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Dossier d'électronique

Les dangers de la foudre

Dossier réalisé par Christian Richard

Avant-propos

Nous pouvons trouver facilement des exemples d'éclairs dans la vie courante.
Lorsque vous marchez sur de la moquette, le frottement des semelles de vos chaussures va provoquer sur vous une accumulation de charges électriques. Si vous touchez un objet métallique raccordé au sol, avant même que votre doigt soit en contact de cet objet (une poignée d'ascenseur par exemple), un petit éclair ou arc électrique va se former entre votre doigt et la poignée.
Cet arc est la preuve que les charges électriques que vous avez accumulées vous ont porté à un potentiel électrique de plusieurs milliers de volts !

Et pourtant vous êtes encore en vie ? Oui, car l'énergie mise en jeu est faible ; la seule conséquence que vous avez subie est un picotement désagréable, mais sans conséquence pour votre organisme.
Prenons un autre exemple : les bougies qui équipent un moteur d'automobile (à essence) sont aussi le siège d'une décharge électrique se traduisant par un petit éclair entre l'électrode centrale et le corps de la bougie.
Cette décharge est nécessaire pour enflammer le mélange air/essence lors de la phase de combustion du moteur. La différence de potentiel est de l'ordre de 20000 à 50000 volts mais l'énergie nécessaire est déjà importante : ceux d'entre vous qui auraient touché un fil de bougie débranché ont pu mesurer les effets très désagréables de cette énergie disponible ! Le principe de l'apparition d'un éclair d'orage est le même : il faut qu'il existe une très grande différence de potentiel entre le nuage et le sol, plusieurs milliards de volts, compte tenu de la distance qui les sépare.

Comment naissent les éclairs

Ces décharges électriques ou coup de foudre représentent en fait un courant électrique transitoire qui va égaliser la différence de potentiel électrique qui existe entre un nuage et le sol ou entre deux nuages. Ce courant très intense, de valeur moyenne 35000 ampères en France, est compris dans une bande de fréquences allant de 1 kHz à 1 MHz ; sa durée s'échelonne entre 10 microsecondes et 100 millisecondes.
Il s'accompagne d'un effet lumineux et sonore lui aussi très intense : la température de l'éclair dépasse 27000 degrés Celsius.
Cette valeur est à comparer à la température de la surface du soleil qui n'est que de 5600 degrés Celsius ! Cette brusque élévation de température génère une onde choc qui va se propager dans l'air (à la vitesse de 340 mètres par seconde), c'est le tonnerre ; le bruit du tonnerre peut être entendu jusqu'à une distance de plus de 15 kilomètres par rapport au lieu de l'éclair.
La vitesse de l'éclair est très rapide : seulement cent fois plus petite que la vitesse de la lumière. Ce courant génère également un fort champ électromagnétique (champ électrique et champ magnétique) dont les effets peuvent être minimes (craquements dans la « radio » dus aux éclairs nuages/nuages) ou importants pour des appareils situés près de l'impact.

Lors d'un orage 75% des éclairs prennent naissance entre deux nuages et 25% entre un nuage et le sol.
Ces éclairs correspondent à une décharge consécutive, nous l'avons vu, à une différence de potentiel ; cette différence de potentiel est due à l'accumulation de charges électriques de nature différente : positives et négatives.
Lorsqu'un nuage d'orage, chargé négativement, se déplace il engendre une accumulation de charges positives au sol qui le suit comme son ombre : ces charges positives constituent son « image » électrique.
Lorsque les conditions deviennent favorables à la décharge, l'éclair apparaît et l'on parle d'un coup de foudre négatif. Certains nuages sont aussi porteurs de charges positives qui, avec les charges négatives du sol, vont engendrer un coup de foudre positif ; ils sont plus rares mais développent une énergie beaucoup plus importante et durent plus longtemps, 5 millisecondes contre 500 microsecondes pour un coup de foudre négatif.
Les effets des coups de foudre positifs sont donc encore plus dévastateurs.
Sans vouloir rentrer dans les détails, sachez cependant qu'un coup de foudre se prépare (apparition de “traceurs” qui vont établir le chemin de l'éclair) et n'est pas unique : plusieurs “répliques” peuvent apparaître et donner l'effet de scintillement que l'on observe en regardant les éclairs.
Un éclair s'accompagne souvent de diverses ramifications par rapport à l'arc principal.

