La présente invention a pour objet un dispositif de protection contre l'effet d'un événement physique, tel que la foudre, générant un courant électrique dans un conducteur électrique. Elle trouve donc notamment son application aux dispositifs appelés paratonnerres.

La foudre est effectivement une décharge de haute intensité avec une grande capacité destructrice. Ce phénomène naturel reste aujourd'hui difficilement prévisible.

Pour faire face à cette situation, les systèmes connus de protection contre la foudre cherchent à guider la décharge vers la terre de façon contrôlée, afin d'éviter les dégâts dans les installations industrielles et noyaux de population. Le paratonnerre reste un des éléments fondamentaux dans ces systèmes de protection contre la foudre.

On connaît ainsi en effet des dispositifs de type paratonnerre, disposés par exemple sur le toit de certains bâtiments, dont le but est de capter la foudre pour que celle-ci soit canalisée et évacuée à la terre, et ainsi ne frappe pas n'importe où.

Dans sa version de base, un paratonnerre est constitué par un mât ou une tige métallique, dont l'extrémité peut tout aussi bien être effilée (pointe) ou arrondie, et qui est placée en hauteur. Cette tige est reliée à la terre par un câble conducteur. Différents types de paratonnerres perfectionnés ont été développés dont l'efficacité est augmentée.

De tels paratonnerres prennent en compte de manière plus fine le phénomène naturel constitué par la foudre tel qu'il est expliqué ci-après.

Lors d'un orage, les nuages se chargent électriquement. Le système constitué par les nuages chargés et le sol, séparés par une couche d'air de plusieurs centaines de mètres à plusieurs kilomètres, joue le rôle d'un gigantesque condensateur dans lequel l'air joue le rôle de diélectrique.

Les phénomènes physiques associés à la foudre présentent une analogie complète avec les procédés de dégradation des condensateurs. Ainsi, en référence aux figures la et Ib, dans un condensateur constitué par des surfaces parfaites 10, 11 les lignes de champ électrique

12 partent perpendiculairement de la surface chargée positivement 10, et rentrent également perpendiculairement dans celle chargée négativement 11 (voir figure la). Les irrégularités des surfaces causent un effet de concentration des lignes de champ 12 (voir figure Ib). Cette intensification locale du champ est connue sous le nom d'effet de pointe.

Le fort gradient du champ électrique dans les alentours de l'aspérité

13 cause, à partir d'un certain seuil, l'ionisation des molécules présentes dans le diélectrique.

Ce phénomène d'ionisation cause, à son tour, l'émission de lumière que l'on appelle effet couronne ou lumière de couronne. Dans toute la suite de la présente description, par effet couronne, on entend donc l'émission de lumière par suite du phénomène d'ionisation qui fait lui- même suite à l'effet de pointe.

Les particules chargées libérées pendant l'ionisation sont accélérées par le champ électrique, suivant les lignes de force, et finissent par heurter d'autres molécules. Ce choc provoque une nouvelle ionisation, lors de laquelle de nouvelles particules chargées sont libérées, et suivent le même procédé d'accélération et d'impact.

Le résultat final est appelé avalanche électronique, qui se manifeste comme un courant qui se propage à travers l'espace compris entre les plaques du condensateur.

Cette avalanche est alimentée par l'énergie contenue dans le champ électrique. Ce phénomène constitue le début d'un procédé de dégradation, ou rupture, du matériel diélectrique, qui devient conducteur aux endroits où l'avalanche électronique a lieu.

Si le canal conducteur ainsi créé arrive à connecter les deux plaques du condensateur, un courant beaucoup plus intense que celui de l'avalanche électronique s'établit, en cherchant à égaler l'état de charge des deux plaques.

Par analogie, et en référence aux figures 2a à 2c, à l'échelle atmosphérique, la foudre est le phénomène par lequel le diélectrique

(couche d'air) est dégradé avec création d'un canal conducteur 14 qui mène à la décharge du nuage orageux 15 vers le sol (voir figures 2a, 2b,

2c).

