La foudre

Protection contre la foudre : état de l’art et perspectives 17/07/2017
Auteurs : Alain Rousseau
Publication REE REE 2017-3 Dossier La foudre
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-3:19452
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2017-3/19452You do not have permission to access embedded form.

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La foudre

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42 Z REE N°3/2017 La protection contre la foudre est en évo- lution régulière depuis sa création par Ben- jamin Franklin et d’autres chercheurs dans le monde, mais elle s’approche sans doute de la maturité. Pendant longtemps la protection contre la foudre s’est résumée à installer un paratonnerre sur le point le plus haut de la structure. Ensuite, il est apparu qu’en concen- trant la foudre en un endroit donné on créait des surtensions dommageables aux équipe- ments électriques. Il est devenu obligatoire d’installer des parafoudres pour protéger les équipements électriques dès lors qu’on installait un paratonnerre pour protéger la structure du bâtiment. Le développement rapide des systèmes de communication et électroniques a conduit à installer davantage de parafoudres pour pro- téger les systèmes sensibles. En général les surtensions sur les lignes sont bien plus nombreuses que les chocs de foudre directs sur la structure, même si elles sont moins énergétiques et donc moins dommageables. Ce qui était peu visible tant qu’on avait une approche macroscopique est devenu vital dès lors qu’on a éliminé les plus gros pro- blèmes (comme par exemple l’incendie de la toiture ou de la structure suite à un choc de foudre direct) et que l’approche s’est affinée. L’évolution des techniques de pro- tection s’est ainsi développée selon trois axes. Définition des structures et équipements à protéger La première étape d’une protection contre la foudre est de définir ce qu’il faut vraiment protéger. Pendant longtemps, la règle était de tout protéger ou presque : la structure, son toit, ce qui se trouve au-dessus du toit (an- tennes, climatiseur, éclairage…), les équipements dans la structure, etc. Les règles physiques étant mal connues, on imaginait qu’avec un paratonnerre sur le toit et quelques parafoudres on protégeait tout. En cas de doute, on instal- lait au contraire des parafoudres partout. Depuis l’année 2006, qui constitue une année charnière pour la protec- tion foudre, une méthodologie connue sous le nom d’ana- lyse du risque foudre (ARF) est utilisée pour déterminer précisément ce qui doit être protégé et avec quelle effi- cacité. On peut ainsi montrer qu’une antenne sur le toit, même si elle est impactable n’a pas besoin d’être protégée si elle ne remet pas la sécurité en cause. Protection des structures La protection contre les chocs de foudre directs est devenue une approche système comprenant la capture, les conducteurs de descente, la prise de terre foudre et l’équipo- tentialité notamment grâce aux parafoudres dits de type 1. Ces derniers limitent le risque d’incendie et les dommages importants en dérivant le courant perturbateur à l’extérieur de la structure via les lignes électriques. Dans ce système, tout est important et pas seulement la capture, même si celle-ci reste fondamen- tale (le reste n’est plus pertinent dès lors que la foudre a manqué le dispositif de capture et dégradé la struc- ture supposée protégée). Même lorsque le système de protection capte la foudre et conduit le courant vers la terre, un amorçage électrique entre ce système de pro- tection et un élément métallique à proximité peut se pro- duire. Une dégradation est alors possible. C’est la raison pour laquelle une distance minimale entre le système de protection et les éléments métalliques à proximité est définie lors de la conception du système de protection : c’est le concept de la distance de séparation. Jusqu’à récemment on imaginait qu’une installation de protec- tion foudre constituée d’un paratonnerre et de quelques parafoudres garantissait une protection satisfaisante. Ce n’est pas toujours le cas. Cette vision simpliste est ba- sée essentiellement en France sur le fait que le nombre de chocs de foudre, notamment d’amplitude élevée, reste faible sur une installation donnée. De nombreux exemples dans les pays très foudroyés, situés en Afrique ou en Asie, montrent qu’une installation de protection foudre doit respecter des règles très précises. Pour cela il est nécessaire de prendre en compte les courants les plus élevés retenus dans l’ARF. Ceci a conduit au déve- loppement des systèmes de protection foudre isolés qui garantissent que la foudre entrée par le paratonnerre ne passera nulle part ailleurs dans la structure que dans la prise de terre dédiée. Ceci implique également des exi- gences très sévères pour des composants aussi simples que des connecteurs ou des fixations. Une fixation qui lâche, un conducteur qui se sectionne et des dommages importants peuvent se produire dans la structure. La prise de terre foudre a également son importance pour l’efficacité de la capture, pour limiter la tension de pas et LES GRANDS DOSSIERS Introduction Protection contre la foudre : état de l’art et perspectives Alain Rousseau