CHAPITRE 4 La décharge électrique

CHAPITRE 4

La décharge électrique

1

A. Décharge électrique dans les gaza. Mécanismes de déchargeb. Tension disruptive, loi de Paschenc. Décharge luminescente, effet de couronned. Arc électrique

B. Claquage dans les liquides et les solides

C. Décharge électrique dans le « vide »

D. La foudre

EPFL – STI – SEL. Cours de haute tension , Master semestre 1

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A. Décharge dansles gaz

4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz


Définitions

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Une décharge électrique est un canal conducteur se formant, sous certaines conditions, entre deux électrodes, à travers un milieu normalement isolant.

Une décharge est dite non autonome lorsque l’émission des électrons doit être provoquée par apport d’énergie thermique (cathode chauffée) ou par irradiation. La décharge non autonome cesse en l’absence de l’agent ionisant extérieur.

La décharge est dite autonome lorsqu’elle se maintient sans agent ionisant extérieur.


Dans certaines configurations, il se peut que l’irradiation naturelle (par les rayons cosmiques ou les rayons UV) suffise à obtenir la décharge non autonome.

La décharge autonome est aussi appelée décharge indépendante.


Définitions

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La décharge luminescente est une décharge autonome dans laquelle la plupart des porteurs de charge sont des électrons produits par émission électronique secondaire.

L’émission électronique primaire consiste en une émission thermoélectronique, une photoémission ou une émission par effet de champ.

L’émission électronique secondaire consiste en une émission électronique due au bombardement de la surface émettrice par des ions.

L’arc électrique est une décharge à fort courant.


Pour que des électrons quittent la cathode, il faut qu’ils reçoivent suffisamment d’énergie pour franchir la barrière énergétique que constitue la frontière avec le milieu extérieur.


Mécanismes de décharge dans les gaz

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Divers phénomènes se produisent entre deux électrodes séparées par un intervalle de gaz et soumises à une différence de potentiel.

4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > a. Mécanisme de décharge


Décharge de collection simple

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Le courant augmente avec la tension puis se sature autourde la centaine de picoampères


Ce type de décharge est invisible.

Soit deux électrodes baignant dans un gaz et soumisesà une différence de potentiel Uo. En l’absence de pro-duction d’électrons, aucun courant ne circule. Mais si,par exemple, la cathode est chauffée ou si un rayonne-ment provoque une ionisation du gaz, alors un courant I commence à circuler, selon une loi du type : avec = 1, 5 ~ 2 (selon la pression du gaz)Le courant est limité par la quantité d’électrons produits par unité de temps.

oI (U )


Décharge avec multiplication

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e– + Z Z+ + 2 e–

Le mécanisme décrit ici est principalement valable dans les gaz comme l’azote ou le CO2 , qui ne sont pas trop fortement électronégatifs.L’énergie des électrons accélérés devient suffisante pour ioniser le gaz, d’où une multiplication d’électrons disponibles pour contribuer au courant d’anode.On a alors une avalanche exponentielle d’électrons.



Premier coefficient de Townsend

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dan oI I e

ln 2

sU (p d)


Capture électronique

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Dans les gaz fortement électronégatifs, comme l’hexafluorure de soufre (SF6), un électron peut être capturé par une molécule du gaz pour former un ion négatif stable :

e– + Z Z –

Dans ces conditions, les électrons disponibles pour produire l’avalanche sont un peu moins nombreux que dans le cas précédent, une certaine fraction d’entre eux étant capturée par les molécules du gaz.

est appelé coefficient d’attachement et le courant à l’anode est donné par la relation :

( )dan o eI I


Décharge avec émission secondaire

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L’émission secondaire est une émission d’électrons à la cathode, due au bombardement par les ions positifs.Pour une tension assez élevée, les ions formés au cours des collisions avec les électrons sont accélérés en direction de la cathode, avec une énergiesuffisante pour provoque l’émission d’une nouvel électron, dit électron secondaire.

