Protection contre la foudre - impact-orage.com · La foudre est une décharge électrique aérienne qui permet à des nuages chargés électriquement de transférer au sol une partie

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p2645Spectromtrie de masse - Principe et appareillage

Date de publication : 12/09/2014 Par :

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Guy BOUCHOUX Professeur luniversit Paris XI (Orsay), cole Polytechnique, DCMR, Palaiseau

Michel SABLIER Charg de recherches au CNRS, cole Polytechnique, DCMR, Palaiseau

Guy BOUCHOUX Professeur luniversit Paris XI (Orsay), cole Polytechnique, DCMR, Palaiseau

Michel SABLIER Charg de recherches au CNRS, cole Polytechnique, DCMR, Palaiseau

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d1335 Protection contre la foudre - Principesgnraux et normes en vigueur

10/02/2015

Sonia AIT-AMAR DJENNAD Matre de confrences IUT de Bthune, Dpartement GEII, Universit d'Artois, Bthune, France

Ahmed ZEDDAM Snior manager en normalisation, Prsident de la Commission d'tudes UIT-T/CE5 Environnement et changement climatique , Orange Labs, Lannion, France

Outils d'analyse en lectronique de puissance et mtrologie

Convertisseurs et machines lectriques nergies

05/03/2015 7200044365 - universite d'artois scd // 193.49.62.52

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Protection contre la foudre

Co

Principes gnraux et normes en vigueur

par Sonia AIT-AMAR DJENNADMatre de confrencesIUT de BthuneDpartement GEII, Universit dArtois, Bthune, France

et Ahmed ZEDDAMSnior manager en normalisationPrsident de la Commission dtudes UIT-T/CE5 Environnement et changementclimatique , Orange Labs, Lannion, France

u XVIIIe sicle, priode durant laquelle sinstaurrent de nouvellesexigences de rigueur pour les thories et les expriences, on comprit que

la foudre ntait pas une arme dont disposait un dieu tonitruant, mais un ph-nomne naturel rgi par les lois de la Physique. Sans trop connatre ces lois,les chercheurs de cette priode ont alors dmontr quil tait possible de per-turber sa marche et de lui tracer une route quelle pouvait suivre sans dangerpour autrui, grce aux systmes de protection contre la foudre, composs deparatonnerres et de conducteurs de descentes relis la terre. Ds lors, onseffora de trouver la meilleure mthode pour installer le systme de protec-tion contre la foudre, afin damliorer son efficacit.

Aux tats-Unis, pendant un certain temps, les lignes de transmissiondnergie lectrique ont t protges sur la base dun angle de protection de

o

1. Phnomnologie de la foudre............................................................ D 1 335 - 21.1 Physique de la foudre............................................................................... 21.2 Principales caractristiques de lclair ngatif ....................................... 41.3 Diverses chelles pour ltude de la foudre ........................................... 71.4 Dtection de la foudre .............................................................................. 7

2. Effets de la foudre ................................................................................ 102.1 Effets directs et effets rayonns .............................................................. 102.2 Modlisation du champ lectromagntique rayonn par larc

en retour .................................................................................................... 12

3. Protection contre la foudre................................................................ 143.1 Paratonnerre la pointe du systme de protection des structures...... 143.2 valuation du besoin de protection contre la foudre ............................ 203.3 Techniques de protection contre la foudre............................................. 21

4. Normalisation et rglementation en matire de protection foudre ....................................................................................................... 25

4.1 Normes relatives la protection des installations................................. 254.2 Normes relatives aux dispositifs de protection (parafoudres).............. 26

5. Conclusion .............................................................................................. 26

Pour en savoir plus ........................................................................................ Doc. D 1 335

A

pyright Techniques de lIngnieur Tous droits rservs D 1 335 1

30 par rapport la verticale. Au milieu des annes 1950, lorsque lon estpass au transport de niveaux de tensions plus leves (345 kV) en utilisantdes pylnes plus hauts, il sest avr que cette protection a perdu en fiabilit.



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PROTECTION CONTRE LA FOUDRE ______________________________________________________________________________________________________

Le taux de coupure due au foudroiement sest rvl plus lev que ce quitait prvu. partir de donnes statistiques sur le foudroiement des rseauxlectriques, un modle empirique appel modle lectrogomtrique a putre tabli. Il permet de dterminer ltendue de la zone de protection dunparatonnerre en fonction de sa hauteur et du courant de foudre quil peutintercepter.

Aujourdhui, les connaissances dans le domaine de la physique de la foudreont t amliores, grce particulirement aux expriences sur les grands inter-valles dair et aux expriences de dclenchement artificiel de la foudre. On saitque linterception de la foudre rsulte de laugmentation du champ lectriqueproduit par un traceur descendant issu dun nuage orageux. En effet, lapprochedun traceur descendant induit et amplifie un champ lectrique au voisinagedune asprit du sol, ce qui provoque la formation dun traceur ascendant. Lecoup de foudre a lieu lorsquil y a jonction entre ces deux traceurs.

Par ailleurs, il ne suffit pas seulement dattirer le traceur ascendant et dache-miner le courant de foudre vers le sol pour assurer la protection dunestructure. Il est aussi ncessaire de bien dimensionner tout le systme de pro-tection et de tenir compte du champ lectromagntique induit par le courantde foudre afin de sen protger galement. Cest la raison pour laquelle, de nosjours, des normes internationales donnent diffrentes recommandations afindoptimiser la protection contre la foudre, avec comme souci dapporter unesolution globale et de plus en plus fiable.

Larticle propos fait un tat de lart des connaissances concernant la protec-tion contre la foudre. Afin de bien comprendre les concepts utiliss de nosjours, il est ncessaire en premier lieu, de dfinir les diffrentes phases de for-mation dun coup de foudre au sol. tant donn quenviron 90 % des coups defoudre sur des terrains plats sont du type ngatif descendant, nous ne nousintresserons quaux modles qui sappliquent ce type de dcharge.

La protection et la prvention vont de pair. On sintressera aux rseaux dedtection qui permettent en premier lieu la surveillance des orages et aussi lacollecte de donnes. Ces dernires permettront, dune part, denrichir lesconnaissances sur les caractristiques de la foudre, mais aussi dapporter uneaide la prvision du risque de foudroiement dune rgion donne afin demettre en place une protection adapte.

Afin de justifier la ncessit dune protection, il est utile de rappeler les diff-rents effets de la foudre qui causent des pertes humaines et matrielles.

Nous aborderons par la suite les concepts qui permettent justement de pro-

tger les hommes, les structures et les rseaux, en faisant un rappel historiquede lvolution des systmes de protection contre la foudre et une prsentationdes principes gnraux de protection prconiss dans les normes en vigueur.

1. Phnomnologiede la foudre

1.1 Physique de la foudreLa foudre est une dcharge lectrique arienne qui permet des

nuages chargs lectriquement de transfrer au sol une partie deleurs charges et de compenser ainsi le courant de beau temps quise rpartit en permanence entre llectrosphre et la Terre.

Le nuage orageux qui se dveloppe verticalement est appel

taux de glace se retrouvent vers le sommet et, la base du nuage,des gouttelettes deau sont charges ngativement. Un lot decharges positives se cre aussi en bas du nuage, dans une rgion tempratures ngatives comprises entre 10 et 20 oC [1] [2].Cette rpartition de charges, illustre sur la figure 1, a pour effetdinverser et daugmenter le champ lectrique au sol, qui passedune centaine de volts par mtre par beau temps une quinzainede kilovolts par mtre.

Diffrentes thories tentent de dcrire ce phnomne de cra-tion et de sparation de la charge dans un nuage orageux. Ellessont parfois complexes et certains aspects ne sont pas pris encompte. Comme il nexiste pas de consensus sur le mcanisme de

D 1 335 2 Copyright Techniques de lIngnieur Tous droits rservs

cumulonimbus. Dans ce dernier, divers mcanismes dlectrisationconduisent, grce aux mouvements dair chaud, une sparationdes charges lectriques. Les charges positives portes par des cris-

ce processus, diffrents chercheurs continuent donc essayer detrouver la bonne thorie qui explique qualitativement les phno-mnes mis en jeu [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8].



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______________________________________________________________________________________________________ PROTECTION CONTRE LA FOUDRE

Lorsque le champ lectrique cr par ces charges est suffisam-ment lev, des dcharges lectriques surviennent entre pochesde charges et de polarits opposes. On assiste alors soit desclairs lintrieur dun mme nuage orageux, nomms clairsintra-nuages (figure 2), et peu frquemment des clairs entredeux nuages orageux nomms inter-nuages (figure 3). Ces deuxtypes de dcharges reprsentent 75 % de toutes les dcharges pro-duites et provoquent aussi au sol, des variations de champ lectro-magntique qui peuvent tre dtectes. Le dernier type dedcharge est celle qui nous importune le plus : la dchargenuage-sol nomme aussi coup de foudre (figures 4, 5 et 6).

