair que pour des courants de foudre :
- élevés et moyens, la protection est très bonne ;
- faibles, la protection est moins bonne car le dernier trajet du traceur principal est très court.
Exemple : Si I = 10 kA, dc= 42 m ; I = 100 kA, dc= 270 m
2. L’éclateur
L’éclateur est généralement placé en parallèle avec
l’isolateur, il est formé de deux électrodes-pointes, dont l’une
est reliée à la terre et l’autre à l’installation à protéger
a) Principe de fonctionnement :
Quand l’onde de tension frappe l’installation, la grande
surtension qui apparaît aux bornes de l’éclateur produit un arc
électrique qui dévie le courant vers la terre, car le courant
choisit le chemin le moins résistant.
Exemple de protection d’un Transformateur
Remarques :
- Bon marché et facilement réalisable, l’éclateur présente un grave inconvénient : l’arc amorcé
par la surtension crée un milieu ionisé qui fait que le courant de suite est pratiquement égal au
courant de court-circuit. Il s’en suivra une interruption de service provoquée par les
protections contre les surintensités, ce qu’il faut naturellement éviter.
- Les éclateurs n’ont pratiquement aucun pouvoir de coupure. Ils sont destinés en dernier
ressort à écrêter les surtensions dans le cas où les autres systèmes n’auraient pas fonctionné.
On préfère donc l’usage des varistances pour assurer une bonne coordination de l’isolement,
avec plus de sécurité.
19
3. Le Parafoudre(Varistance)
a) Principe de fonctionnement :
La varistance est une résistance non linéaire qui chute considérablement lorsque la tension
augmente. En fonctionnement normal en l’absence de surtension, la résistance de la varistance
est très élevée et empêche le passage du courant de la ligne vers la terre. Par contre, en régime
de surtension la résistance chute subitement pour dévier le courant, et donc la surtension, vers
la terre.
Quand l’onde de tension arrive par la ligne électrique, le courant de la foudre choisit le chemin
le moins résistant, celui de la varistance, et dévie ainsi vers la terre. C’est pratiquement le même
principe de fonctionnement que l’éclateur, car dans les deux cas c’est la résistance de
l’équipement de protection qui chute : pour l’éclateur grâce au claquage, pour la varistance
grâce à la résistance non linéaire.
Exemple de protectiond’un Protection duréseaupar des varistances
Transformateur par varistance
b) Courbe caractéristique « courant-tension » d’une varistance :
Généralement c’est une varistance en céramique,
composée pour la plus grande partie, d’oxyde de
zinc (ZnO). La figure 20 illustre schématiquement
la courbe caractéristique courant-tension du
parafoudre. On a choisi pour les abscisses une
échelle logarithmique : par exemple, quand le
courant est multiplié par 107, la tension aux bornes
de la varistance n’est multipliée que par 2 environ.
La résistance est non linéaire et la chute de Courbe caractéristique courant-tension d’une varistance à
tension très faible, ce sont là les deux propriétés oxydes métallique
principales de la varistance.
A l’apparition d’une surtension, le parafoudre
doit s’amorcer rapidement (< 0,1 µs).
20
4. Câblesdegarde
Le câble de garde protège contre la foudre car il est placé juste au-dessus des conducteurs, en
cas de coup de foudre c’est lui qui est touché en premier. Après l’impact de la foudre il
transfère le courant vers la terre à travers le pylône. La présence des câbles de garde
n’empêche pas à coup sûr d’éviter les coups de foudre, ils sont néanmoins utiles dans la
mesure où leur présence fait diminuer leur probabilité dans un rapport de 1,5 à 5 environ,
selon l’activité orageuse de la région
Remarques :
- Il y a une dizaine d’années, pour des raisons économiques, les câbles de garde sont placés
généralement à l’entrée et la sortie des postes. Mais actuellement, comme il est utilisé pour les
communications HF par SONELGAZ, le câble de garde tend à relier tout le réseau national.
Le câble de garde à un diamètre inférieur ou égal au conducteur de phase. En plus du rôle de
protection, il contribue à l’amortissement des ondes de surtension de foudre par abaissement
de l’impédance caractéristique des conducteurs de phase ainsi que le blindage possible des
lignes des télécommunications.