Avec le processus d’émission secondaire, le courant à l’anode est donné par :

est le second coefficient de Townsend ; il dépend principalement de la nature du gaz et de l’état de surface des électrodes.

d

an o deI I

1 (e 1)


Décharge disruptive

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Lorsqu’on cherche à imposer une tension croissante, on aboutit à une décharge disruptive ou claquage diélectrique.En pratique, on observe une brusque aug-mentation du courant et une chute de la tension : l’impédance du milieu gazeux s’effondre.Ce phénomène crée un canal ionisé à traversle matériau et s’accompagne de divers effets lumineux, sonores, chimiques, etc.

4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > b. Tension disruptive, loi de Paschen

Dans les gaz ou les liquides, l’apparition d’une décharge disruptive est souvent appelée claquage ou amorçage.


La limite à laquelle le courant d’anode tend vers l’infini correspond à la rupture diélectrique du gaz (ou claquage).

Lors du claquage, la décharge devient fortement lumineuse et l’impédance du canal ionisé tombe subitement : le courant augmente fortement et la tension s’effondre.

Compte tenu de la relation donnant à partir de la théorie cinétique des gaz, on obtient la Loi de Paschen donnant la tension disruptive en fonction du produit de la pression p du gaz par l’écartement d des électrodes :

k, A et C : constantes dépendant dugaz et de la température.

d(p d)U k

ln A(p d) C

Loi de Paschen

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[20]


Courbes de Paschen

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Courbe de Paschen dans l’air

Courbe de Paschen dans le SF6

Source : CEI 60052



Statistique des claquages en choc

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Lorsqu’un choc de tension est appliquésur un intervalle d’air, on observe que :- Au-dessous d’une certaine valeur de crêtede tension, il n’y a pas de claquage.- Au dessus de ce seuil, la probabilité d’amorçage passe de 0% à 100% quandla tension s’accroît.On caractérise l’intervalle d’air par satension Ud,50 : valeur de crête de latension pour laquelle la probabilitéd’amorçage est de 50%.Cette valeur est déterminée parinterpolation, dans un diagrammegausso-arithmétique.



Décharge luminescente

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Dans un tube fluorescent (gaz à basse pression, entre 100 et 5000 Pa) ou dans les ampoules à gaz à haute pression (xénon, krypton, mercure, sodium : 105 – 106 Pa), le dépassement de la limite disruptive conduit à une décharge luminescente, caractérisée par :l’augmentation du courantl’augmentation de la surface émissivede la cathode (régime normal), puis…l’augmentation de la tension lorsquetoute la surface cathodique estdevenue émissive (régime anormal).

4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Décharge luminescente

Dans la décharge luminescente, la cathode reste froide.


Effet de couronne

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Définition : L’effet de couronne consiste en l’apparition d’aigrettes et d’effluves autour d’un conducteur porté à un potentiel élevé.

On appelle effluve, la décharge électrique faiblement lumineuse et ne produisant pas de bruit particulier. Les effluves correspondent à la fin de la zone deTownsend 2, proche du claquage.

On appelle aigrette la décharge électrique intermittente en forme de houppe mobile. Elle est généralement accompagnée d’un sifflement ou d’un crépitement. Les aigrettes constituent un état instable de la décharge, sous forme d’aller et retour entre la zone de Townsend 2 et la zone de claquage.

4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > c. Effet de couronne

L’effet de couronne peut être indésirable (par exemple autour des lignes à haute tension), ou au contraire mis à profit dans certaines applications : générateurs électrostatiques, traitement de surface, xérographie, production d’ozone, etc.


Effet de couronne sur ligne coaxiale

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Lorsqu’on applique une tension croissante à une ligne coaxiale de rayons R1 et R2 , la décharge disruptive survient à partir d’un seuil de tension, UC .Deux cas sont à distinguer :

R1 < R2/e Apparition d’une zone ionisée, de rayon croissant, autour du conducteur central ; puis amorçage d’une étincelle.

R1 > R2/e Amorçage d’une étincelle sans effet de couronne.