La proportion des clairs nuage-sol par rapport aux autresclairs est variable dun orage lautre, et dpend des caractris-tiques du nuage orageux. Si lon considre Dn , la hauteur dunuage dans sa partie tempratures ngatives, la proportiondclairs nuage-sol par rapport au nombre global dclairs peuttre estime par [9] :

(1)

Figure 1 Cumulonimbus (Hrault, 2013)

Figure 2 clair intra-nuage (Gard, 2013)

++

++

+

++ + + + + + +

++++

+ ++++

++

+++ + +

+(+ 10 + 50 C)

+

+ +

+ + ++(+ 1 + 5 C)

( 10 50 C)

++

+

+

+

+ + + + + + + + +

+ + + + + ++ ++

P D D D DNuage-Sol a b c d e= + + + + ( )n n n n4 3 2 1

Figure 3 Spectaculaires clairs inter-nuages (Bouches du Rhne, 2008)

Figure 4 Coup de foudre ngatif descendant (Hrault, 2014)

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avec a = 0,021, b = 0,648, c = 7,49, d = 36,54 et e = 64,09.

Ainsi, pour les climats temprs (Dn = 6 km), PNuage-Sol = 58 %contre 5 % pour les climats tropicaux (Dn = 12 km).

Figure 5 Dcharges inter-nuages et nuage-sol (Gard, 2013)



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En 2001, Boccippio et al. ont utilis les donnes des rseaux dedtection de la foudre aux tats-Unis pour dterminer la propor-tion dclairs nuage-sol par rapport au nombre globaldclairs [10]. Les donnes ont t collectes durant quatre anneset ont dtermin une plage de variation allant de 1 au niveau desMontagnes Rocheuses (Rocky Mountains) et des monts Appala-ches, 8-9 au niveau de la grande plaine centrale. Ces mesurescorroborent celles faites lors des premires tudes pour lesrgions des tropiques et latitudes moyennes [2].

Selon la polarit de la poche charge dorigine dans le nuage,ainsi que le sens de la propagation des charges par rapport au sol,on trouve quatre types de dcharges [11] : positif ascendant, posi-tif descendant, ngatif ascendant et ngatif descendant. Enmoyenne annuelle, sous nos climats, environ 90 % des clairsnuage-sol sont ngatifs descendant et 10 % sont positifsdescendant [2] [3] [4]. Ces derniers sont plus lumineux etcontrairement aux ngatifs descendants, ils ne prsentent pasdarborescences et se dveloppent de manire continue (figure 7).Les dcharges ascendantes se produisent partir dobjets hauts(suprieur 100 m) ou partir dobjets de hauteurs moyennessitus sur les sommets des montagnes. Nous restreindrons doncnotre prsentation phnomnologique aux dcharges ngativesdescendantes que nous dsignerons dune manire simplifiesous le terme dclairs ngatifs.

Durant les gros orages, des phnomnes lumineux transitoiresse propagent du sommet des cumulonimbus vers la haute atmo-sphre (entre 20 et 100 km daltitude). Ces phnomnes optiquestransitoires provoqus par des dcharges lectriques sont trsbrefs. On les nomme jets bleus (blue jets), farfadets (sprites), elfesou halos (elves) et sont regroups sous le terme de TLE (TransientLuminous Events) [12]. On connat leur existence depuis 1989,suite au lancement des navettes spatiales. Depuis, les chercheursles tudient afin de comprendre leur gense et leurs effets sur lacomposition chimique de latmosphre. En effet, on leur associeune production de rayons gamma et de rayons X [2] [3] [4].

En France, les chercheurs du CEA les tudient grce la stationspatiale internationale au cours de lexprience LSO (Lightning andSprites Observations), depuis 2001. Par ailleurs, un micro-satellitede la filire MYRIADE du CNES nomm TARANIS (Tool for theAnalysis of Radiation from Lightning and Sprites) sera chargdtudier les processus transitoires dus aux TLE et aux phnom-nes associs. Sa mission permettra danalyser et de mettre en vi-dence les phnomnes dclenchants les TLE. Le lancement de

1.2 Principales caractristiquesde lclair ngatif

1.2.1 Description de son dveloppement

Les clairs au sol commencent au sein du cumulonimbus par unphnomne de claquage prliminaire. Il est suppos que celapourrait tre d une dcharge entre la rgion ngative et celleinfrieure charge positivement.

Aprs quelques dizaines de millisecondes, une dcharge nga-tive fortement ramifie sort du nuage et se propage vers le sol.Elle est baptise traceur par bonds (stepped leader). Les bondsindividuels du traceur font entre 30 et 90 m et se dveloppent parintervalles de 20 50 s, avec une vitesse moyenne de propaga-tion de 2 105 m/s. Ainsi le traceur par bond est considr commeun processus qui retire la charge ngative du nuage orageux. Parailleurs, le champ lectrique au sol sous le traceur descendantdevient trs lev, en particulier autour des objets saillants.Lorsque le champ lectrique est suffisant, on observe une ou plu-sieurs dcharges ascendantes positives qui se forment durant laphase dite dattachement. Le champ minimal ncessaire la pro-pagation dun traceur positif ascendant est de 5 kV/cm et celui dutraceur ngatif descendant de 11 kV/cm [2] [13]. Les traceursascendants se dveloppent, jusqu ce quau moins lun deuxintercepte le canal du traceur descendant en un point gnra-lement situ quelques dizaines de mtres au-dessus du sol. Unarc en retour (return stroke) se produit, les charges ngatives sedissipent alors dans le sol (figure 8). Une intense onde positivedionisation remonte le canal du traceur descendant une vitessede lordre de 1 2 108 m/s. La majorit du canal se neutraliseainsi quune partie de la charge du nuage. Les courants crtesdans la phase darc en retour couvrent une gamme de quelqueskiloampres plusieurs centaines de kiloampres. La puissancecrte dissipe est de lordre de 108 W/m de canal et la tempraturecrte atteint 30 000 K. La figure 9 illustre la phase dattachement.

Aprs une pause de 40 80 ms, la majorit des clairs nuage-solproduisent un nouveau traceur (dart leader), qui se propage demanire continue dans le canal de larc en retour, avec une vitessede 1 2 107 m/s [1] [2] [3]. Il forme un arc en retour subsquent(subsequent return stroke). Les arcs subsquents varient ennombre dun clair lautre (en moyenne de lordre de 3) etchacun affecte un volume charg diffrent au sein du nuage. Cettemultiplicit darcs dun mme clair produit limpression visuelle

Figure 6 Coups de foudre ngatifs descendants multiples(Hrault, 2010)

Figure 7 Coup de foudre positif descendant (Kansas, 2012)

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TARANIS est prvu avant la fin 2016 depuis le centre spatial deKourou. Notons la belle concidence du nom de ce micro-satelliteavec le dieu celtique de la foudre.

de clignotement lorsque lon observe les clairs dun orage. Il fautgalement noter que tous les arcs subsquents nempruntent pastoujours la totalit du canal du premier arc en retour : dans 20



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40 % des cas, cela conduit une multiplicit des points dimpactpour un mme vnement. Le nombre maximum de coups parclair observ ce jour est de 26. Environ la moiti des coups defoudre ngatifs descendant peuvent crer plus dune terminaisonsur le sol. La distance entre les terminaisons des canaux pouvantatteindre plusieurs kilomtres.

Parfois, la place des arcs en retour, des impulsions dans le cou-rant persistant ont t observes et sont appeles composantes M.Elles ont t identifies par Malan et Collens en 1937 et provoquentune luminosit plus intense qui permettent dimaginer une chargede 0,1 0,2 C [15]. On les retrouve aussi dans les mesures en foudredclenche. Ce sont deux ondes se propageant dans le senscontraire. La premire est descendante et la seconde est rflchie dusol [2] [16].

Les premires observations sur la caractristique instantane defoudre ralise par Schnland partir des annes 1920 ontconstitu une grande avance dans le domaine [17]. Il a aussidmontr la nature dipolaire de la charge du nuage orageux. Il aeffectu les premires photographies ultra-rapides en utilisant lacamra de Boy, ce qui a permis didentifier les diffrentes tapesdune dcharge entre le nuage et le sol [18].

Le relev des valeurs du courant de foudre va permettre dejuger sa svrit. Notre connaissance de ces statistiques a t engrande partie tablie par le travail formidable ralis entre 1946 et1974 par Karl Berger dans la station exprimentale du Mont SanSalvatore, prs du Lac de Lugano, en Suisse [11]. Ses observationsont permis de savoir que dans le cas dun coup de foudre au sol, ladcharge principale jaillit toujours du sol et se propage vers lenuage (et non linverse selon les ides communment admisesjusque-l). Karl Berger est aussi lorigine du classement enquatre catgories des diffrents coups de foudre (nuage-sol) selonla charge, ngative ou positive, et la direction de la dcharge prin-cipale, ascendante ou descendante.

Quelques rsultats de ces mesures sont prsents dans letableau 1. Ils sont la principale rfrence dans le domaine de larecherche sur la foudre et sont toujours utiliss de nos jours, enparticulier par le groupe de travail C4-407 du comit CIGRE. Cetableau donne aussi des pourcentages (95, 50 et 5 %) de cas quidpassent les valeurs donnes et est bas sur des approximationsdune loi log-normale.

partir dune analyse bibliographique de mesures plus rcen-tes, Gamerota et al. dans [19] ont propos des caractristiques ducoup de foudre ngatif (nuage-sol) rsumes dans le tableau 2.