Signalons que la majorité des coups de foudre sur conducteur provoque un amorçage pour
les réseaux de tensions inférieures à 400 kV. L’amorçage de la ligne lors d’un coup direct
étant certain, on cherche à s’en protéger en plaçant les câbles de garde.
5. Cagemaillée
Protection utilisée dans les bâtiments (nouveaux) sensibles et importants (Electronique,
informatique, militaire…). Le blindage externe protège contre les ondes de la foudre.
Principe d’une cage maillée (cage de faraday)
21
Ce principe est utilisé pour les bâtiments très sensibles et importants (militaire, tours de
contrôle…), abritant du matériel informatique ou des circuits intégrés. Il consiste à multip lier
les feuillards de descente à l’extérieur du bâtiment de façon symétrique. On ajoute des liaisons
horizontales si le bâtiment est haut ; par exemple tous les deux étages (figure). Les conducteurs
de descente sont reliés à la terre par des pattes d’oies. L’effet résulte en une meilleure
équipotentialité du bâtiment et la division des courants de foudre, réduisant ainsi fortement les
champs et inductions électromagnétiques.
Conclusion
La compatibilité électromagnétique estdoncune disciplineàmaitriserafind’éviterd’éventuelsdégâts.
C’est ainsi qu’il est important que les constructeurs d’appareils et les entreprises respectent les
normes, que les utilisateurs d’appareils sachent les précautionsà prendre et que le gouvernement
sensibilise les populations par rapport à cette discipline.
22
Bibliographie
1. GildasMANICet Yann GAVET,La Compatibilité Electromagnétique,2000,p. 4-10
2. A Timaltine,Chapitre 5La foudre,p.1-5
3. Formationde laFoudre et sescaractéristiques,Disponible sur
https://wordpress.com/stats/insights/lafoudretpe2007.wordpress.com

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Etude des moyens de protections contre les perturbations electromagnétiques

  • 1. Identification de l’exposant Ela Aba Jeff Hermann 12G02019 Nom de l’enseignant J. Ndoumbe Etude des moyens de protection contre les perturbations électromagnétiques : CAS DE LA FOUDRE
  • 2. 1 RESUME L’objectif de ce travail est de faire dans un premier temps une étude de l’art de la compatibilité électromagnétique et dans un second temps présenter les moyens de protection contre les perturbations électromagnétiques dans le cas particulier de la FOUDRE. Il en ressort que la compatibilité électromagnétique fait une classification en distinguant : les perturbations conduites : celles qui se propagent par les câbles de liaison ; les perturbations rayonnées : celles qui n’empruntent pas de voie matérielle, mais agissent par l’intermédiaire de champs magnétique, électrique, électromagnétique ; les perturbations électrostatiques : décharge électrostatique. La transmission d’une perturbation entre la source et une « victime » fait intervenir un ou plusieurs phénomènes physiques que l’on appelle des « couplages ». A cet effet, la foudre qui fait l’objet de notre étude représente un phénomène naturel, imprévisible et néfaste sur tous les systèmes électro-énergétiques et si on peut affirmer que de nos jours, les transporteurs d'énergie maîtrisent convenablement la protection du réseau contre les défauts accidentels(internes), ce n'est pas le cas pour sa protection contre la foudre (défaut naturel et externe) surtout lors d'un impact indirect où elle rayonne des champs électromagnétiques important et qui vont induire par couplage électromagnétique des surtensions cruelles dans leurs cibles, notamment les réseaux de transport d’énergie électrique. La deuxième partie de notre travail met un accent sur l’aspect physique et électrique de la foudre, la formation, les caractéristiques, la forme du courant, les effets et enfin les moyens de protection contre la foudre.
  • 3. 2 ABSTRACT The objective of this work is to make at first a study of the art of the electromagnetic compatibility and secondly to present the ways (means) of protection against the electromagnetic disturbances in the particular case of the LIGHTNING. It emerges from it that the electromagnetic compatibility makes a classification by distinguishing: the led (driven) disturbances: those who propagate by the cables of connection; the shone disturbances: those who do not follow of material path, but act through magnetic, electric, electromagnetic fields; the electrostatic disturbances: electrostatic discharge. The transmission of a disturbance between the source (spring) and the "victim" brings in one or several physical phenomena which we call "couplings". For that purpose, the lightning which is the object of our study represents a natural, unpredictable and fatal phenomenon on all the electro-energy systems and if we can assert that nowadays, the carriers of energy master suitably the protection of the network against the (internal) accidental defects, it is not the case for its protection against the lightning ( natural and external defect) especially during an indirect impact where it shines with importing electromagnetic fields and which the transport networks of electrical energy are going to lead(infer) by electromagnetic coupling of the cruel surges in their targets, in particular. The second part of our work emphasizes the physical and electric aspect of the lightning, the training (formation), the characteristics, the shape of the current, the effects and finally the ways (means) of protection against the lightning.