Correction de Peek

Edo : champ disruptif standard.K et m : facteurs de correction


[21]

2C do 1

1 1

0,03 R1U E K m R lnK R R


Lignes mono- et triphasées

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Pour une ligne monophasée, avec une distance D entre les conducteurs de rayon R, la valeur efficace de la tension d’apparition de l’effet de couronne est donnée par :

Pour une ligne triphasée symétrique dans laquelle les trois conducteurs sont disposés en triangle équilatéral, l’effet de couronne apparaît dès que les tensions simples atteignent la valeur :

C do0,03 D1U 2 E K m R lnK R R

C do0,03K m D1U E R lnK R R3


Effet de couronne dans les réseaux

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Les lignes électriques sont dimensionnées pour éviter l’effet de couronne. Celui-ci se produit toutefois dans différents cas:

- par temps pluvieux ou par brouillard. Les gouttes ou gouttelettes d’eau favorisent l’apparitions d’aigrettes autour des conducteurs ;


- lorsque les conducteurs ou les isolateurs de la ligne commencent à être pollués, comme cela finit forcément par arriver après un certain nombre d’années ;

- lorsqu’un conducteur ou un isolateur est devenu défectueux, à la suite d’une rupture mécanique localisée. Dans ce cas, les perturbations engendrées par l’effet de couronne peuvent servir à localiser le défaut.

Ce sont bien les gouttes qui produisent cet effet; l’humidité a normalement l’effet inverse, sauf quand elle produit de la condensation sur les conducteurs.


Pertes dues à l’effet de couronne

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Pour US 1,8 UC , les pertes de puissance active par phase, dues à l’effet de couronne, sont données par la formule de Peek :

P′ : perte de puissance active par unité de longueur [W/m = kW/km]f : fréquence du réseauUS : tensions simples


L’expérience montre cependant que les pertes varient fortement selon l’état de surface des conducteurs, qui lui-même dépend de facteurs climatiques, ainsi que du vieillissement des conducteurs.

9 2S C

[Hz]f 25 RP 2, 41 10 (U U )K D


Pertes dues à l’effet de couronne

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Les pertes dues à l’effet de couronne deviennent négligeables, par rapport aux pertes par effet Joule, pour les lignes de grandes longueurs.

US / UC 1 1,2 1,4 1,6 1,8

F 0,05 0,08 0,3 1 3,5

Pour US < 1,8 UC , les pertes de puissance active par phase, dues à l’effet de couronne, sont données par la formule de Peterson :

Le facteur F dépend du rapport US / UC :

16 2do S

22.25 10 E f U

P Fln D R


Perturbations électromagnétiques

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L’effet de couronne engendre un rayonnement électromagnétique

Exemples de variation du champ électrique perturbateur, tirés de la norme CISPR 18-1


Une différence de 20 dB est régulièrement observée entre les niveaux des champs électriques perturbateurs mesurés par temps sec et par temps pluvieux.


Perturbations acoustiques

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Les fréquences sonores émises par l’effet de couronne dans le réseau électrique sont principalement comprises entre 2 et 15 kHz.

Exemple de spectre sonore enregistré sur une installation moyenne tension.

Source : CIRED 19th International Conference on Electricity Distribution Vienna, 21-24 May 2007, Paper 0516.



Production d’ozone

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La production d’ozone autour des lignes à haute tension est généralement modérée.

Des mesures réalisées sous des lignes haute tension ont montré des concentration d’ozone de l’ordre de 0,004 ppm d’ozone par temps sec et jusqu’à 0,009 ppm par temps pluvieux.Source : Nadine May, Eco-balance of a Solar Electricity Transmission from North Africa to Europe (Thèse) Technical university of Braunschweig (2005).

Les seuils de toxicité de l’ozone, pour des effets réversibles (sensibilité bronchitique) correspondent à 0,1 ppm pendant 7 heures ou 0,35 ppm pendant 1 heure. Dose létale : 50 ppm pendant 30 minutes.Source : Centre canadien d’hygiène et de sécurité au travail.


La limite admise dans l’atmosphère (en Suisse) est de 120 g/m3,soit un peu moins de 1 ppm.


Utilisation de l’effet de couronne

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Production d’ozone•pour purifier : élimination des bactéries dans l’eau et dans l’air, oxydation des métaux lourds dans les rejets industriels.•pour blanchir : aliments, papier, textiles…

Production d’ions•pour (dé)charger : élimination des charges statiques, xérographie.•pour séparer : analyse chimique, élimination de poussière…•pour la santé : ioniseurs d’airs.

Générateur corona



L’arc électrique

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Définition : L’arc électrique est une décharge électrique autonome transportant un fort courant sous une faible différence de potentiel.

