Le réseau électrique est l’ensemble de l’infrastructure de transport de l’électricité de la production vers l’utilisation. L'essentiel du réseau est en courant alternatif en 50 Hz (Europe) ou 60 hz (Amérique du Nord). D'autres fréquences peuvent être utilisées pour des réseaux particuliers. La production actuelle de l’électricité est basée sur des centrales nucléaires, thermiques (gaz, charbon, pétrole), éolienne, énergie solaire ou hydroélectrique (barrages).

La protection des réseaux électriques désigne l'ensemble des appareils de surveillance et de protection assurant la stabilité d'un réseau électrique. Cette protection est nécessaire pour éviter la destruction accidentelle d'équipements coûteux et pour assurer une alimentation électrique ininterrompue.

L'électricité et l'homme moderne sont inséparables
Elle est tour à tour

• lumière dans les systèmes d'éclairage et d'affichage,

• force pour actionner les machines, les robots et les véhicules électriques,

• chaleur pour le chauffage et la cuisson,

• vecteur d'énergie pour les appareils électriques de tous les jours

Devenir ingénieur(e) en énergie électrique, c'est maîtriser ce vecteur d'énergie et participer au développement de ses applications.

Installation type:

Prises de terre:

La prise de terre est un élément important d'une installation électrique, elle assure la liaison avec la masse du sol naturel par les conducteurs de protection (vert-jaune) vers les carcasses des appareils métalliques fonctionnant à l'électricité. Elle permet d'écouler les courants de fuites (Masse). La mise à la masse d'un appareil électrique est le contact d'un conducteur ou un élément constituant l'installation d'un appareil électrique en contact avec un élément relié à la prise de terre.

• Les cadres de porte métalliques

• Les canalisations d'eau

• Les canalisations de chauffage et gaz

• Les bondes métalliques des baignoires et des bacs à douches

• Les charpentes métalliques

• Le chauffe-eau

• La chaudière

• Les convecteurs de chauffage qui ne sont pas à double isolement

• Les parties métalliques en général...

• disjoncteur abonné 15/45 A = 10 mm²

• disjoncteur abonné 30/60 A = 16 mm²

• disjoncteur abonné 60/90 A = 25 mm²

Constitution d'une prise de terre

Calcul approximatif de la valeur d’une prise de terre réalisée horizontalement avec un petit câblette de 25 mm² :

R = 2φ / L

• Terrain arable (cultivable), humide, remblai = 50 Ω / M

• Terrain arable maigre, remblai grossier, gravier = 500 Ω / M

• Terrain sableux, caillouteux, roches imperméables = 3000 Ω / M
   

Quelques applications:

La foudre: Un danger contre tous

Lorsque de l'air anormalement froid recouvre de l'air anormalement chaud, les conditions sont favorables au déclenchement des orages. De violents courants d'air verticaux entraînent l'humidité, les fragments de glace, les grêlons et les gouttelettes d'eau à l'intérieur du nuage.

L'on ne connaît pas encore exactement les mécanismes à l'origine de la tension qui se forme dans les nuages d'orage. Cela tient au fait que la physique des éclairs et des orages englobe 15 ordres de grandeur différents. A l'une des extrémités de l'échelle se trouvent les phénomènes nucléaires qui déclenchent le processus d'électrisation des nuages, des «jeux» de particules de l'ordre du millionième de millimètre; à l'autre, les courants ascendants et descendants provoqués par les cumulonimbus en pleine maturité, qui complètent la charge électrique et s'étendent sur des dizaines, voire des centaines de kilomètres.

L'éclair

Son déclenchement

Deux charges électriques opposées sont fortement attirées l'une vers l'autre. Au bout d'un moment, la couche d'air intermédiaire, isolante, ne peut plus empêcher les charges de se rejoindre, et une décharge électrique a lieu (ionisation). Les charges négatives dans la partie basse du nuage se déplacent vers les charges positives de la terre selon un parcours aléatoire en zigzag (invisible) appelé traceur par bonds ou amorce échelonnée (Le traceur par bonds met un centième de seconde pour arriver au sol et se déplace à environ 200 km/s).

Par bonds successifs, l'éclair pilote, sorte de boyau rempli d'électrons, descend en direction de la terre en suivant la plus forte intensité de charge. Quand il atteint les derniers décamètres qui le séparent de la Terre, une décharge (autre boyau similaire) partant d'un point du sol monte à sa rencontre. Lorsque la liaison s'établit entre les deux boyaux se produit ce qu'on appelle la décharge principale, un courant circulant du sol vers le ciel tantôt suivi de plusieurs post-décharges.