1.2.2 Formation du traceur ascendant

Lclair ngatif nuage-sol se forme au sein dune rgion decharge ngative et se propage vers le sol sous la forme dun tra-ceur par bonds. Il y a quatre phases successives dans le processusdattachement (figure 9).

La premire phase correspond une situation quasi statiquergie par un champ lectrique de lordre de quelques kilovolts parmtre, au cours de laquelle une dcharge couronne sinstalle surles points renforcement de champ (pointe du paratonnerre,angles de btiment, vgtation).

La deuxime phase est domine par la propagation du traceurdescendant vers le sol. Le champ lectrique au voisinage du solcrot rapidement, lorsque le traceur atteint une altitude de lordrede 100 m, avec un taux de croissance de lordre 109 V/m/s.

Ensuite, leffet couronne initial laisse place une dcharge detype streamer jusqu sa conversion en leader (traceur ascendant).

La dernire phase consiste en la propagation du traceur (leader).Un champ lectrique minimum est ncessaire pour assurer laprennit de sa propagation. Dans le cas dune capture du traceurdescendant, les deux traceurs opposs se rejoignent par fusion deleurs couronnes de streamers.

Figure 8 Illustration des paramtres reprsentatifs dune ondedu courant de larc en retour

Imax

90 %

Co

ura

nt

(kA

)

50 % Onde de courant8/20

10 %

8 s

20 s

Temps s

15 s 15 s 5 s 0,5 s

D

Traceurspar

Arc enretour

Jonction

Paratonnerre

Traceurascendant

+

+

+

+

+

+


Figure 9 Illustration de la phase dattachement dun coup de foudre ngatif [13]



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Tableau 1 Paramtres du coup de foudre ngatif descendant extrait partir de mesuresdu courant la base du canal (daprs [2] [11])

ParamtresPourcentage de coup de foudre dpassant la valeur donne dans le tableau

95 % 50 % 5 %

Valeur crte du courant.....................................(kA)

1er arc en retour 14 30 80

Arcs subsquents 4,6 12 30

Charge ................................................................... (C)

1er arc en retour 1,1 5,2 24

Arcs subsquents 0,2 1,4 11

dI/dt max.....................................................

1er arc en retour 5,5 12 32

Arcs subsquents 12 40 120

nergie spcifique .............................

1er arc en retour 6 103 5,5 104 5,5 105

Arcs subsquents 5,5 102 6,0 103 5,2 104

Dure du front montant de limpulsion(pour une valeur crte 2 kA) .............................

1er arc en retour 1,8 5,5 18

Arcs subsquents 0,22 1,1 4,5

Intervalle de temps entre les arcs................... (ms) 7 33 150

(kA / s)

ii tt22 dd ((AA ss))22

( s)

Tableau 2 Caractristiques du courant de foudre (daprs [19])

Paramtres Mesures (50 %)

1er arc en retour

Valeur crte du courant Imax ....................................................................................................................(kA) 30

Dure du front montant (de 0 Imax) 5

dI/dt max 100

Dure du front descendant (de Imax 50 % Imax) .................................................................................. (s) 70 80

Charge ..........................................................................................................................................................(C) 5

Arcs subsquents

Valeur crte du courant ............................................................................................................................(kA) 10 15

Dure du front montant (10 90 % Imax) ............................................................................................... (s) 0,3 0,6

dI/dt max ...............................................................................................................................................(kA/s) 100

Dure du front descendant (de Imax 50 % Imax) ................................................................................. (s) 30 40

Paramtres du coup de foudre

Nombre darc 3 5

Intervalles entre les arcs..........................................................................................................................(ms) 60

Dure .........................................................................................................................................................(ms) 200


Charge ..........................................................................................................................................................(C) 20

nergie spcifique ........................................................................................................................ (A2s) 8 104i t2d



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1.3 Diverses chelles pour ltudede la foudre

Le dveloppement dune dcharge nuage-sol ne peut trecompris qu travers une approche exprimentale. cet effet,nous disposons essentiellement de cinq types dtudes, chellecroissante.

Le laboratoire trs haute tension permet deffectuer une simu-lation exprimentale de la phase de formation et de propagationinitiale du traceur ascendant positif [2] [3]. Un maximum de dia-gnostics est alors envisageable, puisque le traceur peut tre pro-duit volont. Il existe des laboratoires dessais en extrieur (lair ambiant), la distance inter-lectrode est modifie par unegrue, mais cela ne suffit pas pour avoir le mme phnomne natu-rel de propagation du traceur ascendant (longueur en km) ; le pro-cessus de propagation du traceur descendant par bond ne peutpas tre reproduit. En effet, la distance de lintervalle entre llec-trode sous tension (qui simule le nuage orageux) et le sol est inf-rieure la longueur dun bond de traceur descendant.

Dans la nature, on peut favoriser loccurrence dun clair en ledclenchant laide dune fuse relie au sol par un fil (conducteur,isolant, mixte) : il sagit de la foudre dclenche. Ces essais sont ra-liss dans des rgions trs orageuses. Le premier avoir eu lidedenvoyer des fuses vers les nuages tait le savant moine italienGianni Batista Beccaria, qui a pass sa vie observer llectricit desnuages prs de Turin [20]. Ses fuses tiraient derrire elles desfils conducteurs relis la terre, afin de soutirer de llectricit auxnuages et cest ainsi quil a prouv lexistence de llectricit dansles nuages orageux en 1753. la fin du XXe sicle, on a repris lidede lancer des fuses dans les nuages orageux. En prsence dunnuage orageux, la foudre est cette fois-ci dclenche en utilisant desfuses droulant derrire elles un fil de cuivre entour de kevlar etreli au sol. On citera par exemple les expriences pilotes menesds les annes 1970 Saint Privat dAllier en France [21] [22], sui-vies de celles effectues en Floride [2], au Nouveau Mexique [23] etau Brsil (figure 10) [24]. La technique et le savoir-faire franais ontt mis au service de plusieurs stations de dclenchement traversle monde. Les essais en foudre dclenchs ont permis de dtermi-ner certaines caractristiques qui peuvent tre comparables cellesdes arcs en retour subsquents.

Les tests in situ (dans la nature) sont ceux qui permettentdobtenir de relles informations sur les caractristiques de lafoudre. Ils sont raliss dans des rgions particulirement fou-droyes. En se basant sur la thorie de B. Franklin, lexprience dedAlibart Marly la Ville (France 1750) fut la premire expriencein situ [25] [26]. Il y eut aussi celles du cerf-volant de BenjaminFranklin (tats-Unis) [26] et de Jacques de Romas (France) pourmontrer leffet lectrique de la foudre (1753) [27]. En Italie, lemoine Beccaria a test lefficacit dune tige pointue compare une autre munie dune boule son extrmit. De nos jours, plu-sieurs sites existent dans le monde. Lobjectif est, dune part decollecter des informations qui permettront aux chercheurs dudomaine de mieux connatre les caractristiques des coups de fou-dre, et dautre part, de tester lefficacit des dispositifs de protec-tion proposs par le monde industriel [2]. Par exemple en France,le Pic du Midi dans les Pyrnes a t choisi pour mener ce typedessais. Nanmoins, il faudra attendre plusieurs annes afindobtenir des mesures exploitables [28].

Le phnomne pleine chelle peut galement tre observ pardivers systmes de dtection distance (rseaux de localisationpar exemple), des dispositifs lectro-optiques et des stationsdobservation comportant des paratonnerres instruments [29][30]. On peut noter galement que lactivit orageuse globale peuttre observe depuis lespace.

Enfin, la modlisation numrique peut constituer un outil utile

zone de protection offerte par un dispositif de protection contre lafoudre, seul le modle numrique est susceptible de fournir unerponse rapide et acceptable [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39]. Lesexpriences en laboratoire vont permettre de caractriser les loisrgissant le champ atmosphrique de formation et/ou de propaga-tion du traceur ascendant [2] [3] [40] [41] [42]. Aprs validationdans la nature (essentiellement laide dclairs dclenchs), cesparamtres seront injects dans un modle o les traceurs serontsimuls en fonction de leurs caractristiques lectriques et de leursvitesses relatives. En particulier, les simulations numriques per-mettront de mieux comprendre la comptition entre traceursascendants et ses consquences sur ltendue de la zoneprotge [13] [34].

1.4 Dtection de la foudre

1.4.1 Principe

Les clairs et les perturbations lectromagntiques quilsengendrent sont la cause de pannes dans les systmes lectro-niques, en particulier dans le domaine des tlcommunications etdans les rseaux de distribution lectrique. Cest lune des raisonspour laquelle des systmes de dtection de la foudre ont t dve-lopps depuis 1920, afin de localiser les clairs et de dterminer

Figure 10 Foudre dclenche et courant mesur au sommetde la tour (daprs [24])

0

I (kA)

4

8

12

0 4 8 12

Temps (s)

16 20 24 28


pour comprendre les phnomnes lis la foudre partir descaractristiques lectriques mesures [2] [17] [31] [32]. Si lonsintresse par exemple dfinir quantitativement ltendue de la

lemplacement, lintensit et le mouvement des orages en tempsrel. En effet, les capteurs sont gnralement relis des calcula-teurs qui permettent le traitement des informations reues et le



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stockage des donnes foudre . Cela permet aussi de faire de laprvention des risques majeurs lis au phnomne du foudroie-ment qui contribue assurer une meilleure protection. En particu-lier, les donnes recueillies intressent notamment les servicesmtorologiques, le domaine de laviation, les services forestiers,les militaires, les sites sensibles, les compagnies dassurance etvidemment les chercheurs.