Caractéristique I – U d’un arc dans l’azote à 2,2 atm., entre des électrodes en cuivre distantes de 3 mm.

Source : Jose Gonzalez-Aguilar et al., A Theoretical Study of a Cutting Air Plasma Torch, IEEE Transactions on plasma science, vol. 27, no. 1, février 1999, p. 264.

4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > d. L’arc électrique

Avec l’arc, la cathode devient chaude.


27

Contrairement à la décharge luminescente :l’arc n’occupe qu’une zone très limitée sur la cathode et sur l’anode (spots anodique et cathodique)les électrodes sont chaudes et l’émission des électrons à la cathode est due en partie à l’effet thermoélectronique.l’émission par effet de champsjoue aussi un rôle - du fait dufort gradient de tension prèsdes électrodes – et devient prépondérante dans les applications où les électrodes sont refroidies.

1 . Charge d’espace ionique. 2. Zone cathodique.3. Colonne positive. 4. Zone anodique5. Charge d’espace électronique

Caractéristiques de l’arc4. La décharge électrique > A. Décharge électrique dans les gaz > d. L’arc électrique

Échelle de Jacob: [Clip-1]


Stabilité de l’arc

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Dans un circuit électrique simple, l’arc a deux points d’équilibre, un stable et l’autre instable.

Le point A est un point de fonctionnement instable, alors que B est stable.


[22]


Stabilisation de l’arc

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Stabilisation par rotationPar le mouvement de rotation, le gaz froid (lourd) est rejeté vers la périphérie, tandis que le plasma (beaucoup plus léger) se trouve confiné au centre.Application : recherche

Stabilisation par colonneL’arc est confiné dans un cylindre dont les parois peuvent être refroidies à l’eau. Application : lampe à arc (cylindre de confinement est en quartz).

Stabilisation par vortexL’arc est stabilisé par injec-tion tangentielle d’eau. Application : arcs de grande longueur (découpe, vitrification, traitement des déchets).



Déstabilisation de l’arc

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On cherche à déstabiliser l’arc :

- dans les systèmes où l’arc est utiliséindirectement, pour produire destensions transitoires, par exemple,afin de limiter l’érosion des électrodes ;

- dans les systèmes de coupure, pourassurer l’extinction.


Quelques photos de décharges [23]


31

B. Décharge dans lesliquides et les solides

4. La décharge électrique > B. Décharge électrique dans les liquides et les solides


Claquage dans les liquides

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Le courant qui s’établit dans un liquide isolant, en fonction de la tension (ou du champ E) passe schématiquement par 3 étapes, avant le claquage.


Le courant ohmique qui s’établit à faible champ est essentiellement tributaire des impuretés présentesdans le liquide.

Il n’existe pas de « Loi de Paschen » dans les liquides.

[24]


Claquage dans les solides

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Divers processus peuvent conduire au claquage dans un solide.

Le claquage thermique dû à l’élévation de la température par effet Joule (à basse fréquence) ou par résonance avec la polarisation par orientation (autour du MHz).

Le claquage électromécanique dû aux forces de compression provoquée par le champ électrique.

Le claquage par streamer dû au déclenchement d’une avalanche électronique.

Le claquage par érosion dû essentiellement à l’effet des décharges partielles sur le long terme.


Dans les isolants solides, la décharge disruptive est appelée :perforation, lorsqu’elle traverse le matériau en y produisant souvent des dégâts irréversibles.contournement, lorsque l’arc ne traverse pas l’isolant mais suit sa surface externe ou un chemin extérieur.

[25]


34

C. Décharge dansle « vide »

4. La décharge électrique > C. Décharge électrique dans le vide


Haute tension sous « vide »

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Des intervalles « vides » soumis à des hautes tensions sont utilisés dans différents domaines :


Les dispositifs de coupure sous vide :sont conçus pour supporter des arcs ;travaillent principalement en AC.

Dans les autres applications :la rupture diélectrique de l’intervalle est un accident destructeur ;Les tensions utiles sont continues ou impulsionnelles.


Claquage dans le « vide »

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La tension de claquage d’un intervalle « vide » dépend de nombreux facteurs :Le type et de la pression des gaz résiduels, les matériaux et l’état de surface des électrodes, leur température et les impuretés qui s’y trouvent, la nature des matériaux formant l’enceinte à vide, etc.

