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Ecole Normale Supérieure d’Enseignement Technique Cours de Promotion Sociale Cours de Compatibilité Electromagnétique Thème Exposé : La Protection Foudre EE E x p o s é r é a l i s é p a r : T C H A M O U L é o n e l & M A K E M T A Y v e s Cours de Compatibilité Electromagnétique Thème Exposé : La Protection Foudre Exposants : TCHAMOU Léonel MAKEMTA Yves I) Introduction La foudre est une décharge électrostatique qui se produit au cours d’un orage accompagné d’une lumière vive et d’une détonation. En fait, si la foudre reste un phénomène inévitable, nous savons désormais en limiter les conséquences de façon efficace et à un cout acceptable. La maintenance d'un système de protection contre La foudre est indispensable. 2000 à 5000 orages se forment en permanence autour du globe. Chaque année, la terre est frappée de près de 3 milliards de coups de foudre. Alors que la plupart des effets de la foudre sont parfaitement visibles : éclairs, tonnerre, dégâts matériels, etc. les manifestations électriques sont quant à elles généralement peu perceptibles. Or, chacune de ces manifestations provoque des surtensions qui exposent les installations électriques à un risque important de dysfonctionnement, de destruction de matériels, d’indisponibilité des outils de production, etc. Bref, malgré la qualité remarquable du système de protection actuel contre la foudre, lorsque Les données sont disponibles, les pertes dues à une agression foudre sont évaluées à des millions de Francs CFA. Il conviendra donc pour nous de décrire par la suite le phénomène de foudre, ensuite de parler de la protection foudre. II) Description du phénomène de foudre 1) La foudre Il s’agit d’une décharge disruptive entre un nuage et le sol ; c’est une manifestation électrique d'origine atmosphérique, comportant une décharge accompagnée d'une vive lumière (éclair) et d'une violente détonation (tonnerre). Des moyens radioélectriques permettent de localiser les chocs de foudre en temps réel. Par exemple le dispositif goniométrique LLP, utilisé par la société Météorage, travaille dans la gamme des ondes kilométriques. Le système Ecole Normale Supérieure d’Enseignement Technique Cours de Promotion Sociale Cours de Compatibilité Electromagnétique Thème Exposé : La Protection Foudre EE E x p o s é r é a l i s é p a r : T C H A M O U L é o n e l & M A K E M T A Y v e s SAFIR, plus récent, travaille par interférométrie en VHF. Hormis une meilleure précision, surtout en montagne, ce procédé permet de détecter les pré-décharges dans les nuages qui précèdent de 10 à 20min le premier coup au sol. On distingue deux grandes familles d'éclairs : • Les coups de foudre pour lesquels La décharge électrique s'effectue entre Le nuage et le sol ; • Les éclairs intra-nuageux (à l'intérieur du nuage) et inter nuageux (entre différents nuages). Des deux familles, Les coups de foudre sont beaucoup plus observés (de 60 à 70 % des décharges totales). Mais aussi, ils ont fait l'objet d'études les plus poussées. Ceci pour des raisons d'ordre pratique (cause de blessures, mort, incendies de forêts, et perturbations des systèmes électriques-électroniques de télécommunication et de transport) et aussi du fait qu'il est plus facile de mesurer Les caractéristiques optiques et électriques des décharges nuage-sol. Fig.1 Catégorie des coups de foudre 2) La formation d’un nuage orageux : le cumulo-nimbus C’est le nuage de la foudre. Il est généré par l’ascension d’un air humide et instable. Si le déclenchement des ascendances est provoqué par une cause locale, l’orage est dit « de convection ». S’il est provoqué par la rencontre d’un front chaud et d’un front froid, l’orage étendu est dit « de front ». Au cœur du nuage, des ascendances à plusieurs dizaines de mètres par seconde propulsent des particules en suspension appelées hydrométéores, de tailles Ecole Normale Supérieure d’Enseignement Technique Cours de Promotion Sociale Cours de Compatibilité Electromagnétique Thème Exposé : La Protection Foudre EE E x p o s é r é a l i s é p a r : T C H A M O U L é o n e l & M A K E M T A Y v e s variables (eau, glace, neige etc.). Le cumulo-nimbus se comporte comme une énorme machine électrostatique dont la partie basse se charge des particules lourdes négatives et la partie haute, jusqu’à 10 