La foudre correspond à un phénomène naturel de décharge électrique [1-7] qui se produit à partir des orages de nuages (les cumulonimbus), à l'intérieur d'un nuage, entre nuages ou entre le nuage et le sol. Pour des raisons très pratiques (perturbations des réseaux électriques et de télécommunications, incendies, …..), les décharges de foudre qui ont été l’objet d’études approfondies sont les décharges nuage-sol.
Cette décharge orageuse, nuage-sol, correspond une onde de choc normalisée [1-8] (figure 1.15).
25 | P a g e
Figure 1.15.Onde de choc du courant de foudre.
Le choc de foudre normalisé est largement utilisé pour les essais de matériel : T1= 1,2 μs ± 0,36 μs (temps de montée), T2= 50 μs ± 10 μs (temps à mi-hauteur).
Des études très approfondies ont montré que les coups de foudre peuvent être modélisés par un générateur de courant à la base du canal dont l'amplitude peut varier de quelques kA à quelques centaines de kA [1-8]. Le canal ionisé est ensuite considéré comme une antenne verticale sur laquelle va circuler un courant dit « courant d'arc en
retour [1-9] ». La propagation de ce courant le long du canal est à l'origine d'un
rayonnement électromagnétique
Dans la littérature [1-10] deux expressions analytiques sont le plus souvent utilisées pour représenter le courant à la base du canal (onde de choc). En premier, la fonction
bi-exponentielle :
𝒊(𝟎, 𝒕) = 𝑰𝟎(𝐞𝐱𝐩(−𝒂. 𝒕) − 𝐞𝐱𝐩(−𝜷. 𝒕)) (1.1)
Où :
𝑰𝟎: La valeur crête du courant ;
𝒂: L’inverse du temps de descente ;
𝜷: L’inverse du temps de montée.
26 | P a g e 𝒊(𝟎, 𝒕) =𝑰𝟎 𝛈. ( 𝒕 𝝉𝟏) 𝒏 𝟏+(𝒕 𝝉𝟏) 𝒏 . 𝒆𝒙𝒑 (− 𝒕 𝝉𝟐) (1.2) Où : 𝛈 = 𝒆𝒙𝒑 (− (𝝉𝟏 𝝉𝟐) ( √𝒏𝝉𝟐 𝝉𝟏 𝒏 )) (1.3) Avec :
𝑰𝟎 : est l’amplitude du courant à la base du canal ;
𝝉𝟏 : est la constante de temps du front ;
𝝉𝟐 : est la constante de décroissance ;
𝛈 : est le facteur de correction de l’amplitude ;
𝒏 : est une constante entière entre 2 et 10.
4.2. Transitoires électromagnétiques de foudre : danger pour la continuité du service Le réseau électrique occupe pratiquement tout le territoire d’un pays ; aussi pour le besoin du transport de l’énergie les lignes électriques sont portées par des armatures métalliques ¨les pylônes¨ dont la hauteur peut dépasser parfois les 300m. L’importante étendue et la présence des pylônes, rendent le réseau une cible facilement accessible à la décharge orageuse (foudre). La foudre peut atteindre par impact direct (coup au but) ou par impact indirect (couplage électromagnétique) le réseau électrique [1-11].
L’impact direct est le plus sévère car il s’agit d’une injection directe d’une très grande quantité d’énergie dans le réseau électrique qui va provoquer des surtensions par conduction. De manière indirecte (surtension induite) lorsque la foudre tombe au voisinage d’une ligne conductrice ou d’une installation électrique, l'impact de foudre est accompagné d'un rayonnement électromagnétique ; si ce dernier atteint un conducteur (une ligne électrique par exemple), le flux électromagnétique est générateur de tensions induites élevées.
Un impact de foudre direct ou indirect est généralement responsable d’un défaut
dit externe transitoire. En effet, un coup de foudre s’accompagne d’une décharge dont
l’intensité peut aller jusqu’à quelques centaines de kA. La mesure a aussi montré qu’un coup de foudre s’accompagne d’une émission électromagnétique de très forte valeur. En
27 | P a g e
impact direct «coup au but», la décharge transitoire peut occasionner de sévères dégâts en absence de protections appropriées.
Aussi, il est maintenant établi que lors d’un impact indirect (couplage électromagnétique de l’onde de foudre avec le système électrique), le matériel électrique du réseau ainsi que les dispositifs qui y sont connectés sont fortement perturbés voire même endommagés par les perturbations induites. La foudre génère des ondes électromagnétiques provoquant des perturbations radiophoniques et la destruction de certains équipements sensibles aux perturbations électromagnétiques. Ces phénomènes sont source de [1-11] :
dégradation de matériel ;
dysfonctionnement des installations ;
réduction de la continuité de service par des interruptions longues.
Il va de soi qu’il est nécessaire de protéger les systèmes électriques qui peuvent être affectés par de nombreux types d’incidents. Il convient de distinguer la protection des ouvrages du réseau proprement dit (lignes…) et celle du système production–transport. La protection du système production–transport est essentielle, car certains incidents (pertes de ligne en cascade, pertes brutales de moyens de production importants…) peuvent induire des conséquences catastrophiques (effondrement du système électrique).