Où se produisent les coups de foudre ?

Lorsque la différence de potentiel est suffisamment grande pour engendrer l'éclair, des facteurs prédisposants vont aider à sa formation : plus un objet est haut, donc plus proche du nuage, plus il aura de chance “d'attirer la foudre”. C'est le cas des bâtiments, édifices, pylônes ou arbres de grande hauteur.
D'autres paramètres géologiques, tels que la résistivité (résistance électrique) et l'homogénéité du sol, ou météorologiques, tels les vents dans une moindre mesure, peuvent influencer la localisation du point d'impact de la foudre.
En milieu agricole, chacun connaît des sites particulièrement exposés aux coups de foudre qui répondent à ces critères.

Lorsqu'il s'agit d'étudier une installation de protection contre les coups de foudre, il est nécessaire de connaître le niveau kéraunique du lieu : ce niveau kéraunique représente le nombre de jours par an où l'on entend le tonnerre.
Ce niveau varie d'une région à une autre et il existe des cartes le précisant.

En France, le niveau moyen est de 20 ; il s'abaisse à 10 pour les régions côtières et dépasse 30 dans les régions montagneuses.
Météorage calcule statistiquement la densité de foudroiement au sol (sensiblement égale au niveau kéraunique divisé par 10) ou nombre d'impacts par an au kilomètre carré.
A partir de ces éléments, mais aussi des dimensions, des structures et de l'environnement d'un bâtiment, il est possible d'évaluer des risques de foudroiement.
Ainsi pour un niveau kéraunique de 25, soit une densité d'impact de 2,5, le risque pour une maison individuelle est au plus d'un foudroiement tous les huit siècles ! Pour un bâtiment collectif de dimensions moyennes ce risque tombe à 63 ans. Mais pour un bâtiment de grandes dimensions, le risque devient supérieur à deux foudroiements par an ; pour une structure comme la Tour Eiffel il peut aller jusqu'à 10 !

Le paratonnerre

Son rôle est d'écouler au sol les charges électriques au moment de la formation de l'éclair entre sa pointe et le nuage.
Il s'agit d'imposer un parcours au courant électrique gigantesque qui s'établit entre la pointe et le nuage : cela implique des conducteurs de section importante et une prise de terre irréprochable dans ses caractéristiques techniques. Sinon une installation “bricolée” peut aboutir à un résultat catastrophique et à un effet inverse qui peut aller jusqu'à la destruction pure et simple du bâtiment protégé.
Une telle installation est une affaire de vrai spécialiste et doit obéir à des normes précises.


Depuis la pointe de Franklin, passive, sont apparus des paratonnerres actifs : leur principe est basé sur un dispositif d'amorçage dont le but est d'assurer un déclenchement plus rapide du traceur ascendant, c'est-à-dire de favoriser une anticipation du mécanisme de l'éclair de façon à procurer une protection plus importante.

Tout paratonnerre doit être relié à une prise de terre par l'intermédiaire d'un joint de contrôle qui permet les mesures électriques nécessaires de cette prise de terre à l'aide d'un “Tellurohm-mètre” BF pour la mesure de la résistance et HF pour la mesure de l'impédance.
Plusieurs types de prises de terre existent : piquets, grille ou patte d'oie.

Ce dernier type est de loin le plus efficace, car il procure une plus faible résistance et surtout une faible impédance ; plus ces valeurs sont faibles, meilleur est l'écoulement des charges vers le sol.

Ce dispositif de protection contre les effets directs peut être complété par une boucle de fond de fouille et un maillage autour du bâtiment constituant une cage de Faraday.

L'emplacement le plus judicieux d'un paratonnerre n'est pas forcément sur le bâtiment à protéger mais au contraire à côté !. Cette disposition permet « d'éloigner » le bâtiment du coup de foudre direct et de ses conséquences électromagnétiques.
Il est un point très important à observer dès à présent c'est l'INTERCONNEXION de toutes les terres : sinon, comme nous allons le voir, toutes les précautions prises sont réduites à néant.

L'installation d'un paratonnerre est régie par la norme NF C 17-100 pour un paratonnerre passif et NF C 17-102 pour un paratonnerre actif comportant un dispositif d'amorçage.
Sachez aussi que si votre habitation est très proche de pylônes électriques de grande hauteur ceux-ci joueront le rôle de paratonnerre, mais ils ne vous protègent pas des effets indirects ou secondaires.