ou 12Km, des particules positives plus légères. On peut diviser Le nuage en trois parties : • La partie supérieure (ou enclume) constituée entièrement de glace et regroupant Les charges positives supérieures. • La partie centrale composée de glace et d'eau en surfusion et regroupant Les charges négatives principales. • La partie inférieure constituée de gouttes d'eau et/ou de neige et comportant des charges négatives et des petites poches de charges positives. Fig.2 Cumulo-nimbus Le phénomène atmosphérique de la foudre est dû à la décharge subite de l'énergie électrique accumulée à l'intérieur des nuages orageux. En cas d'orage, le nuage se charge très rapidement d'électricité. Il se comporte alors comme un condensateur géant avec le sol. Lorsque l'énergie emmagasinée devient suffisante, les premiers éclairs apparaissent à l'intérieur du nuage (phase de développement). Dans la demi-heure suivante, les éclairs se forment entre le nuage et le sol. Ce sont les coups de foudre. Ils s'accompagnent de pluies (phase de maturité) et de coups de tonnerre (dus à la brutale dilatation de l'air surchauffé par l'arc électrique). Progressivement, l'activité du nuage diminue tandis que le foudroiement s'intensiﬁe au sol. Il s'accompagne de fortes précipitations, de grêle et de rafales de vent violentes (phase d'effondrement) Ecole Normale Supérieure d’Enseignement Technique Cours de Promotion Sociale Cours de Compatibilité Electromagnétique Thème Exposé : La Protection Foudre EE E x p o s é r é a l i s é p a r : T C H A M O U L é o n e l & M A K E M T A Y v e s Fig.3 formation de la foudre Par beau temps, Le champ électrique au sol est de L'ordre de 100 V/m. A L'approche d'un nuage orageux, ce champ commence par s’inverser, puis croit dans de fortes proportions. Lorsqu’il atteint 10 à 20 kV/m, une décharge au sol est imminente. La foudre est le phénomène qui permet aux charges négatives, s’élevant lentement par beau temps de revenir brutalement sur terre. 3°) L’énergie de la foudre Est-il intéressant de capter L'énergie de La foudre ? C'est Là une question souvent posée. Mais avant de se poser cette question, il est judicieux de se poser une autre question : quelle est réellement L'énergie de La foudre ? Supposons que Le champ électrique atmosphérique sous nuage orageux est de L'ordre de 20 kV/m. Donc La différence de potentiel nuage-sol avoisine 100 MV (qui correspond à une altitude de 5 km). En moyenne, un éclair transporte une charge de 20 C. Un éclair dur en moyenne 25 ms si on ne tient compte que d'un coup unique sans ré-illuminations : • L'énergie de ce coup de foudre est donc : 100 MV ×20 C = 2 GJ ; • La puissance instantanée de ce coup de foudre = 2 GJ/25 ms= 80 GW. • IL y a environ 2.5 millions de coups de foudre par an au Cameroun. Ecole Normale Supérieure d’Enseignement Technique Cours de Promotion Sociale Cours de Compatibilité Electromagnétique Thème Exposé : La Protection Foudre EE E x p o s é r é a l i s é p a r : T C H A M O U L é o n e l & M A K E M T A Y v e s • L'énergie annuelle des coups de foudre = 5 000 TJ ; • Ramenée a une puissance moyenne (sur 365 jours), cela donne : (5 000.1012)/ (365x24x3600)= 158 MW. Cela correspond a La consommation d'environ 73 000 foyers. A titre de comparaison, Les puissances délivrées par La centrale hydraulique d'Edéa (263 MW), La centrale de SONGLOULOU (388 MW) et celle de LAGDO (72MW). Admettons que l'on veuille tout de même récupérer cette énergie. Pour cela, supposons que L'énergie des coups de foudre soit captée par des paratonnerres de type franklin. Une tige de 10 mètres de haut capte La foudre dans un rayon de L'ordre de sa hauteur, soit une aire de L'ordre de 300 m2. Sachant que La superficie du Cameroun est d'environ 475 442 km2 et que La densité moyenne des coups est de 5, il faudrait donc installer environ 2 milliards de tiges. On imagine L'esthétique d'un tel réseau! Si L'on souhaite poursuivre ce raisonnement, si chaque tige pèse 5 kg, il faudrait alors investir une masse de cuivre de 10 milliards de kg. Même à 500 FCFA le kg, cela représente un cout de matière première de 5 milles milliard de francs CFA ! De plus, on imagine Les difficultés techniques qu'il faudrait résoudre pour stocker une énergie aussi diffuse et aléatoire que uploads/Litterature/ expose-cem-la-protection-foudre-tchamou-et-makemta.pdf