  • 4. 3 Table des matières INTRODUCTION..........................................................................................................................4 Chapitre 1 PRESENTATION GENERALE DE LA COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE.........................5 I. Concept de compatibilité électromagnétique.......................................................................5 1. Les parasites...................................................................................................................5 2. Définition de la CEM........................................................................................................5 3. Les sources de perturbations...........................................................................................6 4. Propagation des perturbations.........................................................................................6 5. Risques...........................................................................................................................7 II. Normes de la CEM ..............................................................................................................7 III. Moyens d’amélioration de la compatibilité des installations..............................................8 1. Le choix des câbles..........................................................................................................8 2. Le cheminement des câbles.............................................................................................8 Chapitre 2 MOYENS DE PROTECTION CONTRE LES PERTURBATIONS CAUSEES PAR LA FOUDRE.........10 I. Définition.........................................................................................................................10 II. Formation et caractéristiques de la foudre.........................................................................10 1. Formation et types de coup de foudre...........................................................................10 2. Caractéristiques des coups de foudre.............................................................................14 3. Effets de la foudre.........................................................................................................15 III. Moyens de protections contre la foudre.........................................................................17 1. Le paratonnerre............................................................................................................17 2. L’éclateur.....................................................................................................................18 3. Le Parafoudre (Varistance) ............................................................................................19 4. Câbles de garde ............................................................................................................20 5. Cage maillée.................................................................................................................20 CONCLUSION...........................................................................................................................21 Bibliographie........................................................................................................................22
  • 5. 4 INTRODUCTION La foudre représente le phénomène naturel, imprévisible et le plus néfaste sur tous les systèmes électro-énergétiques et si on peut affirmer que de nos jours, les transporteurs d'énergie maîtrisent convenablement la protection du réseau contre les défauts accidentels(internes), ce n'est pas le cas pour sa protection contre la foudre (défaut naturel et externe) surtout lors d'un impact indirect où elle rayonne des champs électromagnétiques important et qui vont induire par couplage électromagnétique des surtensions cruelles dans leurs cibles, notamment les réseaux de transport d’énergie électrique. La Foudre est un éclair qui tombe au sol C'est un phénomène fréquent qui se comporte comme un générateur parfait de courant électrique. Pour se protéger dans 95% des cas, le courant à prendre en compte est de 100kA avec un temps de montée très bref. En plus du phénomène de conduction, le canal ionisé de la foudre se comporte comme un fil long qui rayonne un champ électromagnétique.
  • 6. 5 Chapitre 1 PRESENTATION GENERALE DE LA COMPATIBILITE ELECTROMAGNETIQUE I. Concept de compatibilité électromagnétique Dans la vie courante, l’électronique est devenue presqu’omniprésente. Il suffit pour cela de penser aux appareils tels que les téléphones portable, les véhicules de transport, les écrans, les ordinateurs, pour nous rendre compte de cela. Avec l’évolution du temps, ces appareils sont de plus en plus sophistiqués par conséquent ils sont plus sensible aux perturbations électromagnétiques rencontrées dans leur environnement. 1. Les parasites Dès la présence des informations sous forme électrique, on peut noter des perturbations électromagnétiques temporaires. Ces derniers se propagent soit par conduction le long des conducteurs, soit par rayonnement. Dans la plupart des cas, ces deux modes de propagation sont couplés. Ce sont les variations rapides de courant ou de tension à travers les conducteurs qui créent les courants parasites. Ceux-ci peuvent se superposer à d’autres signaux et les brouiller. 2. DéfinitiondelaCEM La Compatibilité Electromagnétique (CEM) d’un équipement caractérise son aptitude à fonctionner de manière attendue dans son environnement et sans y occasionner lui-même des perturbations gênantes. La CEM regroupe deux notions, celle d’émissivité (pouvoir perturbateur) et celle de susceptibilité (immunité aux perturbations). L'immunité correspond aux mesures de protections envisagées pour rendre les équipements insensibles aux perturbations. La CEM s'intéresse donc à tout ce qui est phénomène électromagnétique (sources d'émission,
