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Rubrique : Protection contre la foudre

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protection contre la foudre (...) Protection contre la foudre

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Protection contre la foudreVersion imprimable de cet article Version imprimable

Publié 10 janvier, (màj 9 janvier) par : yvesD   

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Mots-clés secondaires: sécurité , électricité

Protection contre la foudre


Commentaires d’Ewen Thomson sur l’article de Nigel Calder

Cet article est une traduction des commentaires du 30 janvier 2004 que porte Ewen Thomson à propos d’un article paru dans ProBoat.
Texte originel : http://www.marinelightning.com/Info...

L’article de Nigel Calder sur la protection contre la foudre (PBB, décembre 2003, pages 26 à 43) donne une excellente présentation de l’état de cette problématique. Ses dernières remarques, « aucune mesure pratique ne peut garantir la protection des équipements électroniques sensibles », sont particulièrement importantes à la lumière des innovations récentes sur la conception du moteur en utilisant des dispositifs électroniques. Par exemple, les moteurs diesel mécaniques sont beaucoup plus immunisés contre dégâts de foudre que les moteurs à essence à allumage CDI. Cependant, selon l’article de Sven Donaldson dans le même numéro, « tourner la page de la technologie diesel », « les jours du diesel marin entièrement mécanique sont probablement comptés" et les nouveaux modèles seront remplis d’électronique. Cela augmente le risque de panne moteur catastrophique en plein océan même après un coup de foudre proche.

Bien que l’article sur la protection contre la foudre souligne correctement le besoin de mise à la terre, le traitement par l’auteur des aspects techniques de la conception et de la fonction des plaques de mise à la terre méritent d’être approfondis. Considérez la déclaration « La recherche suggère qu’un coup de foudre est dissipée principalement par les arêtes d’une plaque de sol, donc une longue bande de métal (disons 2,5 cm sur 3,6 m) peut être jusqu’à six fois plus efficace pour dissiper un impact qu’une plaque métallique carrée de même surface ». Ceci semble être dérivé de la norme ABYC E4, section E-4.9.1.2. NOTE 2 « Une bande d’environ 1 pouce de large et 12 pieds de long a près de six fois plus d’arêtes exposés à l’eau, ce qui, comparés aux plaques de terre, améliorera la dissipation des charges ». La norme ABYC, à son tour, peut-être une interprétation de mon article de 1991 (« Critical Assessment of US Code for Lightning Protection », IEEE TRANS. EMC, vol. 33, pp.132-138, 1991) où les avantages d’une bande longue et étroite comparativement à une plaque de 10 dm2 [un pied carré] sont discutés. Plus précisément, la résistance d’une bande de 10 m x 9 mm (c’est-à-dire 10 dm2, un pied carré en bande de 9 mètres de long) est estimée à 27 ohms, comparativement à 72 ohms pour une plaque carrée de même surface. Par conséquent, pour l’eau douce « La tension maximale (pour la bande longue de 10 m) pour un courant de 30 kA est 810kV, ce qui représente … un tiers de celui d’une plaque de masse unique avec mise à la terre dynamique. Bien que ce soit encore suffisamment haut pour déclencher des arcs latéraux dans l’eau, en plaçant un conducteur le long de la ligne médiane, nous établissons un équipotentiel qui empêche la formation d’arcs latéraux émanant de conducteurs situé directement au-dessus de la ligne médiane. Ce qui comprend à la fois l’étai et le pataras, qui sont des conducteurs très susceptibles de déclencher des arcs latéraux lorsqu’une seule plaque de masse est utilisée ». Le terme « mise à la terre dynamique » désigne le phénomène bien connu par lequel des arcs se forment à partir des électrodes de mise à la terre (telles que les plaques de masse ou plaques de terre), pour augmenter la surface effective de l’électrode. Ainsi la « résistance dynamique » obtenue est inférieure à la résistance conventionnelle. Bien que cela ne soit pas cité dans l’article de l’IEEE, une bande de 3,6 m a une résistance dynamique d’environ 35 ohms, la moitié de la résistance dynamique de la plaque carrée (et non pas le sixième). Cette modeste amélioration de la résistance de mise à la terre entraîne une réduction de moitié de la tension du système de protection contre la foudre, mais celle-ci reste suffisante pour provoquer des arcs latéraux. Il est plus important, et ceci manque dans les interprétations ultérieures, que la longue bande devrait s’étendre sur toute la longueur du bateau pour géner les arcs latéraux d’émaner de tout conducteur situés directement au-dessus de la bande, surtout l’étai et le pataras. La même idée peut être étendue aux étais, mais qui va placer une bande de terre (bande de masse) de cadène en cadène avec des arêtes bien exposés pour maximiser la traînée ?