Les clairs intra-nuages ainsi que les arcs en retour et ceux quileurs sont subsquents se comportent comme des antennesmettrices dimportantes ondes lectromagntiques, sur un largespectre de frquences, allant de valeurs infrieures 1 Hz jusquprs de 300 MHz [2] [29] [30]. Une valeur maximale dans le spectreest situe entre 5 et 10 kHz, des distances au-del de 50 kmenviron.

Les signaux VLF (trs basse frquence : 3 30 kHz, Very LowFrequency en anglais) peuvent se propager des milliers de kilo-mtres car ils sont rflchis entre lionosphre et la terre(figure 11) [29]. Les capteurs peuvent donc dtecter des coups defoudre intenses dans des zones trs recules o les capteurs nepeuvent pas tre installs, par exemple dans les ocans [30] [43].Notons que la nuit est plus propice aux propagations que la jour-ne, ce qui rduit lefficacit de tels capteurs pour des coups defoudre lointains. La mthode de localisation utilise est la diff-rence de temps darrive. En effet, avec cette mthode, chaquecapteur dtecte limpulsion lectromagntique avec un retard quiest proportionnel la distance qui le spare de lclair.Connaissant la distance entre chaque capteur et la vitesse de pro-pagation de londe (gale celle de la lumire), il est possible dedterminer la position de lclair en calculant la diffrence detemps darrive entre les capteurs pris deux deux.

Par ailleurs, les impulsions transitoires dans la gamme des VLF(trs basse frquence : 3 30 kHz) et LF (basse frquence : 30 300 kHz, Low Frequency en anglais) se dplacent le long de la sur-face de la Terre et sont utiliss pour dtecter et localiser les arcs enretour depuis de nombreuses annes. Les capteurs ne doivent pastre loigns de plus de 250 km les uns des autres, pour obtenir debonnes performances. Par ailleurs, les clairs intra-nuagesdonnent naissance des signaux qui sattnuent rapidementcompars ceux des arcs en retour. Ils se propagent moins loinque ces derniers ; ils seront donc dtects par les capteurs les plusproches. Les rseaux de localisation utilisent les techniques de dif-frence de temps darrive ou de triangularisation ou unecombinaison de ces deux (mthode IMPACT). La mthode de trian-gularisation, nomme aussi mthode radiogoniomtrique, consiste mesurer lazimut du signal lectromagntique gnr par larc enretour au niveau de plusieurs capteurs. Les positions des capteurstant connues, la position de lclair est localise au niveau depoint dintersection des directions par triangulation.

Les capteurs qui fonctionnent dans la gamme VHF (trs hautesfrquences, Very High Frequency en anglais) sont galement sen-sibles aux processus prcurseurs aux dcharges (leader, claquagesprliminaires dans les nuages...). Pour avoir une dtection de lacti-vit lectrique totale lors dun orage, il est donc ncessaire dutili-ser en plus les capteurs LF et VLF pour dtecter les arcs enretour [29] [43] [44] [45].

Comme les signaux VHF ont une propagation en ligne de mire,les capteurs ont une porte limite. En effet, la distance entre diff-rents capteurs ne doit pas dpasser 150 km pour assurer unedtection fiable. Cependant, comme les impulsions des dchargesont une courte dure, ces sources de signaux VHF peuvent treassimiles des sources ponctuelles et sont localises exactementen temps rel, en deux ou trois dimensions. Les techniques de dif-frence de temps darrive et dinterfromtrie sont utilises pourlocaliser ces signaux. Cette dernire technique consiste mesurerla direction angulaire dun signal VHF gnr par lclair grce lamesure, au moyen dantennes lectriques spares, du dphasagequi se produit lorsque le signal se propage [29].

Depuis le dbut des annes 1950, les radars sont utiliss pourdtecter les orages. En effet, ils utilisent la rflectivit des hydro-mtores (cristaux de glaces, gouttes deau) prsents dans lecumulonimbus pour tudier son volution. Lutilisation des radarsa pour objet principal les phnomnes prsents en altitude et leurlocalisation. Nanmoins, les informations collectes au sol par lescapteurs peuvent tre coupls aux donnes des radars pour unelocalisation plus prcise [30].

Depuis les annes 1980, la NASA sest lance dans des program-mes de recherche pour la dtection des orages grce aux satelli-tes. Lobjectif est darriver avoir une dtection continue de hautequalit sur toute la plante. Jusquici, des observations de lactivitorageuse pour des rgions pour lesquelles la latitude est infrieure 75o ont t ralises. Le systme OTD (Optical TransientDetector) embarqu sur le satellite OV1 (1995), coupl par la suiteaux donnes collectes par le systme LIS (Lightning Imaging Sen-sor) du satellite TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission-1997),permet de voir une rgion spcifique pendant quelques minutes etde fournir des observations de la densit des clairs travers lemonde, avec une rsolution spatiale de 0,5o [46]. Notons quelinconvnient de ces mesures rside dans le fait quactuellement ilest impossible de diffrencier les clairs nuage-sol de ceux dansou entre nuages (intra et inter-nuage). partir de 2015, la pro-chaine gnration de satellite GOES-R (Geostationary OperationalEnvironmental Satellite) sera dote dun nouveau capteur LMS(Lightning Mapper Sensor) qui permettra la surveillance de lacti-vit orageuse sur un large champ de vision, en temps rel [30].

Les missions VHF de la foudre peuvent tre galement obser-ves depuis lespace. En effet, ces dernires se propagent aussibien sur la plante quen direction de lespace. Les mesures de cessignaux sont raliss grce au satellite FORTE (Fast On-Orbit RapidRecording of Transient Events) qui les combine des observationsoptiques, ce qui permet de diffrencier les coups de foudrenuage-sol des clairs intra- ou inter-nuage. FORTE sappuie aussisur la golocalisation des missions de foudre VHF avec plusieurssatellites [47].

partir de 2018, quatre satellites de la nouvelle gnrationnomm Meteosat Third Generation (MTG) seront quips dima-geurs optiques. Ils permettront lOrganisation europenne pourlexploitation des satellites mtorologiques nomme EUMETSAT,de mieux localiser lactivit lectrique et aussi dtudier les TLE.

1.4.2 Rseau de dtection en France :Mtorage

Ionosphre

CapteurVLF

CapteurLF/VLF

Capteur VHFTerre


Depuis 1987, Mtorage est loprateur du rseau de dtectionen France ; il propose des services de prvention du risque foudreet de diagnostic de causes dincidents. Cest une filiale de MteoFigure 11 Capteurs de localisation des clairs (daprs [29])



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France (65 %) et de la socit Vaisala (Finlande 35 %) qui est le lea-der mondial des capteurs de dtection foudre. Son rseau enFrance mtropolitaine est compos de 19 capteurs qui dtectent entemps rel les signaux LF mis par les clairs. Sur la figure 12 setrouve la carte de densit de foudroiement en France qui sert aucalcul du risque foudre (cc 3.2) conformment la normeCEI 62305-2. La prcision de la localisation en France pour lesclairs nuage-sol est infrieure ou gale 250 m.

La mthode IMPACT est utilise par le rseau Mtorage pourlocaliser les clairs. Un capteur (figure 13) est constitu duneantenne lectrique rapide qui mesure les caractristiques lectri-ques des signaux et de deux antennes magntiques (deux cadres)orthogonales qui mesurent les caractristiques magntiques dessignaux par la mthode de radiogoniomtrie. De plus, une horlogesynchronise par le systme GPS permet dhorodater les mesuresdu capteur. Les mesures sont par la suite traites grce unmodule lectronique et transmis en temps rel deux calculateursindpendants, lun est au niveau de Mtorage Pau et le second Toulouse chez Mto France [48].

Lanne 2013 est particulire en affichant un niveau global defoudroiement suprieur de 10 % la moyenne des 25 derniresannes. En effet, sur lensemble du territoire de Mtropole, on aenregistr plus de 530 000 clairs nuage-sol, ce qui signifie uneaugmentation de 66 % du nombre par rapport 2012. Cette ten-dance saccrot durant lt (figure 14), priode durant laquelle onobserve dhabitude le plus dorages. On retrouve aussi cette aug-mentation avec le nombre dclairs intra-nuage avec 1 300 000enregistrements en 2013, compar 840 000 en 2012.

trs sur la figure 15 collectent en continu et en temps rel lessignaux mis par les clairs et qui sont par la suite transmis auxdeux calculateurs de Mtorage.

