Métamodèles pour l'estimation du champ magnétique et des surtensions générés par un coup de foudre direct dans des installations industrielles

Surrogate models to estimate the magnetic field and the electrical surges generated by a direct lightning strike in industrial facilities

• Auteur / Autrice : Susana Naranjo Villamil
• Direction : Alain Reineix, Christophe Guiffaut, Julien Gazave
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique des Hautes Fréquences, Photonique et Systèmes
• Date : Soutenance le 24/03/2022
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et Ingénierie des Systèmes, Mathématiques, Informatique (Limoges ; 2018-2022)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Jury : Président / Présidente : Françoise Paladian
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Reineix, Christophe Guiffaut, Julien Gazave, Françoise Paladian, Jean-Philippe Parmantier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Hélier, Farhad Rachidi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Constructions industrielles

Régime transitoire (électricité)

Champs magnétiques

Protection contre la foudre

Mots clés libres

Foudre

Champ magnétique

Surtensions

FDTD

Métamodèles

Béton armé

Installation industrielle

Lightning

Magnetic field

Surges

FDTD

Surrogate models

Reinforced concrete

Industrial facility

Résumé

Le foudroiement d’une installation industrielle peut engendrer de graves dégâts. L’estimation des effets de la foudre est non seulement essentielle pour concevoir le système de protection, mais également nécessaire pour assurer la fiabilité et la sûreté des installations. Les méthodes d’estimation proposées dans les référentiels de protection contre la foudre ne sont pas adaptées au cas particulier des installations industrielles et ne peuvent pas être utilisées dans la démonstration de sûreté des sites. Il existe donc un besoin croissant d'outils précis et validés pour estimer les effets de la foudre et évaluer le risque associé. Dans ce manuscrit, nous avons décidé de nous focaliser sur les effets indirects de la foudre sur des installations industrielles, plus précisément, sur les perturbations électriques occasionnées par le foudroiement d’un bâtiment industriel et sur l’évaluation du champ magnétique à l’intérieur du bâtiment foudroyé. Des simulations sont réalisées à l'aide de TEMSI-FD, un logiciel de calcul scientifique basé sur la méthode des différences finies dans le domaine temporel (FDTD). Puis, en utilisant les résultats des simulations, nous construisons des métamodèles afin de créer un ensemble d'outils de calcul simples et précis destiné aux services d’ingénierie.

From mechanical to electrical effects, a direct lightning strike to an industrial facility can cause severe damage. Knowing what to expect is not only fundamental to design the lightning protection system of the facility, but also necessary to achieve reliability and safety. One can find valuable principles in the existing literature to protect structures and equipment against the adverse effects of lightning. However, the principles which current standards are based on cannot be used in the safety demonstration. There is hence a growing need for accurate and validated tools to estimate the effects of lightning strikes and assess the risk associated. In this thesis, we have decided to focus on the indirect effects of direct lightning strikes on large industrial facilities. More specifically, on estimating the peak-values of the transient magnetic field generated by a direct strike inside industrial buildings, and the surges induced in underground cables when one of the buildings in the facility is struck by lightning. We carry out simulations using TEMSI-FD, a full-wave solver based on the finite-difference time-domain (FDTD) method. Then, using the data obtained from the simulations, we build different surrogate models to create a set of engineering tools to calculate the peak-values. Full-wave simulations can be computationally expensive and time consuming. Sometimes all one needs is a quick yet reasonable estimation of the values.