  • 7. 6 couplage), protection (immunité des équipements, blindage, filtrage), effets biologiques et normalisation. 3. Les sourcesdeperturbations Les perturbations proviennent de phénomènes radioélectriques et de phénomènes impulsionnels ou transitoires. a. Les phénomènes radioélectriques Ce sont les brouillages entre systèmes radioélectriques ainsi que les perturbatio ns au niveau des réceptions. b. Les phénomènes impulsionnels ou transitoires C'est le cas de la foudre, les surtensions dans les réseaux de télécommunication ou encore les décharges d'électricité statique. 4. Propagationdesperturbations Un conducteur parcouru par un courant variable dans le temps induit un champ électromagnétique variable dans le temps et dans l'espace. De même, un conducteur présent dans un champ magnétique variable développera un courant en son sein. Ces phénomènes expliquent une grande partie des mécanismes de création, de réception et de propagation des signaux, parasites ou non. Le couplage dépend de la longueur d'onde des phénomènes, ainsi que de la longueur relative des conducteurs par rapport à celle-ci.
  • 8. 7 La CEM est alors compromis entre les sources, la sensibilité et le couplage, pour un niveau de prix et de fonctionnement acceptables. Il est à noter que la sécurité des personnes sera considérée avant tout. 5. Risques Les risques liés à ces perturbations peuvent se faire ressentir dans des domaines tels que les télécommunications, dans le domaine médical et aussi dans le domaine militaire. Pour ce qui est des télécommunications, les données qui transitent sur un réseau peuvent être altérées; en ce qui concerne le domaine médical, il s’agit de s'assurer que les appareils fonctionnant dans les hôpitaux comme sur des patients ne subiront aucune interférence avec des sources extérieures enfin dans le domaine militaire, on a affaire aux problèmes de confidentialité des données. L'analyse des rayonnements électromagnétiques est un mode de piratage informatique aujourd'hui bien connu. II. Normes de la CEM Il existe des normes permettant de permettre la cohabitation des systèmes produisant des perturbations électromagnétiques. Ces normes doivent être respectées par les constructeurs des appareils c'est dans cette optique que, la commission électrotechnique internationale (CEI) a mise sur pieds la norme CEI 61000 intitulée Compatibilité Electromagnétique. L'application de ces directives est obligatoire pour bénéficier du marquage CE et ainsi avoir le droit de commercialiser les produits concernés dans l'Union Européenne. Ces normes sont très nombreuses, il existe des normes pour :  les limites, c'est-à-dire les valeurs maximales d'émissivité et les valeurs minimales de susceptibilité  les méthodes de mesure  les appareils de mesure On peut regrouper ces normes en 3 grandes familles : 1. Les normes fondamentales : Elles définissent et décrivent le problème posé par la compatibilité électromagnétique, les méthodes de mesure et de test, les moyens de mesure de base et les montages de mesure. Elles n'indiquent aucune limite et n'établissent aucun critère de dégradation du fonctionnement
  • 9. 8 2. Les normes génériques : Elles se rapportent à un environnement déterminé. Elles fixent une série de spécifications et de tests applicables à tous les produits et systèmes mis en œuvre dans cet environnement, ceci à condition que ces produits et systèmes ne fassent pas l'objet de normes CEM spécifiques. 3. Les normes familles produits : Elles comprennent des normes applicables à des familles de produits et des normes applicables à certains produits spécifiques. III. Moyens d’amélioration de la compatibilité des installations Différents moyens qui permettent de limiter l'incidence des perturbations électromagnétique et de limiter l'émission d'ondes électromagnétiques parasites. On distinguer plusieurs méthodes d'approche mais nous n’allons citer que deux. Il s’agit : 1. Le choixdescâbles La majorité des problèmes liés à la CEM proviennent de câbles de conduction. Il est ainsi primordial de faire le bon choix de câbles dans le but de limiter les risques de perturbation. Parmi ces câbles on peut citer entre autres, la fibre optique ; les câbles avec blindage métallique ; la paire torsadée et la paire torsadée blindée. Le choix des câbles n’étant pas aisé il est préférable de toujours se référer aux recommandations des fabricants d’appareils. 2. Le cheminementdes câbles Lorsque les câbles de différentes sensibilités sont proches, la transmission des perturbations est presque inévitable. Eloigner les câbles n’est pas la solution optimale car plus on le fait plus on a tendance à former des boucles, siège de perturbations sous l’effet d’un champ important provoqué par la foudre par exemple. Pour éviter cela, l'utilisation de chemins de câbles métalliques communs ou contigus parait être la meilleure solution. Elle permet de rapprocher les câbles considérablement sans risque de couplage. Les parois métalliques du chemin de câbles agissent comme un écran vis-à-vis des perturbations. Il faut, par conséquent, que la hauteur des parois soit supérieure à la hauteur des câbles ou torons.