Figure 12 Carte de la densit de foudroiement ( copyright 2014 Mtorage)

BRUSSEL

LUXEMBOURG

BERN

MONACO

ANDORRA LA VELLA

0 81 162 243 km

100 km

VADUZ

PARIS 01/01/2000 00:00:00

31/12/2013 23:59:59

plus de 3,17de 2,78 3,17de 2,38 2,78de 1,99 2,38de 1,59 1,99de 1,20 1,59de 0,80 1,20de 0,41 0,80de 0,02 0,410,02 ou moins

Nombre d'impacts par km2

par anMailles 20,00 20,00 km

Figure 13 Capteur du rseau Mtorage ( copyright Mtorage)


Mtorage possde aussi un rseau tendu suite des accordsavec la Suisse, lItalie, lAllemagne, les pays du Benelux, leRoyaume-Uni, lIrlande et lEspagne. En tout, cent capteurs illus-

Par ailleurs, Mtorage est membre dEUCLID (EUropean Coope-ration for Lightning Detection) qui lui donne accs aux donnes durseau europen afin de bien suivre lvolution des orages [49].



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2. Effets de la foudre

2.1 Effets directs et effets rayonnsLes effets de la foudre, de par leur origine, peuvent tre identi-

fis suivant deux catgories : les effets directs lis la circulation du courant de foudre ; les effets indirects se traduisant par des surtensions dans les

Les types de dangers que reprsente la foudre sont assez variscar ses effets sont multiples. En effet, les diffrents paramtres de lafoudre voqus dans la premire partie de larticle ne conduisentpas aux mmes consquences et aux mmes modes de dfaillancedes installations et des matriels :

les problmes de surtensions et les problmes defforts mca-niques engendrs par les chocs de foudre sont lis lamplitudede courant ;

le traitement de problme des surtensions lorsquinterviennentdes inductances dans les circuits foudre ou des couplages inductifsentre circuits est reli aux temps de front ;

les efforts mcaniques sont lis au temps de queue, en ce sensquil sert dterminer la dure dapplication de la forcelectromagntique ; il est principalement reprsentatif de lnergiedu coup de foudre en liaison avec lamplitude.

Pour reprsenter cette nergie du coup de foudre, le binmeconstitu par lamplitude et le temps de queue peut tre remplacpar :

lnergie spcifique (qui mixe amplitude et temps de queue) :

qui permettra de dimensionner les composants des paratonnerres(connecteurs, conducteurs...) ;

la charge (qui mixe aussi amplitude et temps de queue) :

qui permettra de choisir les caractristiques des parafoudres relisaux systmes de protection (paratonnerre + prise de terre) ou lafusion du mtal au point dimpact de la foudre.

Lcoulement du courant de foudre la terre et les champslectriques et magntiques rayonns entranent des degrsvariables :

des effets lectriques ;

des effets thermiques ;

des effets lectrodynamiques ;

des effets lectrochimiques ;

des effets lis aux champs lectromagntiques.

2.1.1 Effets lectriques

La trs forte intensit du courant de foudre qui scoule dans unsol ayant une certaine rsistivit va engendrer une monte en ten-sion de la terre proximit du point dimpact (loi dOhm). Unetelle modification du potentiel local nest pas en soi dangereusepour un tre vivant dans la mesure o aucune circulation de cou-rant ne se produit (un tre vivant peut tre port un potentiellectrique de plusieurs centaines de milliers de volts, par rapport une terre de rfrence loigne, sans que pour autant un prjudiceou une gne ne se produise). Cependant, si la dispersion du cou-rant de foudre dans le sol cre entre deux points proches des diff-rences de potentiels pouvant occasionner des claquages, cesderniers peuvent alors endommager les matriels connects cespoints. Par exemple, ce type de problme peut se produire sur unquipement connect simultanment des rseaux entrants (ner-gie, tlcommunications...) et la prise de terre locale du btimentfrapp par la foudre.

De la mme faon, ces diffrences de potentiels qui apparaissent

Figure 14 Nombre mensuel dclairs nuage-sol enregistrs en 2013

Figure 15 Rseau tendu de Mtorage ( copyright Mtorage)

Janv

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Fvr

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Avril

Mai

Juin

Juille

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2013 Moyenne 25 ans

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i td


lments conducteurs et causs par le rayonnement lectroma-gntique de la dcharge orageuse et les variations trs importan-tes du potentiel de la terre locale.

en surface peuvent galement prsenter un danger pour les tresvivants (tension de pas). Elles sont particulirement dangereusespour le btail et les animaux dont lempattement est de grande



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dimension (figure 16). Ainsi, une diffrence de potentiel de plu-sieurs milliers de volts peut apparatre entre les pattes avant etarrire dune vache, ce qui entrane gnralement llectrocutionde lanimal, le cur tant plac sur la trajectoire du courantinterne. Pour un homme debout, les enjambes sont plus petites etbien que le cur ne soit pas sur la trajectoire du courant, la diff-rence de potentiel engendre entre les deux pieds peut tre tout fait nfaste. Par temps dorage, des petits pas peuvent tresalutaires !

Les effets lectriques indirects lis au couplage galvanique oucouplage par conduction peuvent ainsi provoquer des surtensionssur des lignes dnergie ou de communications ainsi que sur desrseaux de masse.

2.1.2 Effets thermiques

Ces effets, lis la quantit de charge Q, dpendent donc desparamtres amplitude et dure du courant de foudre. Dunemanire gnrale, il y a production de chaleur au point o le cou-rant de foudre pntre dans un conducteur, cette quantit de cha-leur pouvant suffire provoquer la fusion du conducteur et/oulinflammation de matriaux non conducteurs voisins. Un coup defoudre exceptionnel est capable de percer des tles jusqu unepaisseur de 2 3 mm.

Les effets thermiques sont galement lis lnergie spcifiquedu courant de foudre. Quand le courant de foudre traverse unconducteur, il se produit un dgagement de chaleur qui obit laloi de Joule o interviennent le carr de lintensit I, le temps t depassage du courant et la rsistance ohmique R. Des chauffementsallant jusqu la temprature de fusion ne se produisent que dansdes sections faibles de conducteurs ou pour de forte rsistivit.

Dans le cas de matriaux mauvais conducteurs, de trs grandesquantits de chaleur sont produites lorsque le courant de foudrepasse travers un matriau tel que le bois ou la maonnerie. Leaucontenue dans le matriau svapore instantanment et la pressiontrs leve qui en rsulte provoque une explosion. Cet effet est sus-ceptible de se manifester aux endroits o peut se produire une accu-mulation dhumidit (fissures dans la maonnerie, cavits, sve desarbres, etc.) et l o le courant de foudre se concentre (jonctionentre un mauvais et un bon conducteur, tel quun fer bton).

L o le courant de foudre dispose de grandes sections de bonneconductivit, il ne peut pas se produire dchauffements dangereuxni, par consquent, de mise feu. Un coup de foudre dont le courantest capt et conduit au sol par un conducteur mtallique ininter-rompu et de section suffisante reste ainsi un coup de foudre quinengendrera pas deffets thermiques destructeurs.

2.1.3 Effets lectrodynamiques

Les courants lectriques ayant la proprit dexercer des forcessur les conducteurs quils traversent (loi de Laplace), les effetsengendrs sont dus ces forces qui dpendent de lintensit ducourant et de la distance entre les conducteurs. Outre les forces derpulsion qui, dans de rares cas peuvent causer des dformationsde conducteurs, il y a aussi des puissants efforts dattraction entreconducteurs traverss par le courant de foudre et dont lcarte-ment est assez faible.

Cest ainsi que des antennes tubulaires minces scrasent et quedes conducteurs parallles sentrechoquent. Si le courant defoudre parcourt des conducteurs lectriques isols trs rappro-chs, lisolant qui les spare est aplati. Pendant un trs violentcoup de foudre (100 kA), ces forces atteignent 105 N par mtre deconducteur pour un cartement de 5 mm, et 103 N par mtre pour50 cm dcartement. Pour des cartements plus grands, les effortsdevraient presque toujours tre sans consquence.

Les consquences de ces efforts lectrodynamiques se traduisentpar la dformation des structures mtalliques, lexplosion douvra-ges en bton arm, le dplacement ou larrachement de connexionslectriques, lcrasement de tubes mtalliques ainsi que les blin-dages des cbles lectriques, etc.

2.1.4 Effets lectrochimiques

Ces effets sont essentiellement dus la corrosion acclresubie, sous linfluence des courants de fuite, par des objets mtal-liques enterrs, tels que les cbles et les canalisations, ainsi queles conducteurs de mise la terre. Cependant, compte tenu de latrs faible dure du coup de foudre, ces effets demeurent ngli-geables compars ceux qui ont pour origine les courantstelluriques vagabonds.

2.1.5 Effets lis aux champs lectromagntiques

Lors de foudroiements entre un nuage et le sol, les sources derayonnement de plus forte intensit, dans la bande de frquencescomprises entre 0,2 et 20 MHz, sont constitues par les arcs enretour. Ceux-ci vont produire dans un rayon de plus de 200 km desimpulsions lectromagntiques de plus de 1 V/m, les amplitudes moins de 100 m tant suprieures 10 kV/m.

La modlisation du champ lectromagntique rayonn par larcen retour est aborde dans le paragraphe 2.2.