La foudre du type le plus fréquent commence par une décharge 14a descendant des nuages vers le sol, que l'on appelle généralement traceur descendant 14a (voir figure 2a). Ce traceur 14a cause une brusque augmentation du champ électrique lorsqu'il approche la zone d'impact. Cette augmentation donne lieu à l'apparition de l'effet couronne sur les irrégularités du terrain.

Des différents courants d'avalanche électronique, appelés traceurs ascendants 14b, sont alors créés (figure 2b). Ces courants se propagent vers le traceur descendant 14a. Quand le traceur descendant 14a et un des traceurs ascendants 14b sont amenés au contact, un canal conducteur 14 est établi, permettant au nuage 15 de se décharger vers le sol (figure 2c). Le reste des traceurs ascendants 14b s'épuisent une fois que l'intensité du champ électrique redescend. Un paratonnerre est donc basé sur le principe de l'effet de pointe.

En effet, un paratonnerre favorise la formation d'un traceur ascendant lors de l'approche d'un traceur descendant.

De plus, l'objet est placé en hauteur, de façon à ce que le traceur ascendant sorti du paratonnerre ait un avantage sur les éventuels autres traceurs ascendants provenant des irrégularités plus basses. En plaçant ainsi un paratonnerre en hauteur, on cherche à maximiser la probabilité que le traceur ascendant sorti du paratonnerre établisse le contact avec le traceur descendant et donne lieu au canal conducteur. Une fois créé, ce canal permet de guider la décharge de la foudre à travers le paratonnerre et le câble conducteur jusqu'à la terre.

Les différentes types de paratonnerres perfectionnés, et notamment ceux dénommés paratonnerres à dispositif d'amorçage (PDA), cherchent à anticiper le phénomène en créant un traceur ascendant à partir de la tige (extrémité haute) du paratonnerre avec un avantage encore plus grand sur les traceurs ascendants créés par les autres objets situés à proximité, c'est-à-dire une probabilité encore plus importante que le canal conducteur de décharge soit créé au niveau de ce paratonnerre et non au niveau des objets situés à proximité. Le principe de tels paratonnerres perfectionnés consiste dans le fait de favoriser la création d'une avalanche électronique générant un traceur ascendant (par exemple par l'intermédiaire d'une décharge électrique).

Afin de pouvoir donner un avantage à ce traceur ascendant sur ceux générés naturellement par les aspérités environnantes, un PDA doit comprendre un moyen lui permettant d'anticiper l'arrivée d'un traceur descendant.

On connaît des dispositifs permettant d'anticiper l'arrivée de la foudre. De tels dispositifs, lorsqu'ils détectent l'arrivée du traceur descendant, génèrent une décharge à proximité de l'extrémité haute du paratonnerre, pour créer une avalanche électronique, donc un traceur ascendant qui va former avec le traceur descendant le canal conducteur de décharge de la foudre.

De tels dispositifs sont par exemple décrits dans les documents FR 2 590 737 ou FR 2 750 806. Cependant, les systèmes de génération des charges libres implémentés dans ces dispositifs ne contrôlent pas vraiment l'instant où les charges sont générées. Or, l'accumulation de charges autour du paratonnerre peut avoir un effet négatif, parce qu'elles donnent lieu à un effet d'écran, en réduisant localement la valeur du champ électrique. Pour tenter de résoudre ce problème, certains dispositifs, tels que celui décrit dans FR 2 590 737, intègrent des systèmes de mesure qui permettent d'anticiper l'approche d'un traceur descendant, et d'activer le système de production des charges libres seulement quand cela est nécessaire. Précisément, la mesure de la variation du champ électrique permet de détecter l'approche d'un traceur descendant. Ainsi, quand la forte variation du champ électrique liée à la présence du traceur descendant est détectée, le système déclenche une décharge de haute tension entre un système d'électrodes et la tige du paratonnerre. Cette décharge produit un grand nombre charges libres, qui génèrent à leur tour une avalanche électronique. Dans un tel dispositif, il est crucial de pouvoir déterminer quel est l'instant précis auquel il faut générer les charges libres, tout en maximisant les chances que le traceur ascendant ainsi créé soit celui qui interceptera le traceur descendant. Le concept « d'instant précis » est donc lié au moment auquel le traceur descendant est suffisamment près pour donner lieu aux conditions environnementales qui permettent aux charges d'évoluer vers la formation du traceur grâce au champ de stabilisation présent à cet instant.