Dans le vide, l’émission par effet de champ joue un rôle étonnamment important.Selon l’équation de Fowler-Nordheim, la densité de courant J émise à la surface de l’électrode vaut, en fonction du champ électrique E et de l’énergie d’extraction des électrons Wél :

avec : A = 1,5410-6 ; B = 6,83109

Une évaluation numérique montre que le champ à la surface des électrodes devrait être au moins 100 fois supérieur au champ homogène, ce qui n’est pas complètement élucidé.

1,52él

él

WEJ A exp BW E


Claquage dans le « vide »

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Les tests de rigidité diélectrique d’un intervalle « vide » ne sont généralement pas reproductibles.

Chaque claquage modifie la composition du gaz et l’état de surface des électrodes. Importance du conditionne-ment, avant la mise en service.

Source : Cahier technique n°198 du groupe Schneider Electric :

La coupure du courant électrique dans le vide


Dispositifs de coupure

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Lors de l’ouverture d’un disjoncteur, des ponts métalliques sont vaporisés.Tant que le disjoncteur est fermé, les électrodes sont écrasées l’une contre l’autre. Dans les premiers instants de la séparation des électrodes, la pression qui les maintenait ensemble diminue, la séparation ne s’effectue pas instantanément sur toute la surface: il reste des ponts métalliques dans lesquels se concentre le courant qui, de ce fait, les chauffe puis les vaporise.


Disjoncteur en train de s’ouvrirDisjoncteur fermé


Autres applications

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Caractéristiques tension – courant d’un intervalle « vide ».Dans les applications où l’on veut éviter le claquage diélectrique, l’enregistrement des prédécharges peut servir de signal d’alarme.


Apparition de prédécharges dans un intervalle « vide », en DC.Pression résiduelle :A : 10-7 PaB : 10-4 Pa

Source : Rod Latham, The operational characteristics of practical HV gaps, dans : High Voltage vaccum insulation, Academic Press (1995), p. 25.


40

D. La foudre

4. La décharge électrique > D. La foudre


La foudre

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Les cumulonimbusCes énormes nuages se chargent en général positivement en haut.Les éclairs peuvent être du type nuage-sol, intranuage ou internuages.On parle de coup de foudre positif lorsque c’est la partie positive du nuage qui se décharge. Les coups de foudre négatifs sont beaucoup plus fréquent sous nos latitudes (environ 80-90%).


Source : Claude Gary, Les propriétés diélectriques de l’air et les très hautes tensions, Eyrolles (1984) p.107

Profil de champ électrique au niveaudu sol, sous un cumulonimbus


Éclairs ascendants et descendants

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Coup de foudre ascendant

Un traceur part d’une aspérité en direction du nuage en se ramifiant. Chaque fois qu’une ramification atteint le nuage, un arc en retour se produit. Tous les arcs en retour visible sur la photo sont en réalité légèrement décalés dans les temps.

Source : Site web The Bad Pets Lists

Coup de foudre descendant

Les coups de foudre descendants sont plus fréquents sur sol plat. Le traceur part du nuage et se propage par bonds.

Source : Site web de Northern Arizona Wind & Sun



Le courant de la foudre

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Source : Davide Pavanello, Electromagnetic Radiation from Lightning Return Strokes to Tall Structures, thèse de doctorat de l’école polytechnique fédérale de Lausanne, n° 3713 (2007) p. 94.


La protection des bâtiments et des lignes électriques, contre les chocs de foudre directs, est obtenue à l’aide d’un conducteur de protection.

Le paratonnerreLes bâtiments sont protégés d’un choc de foudre direct par un paratonnerre dont on peut évaluer l’efficacité en le modélisant par une tige conductrice verticale, reliée à la terre à son extrémité inférieure.

Le câble de gardeLes lignes aériennes du réseau électrique sont protégées d’un choc direct par un ou plusieurs conducteurs , placé(s) parallèlement aux conducteurs de phase et au-dessus d’eux. Il est relié à la terre par l’intermédiaire de chaque pylône.

Protection contre la foudre

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Un modèle relativement simple, applicable aux chocs de foudre descendants négatifs, est largement utilisé pour évaluer l’efficacité des conducteurs de protection contre la foudre.