Président du club Foudre de la SEE REE N°3/2017 Z 43 Introduction LES GRANDS DOSSIERS de contact qui provoquent l’électrisation des personnes et influence le dimensionnement des parafoudres de type 1. Enfin, l’équipotentialité par conducteur et para- foudre est la garantie d’une protection efficace en ce qui concerne les plus gros dommages. Elle est indispensable lorsque la distance de séparation ne peut être respectée. Protection des équipements Les protections internes sont devenues plus efficaces notamment grâce à la combinaison de plusieurs solutions incluant des parafoudres de type 2 qui limitent les sur- tensions au niveau des équipements, le blindage de la structure, des équipements ou du câblage, la ségrégation des câbles et la diminution de la surface des boucles pour ne citer que les principales. C’est surtout dans le domaine des parafoudres que les progrès ont été les plus notables. La longueur maximale de câblage est devenue une règle connue de tous les spécialistes sous le nom de règle des 50 centimètres. Cette règle est contraignante mais est fondamentale pour assurer l’efficacité des parafoudres et de nombreuses méthodes existent pour la rendre appli- cable en pratique (conducteurs spéciaux avec inductance faible, utilisation de l’enveloppe métallique des tableaux, borne de terre intermédiaire, parafoudre avec un meilleur niveau de protection que demandé…). Cette règle est fon- damentale pour le parafoudre situé en tête d’installation dont l’objectif est de bloquer la plus grosse partie de la surtension. Par contre après une certaine distance (géné- ralement 10 m de câblage parfois moins) la protection of- ferte par le parafoudre de tête devient médiocre ou même inexistante. Il faut donc d’autres parafoudres, dits de type 2, dans l’installation pour protéger les équipements listés par l’ARF. Les parafoudres type 1 et type 2 doivent tra- vailler ensemble de manière coordonnée. Ils doivent se partager l’énergie de l’onde de foudre et assurer un niveau de protection (un niveau de surtension résiduel) optimal au niveau des matériels les plus sensibles. C’est la tech- nique de la coordination. L’application de ces deux règles est la solution pour obtenir un système de protection inté- rieur efficace à condition de prendre en compte toutes les sources de dommages (choc de foudre direct, induit, sur- tensions atmosphériques). Quels sont les points marquants de la protection foudre actuelle ? Quelles sont les évolutions attendues ? L’observation des événements comme l’ont fait les pionniers de la protection et la recherche sur le sujet font l’objet de nombreuses publications dans les conférences scientifiques internationales. Il s’avère que les solutions de protection progressent et leur fiabilité s’accroît. Il reste cependant des pistes de progrès à suivre notamment pour tenir compte du retour d’expérience. La connaissance du phénomène foudre est évidem- ment à la base de toutes les recherches pour s’en pro- téger. Dans ce domaine, les études sont multiples et l’article de Christian Bouquegneau présente un panora- ma des connaissances actuelles et des sujets qui restent encore à explorer. L’analyse du risque foudre (ARF), première pierre de l’édifice de protection, est un outil adapté aux structures complexes. Pour les structures simples (habitat, petit ter- tiaire…), le choix d’un niveau de protection moyen par dé- faut peut suffire. La normalisation, notamment française, s’oriente dans ce sens avec une future norme sur la protec- tion de l’habitat. Pour les structures complexes, il faut une méthode complète et précise. L’ARF est parfois décriée par certains qui continuent de définir des protections selon leur expérience personnelle. Il est vrai que la méthode est complexe car les phénomènes foudre sont complexes mails elle a démontré son efficacité. Elle peut encore être améliorée avec par exemple une meilleure estimation de la densité de foudroiement grâce à des réseaux de détection foudre performants ou par une prise en compte des par- ticularités du site. En effet, la répartition locale des ampli- tudes des courants de foudre peut être évaluée par certains réseaux de détection. L’article de Stéphane Pédeboy, Marc Bonnet et Stéphane Schmitt est très complet sur l’évolu- tion des réseaux de détection, leurs capacités actuelles et futures. C’est sans doute un des meilleurs axes de déve- loppement que de mieux connaître la foudre au niveau local. La détection des orages permet aussi de prévenir les personnes situées à l’extérieur d’un danger imminent ou même dans l’industrie de stopper ou retarder une opéra- tion dangereuse. L’amélioration de l’ARF portera aussi sur la prise en compte de l’efficacité des parafoudres ou des courants de foudre non normalisés. L’article de Vincent Rogez et Anthony Bergot donne un panorama de ce qu’on peut attendre de cette méthode et comment l’adap- ter aux installations les plus sensibles ou complexes. Dans le domaine de la protection contre les chocs de foudre directs, les progrès sont assez lents et on utilise encore des paratonnerres peu différents de ceux de Ben- jamin Franklin. C’est surtout sur leur mise en œuvre et sur les modèles de protection que les progrès sont atten- dus. Les systèmes de protection