  • 10. 9 On peut conclure que la CEM est une discipline très importante car la non maitrise de celle-ci pourrait provoquer d’importants dommages. Cependant jusqu’ici nous n’avons qu’étudié les moyens de protection contre les perturbations conduites, quand est-il des perturbations naturelles ? Dans la suite de ce document nous allons présenter les moyens de protections contre les perturbations provoquées par la foudre.
  • 11. 10 Chapitre 2 MOYENS DE PROTECTION CONTRE LES PERTURBATIONS CAUSEES PAR LA FOUDRE I. Définition Le phénomène de foudre Le coup de foudre est une décharge électrique se produisant dans un grand intervalle dont les « électrodes » sont d’une part un nuage orageux chargé et d’autre part la terre. La foudre reste scientifiquement assez mal connue car étant brève et imprévisible, son étude en laboratoire est donc difficile. Dans les grands laboratoires on provoque le coup de foudre par le lancement d’une fusée reliée par un fil à la terre. L’impact de la foudre sur une installation est équivalent à un générateur de courant très fort (10 à 100 kA et plus). Il produit une surtension considérable. L’étude de la foudre a deux aspects :  Aspect physique: mécanisme de la foudre ;  Aspect électrique: protection contre la foudre. II. Formation et caractéristiques de la foudre 1. Formation et types de coupde foudre La formation de la foudre se fait en trois grandes étapes:  La formation d’un nuage d’orage, le cumulo-nimbus Le cumulo-nimbus est un nuage dense présent en cas de temps orageux. Il se forme lors de forts contrastes de températures. L’épaisseur de ce nuage peut atteindre une dizaine de kilomètres carrés, leur masse est de l’ordre de centaines de milliers de tonnes d’eau. Il se forme à l’occasion
  • 12. 11 de forts contrastes de températures, grâce à de puissants courants d’air chaud ascendants. Ces courants entraînent en altitude d’importantes quantités d’eau et de glace. C’est un nuage dense à extension verticale considérable en forme de montage ou de tour immense. Une partie au moins de sa région supérieure est généralement lisse, fibreuse ou striée et presque toujours aplatie. Cette partie s’étale souvent en forme d’enclume ou de vaste panache. On peut donc rencontrer les Cumulonimbus de manière isolée, I’été, notamment en montagne. Un nuage d’orage est composé de cellules à divers stades de sa formation. Au plan horizontal, la masse nuageuse peut couvrir de 30 à 500 km. Généralement, ces cellules sont reliées entre elles par d’importantes couches de nuages. Certains orages peuvent n’être formés que d’une seule cellule, mais celle-ci ne prendra pas l’importance qu’acquiert une cellule faisant partie d’un système multicellulaire. À mesure que l’orage évolue, chaque cellule grossit et gagne une altitude supérieure à celle de la cellule précédente. En fin de journée, le sol a chauffé toute la journée, et une masse d’air humide arrive. Une bulle d’air chaud se forme, et s’élève dans le ciel. Les courants ascendants atteignent rapidement 30 m/s.0 Au fur et à mesure qu’il monte, l’air chaud se condense et se transforme en gouttelettes d’eau.
