Généralités sur la foudre

Le coup de foudre est une décharge électrique se produisant dans un grand intervalle d’air dont les électrodes sont d’une part un nuage orageux chargé et d’autre part la terre.

La foudre reste scientifiquement assez mal connue car étant brève et imprévisible, son étude en laboratoire est donc difficile. Dans les grands laboratoires, on provoque le coup de foudre par le lancement d’une fusée, reliée par un fil à la terre.

L’impact de la foudre sur une installation est équivalent à un générateur de courant très fort (10 à 100 kA et plus). Il produit une surtension considérable.

L’origine de surtensions de la foudre

La foudre sur les lignes aériennes : En tombant sur la ligne, la foudre crée une onde de courant de plusieurs milliers d’ampères qui provoque une surtension sur les appareils raccordés à la ligne.

La foudre sur la terre : En tombant sur le sol, la foudre provoque une remontée de potentiel électrique de la terre qui entraine des surtensions dans les câbles souterrains et les prises de terre.

La foudre par rayonnement : Le champ électromagnétique crée par la foudre «plusieurs milliers de Volts par mètre à plus d’un kilomètre de son point d’impact » crée des surtensions sur les équipements électriques qui sont à plusieurs kilomètres autour du point de chute .

Les phénomènes précurseurs

Formation du nuage

Le nuage orageux est généralement du type Cumulo-nimbus (forme d’enclume, à base de couleur sombre). Il constitue une gigantesque machine thermique dont la base est à 2 km et le sommet à 14 km d’altitude environ. Sa constitution est rendue possible par l’élévation d’air chaud en provenance du sol. Lors de son ascension, cette masse d’air se charge d’humidité jusqu’à devenir un nuage. La partie supérieure où il fait plus froid est occupée par les particules de glace, tandis que les gouttes d’eau s’établissent dans la partie inférieure. Ces dernières se chargent négativement tandis que les particules de glace prennent une charge positive .

Formation des charges

Les violents courants d’air ascendants provoquent des collisions entre les gouttes d’eau et les microparticules de glace, ce qui provoque la création des charges électriques par frottement .

Répartition des charges

Les microparticules de glace plus légères et chargées positivement, sont emportées par le courant d’air ascendant vers le haut, occupent la partie supérieure du nuage et forment le pôle positif. Tandis que les gouttes d’eau chargées négativement s’établissent dans la partie inférieure et créent le pôle négatif. Une petite quantité de charges positives demeurent à la base du nuage.

Les caractéristiques électriques de la foudre

Types de coup de foudre

La première phase d’un coup de foudre est toujours une pré-décharge peu lumineuse, ou traceur, qui progresse à travers l’air avec une vitesse relativement faible. Cette prédécharge à son origine, soit dans le nuage et elle progresse alors en direction du sol, soit au niveau du sol, et progresse vers le nuage.

On classe donc tout d’abord les coups de foudre selon le sens de développement du traceur (ou leader):
-Les coups de foudre descendants (développement du traceur à partir du nuage).
-Les coups de foudre ascendants (développement du traceur à partir du sol).

En pays plat, le coup de foudre normal, de loin le plus fréquent, est descendant. Pour qu’un coup ascendant puisse se développer, la présence d’une proéminence importante, telle que une tour élevée est nécessaire ; c’est aussi la raison pour laquelle le coup ascendant se produit plus fréquemment en montagne. En second lieu, on classe les coups de foudre selon le sens d’écoulement du courant principal. Conventionnellement, on définira [3] :

Le coup de foudre positif:
Le bas du nuage est chargé positivement. Une seule décharge apparaît durant de 0,1 à 0,2 s. La durée d’attaque varie entre 20 µs et 50 µs et l’amplitude du courant des coups positifs est généralement supérieure à celle des coups de foudre négatifs[5].

Le coup de foudre négatif :
Le bas du nuage est chargé négativement. Les décharges sont multiples et variées : à une première décharge partielle de durée de front de 10 à 15 µs succèdent des décharges d’attaque plus raides et de descentes plus douces [5].

Coup de foudre descendant :
Caractérisé par son arborescence ouverte vers le bas, c’est le plus fréquent. Il comporte une phase initiale où une pré-décharge se propage par bonds successifs du nuage vers le sol (traceur). A l’extrémité de ce traceur, le champ électrique est extrêmement élevé, ce qui augmente localement le champ au sol. Dès que la pointe du traceur approche du sol, des pré-décharges ascendantes vont se développer à partir du sol. Lorsque ces deux canaux se rejoignent, un pont conducteur entre nuage et sol s’établit et permet ainsi le passage d’un courant de forte intensité [5].

Coup de foudre ascendant :
Il est caractérisé par une arborescence ouverte vers le haut. Dans le cas de pylônes de grande hauteur ou de tours, l’effet couronne peut créer une décharge, partant du sol qui va se développer suffisamment loin pour atteindre le nuage. Dés qu’un canal conducteur est crée, les charges accumulées dans le nuage vont bien s’écouler au  sol. Le coup de foudre ascendant est très fréquent en zone de montage [5].