Les valeurs leves des courants de foudre I donnent lieu deschamps magntiques intenses au voisinage des conducteurs tra-verss par ces courants. De plus, la raideur du front du courant defoudre (dI /dt) peut engendrer dans des boucles mtalliques deseffets dinduction, observables des distances allant jusqu plu-sieurs centaines de mtres, notamment sur les lignes dnergieariennes et les lignes de tlcommunications. Les conducteurs dedescentes des paratonnerres forment des boucles ouvertes avecles diverses structures mtalliques dun btiment (canalisationdeau, chauffage central, alimentation lectrique, etc.). Ces bouclessont le sige de phnomnes dinduction qui font apparatre

Figure 16 Tension de pas


Dans les sols mauvais conducteurs (sable siliceux), il arrive quily ait fusion-vitrification du sable au passage de la foudre (crationde fulgurites).

leurs extrmits ouvertes des tensions dangereuses.

Le champ lectrique peut galement, dans certains cas, tre lorigine dun couplage capacitif. Ce type de couplage peut se



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rencontrer, par exemple, dans le cas dune structure mtalliqueisole du sol, qui se comporte comme un condensateur dont lesarmatures sont formes par la structure et le sol. En cas dimpactde foudre proximit, une diffrence de potentiel leve peutapparatre entre les deux armatures et si un corps conducteur ouun tre vivant, en liaison avec le sol, se trouve sous cette structureun amorage peut se produire la surface du corps.

Ces diffrents mcanismes dagression de la foudre vont engen-drer des courants et des tensions sur les lignes dnergie et detlcommunications. Ces perturbations sont ensuite vhiculesjusquaux quipements dextrmit o ils peuvent provoquer desdgts ou encore altrer la qualit de service. Le couplage entreles champs lectromagntiques rayonns par la foudre et leslignes de tlcommunications a t tudi en dtail dans [50].

titre dexemple, la figure 17 reprsente les diffrents mca-nismes dagression lors dun impact de foudre sur un pylneradiolectrique associ un btiment connect un rseau detlcommunications [51].

Dans ce cas prcis, les perturbations lectromagntiques gn-res par la foudre sont dues aux mcanismes suivants :

un couplage du champ lectromagntique rayonn par lclairavec les lignes qui pntrent dans le btiment ;

une lvation de potentiel du rseau de terre de la structurefoudroye ; ce qui a pour consquence de drainer une partie ducourant de foudre par les crans des cbles et par les conducteursinternes connects des parafoudres ;

un couplage entre le champ lectromagntique produit par lecourant de foudre circulant dans les conducteurs de descente dusystme de protection contre la foudre et le cblage interne dubtiment touch par la foudre.

Par ailleurs, dans le cas dun quipement connect simultan-ment aux rseaux dnergie et de tlcommunications, un amor-age peut se produire entre les deux interfaces qui possdentrespectivement des rfrences de potentiels diffrentes. Il est donc

2.2 Modlisation du champ lectromagntique rayonnpar larc en retour

Les variations les plus brutales et de grandes amplitudes duchamp lectromagntique mis par une dcharge de foudre ontlieu lors de la phase de larc en retour. Afin de protger de manireefficace les installations lectriques contre les perturbationsengendres par la foudre, il est ncessaire dvaluer son champlectromagntique diffrentes distances du canal de la foudre.En particulier, nous venons de voir que les lignes de tlcommuni-cations et les lignes lectriques sont trs sensibles aux effets pro-ches dun coup de foudre. Lvaluation prcise des champslectromagntiques induits est donc essentielle et a fait lobjet denombreux travaux de recherche, tant du point de vue numriquequanalytique. Des modles de larc en retour sont conus pourreproduire certains aspects des processus physiques impliqusdans la dcharge de foudre. Ils dfinissent les variations temporel-les et spatiales du courant le long du canal de foudre et sont trssouvent compars et valids par des donnes exprimentales.

Sur la base des quations de calcul des paramtres de larc enretour, Rakov et Uman dfinissent quatre classes de modles [2] :les modles dynamiques de gaz, les modles lectromagntiques,les modles RLC lments discrets et les modles dingnierie.Les modles dingnierie sont les plus utiliss pour le calcul deschamps lectromagntiques.

La gomtrie utilise pour le calcul du champ lectromagntiquecr par larc en retour est reprsente sur la figure 18. Le canalde foudre est considr comme une antenne verticale unidimen-sionnelle de hauteur H place au-dessus dun plan conducteur.Larc en retour se propage verticalement partir du sol avec unevitesse v. Il est parcouru par un courant dont la distribution spatio-temporelle i (z , t) dtermine le champ lectromagntique en unpoint quelconque de lespace. En supposant le sol parfaitementconducteur, nous devons prendre en compte la contribution de

Figure 17 Mcanismes dagression (daprs [52])

Conducteur cran

Cble arien

Surtensions

Impact de foudre

Parafoudre

Rseau de terre

Rseau de masse

Champ lectromagntique

lvation de potentiel

Pylne Poteau


ncessaire de rendre tous les rseaux quipotentiels par rapport la terre. Ce point sera dtaill un peu plus loin lorsque nous abor-derons les techniques de protection.

limage de larc en retour. On divise lantenne en lments de cou-rant de hauteur dz . Le champ total, un instant donn, est obtenuen sommant toutes les contributions individuelles. partir des



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quations de Maxwell, les expressions du champ lectrique E etmagntique B scrivent dans le domaine temporel [2] [52] encoordonnes cylindriques :

(2)

(3)

(4)

avec :

(5)

et c vitesse de la lumire dans le vide,

v vitesse de propagation de larc en retour.

Le terme contenant lintgrale sur le courant reprsente lacomposante lectrostatique du champ. Ce terme est dominant decourtes distances du point dimpact. Le second terme est unchamp induit. Le terme contenant la drive par rapport au tempsdu courant est, quant lui, dominant de grandes distances dupoint dimpact et caractrise le champ de rayonnement. Comme lepic de la variation du courant par rapport au temps survient trstt dans une dcharge de larc en retour, le champ de rayon-nement domine aussi au dbut de larc en retour. Par ailleurs, partir des travaux de Willett et al. [53], des tudes avec de lafoudre dclenches [54] indiquent quune estimation du courant delarc en retour subsquent peut tre obtenue partir du champlectrique E (V/m) mesur une distance D, laide de lquationsuivante :

(6)

o I est pris ngatif en kA, E est positif en V/m et D en km.

Lune des difficults majeures lie la modlisation du canal defoudre rside dans le fait que le courant ne peut tre mesur qula base du canal. Or, daprs les quations ci-dessus, il est nces-saire de connatre la distribution du courant le long du canal pourdterminer le champ lectromagntique rayonn.

Selon la direction de propagation de londe du courant, on peutdistinguer deux catgories de modles dingnierie : les modlesde type ligne de transmission (modles TL, MTLL et MTLE) et lesmodles de dplacement de la source de courant (modles BG,TCS). Dans la premire catgorie, larc en retour est modliscomme une onde de courant injecte la base du canal de foudrepour se propager le long du canal de foudre vers le haut unevitesse suppose constante. Dans la seconde catgorie, londe decourant est injecte dans le canal, pour se propager vers le sol quiva labsorber par la suite. Les deux modles TL modifis ont pourcaractristique de proposer une dcroissance du courant linaire(MTLL) ou exponentielle (MTLE). Le tableau 3 rsume les caract-ristiques du courant de ces diffrents modles.

Notons que pour le modle de Bruce-Golde (BG model [56]), unediscontinuit apparat la tte de larc en retour. Elle reprsenteun transfert instantan de charges de la colonne vers chaque hau-teur z = vt par larc en retour. Il est physiquement impossible quele courant soit de la forme du modle propos.

Figure 18 Modle pour le champ lectromagntique cr par larc en retour (daprs [2])

dz

z R (z )

r

H (t)

v

Arc en retour

Imagede dz

Plan conducteur P

Position actuelledu front de larc

en retour

Position de larcen retour vu par P

linstant t

E r tr z

R zi zr

H t

H t

( , )( )

( ,( )

( )

=

1

43

05

+

R z c z

r z

zv

R zc

t

( ) )( )

/ d d

3ccR z

i z t R z c zH t

H t

4 ( )( , ( ) )

( )

( )

+

/ d

rr zc R z

i z t R z c

H t

H t

2 3 ( )

( , ( ) )

( )

( )

/tt

zd

E r tz rR z

i zzH t

H t

( , )( )

(( )

( )

=

14

2

0

2 2

5

,, ( ) )

( )

+

+

R z c z

z

zv

R zc

t

/ d d

2

2 2

4

rcR z

i z t R z cH t

H t

( )( , ( ) )

( )

( )

/ ddz

rc R z

i z t R z

H t

H t

( )

( , ( )

( )

( ) 2

2 3

//d

ct

z)

B r tr

R zi z t R

H t

H t

( , )

( )( ,

( )

( )

=

0 34 (( ) )z c z / d

Tableau 3 Caractristiques du courant de larcen retour selon diffrents modles (daprs [2] [55])

Modle Vitesse

TL v

MTLL v

MTLE v

BG

TCS c

c tant la vitesse de la lumire, v celle de larc en retour, lecourant au niveau du sol et reprsente le taux de dcroissance de

tH t

vR H t

cR z z r= + = +

( ) [ ( )]( )et 2 2

I = 15 0 037, , ED

i z t( , )

i t z v0( ) /

i t z v z H0 1( ) ( ) / /

i t z v z0( ) / e /

i t0 ( )

i t z v0( )+ /

z vt i t , ( )0


( )(

( )

( ) rcR z

i z

H t

H t

2

,, ( ) )t R z ct

z

/d

lintensit du courant le long du canal. Sa valeur, comprise entre 1,5 et2 km, a t dtermine en utilisant des enregistrements simultans dechamps lectromagntiques plusieurs distances.