L’existence d’arcs sous-marins est mise en évidence par les motifs de formation d’arc gravés dans la peinture sous-marine ou imprimés sous forme de traces de carbone sur la coque après des coups de foudre. Leur longueur varie de quelques pouces (5 à 10 cm) à quelques pieds (0,5 à 2m), en fonction de leur espacement. Les étincelles sont plus susceptibles de se former à partir des arêtes et des coins, mais ont également été observés sur les surfaces planes des quilles métalliques et des conducteurs plastifiés tels que les mèches de safran et les lests de plomb recouverts de fibre de verre. Toutes les photographies ci-dessous ont été prises par Greg Davis de la société Davis and Company Ltd. Ce bateau avait une peinture sous-marine au cuivre et a été foudroyé dans un lac d’eau douce. La première photo montre à la fois les traînées de carbone et les gravures dans la peinture sous-marine au cuivre à proximité d’une mèche de safran plastifiée. Il n’y avait que deux points de sorties de ce côté du safran et l’étendue des étincelles dans la configuration la plus grande faisait environ 60 cm de large.

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traînées-carbone/motifs gravés
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quille, motifs des arcs
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détail d’une structure dendritique

Cependant, il a également été prouvé que de nombreux autres arcs se sont formés à partir du lest de quille, de passe-coques, de l’arbre d’hélice et d’un capteur. Les motifs d’arc sur la quille de plomb y étaient beaucoup plus petits, typiquement plusieurs cm à quelques dm, et plus espacés comme on peut le voir sur la photo suivante. La limite extérieure de chaque motif d’arc a été entourée d’une ellipse.|Les motifs présentent la structure dendritique typique de la nature ramifiée des étincelles, comme indiqué dans la photo agrandie ci-dessus. Elle montre bien l’importance des étincelles au cours du processus de mise à la terre lors de ce foudroiement
Les photographies ci-dessus montrent que la formation d’arcs est un processus intégral lors de la mise à la terre de la foudre, c’est-à-dire lorsque les courants s’écoulent depuis les conducteurs de mise à la terre vers l’eau. Un aperçu des mécanismes impliqués peut être obtenu en appliquant des principes élémentaires de physique à la partie mise à la terre dans un système de protection contre la foudre. Le problème général de la mise à la terre est de dissiper la charge de foudre, qui s’accumule sur tous les conducteurs du système dès que le courant commence à s’écouler à partir du paratonnerre en haut du système. La charge à l’origine de ce courant provient de l’eau ou est fournie par une charge de polarité opposée qui se répartie sur toutes les surfaces de tous les conducteurs du système de protection. En fait, même quand le courant provient de l’eau, par exemple à travers une plaque de mise à la terre, la charge s’accumule toujours sur les parties conductrices du système. Les charges apparaissent également sur les conducteurs non mis à la terre. Les plus grandes densités de charge se forment près de l’eau et sur les portions de tout conducteur dont le rayon de courbure est petit. Ce qui détermine si un une étincelle se forme est l’intensité du champ électrique, lequel est proportionnel à la densité de charge en surface. Plus précisément, une étincelle se forme et continue à se propager si l’intensité du champ électrique à son extrémité dépasse la valeur critique nécessaire de la tension d’amorçage électrique Pour les conducteurs en contact avec l’eau, tels que les plaques de mise à la terre, cela signifie que les plus grandes densités de charge de surface apparaissent aux angles et aux arêtes, qui sont donc les endroits où l’amorçage d’une étincelle est la plus probable. Une fois amorcé, le système d’étincelles tend à se ramifier de manière intensive, avec chaque branche qui se propage dans toute les directions radiales de sorte qu’une région conductrice hémisphérique (ou équipotentielle) se forme et soit centrée autour du point d’amorçage. C’est-à-dire que ces étincelles très ramifiées remplissent efficacement la région d’un plasma hautement conducteur.