Toute charge générée trop tôt ne produira pas l'effet escompté. D'un autre côté, des charges libres générées trop tard peuvent donner lieu à un traceur sans aucun avantage par rapport aux traceurs créés dans l'entourage de façon naturelle.

Dans ce deuxième cas, le risque est important que le canal conducteur de décharge se forme entre le traceur descendant et un traceur ascendant émanant d'une autre aspérité du terrain avoisinant. Le paratonnerre ne joue alors pas son rôle de protection de manière efficace. Le problème est que la détection de la valeur du champ électrique ne permet pas de déterminer à quel moment le champ électrique est suffisant pour donner lieu aux charges libres qui sont susceptibles de générer l'avalanche électronique.

Par ailleurs, la valeur du champ qui peut donner lieu à cette ionisation présente une dépendance complexe avec plusieurs paramètres, tels que le taux d'humidité, la composition de l'air, la présence d'aérosols, la présence et force du vent, etc.. Egalement, dans un autre domaine d'application, l'événement physique contre lequel on peut souhaiter se protéger peut être une décharge de haute tension dans certains environnements industriels, telle que les décharges qui peuvent se produire dans les points de liaison entre les lignes haute tension et les transformateurs dans les stations ou réseau de distribution d'énergie électrique en cas de dysfonctionnement accidentel.

L'objet de la présente invention est donc d'apporter une solution aux problèmes précités parmi d'autres problèmes.

En particulier, l'objet de la présente invention est de proposer un dispositif de protection contre l'effet d'un événement physique tel que la foudre qui est capable de détecter l'approche de l'événement physique de façon directe, passive et efficace.

Dans son application particulière à la protection contre la foudre, le dispositif de l'invention a pour but de détecter avec précision le moment auquel une avalanche électronique doit être déclenchée au niveau du collecteur, pour créer le traceur ascendant destiné à former avec le traceur descendant le canal de décharge de la foudre.

L'invention se rapporte ainsi à un dispositif de protection contre l'effet électrique d'un événement physique susceptible d'induire une ionisation du milieu dans lequel il se produit, cet événement pouvant être par exemple la foudre.

Le dispositif comprend des moyens de détection de l'approche de l'événement physique, au moins un collecteur d'événement physique destiné à collecter l'effet électrique de cet événement physique, et des moyens d'amorçage de la collecte de l'événement physique par le collecteur aptes à générer un canal ionisé à partir du collecteur.

Les moyens d'amorçage sont contrôlés par les moyens de détection.

Les moyens de détection sont électriquement isolés du collecteur, et comprennent un détecteur d'effet couronne apte à détecter directement un effet couronne se produisant au niveau du collecteur.

Ainsi, en s'intéressant à l'effet couronne, phénomène naturel lumineux accompagnant l'ionisation, induit par l'approche de l'événement, et en le détectant, on peut déclencher l'action du collecteur au bon moment, avec précision.

Dans le cas de l'application à la protection contre la foudre, on peut ainsi détecter l'approche du traceur descendant et déclencher à l'instant précis l'avalanche électronique qui va former le traceur ascendant depuis l'extrémité haute du collecteur et augmenter la probabilité que ce traceur ascendant rejoigne le traceur descendant pour former un canal conducteur de décharge.

Il est également possible de détecter la formation d'une décharge de haute tension, par exemple dans les points de liaison entre les lignes haute tension et les transformateurs dans les stations ou réseau de distribution d'énergie électrique en cas de dysfonctionnement accidentel, pour générer un traceur ascendant qui va rejoindre la décharge et permettre ainsi de la canaliser en l'évacuant à la terre.

Les mécanismes de propagation et les effets de telles décharges haute tension sont en effet analogues (bien que d'intensité souvent plus réduite) à ceux de la foudre naturelle. Le dispositif de l'invention permet donc de canaliser les effets de tels événements physiques comme la foudre ou une décharge haute tension.

L'isolation électrique du détecteur par rapport au collecteur permet de s'affranchir des effets dommageables induits par le courant de décharge électrique dans le collecteur, dans le cas d'un événement à effet de nature électrique, tel que la foudre.