Protection secondaire : équipotentialité

Lorsque le coup de foudre se produit, soit naturellement, soit guidé vers le sol par l'un des dispositifs de protection primaire décrits, le sol est soumis lui aussi à une énorme élévation de potentiel.
C'est d'ailleurs cette différence de potentiel induite qui tue beaucoup plus les animaux à quatre pattes que les foudroiements directs ; leurs pattes avant et arrière sont éloignées (vaches, chevaux) et soumises à une différence de potentiel importante.

Il est d'ailleurs conseillé à un être humain se trouvant dans la nature de se recroqueviller le plus possible en cas d'orage afin d'avoir une emprise sur le sol la plus faible possible ou mieux, de se protéger par une couverture de survie métallisée assurant une protection équipotentielle.

Ce qui est vrai pour les êtres vivants l'est aussi pour tout matériel électrique ou électronique : ce qui est dangereux ce n'est pas le fait d'être porté à un potentiel très élevé, mais c'est de subir une différence de potentiel.

Partant de ce principe, comme toute protection primaire ou secondaire doit écouler les charges vers la terre, il faut absolument que tous ces équipements soient reliés à une même terre, sinon le risque subsiste.

Effets indirects

La protection contre les effets directs (paratonnerre) est beaucoup plus connue que celle contre les effets indirects : les surtensions, consécutives aux coups de foudre, sont véhiculées par les réseaux électriques (EDF) et les réseaux de télécommunications (France Télécom).

Ces surtensions provoquent d'importants dégâts notamment à tout matériel utilisant des composants électroniques sensibles : téléviseurs, chaînes Hi-fi, ordinateurs, matériels de réception satellite... la liste est longue de nos jours.

Malheureusement, ni EDF ni France Télécom, ne peuvent vous garantir la distribution de leurs courants sans risque de surtensions ! Il est donc nécessaire de s'en protéger individuellement.

L'origine de ces surtensions est diverse : coup de foudre direct ou à proximité des ouvrages de distribution de l'énergie électrique ou de télécommunication (avec propagation dans ces lignes), coup de foudre à proximité d'un bâtiment ou sur une installation de paratonnerre.

Il faut ici distinguer différentes lignes électriques par les fréquences qu'elles véhiculent. Tout d'abord le réseau EDF à 50 Hz, les lignes téléphoniques ou filaires, et les câbles coaxiaux d'antennes. N'oublions pas l'arrivée d'eau : si le tuyau d'alimentation en eau de votre habitation est métallique (cuivre, acier ou plomb), il est capable d'amener la foudre à l'intérieur du bâtiment.

Il faut alors prévoir un manchon isolant ou privilégier un tuyau en PVC. Gardez présent à votre esprit que toute canalisation métallique, câble ou autres, peut privilégier le passage de la foudre à l'intérieur d'un bâtiment : il faut donc canaliser vers le sol les surtensions induites par le coup de foudre avant qu'elles atteignent tout appareil ou personne se trouvant à l'intérieur.

Les protections secondaires

Leur rôle est de ramener la surtension à une valeur résiduelle acceptable sans engendrer de destruction aux matériels connectés.
Les éléments protecteurs sont essentiellement les éclateurs, les varistances, les diodes à avalanches. Ces trois composants ou leurs associations ne doivent pas apporter de modifications des circuits (pertes) et être le plus efficace possible en cas de surtension : leur résistance doit passer d'une valeur élevée à une valeur la plus faible possible pour favoriser l'écoulement vers le sol via la terre.

Des fabricants de matériels spécialisés proposent des montages plus ou moins complexes utilisant ces composants. Ils doivent être placés le plus près possible de l'arrivée des câbles dans le bâtiment à protéger.

Ces appareils de protection peuvent être insérés en parallèle sur l'installation à protéger et sont dans ce cas indépendants de la puissance transmise. Lorsqu'ils sont placés en série ils doivent tenir compte de la puissance absorbée par le matériel connecté ; ils disposent d'un étage limiteur de courant permettant d'obtenir des tensions résiduelles très faibles.

Protection énergie basse tension (220 V)

Il n'est pas question ici de donner la liste de tous les appareils de protection disponibles chez de nombreux constructeurs d'appareils électriques ; chacun propose dans son catalogue des produits similaires.