  • 13. 12 En s’élevant, l’air se refroidit. Au-dessous de 0°C, les gouttes d’eau gèlent et se transforment en grêlons. Le mouvement d’ascension se heurte à la stratosphère, à 15 000 m d’altitude. Le nuage « s’écrase » alors à son sommet, ce qui lui donne sa forme d’enclume.  Electrisation du nuage A l’intérieur du nuage, de violents courants d’air ascendants et descendants entraînent des collisions entre les molécules d’eau ce qui crée des charges positives, qui s’accumulent au sommet du nuage, et des charges négatives, qui s’accumulent à la base. La dissociation des charges dans le nuage orageux génère un champ électrique intense dans l’espace nuage-sol. Lorsque le nuage atteint, au niveau d’un sol plan, une intensité de 4 à 10 kilovolts par mètre,une décharge au sol est imminente. Une gigantesque étincelle se produit alors.  Production d’éclairs
  • 14. 13 Dans un nuage ainsi électrisé, des décharges électriques se produisent entre les différents pôles électriques, soit à l’intérieur du nuage (éclairs intra-nuages), soit d’un nuage à un autre (éclairs inter-nuages), soit vers la Terre (éclairs nuage-sol) plus principalement appelé “foudre”. La foudre qui atteint le sol ne représente en fait que 10% du nombre d’éclairs. C’est ce qui explique que l’on peut entendre gronder le tonnerre sans qu’un impact au sol se produise. La première phase d’un coup de foudre est la formation d’une prédécharge peu lumineuse, le “traceur”. On distingue deux types de coups de foudre suivant l’origine du traceur:  Les coups de foudre descendants: le traceur part du nuage et se dirige vers le sol. Ce sont les coups de foudre les plus courants.  Les coups de foudre ascendants: le traceur part du sol, d’un point assez élevé (tour, pic…), et se dirige vers le nuage.
  • 15. 14 2. Caractéristiquesdescoupsdefoudre Le courant produit par la foudre est très puissant, il est semblable à celui produit par un générateur de courant. Ce courant produit est constitué de charges superficielles du sol qui remontent le canal ionisé du traceur comme vu plus haut. Ce sont les décharges partielles s’écoulant par le même canal ionisé qui constituent le coup de foudre. Apres l’apparition de la décharge principale, on a l’apparition d’une ou de plusieurs décharges secondaires. Forme du courant de la foudre Pour effectuer des tests de contrôle, tous les constructeurs d’appareils électriques HT utilisent une onde appelée Onde de choc conventionnelle. Onde de choc conventionnelle *Caractéristiques des coups de foudre
  • 16. 15 3. Effetsde la foudre La foudre dispose par ces actions de plusieurs effets parmi lesquels on peut citer : a. Effets thermiques  Fusion d’éléments au point d’impact (≈30000°C).  Risque d’incendie du à la circulation d’un courant important. b. Effets électrodynamiques Lorsque les courants de la foudre circulent dans des conducteurs parallèles, la force magnétique qui en résulte (attraction et répulsion) peut entraîner des déformations mécaniques et même des ruptures. c. Surtensions directes L’impact direct sur une ligne électrique ou téléphonique, génère une onde de tension qui se propage. Cette onde, qui est amortie par l’effet couronne et la longueur de la ligne, est coupée soit par l’isolateur à cornes soit par les moyens de protection au poste. Comme le courant de la foudre est rarement inférieur à 10kA, et que l’impédance caractéristique d’une ligne aérienne est environ 300Ω, l’onde de tension atteindra 1500 kV. d. Surtensions induites (indirectes) Si la foudre tombe à proximité de la ligne, le courant provoque une variation extrêmement rapide du champ électromagnétique. A cause des ondes électromagnétiques générées par la
  • 17. 16 foudre, des surtensions sont induites dans des conducteurs situés loin du point d’impact. Ses effets se font sentir à plusieurs centaines de mètres, voire plusieurs kilomètres. Les ondes induites sur la ligne sont similaires en forme et en amplitude à celles obtenues par choc de foudre direct. Leur caractéristique principale est leur front très raide (de l’ordre de la microseconde), et leur amortissement très rapide. Ce rayonnement est d’autant plus important que le front de montée est raide (20 à 100 kA/µs). Un coup de foudre tombant à proximité d’une ligne développe un champ d’induction magnétique suffisamment important pour y créer une surtension induite, dont l’ordre de