foudre isolés devraient se généraliser car ils sont seuls capables de maîtriser la circulation du courant de foudre dans une structure. L’article de Régis Reeb présente l’intérêt des systèmes isolés tant pour la structure que pour les équipements 44 Z REE N°3/2017 La foudre – Phénoménologie Christian Bouquegneau ................................................................................................................................................p. 45 Les réseaux de localisation des éclairs et leurs applications 30 ans de surveillance des orages Stéphane Pédeboy, Marc Bonnet, Stéphane Schmitt .........................................................................................p. 52 Analyse du risque foudre. Etat de l’art et nouveautés Anthony Bergot, Vincent Rogez ............................................................................................................................. p. 59 La foudre en France : enjeux et solutions Elysabeth Benali, Michael Troubat ......................................................................................................................... p. 66 Nouveaux concepts de protection contre la foudre Régis Reeb .......................................................................................................................................................................... p. 74 Les parafoudres pour les nouveaux marchés du XXIe siècle Christian Macanda ....................................................................................................................................................... p. 80 LES ARTICLES LES GRANDS DOSSIERS Introduction et montre que la technologie nécessaire pour contenir la foudre dans un câble dédié est complexe et néces- site de nombreux essais de validation. Par ailleurs, on commence à voir apparaître des modèles de protection foudre optimisés qui permettent de mieux positionner les éléments de capture. Dans le domaine des parafoudres, les progrès sont plus rapides pour suivre les évolutions des technologies à protéger. Ainsi des parafoudres adaptés pour les instal- lations photovoltaïques ou l’éolien ont vu le jour : l’article de Christian Macanda présente les besoins actuels et attendus par les nouvelles technologies qui sont de plus en plus sensibles aux surtensions. Il est à noter que la France a une position forte dans le domaine de l’étude de la foudre, de la détec- tion des orages et de la protec- tion contre la foudre malgré un foudroiement qui n’est pas le plus élevé du monde. Une des raisons est sûrement liée aux exigences de qualification en France pour les acteurs de la foudre grâce au réfé- rentiel Qualifoudre de l’INERIS qui pousse cette activité vers de plus en plus de professionnalisme. La SEE a également joué son rôle dans cette évolution car ce référentiel est basé sur les travaux du club Foudre de la SEE. L’article d’Elysabeth Benali et Michael Troubat présente ainsi let panorama de la foudre en France avec son cadre réglementaire et quelques réalisations spécifiques ainsi que plus généra- lement les évolutions attendues de la protection foudre dans le monde. En conclusion, les technologies de détection des im- pacts de la foudre et de protection foudre continuent de progresser en suivant les besoins observés sur le terrain et les évolutions technologiques tant des systèmes à pro- téger que des systèmes de protection. L’exigence primor- diale des utilisateurs est aujourd’hui d’être informés à l’avance et de façon fiable de l’arrivée prochaine d’un évè- nement foudre pour protéger en priorité les personnes. En ce qui concerne les structures et les équipements, l’exigence est l’efficacité et ceci d’autant plus qu’un système de protection foudre peut coûter rela- tivement cher dès lors qu’il n’est pas prévu à la conception. Le sys- tème de protection foudre doit être optimisé lors de son design, ins- tallé en application des exigences les plus sévères, contrôlé avant sa réception et de façon périodique. Le niveau de performance des systèmes de protection foudre est encore aujourd’hui trop qualitatif. Des progrès doivent encore être faits pour quantifier l’efficacité des systèmes de protection, ce qui est nécessaire pour valider sur le ter- rain les conclusions de l’ARF. Une fois que cette dernière phase sera atteinte, on pourra considérer que la protection foudre est mature. Q ALAIN ROUSSEAU a débuté sa carrière à EDF comme ingénieur chercheur. Puis il a tra- vaillé comme installateur puis producteur de systèmes de protection foudre dans des sociétés internationales avant de rejoindre en 2000 SEFTIM bureau d’étude foudre et CEM, société indépendante dont il est le président. Il a poursuivi ses travaux de recherche sur la protection contre la foudre avec de nombreuses publications interna- tionales. Il préside le comité scientifique et technique de l’Association Protection Foudre (APF)dédié à la protection des per-rr sonnes, les commissions de normalisation parafoudre et protection foudre de l’AFNOR ainsi que la commission de normalisation parafoudre de l’IEC. Alain Rousseau est diplômé de l’école Cen- trale de Lyon et titulaire d’un DEA d’électro- technique. Il est membre émérite du CIGRE et président du club Foudre de la SEE.