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Concernant le modle ligne de transmission (TL model) propospar Uman et McLain en 1969 [57] et TCS propos par Heidler en1985 [58] [59], comme lintensit du courant le long du canal defoudre reste constante, ces modles ne permettent aucun transfertde charge entre le traceur et larc en retour. Or, les mesures devariations du champ lectrique associ au traceur ont mis en vi-dence que le traceur est porteur dune certaine densit de charge.

Afin de pallier les dfauts de ces modles, des modifications ontt proposes par Rakov et Dulzon en 1987 (MTLL [60] [61]) etNucci et Rachidi en 1988 (MTLE [62]). Une comparaison entre lesvaleurs du champ lectrique calcul avec ces modles est donnefigure 19 [55].

Thottappillil et al. dans [55] [63] ont not que les champs lectri-ques mesurs entre une dizaine et quelques centaines de mtresde la foudre dclenche prsentent un aplatissement caractristi-que aprs 15 s (partie de droite de la figure 19) [64].

Les champs lectriques calculs 50 m avec les modles BG,TL, MTLL, TCS, MTLE sont prsents figure 20. Il en ressort quecontrairement aux modles BG, MTLL et TCS, les champs calculsavec les modles TL et MTLE ne sont pas conformes aux formes etaux valeurs des champs lectriques mesurs (par exemple pourt > 50 s, figure 19).

3. Protection contrela foudre

Depuis linvention du paratonnerre par Benjamin Franklin(tats-Unis dAmrique) et Jacques de Romas (France) en 1753,diffrents dispositifs de capture de la foudre ont vu le jour et laprotection contre la foudre na cess dvoluer pour amliorer sonefficacit.

Dans cette partie de larticle, nous considrons le paratonnerrecomme un lment essentiel de la protection foudre et nous allonstout dabord rappeler les diffrents modles labors, de manireempirique ou bass sur les connaissances acquises sur la physiquedes dcharges des grands intervalles dair et/ou lors dexpriencesde dclenchement artificiel de la foudre, afin de dfinir la distanceou le volume de protection de ces dispositifs de capture.

Nous aborderons ensuite, lvaluation du besoin dune protec-tion adapte contre la foudre au travers dune analyse globale durisque foudre. Cette analyse doit permettre de juger de la ncessitde protger les btiments, les structures ainsi que les quipementsconnects aux rseaux susceptibles dtre touchs par la foudre.

Enfin, une fois le besoin de protection tabli, il convient demettre en uvre les mesures de protection qui ont t gnra-lement identifies lors des procdures danalyse du risque. Cestechniques de protection seront dcrites dans la dernire partie ense focalisant sur la protection des structures, des lignes de tl-communications et des rseaux lectriques et cela la lumire desnombreux articles parus sur le sujet tels [C 3 307].

3.1 Paratonnerre la pointedu systme de protectiondes structures contre la foudre

Il est noter que les deux pionniers de la protection contre lafoudre, cits plus haut et inventeurs du paratonnerre, ont lorigine souhait dcharger le nuage orageux avec laide duncerf-volant afin dviter un foudroiement, mais le hasard a bien faitles choses ! En effet, cette tige permet dattirer la foudre et il suffitjuste de veiller bien lcouler vers le sol afin de bien protger lastructure ( 3.3).

De nos jours, on utilise trois types de systmes de capture de lafoudre [C 3 307] :

les paratonnerres tige simple de Franklin ; les fils tendus ; les cages mailles.

Pour connatre la distance ou volume de protection de ses dispo-sitifs de captures, diffrents modles numriques sont proposs.

Afin doptimiser le retard lamorage du traceur ascendant lorsde la propagation de traceur descendant, des paratonnerres dispo-sitif damorage (PDA) ont t dvelopps [3] [C 3 307]. lorigine,des sources radioactives ont t utilises afin dapporter les lec-trons germes ncessaires au dclenchement rapide des dchargesascendantes. Ces paratonnerres furent interdits en 1986. De nouvel-les gnrations de PDA dots de systme lectronique et de cap-teurs ont vu le jour depuis 1984 et sont toujours en coursdamlioration selon les avances technologiques. En plus de leurrle initial qui est la protection, certains sont utiliss pour collecterdes informations sur les caractristiques des arcs en retours.

3.1.1 Modles numriques de protection contrela foudre

Figure 19 Champ lectrique de larc en retour de foudre dclench enregistr en 1993 50 m au Camp Blanding, en Floride (daprs [55] [64])

0 25

20

15

10

5

0

10 20

Dart leader Arc en retour

15 s

30 40Temps (s)

Ch

amp

le

ctri

qu

e (k

V/m

)

50 60 70 80 90 100

La premire portion correspond au dart leader (t < 50 s), etla seconde partie droite est due larc en retour (t > 50 s).

MTLE

TCS

MTLL

TL

BG

200

10

20

30

Ch

amp

le

ctri

qu

e E

z (k

V/m

)

40

50

60

70

80

40 60 80 100


En 1753, le premier systme de protection externe contre lafoudre a t mis au point, en utilisant une tige conductrice quiporte le nom de tige de Franklin (ou tige simple). Ainsi, en inter-

Figure 20 Calcul de la composante verticale du champ lectrique une distance r = 50 m du foudroiement (daprs [55] [63])

Temps (s)



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ceptant le traceur ascendant, la tige protge tout ce qui se trouve ses alentours. La dtermination de ltendue de cette rgion, auvoisinage de la tige, o la foudre ne tombera pas, est nommezone de protection dune tige. Son estimation est le sujet de dis-cussions et dtudes depuis maintenant trois sicles. Aussi, la pos-sibilit de foudroiement dune structure peut tre calcule par desmthodes empiriques ou physiques.

En un point critique du dveloppement dun traceur descendant,un traceur ascendant peut prendre naissance sur la structure et sepropager. Le point dimpact sur la structure est ainsi dtermin sices deux traceurs se rejoignent, moins quun autre traceurascendant, concurrent au premier, ne le prcde pour tre celuiqui capturera le traceur descendant. La distance entre le pointdorigine du traceur ascendant et le point de jonction est habituel-lement appele la distance damorage. Cest la distance de cap-ture de la foudre par un objet (tige, structure...).

Le calcul de la distance damorage permet destimer le risque defoudroiement dune structure et aussi dvaluer lefficacit de la pro-tection effectue avec une tige, un cble arien ou une cage maille.tant donn que le coup de foudre ngatif est le plus frquemmentobserv dans la nature, les modles dinterception existant jusquprsent se limitent la description de la connexion au sol de ce typede coup de foudre.

Actuellement, les diffrents modles de calcul de la zone de pro-tection ou de la distance damorage peuvent tre classs en troiscatgories : les modles gomtriques, le modle lectrogom-trique et les modles gnriques.

3.1.1.1 Modles gomtriques

La solution gomtrique du problme de la dtermination de lazone de protection repose sur le concept suivant : un certainpoint de son dveloppement, la foudre tombera sur un paraton-nerre au lieu du sol, si cest ainsi son chemin le plus court. Cettedistance pour laquelle aura lieu un foudroiement peut tre dter-mine gomtriquement. Franklin, en 1767, tait le premier avoirsurnomm cette distance critique la distance damorage [13] [18][26] [65].

Les modles gomtriques utilisent des concepts simplifis pourestimer la zone de protection. La distance de protection ne dpendni des paramtres physiques du traceur descendant, ni descontours gomtriques des structures, mais juste de la hauteur dela tige.

Examinons tout dabord les premires mthodes qui ont tpoursuivies pour protger une structure contre la foudre en utili-sant un paratonnerre. En 1753, Franklin a donn une mthodepour la protection des habitations, consacrant une bonne partie la description de laction du paratonnerre [26] [66]. Mais une ques-tion laquelle il ne semble pas avoir prt attention est ltenduede la zone que cette tige allait probablement protger. Plus tard, diverses occasions, lAcadmie franaise a publi des instructionsconcernant la pose des paratonnerres. Ces consignes taient lersultat des travaux des diverses commissions composes declbres physiciens. Dans la premire instruction de 1823, aveccomme rapporteur Gay Lussac, la rgle tait quun paratonnerreprotgera efficacement un espace circulaire dont le rayon est deuxfois sa hauteur [25]. Cependant, en 1854, la commission suivante,ayant comme rapporteur M. Pouillet, na plus soutenu cette rgle,sous prtexte quaprs le foudroiement de structures initialementprotges linstruction de 1829 (rapporteur Gay Lussac) la adoptavec certaines rserves. M. Pouillet en dduit que la zone de pro-tection dpend dune multitude de conditions pour chaque cas protger [25] [65].

En 1875, une autre commission fut cre pour assurer une bonneprotection des difices de Paris. Daprs les recherches excutespar les physiciens de cette commission, la tige dun paratonnerrepeut protger efficacement les objets situs lintrieur dun cnede rvolution ayant sa pointe pour sommet et pour rayon de basela hauteur de la tige multipli par 1,75 [65].