grandeur peut être estimé par la formule suivante: Uind= Z0I h / d Avec Z0= (0,25/π) (√µ0/ε0) ≈ 30 Ω h : hauteur du conducteur d : distance entre la ligne et le point d’impact de la foudre. I : courant de la foudre. e. Montée en potentiel de la prise de terre Une élévation du potentiel de terre a lieu lorsque le courant de foudre est écoulé par le sol. Cette variation du potentiel de terre touche les installations lorsque l'impact de la foudre au sol est à proximité de leurs prises de terre. Le courant circulant dans la terre peut provoquer la montée en potentiel des équipements par les prises de terre. Prise de terre Tension de pas: la distribution des courants de foudre dans un sol dépend de la nature du chemin parcouru. Dans le cas d’un sol hétérogène, des différences de potentiel dangereuses
  • 18. 17 peuvent s’établir entre deux points voisins. Cette différence est appelée Tension de pas. Les charpentes métalliques des bâtiments et les prises de terre doivent être toutes reliées entre elles afin d’éviter des tensions dangereuses pour l’homme, ainsi que pour les risques d’incendie et d’explosions dus aux amorçages d’arc. Remarque : C'est ce phénomène qui explique souvent le foudroiement indirect des animaux : même à 100 m du point d'impact, un cheval dans un pré peut subir entre ses pattes arrières et ses pattes avants, une différence de Potentiel de 500 V. 6)- Effet électrochimique L’action de la foudre contribue à la création d’ozone (O3) d’après la réaction chimique suivante : O2 + hν → 2O ; 2O + 2O2→ 2O3 III. Moyens de protections contre la foudre Le but des protections contre la foudre est de dévier le courant vers la Terre. Parmi ces projections on peut citer : le paratonnerre, l’éclateur, le parafoudre, les câbles de garde et la cage maillée. 1. Le paratonnerre Le paratonnerre est un conducteur qui présente au sommet une forme pointu, on le place sur ou près de l’installation à protéger. a)- Principe de fonctionnement : La décharge créée au sommet du paratonnerre progresse à la rencontre et capture le traceur de la foudre pour dévier le courant vers la terre ceci garce au pouvoir de pointe. Principe du paratonnerre à tige
  • 19. 18 b) Zones de protection contre la foudre : La zone de capture est définie comme un volume bien déterminé pour lequel l’entrée en contact d’un canal ionisé, provoquera à coup sûr l’amorçage du coup de foudre sur le sommet de la tige. L’expérience montre que pour un paratonnerre en forme de mat (tige), l’intérieur d’un cône (α =45°), centré sur la tige, présente une bonne probabilité de protection. c) Distance critique d’amorçage dc : Elle représente la distance de capture (saut final) entre le traceur et le sommet de la tige. Elle est donnée par la formule empirique : dc = 6,7 I0,8. I : courant de crête de la foudre. On constate que la zone de capture est d’autant plus grande que la foudre est intense. Par contre, si la foudre est faible la protection est moins sure. Il est donc clair que pour des courants de foudre : - élevés et moyens, la protection est très bonne ; - faibles, la protection est moins bonne car le dernier trajet du traceur principal est très court. Exemple : Si I = 10 kA, dc= 42 m ; I = 100 kA, dc= 270 m 2. L’éclateur L’éclateur est généralement placé en parallèle avec l’isolateur, il est formé de deux électrodes-pointes, dont l’une est reliée à la terre et l’autre à l’installation à protéger a) Principe de fonctionnement : Quand l’onde de tension frappe l’installation, la grande surtension qui apparaît aux bornes de l’éclateur produit un arc électrique qui dévie le courant vers la terre, car le courant choisit le chemin le moins résistant. Exemple de protection d’un Transformateur Remarques : - Bon marché et facilement réalisable, l’éclateur présente un grave inconvénient : l’arc amorcé par la surtension crée un milieu ionisé qui fait que le courant de suite est pratiquement égal au courant de court-circuit. Il s’en suivra une interruption de service provoquée par les protections contre les surintensités, ce qu’il faut naturellement éviter. - Les éclateurs n’ont pratiquement aucun pouvoir de coupure. Ils sont destinés en dernier ressort à écrêter les surtensions dans le cas où les autres systèmes n’auraient pas fonctionné. On préfère donc l’usage des varistances pour assurer une bonne coordination de l’isolement, avec plus de sécurité.
