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Détection des orages à des fins préventives : Conditions de risque de déversement
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Détection des orages à des fins préventives : Conditions de risque de déversement
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La foudre est un phénomène naturel qui peut se produire avec une fréquence élevée à tout moment de l'année et qui est soumis à une incertitude statistique : il n'est pas possible de déterminer où et quand un coup de foudre isolé se produira. Pour cette raison, les systèmes de détection des orages ne peuvent pas prédire avec précision le lieu et le moment d'une décharge particulière1, mais ils peuvent déterminer les conditions de risque de décharge sur la base de la distance des précédents coups de foudre (détecteurs de champ électromagnétique) ou de la variation du champ électrostatique atmosphérique (capteurs de champ électrostatique).
Bien que la formation d'orages ne puisse être évitée, la détection précoce permet de minimiser les risques résultant d'un éventuel coup de foudre et d'éviter les dommages corporels, en fournissant des informations pour la gestion correcte des mesures préventives temporaires. Pour cela, il est nécessaire que ces détecteurs soient capables d'évaluer les conditions de risque de décharge. Ensuite, nous détaillerons comment les différents types de détecteurs d'orages disponibles déterminent les Conditions de Risque de Décharge.
Types de détecteurs d'orage : systèmes basés sur un champ électromagnétique ou sur un champ électrostatique
Les détecteurs d'orage existants utilisent soit le rayonnement électromagnétique des éclairs pour les localiser une fois qu'ils ont frappé, soit ils mesurent le champ électrostatique ambiant qui est l'indicateur direct du risque de décharge de foudre.
Les détecteurs basés sur le champ électromagnétique considèrent le risque de foudre en fonction de la distance des précédents coups de foudre par rapport à la zone à protéger. En fait, ils ne peuvent détecter la foudre qu'une fois qu'elle s'est produite et supposent non seulement qu'il y aura plus de coups de foudre, mais aussi que les coups de foudre seront plus proches de la cible.
La mesure factuelle du champ électrostatique permet de déterminer les conditions de risque de décharge
Contrairement aux détecteurs basés sur le champ électromagnétique, les capteurs de champ électrostatique sont basés sur la mesure du champ électrostatique atmosphérique. Ce champ à la surface de la terre peut varier pour de nombreuses raisons (par exemple, l'altitude, la latitude, la température, la pollution, la vitesse du vent, l'humidité, le rayonnement solaire, etc.), mais il est généralement de l'ordre de +100-150 V/m dans de bonnes conditions météorologiques sans nuages. Par beau temps, il existe un équilibre dans l'atmosphère entre les charges positives et négatives, la terre étant généralement plus chargée négativement que l'air et les éléments situés au-dessus du sol2. Lorsque des nuages d'orage se forment, une polarisation des charges électriques se produit, de sorte que la partie inférieure des nuages est chargée négativement (dans la plupart des cas), induisant une charge positive sur la terre et les éléments situés au-dessus. Le champ électrique formé dans ces circonstances peut atteindre des dizaines de kV. Ainsi, bien que l'air soit un isolant électrique presque parfait dans de bonnes conditions météorologiques, lorsqu'un champ électrique suffisamment élevé est généré, il s'ionise et devient un milieu conducteur dans lequel circule la charge accumulée dans les nuages3.
Par conséquent, lorsqu'on passe de bonnes conditions météorologiques à des conditions orageuses, on observe une variation du champ électrique atmosphérique (de +100-150 V/m à des dizaines de kV/m), ce qui permet d'avertir de la formation ou de l'approche d'orages dans la zone à protéger avec suffisamment d'avance pour mettre en œuvre les mesures préventives nécessaires. Cette élévation du champ électrostatique peut être produite par la formation d'orages dans la zone, ainsi que par le passage de nuages d'orage qui n'impliquent pas nécessairement des décharges dans l'environnement4 : pour qu'une décharge de foudre se produise, il est nécessaire mais pas suffisant que le champ électrostatique atmosphérique soit très élevé. Par conséquent, il y aura des moments où le système donnera une alarme extrême et où une décharge de foudre ne se produira pas. Cependant, le fait qu'une décharge ne se produise pas ne signifie pas que le risque de foudre n'était pas réel. En fin de compte, il est impossible de prédire où et quand un coup de foudre particulier se produira ; la seule chose qui peut être déterminée sont les conditions de risque de décharge.