Dans une variante de réalisation, le collecteur comprend une tige métallique présentant une première extrémité, et étant reliée à la terre, en une deuxième extrémité, par un conducteur électrique.

Cette configuration est particulièrement adaptée à la protection contre la foudre et à la décharge du courant de foudre dans la terre.

Dans ce cas, le détecteur d'effet couronne peut être disposé au moins en partie au niveau de la tige métallique, de préférence au niveau de son extrémité.

C'est en effet à proximité de l'extrémité de la tige que se produira en premier l'effet couronne. Le positionnement du détecteur à proximité de l'extrémité de la tige permet donc d'augmenter la précision de détection. Dans une autre variante, éventuellement en combinaison avec une ou plusieurs quelconques des précédentes, les moyens d'amorçage peuvent comprendre des moyens de génération de charges libres, qui sont de préférence du type générateur de décharges haute tension, ou encore source de lumière ionisante telle qu'un laser. Dans encore une autre variante de réalisation, éventuellement en combinaison avec une ou plusieurs quelconques des précédentes, le détecteur d'effet couronne est apte à émettre un signal de détection de l'effet couronne.

Les moyens de détection comprennent des moyens électroniques de contrôle aptes à recevoir et à reconnaître le signal de détection pour éventuellement activer les moyens d'amorçage.

Dans encore une autre variante de réalisation, éventuellement en combinaison avec une ou plusieurs quelconques des précédentes, le détecteur d'effet couronne comprend un module capteur optique apte à détecter l'effet couronne.

On peut prévoir que le détecteur d'effet couronne comprenne alors un ou plusieurs guides optiques, tels qu'une fibre optique, aptes à transmettre l'effet couronne vers le module capteur optique.

Dans encore une autre variante de réalisation, éventuellement en combinaison avec une ou plusieurs quelconques des précédentes, le dispositif comprend une source d'énergie apte à alimenter les moyens de détection et/ou éventuellement les moyens d'amorçage.

Cette source d'énergie est de préférence un accumulateur d'énergie électrique, tel qu'une ou plusieurs batteries, un ou plusieurs condensateurs, ou une ou plusieurs supercapacités, chargés par l'intermédiaire des variations du champ électrique induit par l'événement physique, ou encore par l'intermédiaire de l'énergie collectée au moyen d'un système photovoltaïque et/ou éolien.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement et de manière complète à la lecture de la description ci- après des variantes préférées de réalisation, lesquelles sont données à titre d'exemples non limitatifs et en référence aux dessins annexés suivants :

- figures la, Ib : représentent schématiquement le phénomène d'effet de pointe dans un condensateur,

- figures 2a, 2b, 2c : représentent schématiquement le processus de formation de la foudre,

- figure 3 : représente schématiquement un exemple de dispositif selon l'invention. Dans cette partie, des exemples de réalisation de l'invention sont présentés, dans le cadre de l'application à la protection contre la foudre.

Les figures la, Ib et 2a à 2c ont été décrites plus haut et concernent le principe de l'effet de pointe et son application à la protection contre la foudre.

Dans les deux exemples de réalisation correspondant respectivement aux figures 3 et 4, le dispositif comprend un collecteur 1, 2.

Ce collecteur 1, 2 comprend une tige métallique 1, dont une première extrémité la peut prendre la forme d'une pointe, et une deuxième extrémité Ib est reliée à la terre par un conducteur électrique 2.

La première extrémité la pourrait également tout aussi bien présenter un autre profil qu'un profil effilé en pointe, tel qu'un profil arrondi par exemple. Comme il a été expliqué plus haut, le but, dans cette application, est de favoriser le déclenchement au bon moment d'un traceur ascendant, qui va pouvoir former avec un traceur descendant un canal conducteur par rupture du diélectrique que constitue l'air.

Ce canal conducteur permet de décharger le courant de foudre dans la tige 1 du collecteur, puis dans la terre par l'intermédiaire du conducteur 2. Ainsi, le collecteur 1, 2 absorbe l'effet de la foudre, à savoir la décharge électrique ou électronique, sans dommage environnant, en guidant vers la terre de façon contrôlée la décharge qui suit la création d'un canal conducteur à travers la couche d'air entre les nuages et le sol. Pour amorcer le traceur ascendant, on utilise un moyen d'amorçage

7. Celui-ci est du type générateur de charges libres 8 : par exemple générateur de décharges haute tension, ou une source de lumière ionisante (laser ou autre).