La protection contre les surtensions en provenance du secteur consiste à disposer des parafoudres ou éclateurs entre chaque fil (neutre et phase en monophasé, neutre et chacune des trois phases en triphasé) et la terre. Ces dispositifs sont à placer au plus près du dispositif de coupure, en parallèle sur les fils d'alimentation de l'installation ; la borne terre doit bien évidemment être raccordée à une terre digne de ce nom dont la valeur aura été mesurée au préalable.

Je vous rappele qu'il est interdit et extrêmement dangereux d'utiliser une canalisation sanitaire (alimentation ou évacuation) en tant que terre.

Protection filaire

Ce sont des appareils modulaires capables de protéger les lignes téléphoniques qui viennent s'insérer en série dans la ligne (toujours le plus près possible de l'arrivée) et raccordés à la terre.

Il vous en coûtera environ 600 francs pour un pouvoir d'écoulement de 5000 A/10µs, une tension résiduelle valant deux fois celle de la tension nominale et une perte d'insertion faible de 0,3 dB.

Protection coaxiale

C'est le domaine des descentes d'antenne terrestre (VHF ou UHF) et d'antenne satellite (BIS).
La difficulté provient des fréquences élevées qu'il s'agit de préserver : pas de pertes trop élevées (de l'ordre de 1 dB), pas de ROS élevé avec les signaux numériques (de l'ordre de 1,6 maximum) avec comme objectif un pouvoir d'écoulement élevé et une tension résiduelle la plus faible possible.

EMC propose un appareil ayant ces caractéristiques et présentant un pouvoir d'écoulement de 5000 A pour une tension résiduelle de 500 volts montant à 2,5 GHz à insérer en série dans le câble d'antenne (bande passante 0-2050 MHz, intensité permanente maximale 1A pour la téléalimentation) et possédant des connecteurs F pour un prix de l'ordre de 1600 F (référence ES 3475).

Vous pouvez aussi trouver de simples éclateurs coaxiaux aux alentours de 150 F, mais beaucoup moins efficaces en fréquence. Les câbles coaxiaux peuvent aussi faire l'objet de protection supplémentaire notamment en réunissant directement à la terre leur blindage grâce à des colliers spéciaux de mise à la terre. Signalons aussi les dispositifs à ligne accordée, beaucoup plus cher, dont les tensions résiduelles peuvent descendre jusqu'à 10 volts, mais prévus pour des bandes de fréquences bien précises mais présentant le désavantage de ne pouvoir transmettre une tension continue.

Efficacité de ces systèmes


Comme vous l'avez certainement compris la première limitation est liée à la tension résiduelle : si l'appareil protégé ne peut admettre qu'une tension inférieure à celle de l'appareil de protection, celle-ci n'est pas totale.
Par contre, les dégâts pourront se limiter aux circuits d'entrée et ne pas provoquer une destruction totale des circuits électriques.
Si vous utilisez plusieurs dispositifs parafoudre n'oubliez pas de réunir leurs sorties terre à la même terre, en respectant la valeur de la section du conducteur de terre indiquée par le constructeur (de 6 à 16 millimètres carré).
Il faut aussi prendre en considération l'intensité du coup de foudre et sa localisation par rapport à votre habitation. Plus celui-ci sera proche, plus les dégâts risquent d'être importants.

L'installation des dispositifs parafoudre fait également l'objet d'une norme, la norme NF C 15-100. Si vous ne voulez pas investir dans des appareils de protection, il vous reste une solution simple : DEBRANCHEZ ! Oui, mais DEBRANCHEZ TOUT ! Il ne sert à rien de débrancher l'arrivée d'une antenne sur un téléviseur ou un récepteur satellite si vous ne débranchez pas l'alimentation sur le secteur, voire la liaison téléphonique pour le modem (idem pour un ordinateur).
Et il y a une manière de débrancher : ne laissez pas fiche et prise à 5 centimètres l'une de l'autre : s'il y a un coup de foudre l'arc électrique passera malgré tout.
Nous l'avons vérifié un jour d'orage à nos dépends. Maintenez éloignées prise et fiche d'une distance d'au moins 50 centimètres !

J'espére que ces quelques pages vous auront fait découvrir certains aspects liés à la foudre et comment il est possible de s'en protéger plus ou moins efficacement.
N'oubliez pas que devant l'énergie développée par un coup de foudre la protection ne peut jamais être totale : l'homme doit rester humble devant les manifestations de la nature !

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