Sur la figure 21 sont illustres les diffrentes distances et zonesde protection dune tige de paratonnerre au XIXe sicle. Nousremarquons que les zones de protection sont soient des cnes oudes cylindres, lexception dun cne spcial avec une surfacelatrale concave dtermine par Preece (1880). Il a t dfini aussiun rapport entre la distance de protection et la hauteur du paraton-nerre nomm rapport de protection. Il a t dtermin entre 0,5pour le modle de Melsens et 2 pour celui de Gay Lussac.

KMPAOLJ

CEGIHFB D

Paratonnerre

100

100 100 50 50 75 25

100

Cylindre JBCK Gay Lussac (1823) ; Cne BAC De Fonville (1874) ; Cne DAE Commission de Paris (1875) ; Cylindre LFGM Chapman (1875) ; Cne FAG Adams (1881) ; Cylindre OHIP hypothse ; Cne spcial FAG Preece (1880) ; Cne HAI de Melsens


Figure 21 Zones de protection dun paratonnerre daprs Lodge (daprs [65])



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En 1901, le comit normatif British Lightning Committee a tmis en place. Ce comit a notifi que la surface de protection quepeut offrir un paratonnerre est situe lintrieur dun volumeconique, quils ont appel cne de protection, dun angle de pro-tection de 45o (figure 22, [65]).

Larmor a effectu des travaux de recherches en 1914. Il a reli lazone de protection dun paratonnerre aux lignes de champlectrique, en utilisant la thorie lectromagntique de Maxwell eta trouv une surface de forme similaire celle de Preece. Il amme tudi la possibilit de coups de foudre obliques. Il semble-rait galement tre le premier travail de recherche o lon corrlele mcanisme de lionisation des gaz avec la propagation de lafoudre [65] [67].

Les valeurs des angles de protection ont diminu avec laug-mentation des niveaux de tensions et des tailles des lignesariennes de transmission. En se basant sur les travaux de Larmor,Schwaiger est arriv dmontrer vers 1935 les mmesconclusions que celles quavait faites un demi-sicle plus ttPreece [67].

La mthode du cne de protection a t trs utilise pour leslignes haute tension. Mais il tait difficile de lappliquer aux toitsplats et aussi pour les structures trs leves. Ce qui a pouss lesscientifiques trouver dautres mthodes.

Aux tats-Unis, pendant un certain temps, les lignes de trans-mission dnergie lectrique ont t protges sur la base dunangle de protection de 30o par rapport la verticale. Au milieu desannes 1950, lorsque lon est pass au transport de niveaux detensions plus leves (345 kV) en utilisant des pylnes plus hauts,il sest avr que cette protection a perdu en fiabilit. Le taux decoupure due au foudroiement sest rvl plus lev que ce quitait prvu [2] [18]. Par ce fait, des tudes ont t menes pouramliorer la protection contre la foudre des rseaux lectriques. Lemodle lectrogomtrique (MEG) a merg suite cesrecherches.

3.1.1.2 Modle lectrogomtrique

Durant les annes 1960, lInstitut lectrique dEdison (EEI) lanaun projet de recherche, avec lInstitut de technologie de lIllinoisdirig par E. R. Whitehead [68] [69] [70]. Le projet consistait en uneanalyse thorique et pratique des mesures sur une priode de neufans sur les lignes des rseaux lectriques. Lanalyse statistique desperformances des lignes ariennes tait lobjectif du projet. Lesobservations ont t faites pour diffrentes valeurs de tenue latension de choc de foudre nomme en anglais BIL (basic impulseinsulation level). Le rsultat des observations de lquipe de Whi-tehead a fait lobjet dun rapport publi en 1971. Il a t dmontrque plus la ligne lectrique tait haute, plus il fallait rduire langle

En 1973, sous la direction scientifique de Whitehead, Love aaussi modlis la distance damorage en fonction du courant delarc en retour et a abouti lexpression suivante [18] :

(7)

qui a t approxime pour donner la clbre relation utiliseactuellement par toutes les normes internationales :

(8)

avec rs (m) distance damorage,

I (kA) courant de foudre.

En 1978, Lee a repris les rsultats de Whitehead pour dcrire lemodle lectrogomtrique et le modle de la sphre roulante [69][70]. Les zones coniques de protection ont t remplaces auxtats-Unis par le modle lectrogomtrique dans ldition de laNFPA de 1980. Depuis, cest le modle de protection prconis partoutes les normes internationales de protection contre la foudre.

Le modle lectrogomtrique fournit la loi empirique reliant lerayon de la sphre rs , qui correspond la distance damorage, la valeur crte du pic de courant I du premier arc en retour quation (8). Le centre de la sphre correspond la tte du leaderdescendant.

Pour dfinir cette mthode, nous lappliquerons la configurationla plus simple, une tige de paratonnerre de hauteur h. Suivant laposition de la sphre (figure 23), trois scnarios soffrent nous :

1. la sphre (1) rencontre le sol. Lclair touchera le sol en cetendroit ;

2. la sphre (2) entre en contact avec le paratonnerre. Ce derniersera alors foudroy ;

3. la sphre (3) se connecte simultanment au paratonnerre etau sol ; lun des deux recevra le coup de foudre.

La sphre (3) forme avec le paratonnerre un volume qui ne

Figure 22 Description du cne de protection dune tige

Zone protge

Angle de protection

Paratonnerre

Figure 23 Mthode de la sphre roulante applique une tigeverticale

Volume protg

Foudroiement

Traceurs descendants

ra

rs

h1

2

3

rs e= + 2 30 1 6 25I I( )/ ,

rs =10 0 65I ,


de protection. Afin de mieux protger les rseaux lectriques, ilfallait connatre deux paramtres : la distance damorage et lecourant que peut supporter une phase sans quil y ait panne.

pourra jamais tre foudroy. Il est reprsent par la zone hachurebleue. Cet espace, protg par la prsence de la tige, dpend de lahauteur de la tige et du rayon rs de la sphre, donc du courant de



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foudre. En effet, la surface protge de rayon ra autour de cettetige crot avec rs de la faon suivante :

(9)

(10)

Par consquent, au sol, la surface protge par la tige est :

(11)

ra sera aussi nomm par la suite rayon attractif (figure 24).Pour connatre les points dimpact potentiel de la foudre sur une

structure, une sphre imaginaire de rayon rs est roule au-dessusde la structure protger.

Comme illustr la figure 25, tous les points touchs par cettesphre sont susceptibles dtre foudroys (traits rouges) et exigentune protection, tandis que les surfaces et les volumes qui ne sontpas touchs par la sphre (zone hachure bleue) ne pourront pastre foudroys par des courants suprieurs ou gaux I et sontconsidrs protgs. Le trait en pointill indique la trajectoire ducentre de la sphre roulante telle que la distance le sparant de la

structure la plus proche soit gale rs . Il correspond aux diffren-tes positions de la tte du leader ngatif descendant susceptiblesde sattacher la structure.

Pour un courant de foudre donn, la distance damorage rs estune valeur constante. Par consquent, la mthode de la sphreroulante est une simplification du processus physique de lattache-ment de foudre une structure. En effet, elle suppose une prdis-position de dclenchement dun leader ascendant gale pour tousles points de contact sur la structure.

La mthode de la sphre roulante est aujourdhui la technique laplus recommande dans les normes internationales. En se basant surle principe dun volume de protection gal, la norme internationaleIEC 62305-3 fait un lien entre cette mthode, la mthode de langle deprotection, dfinie dans le paragraphe prcdent, et la mthode de lacage maille (ou cage de Faraday) dveloppe par Melsens(1865) [25]. Le tableau 4 donne ces quivalences pour diffrents cou-rants de foudre I qui dfinissent quatre niveaux de protections.

Lquivalence entre le rayon de la sphre fictive rs et langle deprotection a t dtermine analytiquement par J. Wiesinger.Lauteur est arriv lexpression suivante [71] :

(12)

Nanmoins, il existe une limitation en hauteur pour la mthode delangle de protection et la norme recommande alors dutiliser dansce cas une des deux autres mthodes pour protger la structure.

La plupart des chercheurs sont conscients que le modle lectro-gomtrique est limit et prsente plusieurs inconvnients. Parmieux, on citera :

labsence de prise en compte de la prsence de traceurs ascen-dants ainsi que leffet de comptition entre eux ;

labsence de prise en compte de paramtres de propagationdes traceurs ascendant et descendant ainsi que des propritslectriques des structures protges ;

lintensification du champ lectrique est nglige durant unorage au niveau des coins et des artes des structures ;

son inadaptation pour le cas dobjets se trouvant sur la struc-ture et pouvant donner naissance dautres traceurs ascendants.

Figure 24 Vue en perspective du volume de protectiondun paratonnerre

Volume protg

Paratonnerre

ra

r h r rs a s< =

r h r hr hs a s> = 2 2

S r= a2

=

+

1802

2

1

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Protection contre la foudre - impact-orage.com · La foudre est une décharge électrique aérienne qui permet à des nuages chargés électriquement de transférer au sol une partie