Le dispositif comprend par ailleurs des moyens de détections de l'effet couronne. Dans l'exemple représenté à la figure 3, les moyens de détection 3, 4, 5 de l'effet couronne comprennent un module capteur optique avec un ou plusieurs capteurs optiques, permettant de détecter la lumière émise par effet couronne. Ce module capteur optique est de préférence positionné à proximité de l'extrémité la de la tige 1 du collecteur 1, 2, pour une détection plus précise.

Dans la variante représentée à la figure 3, on a prévu, entre le module capteur 3 et la tige 1, un guide optique 1 du type fibre optique, pour guider et transmettre la lumière émise par effet couronne depuis l'extrémité la de la tige 1 vers le module capteur optique 3.

Cette variante présente l'avantage de permettre d'éloigner le module capteur optique 3 du collecteur 1, 2, et donc notamment de protéger ce module capteur optique 3 de décharges liées à la foudre. Les moyens de détection de l'effet couronne sont aptes à créer et émettre un signal, par exemple un signal électrique, représentatif de l'effet couronne.

Des moyens électroniques de contrôle 5 sont prévus pour traiter et reconnaître ce signal représentatif de l'effet couronne, et éventuellement déclencher les moyens d'amorçage 7.

Précisément, les moyens électroniques de contrôle 5 comparent le signal reçu avec la signature de l'effet couronne pour déterminer si les moyens d'amorçage 7 doivent être déclenchés.

Il est aussi prévu une source d'énergie 6, qui permet d'alimenter les moyens de détection 3, 4, 5, et/ou éventuellement les moyens d'amorçage 7 lorsque ceux-ci sont présents.

Cette source d'énergie 6 est de préférence un accumulateur d'énergie électrique 6, par exemple chargé par les variations du champ électrique induit par l'approche de l'orage (ou encore par l'intermédiaire de l'énergie collectée au moyen d'un système photovoltaïque et/ou éolien).

Ainsi, dans le cas de l'application à la protection contre la foudre, le dispositif de l'invention fonctionne de la façon suivante. Quand un traceur descendant s'approche à proximité du dispositif, la forte augmentation du champ électrique, amplifiée par l'effet de pointe, cause l'ionisation de l'air autour de l'extrémité la de la tige 1 du collecteur 1, 2.

Dans le cas de l'exemple de la figure 3, cette ionisation est accompagnée d'émission de lumière qui est détectée par le module capteur optique 3, ou bien capturée et transmise par le guide optique 4 vers le module capteur optique 3.

Le module capteur optique 3 transforme le signal optique en signal électrique, qui est transmis au moyen électronique de contrôle 5. Le moyen électronique de contrôle 5 détermine si le signal correspond à la signature de l'effet couronne d'un traceur descendant. Si tel est le cas, le moyen électronique de contrôle 5 active les moyens 7 de génération des charges libres 8 au bon moment.

Ces charges 8 s'accélèrent à cause du champ électrique créé par le traceur descendant et donnent lieu à une avalanche électronique. Cette avalanche constitue l'étape initiale de formation d'un traceur ascendant. Si ce traceur ascendant intercepte le traceur descendant, il crée le canal conducteur qui permet aux nuages de se décharger, à travers la tige 1 et le conducteur 2 vers le sol. La présente description est donnée à titre d'exemple et n'est donc pas limitative de l'invention.

En particulier, la présente invention trouve application à d'autres domaines que la protection contre la foudre, notamment tout domaine dans lequel il est question d'une protection contre le ou un effet d'un événement physique susceptible d'engendrer une ionisation du milieu dans lequel il se produit.

On rappellera également que l'invention s'applique par exemple à la protection contre les décharges haute tension dans les points de liaison entre les lignes haute tension et les transformateurs, notamment dans les stations ou réseau de distribution d'énergie électrique, en cas de dysfonctionnement accidentel.