Le champ électromagnétique (composante électrique et magnétique ) véhiculé par la foudre est comparable à une antenne de plusieurs kilomètres de hauteur parcourue par des impulsions de plusieurs dizaines de kA.

La valeur du champ électrique à 1 km du point d'impact peut s'élever à 100V/m.

Il est possible d'évaluer par calculs l'agression des différents couplages :

Couplage par conduction

Il s'agit d'un contact électrique direct entre la source perturbatrice et les circuits électriques. Deux protections sont nécessaires pour dévier cette perturbation, l'une côté alimentation, l'autre au niveau des lignes de communication.

couplage capacitif

Un brusque changement de tension se produisant lors des manoeuvres de mise en route d'organes de protection et de coupure sur le réseau EDF, entraînera des surtensions sur le secondaire du transformateur.

couplage par rayonnement

Les câblages se comportent comme une antenne réceptrice vis-à-vis de la perturbation. L'emplacement des câbles et la nature des diélectriques séparant les conducteurs constituent les éléments essentiels pour diminuer les effets néfastes de la perturbation.

Face à l'ampleur de la perturbation, la protection classique seule n'est pas satisfaisante, la solution ultime consistera à réaliser un blindage efficace.

Nous savons que les câbles jouent un rôle important vis-à-vis des longueurs d'onde de la perturbation. Le spectre de fréquence de la foudre est de quelques kHz à quelques dizaines de MHz. A 10 MHz, la longueur d'onde étant de 30 m, les longueurs de câbles deviennent alors significatives.

couplage par mutuelle induction

Le cheminement en parallèle de plusieurs câbles va engendrer un couplage par influence entre la ligne non perturbée et la ligne perturbée. Les courants véhiculés sont très forts.

 

Propagation des surtensions

Par conduction

Des courants perturbateurs de haute fréquence circulent dans les lignes réseaux et de transmissions de données.

Par rayonnement

Les câbles de longueurs importantes engendrent des ondes stationnaires. Les liaisons câbles - appareils agissent alors comme des antennes. Ces énergies perturbatrices accumulées sont rayonnées dans l'environnement.

 

Schéma de propagation des surtensions

 

Les tensions perturbatrices VCM et VCM 1 sont dites "asymétriques" ou de mode commun. La tension UDM est dite symétrique ou de mode différentiel.

 

Exemple de calculs de la propagation

Les lignes réseaux et transmissions cheminant en parallèle engendrent des couplages capacitifs, inductifs ou électromagnétiques d'un système à l'autre.

Nous limiterons notre illustration au couplage capacitif.

Nous savons que la décomposition en série de fourrier de la courbe d'onde normalisée, nous donne quelle que soit la durée de l'impulsion:

1°/ pour V1max = 800 V asymétrique, f = 2.94 ou 3 MHz
et avec un temps de montée = 0.1 µs

Alors on a:

Qui devient:

Soit donc:

 

D'autre part:

(résistances de ligne)

D'où:

Soit donc:

2°/ pour V1max = 1 ,5 kV, f = 34MHZ,
avec un temps de montée = 5 µs,

De la même manière on obtient:

Constatations

Dans le premier cas, une surtension de 800 V au niveau du réseau induit une surtension de 2.6 V sur la ligne TTL. Cette valeur est très élevée car les circuits TTL ne tolèrent pas de variations importantes (environ 0.8 V), elle n'est sans doute pas destructrice mais elle engendre des informations erronées.

Le phénomène de fréquence élevée illustré dans le deuxième cas, montre bien que la surtension de 56V induite sur le TTL est très élevée et qu'elle peut provoquer la destruction des cartes électroniques.

Nous pouvons étendre nos illustrations aux phénomènes inductifs, mais l'exemple ci-dessus demeure à lui seul très convaincant quant à la nécessité de protéger les installations contre les surtensions autres que celles provoquées par la foudre.

Cette démonstration nous renseigne bien sur le fait que les phénomènes de haute fréquence traversent la basse tension, pour aller perturber l'électronique sensible.