Cette charge positive se propage extrêmement vite. Tout cela se répète rapidement dans le même coup de foudre, ce qui donne à l'éclair son apparence vacillante. Le processus continue jusqu'à ce que toutes les charges se soient dissipées.

La plupart des coups foudre qui ont lieu se produisent entre nuages. Toutefois, s'il y a assez de charges dans l'air, la décharge s'effectuera entre un nuage et le sol. Seul un coup de foudre sur quatre frappe le sol. 90% des éclairs nuage/Terre s'allument dans la couche chargée négativement. Si celle-ci est chassée par le vent, des éclairs nuage/Terre peuvent également s'échapper de la zone supérieure, qui est de charge positive. Mais des éclairs peuvent aussi se précipiter vers un nuage en partant de points élevés d'un relief. L'intensité du courant augmente à la puissance cinq en fonction de l'importance de l'orage. Les gros orages peuvent déclencher plus de 100 éclairs à la minute.

Longueur de la trajectoire d'un éclair

La longueur des éclairs peut aller de 100 m à 20 km dans le cas de l'éclair sinueux. Sa vitesse atteint 40000 km/s, donc un peu plus d'un dixième de la vitesse de la lumière. Sont épaisseur est d'environ 3 cm.

Température de l'air autour de l'éclair

La température de l'air est très élevée, environ 30000 degrés (5 fois la température du soleil!) le long du trajet de l'éclair. (L'air traversé par l'éclair est "grillé"!).

énergie dégagée par l'éclair

On connaît aujourd'hui la puissance de la foudre: un courant de 30000 ampères correspondant à une tension de 100 millions de volts.

Couleur d'un éclair

La couleur de l'éclair nous informe sur la composition de l'air ambiant.

• Un éclair rouge indique de la pluie dans l'air.

• Un éclair bleu la présence de grêle.

• Un éclair jaune est un signe d'une quantité importante de poussière dans l'atmosphère.

Un éclair blanc est signe d'un air très sec.

éclairs de chaleur

Vous avez déjà vu des éclairs sans avoir entendu le tonnerre qui l'accompagne? Ce genre d'éclair est souvent appelé "éclair de chaleur".

Les "éclairs de chaleur" sont en fait produit par des orages lointains... si loin que vous pouvez voir l'éclair mais le tonnerre ne peut se rendre à l'endroit ou vous trouvez.

Voici pourquoi: la vitesse de la lumière (300 000 000 m/s) est extrêmement rapide par rapport à celle du son (300 m/s) (1 million de fois plus rapide pour être plus précis). De plus, le coup de tonnerre et son onde se dissipent plus facilement en se propageant et, lorsqu'on est trop loin, le tonnerre ne se fait plus entendre.

Quelques statistiques

Il y a environ 20 millions d'orages par an. (50000 par jour).

Diamètre d'un orage: 15 à 25 km.

Extension verticale 10, 12 ou 15 km.

Durée 1 ou 2 heures (ou plus si bien violent).

à tout moment, 100 éclairs frappent la surface terrestre: total annuel mondial: 32,000,000 éclairs

Le tonnerre

C'est le sous-produit de la foudre. Tout au long de la trajectoire de l'éclair, d'une largeur de quelques centimètres, en traversant les molécules de l'atmosphère, les réchauffent et catapultent leurs électrons hors de leurs orbites. La dilatation subite du canal d'air causée par le réchauffement forme des ondes de surpression : ces ondes de choc sont comparables à celles qui sont formées par un coup de canon. L'air dans le canal est dilaté.

Le tonnerre est donc dû à l'expansion explosive qui accompagne une montée soudaine et rapide de la température. Lorsque l'éclair est court et droit, les ondes sont perçues sous la forme d'un seul coup de tonnerre. Mais si le trajet est long et ramifié, on entend alors une succession de grondements (parce que l'éclair frappe à une distance qui est souvent à plusieurs kilomètres de son point de départ, alors qu'il faut environ 3 secondes pour que le son parcoure un kilomètre.) Plus l'orage est loin, plus le tonnerre est perçu comme un grondement; plus il est rapproché, plus il ressemble à un claquement sec.

Chaque électron arraché à sa propre orbite est rapatrié sur une autre orbite par un noyau d'atome; l'énergie acquise précédemment est alors émise par l'électron sous forme de particules lumineuses: nous voyons l'air s'illuminer. Les trois quarts des éclairs projettent leurs lueurs à l'intérieur des nuages, un quart entre les nuages et la Terre.