L'augmentation du champ électrostatique est une condition nécessaire mais non suffisante pour l'apparition de la foudre dans les orages : même si la foudre ne se produit pas, le risque sera toujours réel et élevé
De même, lorsque l'orage s'éloigne ou se dissipe, les détecteurs basés sur le champ électrostatique sont les seuls capables (selon la norme IEC 62793:20201) de mesurer la variation du champ électrostatique, signalant qu'il n'y a plus de risque de foudre. Les détecteurs électromagnétiques, quant à eux, basent leur avertissement sans risque sur un compte à rebours à partir du dernier coup de foudre (nuage à nuage ou nuage à sol) dans une zone donnée. Lorsqu'un temps prédéterminé (généralement 30 minutes, bien que dans le secteur de l'énergie éolienne il puisse être de 1 à 2 heures) est atteint sans qu'aucune décharge ne soit détectée dans la zone à protéger, ils considèrent qu'il n'y a plus de risque et que la zone peut revenir à la normale. Toutefois, ce délai peut être insuffisant si une décharge se produit juste après l'avertissement sans risque, mettant en danger des vies humaines. Il ne faut pas oublier que la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) américaine indique que la plupart des accidents dus à la foudre se produisent au début ou à la fin des orages5.
D'autre part, il peut également arriver que les temps d'arrêt soient excessifs, entraînant des coûts élevés pour le client. Une connaissance précise et fiable des conditions météorologiques est donc nécessaire tant pour protéger les personnes que pour éviter des arrêts de travail inutiles. Un détecteur d'orages basé sur un champ électrostatique permet une gestion correcte des risques, garantissant la sécurité des travailleurs et en même temps une plus grande efficacité opérationnelle.
Les détecteurs d'orage basés sur le champ électromagnétique déclenchent l'avertissement de fin d'alerte par un compte à rebours d'un temps prédéterminé à partir de la dernière décharge enregistrée dans la zone définie. Ce temps peut être insuffisant ou excessif car il n'est pas basé sur un paramètre objectif.
Détection des orages avec ATSTORM®, le meilleur des deux technologies
ATSTORM® est un système d'alerte locale pour la prévention du risque d'orage, développé et breveté par Aplicaciones Tecnológicas. Grâce à son capteur électrostatique, il est capable de détecter toutes les phases de l'évolution d'un orage. ATSTORM® peut détecter les variations du champ électrique des orages se formant au-dessus de la cible et/ou des orages électriques actifs jusqu'à un rayon de 20 km. Dans le cas d'orages se formant directement sur la cible ou s'approchant sans produire de décharge, les détecteurs basés uniquement sur le champ électromagnétique n'avertissent pas du risque et ne sont donc pas toujours adaptés à des fins préventives.
La mesure du champ électrostatique est le seul critère objectif qui détermine les conditions de risque de décharge, de sorte que les détecteurs de champ électrostatique peuvent émettre une alerte d'orage et aussi une alerte de retour à la normale.
ATSTORM® incorpore également un capteur électromagnétique de secours pour surveiller l'approche de l'orage jusqu'à un rayon de 40 kilomètres. De cette manière, la zone de surveillance est étendue et un état de pré-alerte peut être défini pour les tempêtes actives éloignées qui s'approchent de la cible à protéger.
Vous pouvez télécharger l'article complet ici.
Pour plus d'informations sur les conditions de risque de déversement déterminées par le détecteur d'orages ATSTORM®, vous pouvez nous contacter à ce lien.
Références
Commission électrotechnique internationale (CEI). IEC 62793:2020 Protection contre la foudre - Systèmes d'avertissement d'orage. Norme internationale (2020).
Wahlin, L. Electrostatique atmosphérique. (John Wiley & Sons, Ltd, 1989).
Henderson, T. Static Electricity - Lesson 4 - Electric Fields - Lightning. The Physics Classroom https://www.physicsclassroom.com/class/estatics/Lesson-4/Lightning.
Martinez-Lozano, M. Medición del campo eléctrico atmosférico en la ciudad de León. Establecimiento de límites para prevención ante la ocurrencia de descargas atmosféricas. (2014) doi:10.13140/2.1.3635.2323.
Service météorologique national NOAA. Overview : Lightning Safety. https://www.weather.gov/safety/lightning-safety-overview.