Au fur et à mesure que cette région s’étend, la surface effective de la surface de mise à la terre - la surface extérieure de l’hémisphère équipotentielle - augmente de sorte que la densité de charge et le champ électrique à la surface décroissent simultanément, tombant finalement en dessous de la valeur critique. À ce stade, les étincelles cessent de se former, laissant derrière elles un volume équipotentiel hémisphérique de rayon r0. Toute partie du conducteur à l’intérieur de ce rayon r0 est à peu près au même potentiel que le point d’amorçage, de sorte qu’aucun champ électrique, et donc aucune amorce d’étincelle, n’est possible. Lorsque des étincelles démarrent simultanément de deux points, les deux régions équipotentielles se combinent mais la taille globale de la région équipotentielle ne différera pas beaucoup de l’hémisphère d’un seul point d’amorçage quand les points sont beaucoup plus rapprochés que r0. À cet égard, pour une bande conductrice mince à deux arêtes, la deuxième arête n’ajoute pas beaucoup, et peut-être rien, à la région équipotentielle associée au système d’étincelles de la première arête. Ainsi, bien qu’un long conducteur mince donne une masse dynamique inférieure à celle d’une plaque carrée, nous ne pouvons pas en conclure que plus il y a d’arêtes mieux c’est, parce que toute arête à l’intérieur de la région à étincelles d’une autre arête ou point (une région équipotentielle) est peu susceptible de produire des étincelles supplémentaires.

Bien que l’évidence scientifique soit fortement en faveur de la nécessité de la mise à la terre, le faire efficacement reste indéniablement un travail en cours. Comme expliqué ci-dessus, le facteur critique pour la formation d’arcs à partir d’un conducteur est que le champ électrique à une position particulière dépasse celui nécessaire à la tension d’amorçage, ce qui est fonction non seulement de l’acérité du conducteur à cet endroit, mais également de la répartition de la charge sur le reste du conducteur et sur tous les autres conducteurs, y compris les réseaux d’étincelles préalablement établis lors de mise dynamique à la terre. Ceci inclut également les parties conductrices, mises à la terre ou non, qui ne sont pas conçus pour faire partie du système de mise à la terre. Pour éviter les arcs latéraux émanant de ces parties, la répartition des électrodes est plus importante que leur surface individuelle. En fait, tant que des arcs peuvent être déclenchés, la surface réelle de l’électrode fait peu de différence si sa taille est bien inférieure à la longueur des arcs. Pour compliquer les choses, la longueur des étincelles semble étroitement liée à leur nombre. Cela soulève la possibilité fascinante qu’une très petite zone puisse servir de terrain approprié et qu’un réseau de ceux-ci répartis sur la coque puisse offrir la même protection que plusieurs plaques de mise à la terre pour réduire le risque d’arc latéral. De plus, si le critère principal est que l’électrode amorce un arc, elle n’a même pas besoin d’être immergée. En fait, un mode habituel de décharge sur des bateaux pas ou insuffisamment protégés se fait par des arcs latéraux à travers la coque, au niveau et fréquemment au-dessus de la ligne de flottaison. En utilisant ces concepts, nous développons actuellement une électrode favorisant l’arc (le « Siedarc ™ », brevet en instance), qui peut être monté solidement par un seul trou dans la coque au-dessus ou au-dessous de la ligne de flottaison, peut être lissés dans la coque, est isolée en courant continu pour empêcher la corrosion galvanique, et évite la connexion à angle droit indésirable et inévitable pour une plaque ou une bande de terre. Bien que ces électrodes favorisant le développement d’arcs offrent de nouvelles possibilités de mise à la terre, l’approche pragmatique consiste à les utiliser en combinaison avec, plutôt qu’en remplacement, des plaques de terre plus standards. L’approche la plus évidente consiste à utiliser les conducteurs immergés existants tels que les quilles en métal, les arbres d’hélice, leurs berceaux et les mèches de safran en tant que plaque de terre immergées, puis d’ajouter d’autres électrodes de mise à la terre là où elles sont nécessaires pour prévenir les arcs latéraux. Les passe-coques métalliques en bon état sont de bons candidats, mais les raccords fragilisés par la corrosion devrait être évité et il y a d’autres raisons - telle l’électrolyse dans les marinas présentant des courants de fuites électriques - qui déconseillent de les relier ensemble dans le système de mise à la terre. Le matériel existant qui devrait être utilisé et l’emplacement d’électrodes supplémentaires seront décidés en utilisant l’art autant que la science jusqu’à ce que quelques-uns de ces systèmes de nouvelle génération puissent être soumis au test ultime par le feu de Zeus.

Ewen Thomson, Ph.D. Marine Lightning Protection Inc., Gainesville, Florida

Notes de traduction

[arc latéral pour sideflash, arc secondaire]
[paratonnerre ou tige ou antenne de paratonnerre, air terminal]
[plaque de mise à la terre pour grounding plate]
[électrode pour plaque de mise à la terre, surtout auxiliaire]
[grounding electrode, selon NFPA : une borne de mise à la terre, conducteur que le courant traverse à l’interface entre le système de protection contre la foudre et l’eau en tant que support de mise à la terre]
[système d’étincelles pour spark system]

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