Les dangers des surtensions internes temporaires proviennent de l’amplitude, de la durée et de la répétition de ces surtensions et concerne la coordination de l’isolement.
4.3. Coup de foudre direct sur une ligne de transport d’énergie
Il se manifeste par l’injection dans la ligne, d’une onde de courant de plusieurs dizaines de kA. Cette onde de courant, qui peut faire fondre des conducteurs en se propageant de part et d’autre du point d’impact (figure 1.16), provoque une augmentation de tension U donnée par la formule [1-12] :
𝑼 = 𝒁𝑪 . ( 𝒊
28 | P a g e
Avec 𝒊 le courant injecté et 𝒁𝑪 l’impédance homopolaire caractéristique de la ligne (300 à 1000 ohms).
Figure 1.16.Coup de foudre direct sur un conducteur de phase, l’onde de courant se propage de part et d’autre du point d’impact.
𝑼 atteint donc des valeurs de plusieurs millions de volts, ce qui n’est supportable par aucune ligne. En un point de celle-ci, par exemple au premier pylône rencontré par l’onde, la tension croît jusqu’à ce que se produise le claquage de la distance d’isolement (la chaîne d’isolateurs). Suivant que l’amorçage a eu lieu ou pas (fonction de la valeur du courant injecté dans la ligne) l’onde qui continue à se propager après le pylône est dite coupée ou pleine. Pour différentes tensions de réseau, il n’y a pas amorçage au-dessous du courant critique indiqué par la droite de la figure 1.17. Pour les réseaux dont la tension est inférieure à 400 kV, pratiquement tous les coups de foudre directs entraînent un amorçage et un défaut à la terre.
En fait, il est estimé que seulement 3 % des surtensions, observées sur le réseau public MT français 20 kV, dépassent 70 kV et sont donc imputables à des coups de foudre directs. De plus, du fait de l’atténuation de l’onde de tension au cours de sa propagation le long de la ligne, les surtensions maximales (très rares) à l’entrée d’un poste ou d’un bâtiment sont évaluées à 150 kV en MT. Rappelons que la plus haute tenue au choc de l’appareillage 24 kV est de 125 kV.
29 | P a g e
Notons que lors d’un coup de foudre direct sur une ligne électrique, le courant peut se propager et atteindre toutes les installations distribuées par la ligne même si elles sont localisées à plusieurs kilomètres du point d’impact. Ces courants sont d’autant plus destructeurs que la majorité de l’énergie du coup de foudre est « conduite » par le réseau.
Figure 1.17.Distribution statistique de l’intensité des coups de foudre directs et intensités minimales d’amorçage en fonction du niveau de tension du réseau[1-12].
4.4. Impact direct sur le pylône ou le câble de garde
Cibles privilégiées, les pylônes et les conducteurs de phases sont fréquemment frappés par la foudre, aussi a-t-on rapidement introduit des câbles de garde (figure 1.18), reliés directement aux pylônes mis à la terre, au-dessus des lignes sous tension à protéger. 4.4.1. Rôle et positionnement du câble de garde
Le câble de garde est initialement prévu pour prévenir l’impact direct du coup de foudre sur les lignes de transport d’énergie. Les câbles de garde, montés sur les lignes THT et HT, ce sont des fils conducteurs tendus au-dessus des lignes de phase. Ils sont reliés à la terre par l’intermédiaire des pylônes. Ils forment un écran protecteur des lignes de phase [1-8] en recevant à leur place la foudre (figure 1.18).
Son positionnement (figure 1.19) est réalisé sur la base d’un modèle dit
30 | P a g e
Figure 1.18.Protection des lignes aériennes par câbles de garde.
N p M m G d d α R S T h I II III x β
Figure 1.19. Modèle électrogéométrique pour le positionnement du câble de garde. La zone de capture du câble de garde est d’autant plus étendue que le coup de
foudre est intense. Il serait alors intéressant de regarder si ce modèle est optimal pour prévenir l’impact indirect dont la fréquence est plus importante.
En utilisant le modèle électrogéométrique, la position du câble de garde est choisie en fonction des contraintes mécaniques et du design du pylône. Cette position est définie par l’intersection de l’axe de symétrie du pylône et d’un arc de cercle (figure 1.19).
31 | P a g e
Généralement le point d’intersection est sur le sommet du pylône et un seul câble de garde est utilisé. Dans certains cas, deux câbles de garde sont nécessaires (figure 1.18). 4.4.2. Surtension sur le câble de garde
Ce type de protection doit assurer la maîtrise de la connexion de la foudre sur les structures afin d’évacuer une partie du courant de foudre à la terre. La traversée du courant par la liaison à la terre va créer à ses bornes (entre la tête du pylône et la terre) une différence de potentiel 𝑼 telle que cette tension peut être très élevée, par effet inductif, au point de créer aux bornes des isolateurs un champ électrique supérieur à la valeur critique de rupture diélectrique. Quand cela arrive, une décharge peut s’effectuer entre le fil de garde et les lignes de phase, avec transmission d’une surtension dans celles-ci. On montre que la valeur de cette surtension est supérieure à celle d’une surtension due à un coup de foudre direct sur les phases. C’est le phénomène d’amorçage en retour. Le remède semblerait pire que le mal.