Evaluation de la distance d'un orage

On voit tout d'abord l'éclair, puis on entend le tonnerre, tout simplement parce que la lumière voyage environ 1 million de fois plus vite que le son. (vitesse du son = 337 m/s; vitesse de la lumière = 300000 km/s). On peut évaluer la distance de l'orage de 2 façons:

- En comptant le nombre de secondes qui séparent la vision de l'éclair et le bruit du tonnerre et en divisant ce nombre par 3, on aura la distance nous séparant de l'orage en kilomètres. (Par exemple, si 6 secondes séparent l'éclair du tonnerre, alors on sait que l'orage est situé à 2 km de lieu où l'on est.)

- En comptant le nombre de secondes qui séparent la vision de l'éclair et le bruit du tonnerre et en multipliant ce nombre par 300, on aura la distance nous séparant de l'orage en mètres.

Les dangers de la foudre

Si les éclairs sont aussi dangereux, c'est qu'ils déclenchent une puissance de destruction quadruple: des ondes de courant, de chaleur et de pression ainsi qu'un effet électromagnétique à distance. Un éclair qui touche une ligne de courant en tombant sur une maison peut griller l'ensemble des appareils électriques. Par sa chaleur, il peut incendier des maisons, surtout si celles-ci sont en bois. A cela vient s'ajouter la force explosive énorme de l'éclair: à haute température, l'air et l'humidité se dilatent instantanément. L'éclair peut abattre un arbre gigantesque ou une tour dont les murs sont humides comme si l'on avait placé en leur centre une puissante charge de dynamite. L'onde de pression, équivalente à 50 atmosphères, peut catapulter des personnes en l'air sur plusieurs mètres. Enfin, l'effet électromagnétique à distance peut avoir des conséquences particulièrement dévastatrices sur nos électroniques : le courant induit peut détruire une puce électronique même à quelques centaines de mètres de distance.

Protection contre la foudre

Que faire lorsqu'on est surpris par un orage et que l'on se trouve à l'extérieur ? Le mieux est de se réfugier dans un bâtiment ou une voiture. Si ce n'est pas possible, il faut s'éloigner des arbres isolés, des sommets ou des arêtes, car la foudre frappe le plus souvent le point le plus élevé qu'elle trouve dans la région. En forêt, les arbres les plus hauts constituent un danger plus grand que les petits, surtout s'ils se trouvent à la lisière. La décharge de l'éclair se propage dans le sol dans toutes les directions et produit des tensions qui ne s'atténuent progressivement qu'avec la distance. Il ne faut donc jamais se coucher sur le sol lorsqu'un orage éclate, mais se mettre en position accroupie, bras et jambes repliés, de préférence dans une cuvette au sol sec.

Si quelqu'un est frappé par la foudre et perd connaissance, le bouche-à-bouche peut le sauver de l'étouffement. Souvent, la décharge électrique de l'éclair atteint le cerveau primaire, qui gouverne la motricité des poumons. Le bouche-à-bouche permet de soutenir l'action des poumons jusqu'à que le cerveau reprenne son fonctionnement normal

Les installations à cage

La protection par cage maillée consiste en la réalisation, en surface d’un bâtiment, d’une cage de Faraday à larges mailles, reliées au sol à des prises de terre. Des tiges de faibles dimensions (0,5 mètre), appelées pointes de choc, sont disposées en pourtour des mailles des toitures et sur toutes les émergences (cheminées, édicules ...)

La taille des mailles ainsi que la distance entre deux déscentes sont fonction du niveau de protection à réaliser comme décrit dans la NF C 17-100 :

La cage maillée ne peut cependant protéger que ce qu’elle enserre.

Le fil tendu

Ce système consiste à réaliser la protection d’une structure en évitant de rentrer en contact avec celle - ci. Cette protection est la plus souvent utilisée dans le cas où des produits dangereux seraient stockés dans la structure.

Ce système nécessite la mise en place de pylônes avec haubanage pour porter les câbles et autant de prises de terre.

La tige simple

Aussi appelées paratonnerres à tige de type Franklin, ces installations consistent en l’édification, en partie haute des structures à protéger, de pointes effilées reliées à la terre par le chemin le plus direct.

On peut alors déterminer un cône de protection qui est fonction de la hauteur où celle-ci se situe et du niveau de protection.

Contrairement à la cage maillée, celle-ci protège les éléments qui sont dans son rayon de protection.

Le PDA

Le principe d’un Paratonnerre à Dispositif d’Amorçage consiste à équiper une tige simple d’un dispositif permettant de réduire la valeur des temps d’amorçage.

Le rayon de protection proposé par ce type de paratonnerre est donc largement supérieur à une tige simple, pouvant même atteindre 120 m en niveau III.