  • 20. 19 3. Le Parafoudre(Varistance) a) Principe de fonctionnement : La varistance est une résistance non linéaire qui chute considérablement lorsque la tension augmente. En fonctionnement normal en l’absence de surtension, la résistance de la varistance est très élevée et empêche le passage du courant de la ligne vers la terre. Par contre, en régime de surtension la résistance chute subitement pour dévier le courant, et donc la surtension, vers la terre. Quand l’onde de tension arrive par la ligne électrique, le courant de la foudre choisit le chemin le moins résistant, celui de la varistance, et dévie ainsi vers la terre. C’est pratiquement le même principe de fonctionnement que l’éclateur, car dans les deux cas c’est la résistance de l’équipement de protection qui chute : pour l’éclateur grâce au claquage, pour la varistance grâce à la résistance non linéaire. Exemple de protectiond’un Protection duréseaupar des varistances Transformateur par varistance b) Courbe caractéristique « courant-tension » d’une varistance : Généralement c’est une varistance en céramique, composée pour la plus grande partie, d’oxyde de zinc (ZnO). La figure 20 illustre schématiquement la courbe caractéristique courant-tension du parafoudre. On a choisi pour les abscisses une échelle logarithmique : par exemple, quand le courant est multiplié par 107, la tension aux bornes de la varistance n’est multipliée que par 2 environ. La résistance est non linéaire et la chute de Courbe caractéristique courant-tension d’une varistance à tension très faible, ce sont là les deux propriétés oxydes métallique principales de la varistance. A l’apparition d’une surtension, le parafoudre doit s’amorcer rapidement (< 0,1 µs).
  • 21. 20 4. Câblesdegarde Le câble de garde protège contre la foudre car il est placé juste au-dessus des conducteurs, en cas de coup de foudre c’est lui qui est touché en premier. Après l’impact de la foudre il transfère le courant vers la terre à travers le pylône. La présence des câbles de garde n’empêche pas à coup sûr d’éviter les coups de foudre, ils sont néanmoins utiles dans la mesure où leur présence fait diminuer leur probabilité dans un rapport de 1,5 à 5 environ, selon l’activité orageuse de la région Remarques : - Il y a une dizaine d’années, pour des raisons économiques, les câbles de garde sont placés généralement à l’entrée et la sortie des postes. Mais actuellement, comme il est utilisé pour les communications HF par SONELGAZ, le câble de garde tend à relier tout le réseau national. Le câble de garde à un diamètre inférieur ou égal au conducteur de phase. En plus du rôle de protection, il contribue à l’amortissement des ondes de surtension de foudre par abaissement de l’impédance caractéristique des conducteurs de phase ainsi que le blindage possible des lignes des télécommunications. Signalons que la majorité des coups de foudre sur conducteur provoque un amorçage pour les réseaux de tensions inférieures à 400 kV. L’amorçage de la ligne lors d’un coup direct étant certain, on cherche à s’en protéger en plaçant les câbles de garde. 5. Cagemaillée Protection utilisée dans les bâtiments (nouveaux) sensibles et importants (Electronique, informatique, militaire…). Le blindage externe protège contre les ondes de la foudre. Principe d’une cage maillée (cage de faraday)
  • 22. 21 Ce principe est utilisé pour les bâtiments très sensibles et importants (militaire, tours de contrôle…), abritant du matériel informatique ou des circuits intégrés. Il consiste à multip lier les feuillards de descente à l’extérieur du bâtiment de façon symétrique. On ajoute des liaisons horizontales si le bâtiment est haut ; par exemple tous les deux étages (figure). Les conducteurs de descente sont reliés à la terre par des pattes d’oies. L’effet résulte en une meilleure équipotentialité du bâtiment et la division des courants de foudre, réduisant ainsi fortement les champs et inductions électromagnétiques. Conclusion La compatibilité électromagnétique estdoncune disciplineàmaitriserafind’éviterd’éventuelsdégâts. C’est ainsi qu’il est important que les constructeurs d’appareils et les entreprises respectent les normes, que les utilisateurs d’appareils sachent les précautionsà prendre et que le gouvernement sensibilise les populations par rapport à cette discipline.
  • 23. 22 Bibliographie 1. GildasMANICet Yann GAVET,La Compatibilité Electromagnétique,2000,p. 4-10 2. A Timaltine,Chapitre 5La foudre,p.1-5 3. Formationde laFoudre et sescaractéristiques,Disponible sur https://wordpress.com/stats/insights/lafoudretpe2007.wordpress.com