Le modèle électrogéométrique

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Le modèle est fondé sur l’existence d’une relation donnant la distance d’amorçage d en fonction du courant de foudre I :

Par définition, l’éclair éclate sur unobjet mis à la terre, dès que le traceurpar bond arrive à une distance de cetobjet inférieure à d.

[kA]I /6,8[m] [kA]d 2 I 30 1 e


Pour une distance d donnée, une tige verticale est entourée d’une zone dans laquelle un traceur sera capté par la pointe de la tige.

Surface de capture : surface S du plus grand cercle appartenant à la zone de

capture, soit : si d < Hsi d > H

Zone de capture d’une tige verticale

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2S d2limS x


La surface de capture est d’autant plus faible que le courant de foudre est plus faible.

Zone de capture d’une tige de 30 m

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C’est un fait souvent vérifié dans la pratique, que les éclairsles plus faibles sont les moins bien captés par les paratonnerres.

Éclair de faible intensité.Le point P est à l’extérieur de la zone de capture

Éclair de forte intensité.Le point P est à l’intérieur de la zone de capture

Courant de foudre [kA] 7 10 30 50 80 100

Zone de capture [m] 33 41 67 83 102 114


1. Dans une ligne à haute tension, il faut considérer le conducteur le plus exposé (en rouge sur les figures ci-dessous).

Protection d’une ligne

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2. Évaluation du courant critique : valeur de courant au-dessus de laquelle un court-circuit se produit entre phases ou entre une phase et la terre.

Protection d’une ligne

49


Courant de foudre inférieur au courant critique : amorçage sur une protection

Courant de foudre supérieur au courant critique : court-circuit sur un isolateur


3. À un courant critique donné correspond une distance d’amorçage critique dc . Ceci permet de construire un arc de cercle sur lequel devrait se trouver le conducteur de garde, de manière à assurer la protection du conducteur de phase le plus exposé.

Impact sur conducteur horizontal

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La croix bleue indique une position possible du conducteur de garde, soit sur l’axe du pylône (cas de gauche), soit en dehors de l’axe (cas de droite), selon les caractéristiques de l’installation.En effet, on voit sur la figure de gauche que tous les points de la zone III sont au-dessus de la bissectrice de l’angle AMB, qui est aussi la médiatrice du segment AB. Ils sont donc plus proches de B que de A.

[26]


Protection des bâtiments

51


Densité de foudroiement [coup / an / km2]

Surface de capture [ km2 ]=

Probabilité de foudroiement [coup / an ]

1.

La surface de capture se compose de : - l’emprise au sol - une bande de largeur = 2 la hauteur

Surface de capture : 0,0035 km2

Densité de foudroiement : 3Probabilité de foudroiement : 0,0105 coup / an

1 coup tous les 95 ans


Densité de foudroiement

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Source : Site web National Weather Service


Protection des bâtiments

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Niveau de protection :I 99.5 % (dépôts de carburant, de munition; centres de calculs)II 95 % (salles de spectacle, hôtels, hôpitaux, églises, musées)III 85 % (grands bâtiments: immeubles, fermes ; cabanes)IV 70 % (non soumis à l’obligation de protection en Suisse)

2.

1 coup tous les 95 ansNiveau III

1 coup tous les 633 ans}a. Système Franklin : protection par des pointes hauteur des pointes

b. Système Faraday : protection par des mailles taille des mailles

3.


3a. Protection « Franklin »

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Dimensionnement par

la méthode de l’angle

de protection

Angles de protection en fonction de la hauteur au-dessus du plan de référence et du degré de protection


3a. Protection « Franklin »

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Dimensionnement par

la méthode de la

sphère fictive

NiveauIIIIIIIV

Rayon R [m]20304560


3b. Protection « Faraday »

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NiveauIIIIIIIV

Mailles [m]5 x 5

10 x 1015 x 1520 x 20


Distribution des courants

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Les éclairs ayant les courants les plus faibles ne seront pas captés.

Niveau de protection souhaité

Courant de foudre

minimal

Distance de capture

minimale

Rayon dela sphère

fictive


Sacrée foudre !

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CHAPITRE 4 La décharge électrique