La foudre en France: enjeux et solutions

17/07/2017
Publication REE REE 2017-3 Dossier La foudre
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2017-3:19460
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2017-3/19460You do not have permission to access embedded form.
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La foudre en France: enjeux et solutions

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66 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 Introduction La foudre est un phénomène étudié depuis l’origine de l’homme sur Terre et les premières solutions pour s’en proté- ger sont apparues il y a plus de 200 ans maintenant. La foudre est en fait le phénomène le plus fréquent et le plus étudié de notre planète mais, malgré cela, nous ne sa- vons que très peu à son sujet. L’étude de la foudre nous renvoie vers les frontières de nos sciences actuelles. C’est une force destructrice mais qui est indispensable à la vie sur Terre. Elle fait en effet partie de l’équilibre électrique et électrostatique de la planète. Plus les années passent et plus les découvertes sur la foudre sont mystérieuses et étonnantes. Il faudra en- core de nombreuses années avant que ce phénomène ne soit véritablement compris et que tous les mystères de la foudre ne soient levés. Pour répondre à ces problématiques, les professionnels de la foudre se sont structurés et mettent leur expertise au service des personnes et des biens de façon à assurer leur protection. Néanmoins, il est important de rappeler que le risque zéro n’existe pas. La foudre et son histoire ancienne Bref historique Depuis la nuit des temps, l’électri- cité a toujours été présente. Elle s’est donc souvent manifestée auprès des hommes sous diverses formes comme par exemple les éclairs. La foudre a natu- rellement attiré et fasciné les hommes, car pendant la préhistoire, elle apportait aux hommes de la lumière et de la cha- leur bien avant qu’ils ne sachent fabri- quer par eux-mêmes du feu. Durant l’Antiquité, les hommes ont at- tribué le pouvoir de la foudre à leurs divini- tés les plus respectées comme Zeus pour les Grecs ou Thor pour les Scandinaves. Au Moyen Âge, les orages et diffé- rents phénomènes complémentaires étaient interprétés comme des mani- festations divines. Par exemple « les feux de Saint-Elme » (lumières bleutées apparaissant autour d’un objet), phé- nomènes précurseurs d’un orage, intri- guaient et effrayaient les hommes de l’époque. Ce nom vient d’une croyance très répandue parmi les marins qui voyaient dans ces feux un signe de la protection de Saint-Elme. La nature électrique de la foudre fut découverte au XVIIIe siècle. Cette décou- verte fut l’objet d’une grande controverse scientifique entre le Français, l’abbé Nollet, et l’Américain, Benjamin Franklin. L’abbé Nollet est le premier à avoir fait le rapprochement entre la foudre et l’électricité en 1748 alors que Benjamin Franklin et sa fameuse expérience du cerf-volant datent de 1752. L’histoire raconte que Benjamin Franklin atta- cha une clef à son cerf-volant lors d’un orage. De nombreuses étincelles se pro- duisirent lorsqu’un éclair frappa la clef. Franklin fit alors le lien entre la foudre et l’électricité. Il est considéré aujourd’hui que cette expérience n’a jamais eu lieu car Franklin n’y aurait pas survécu. Il n’y pas eu de découverte majeure sur la foudre avant la deuxième partie du XXe siècle car les scientifiques ne disposaient pas encore d’instruments détaillés pour l’étudier précisément. Statistiques de foudroiement Sur Terre, nous recensons environ 20 millions d’orages par an (soit 55 000 par jour). Ils sont moins fréquents aux lati- tudes septentrionales. La majorité de l’ac- La foudre en France : enjeux et solutions Elysabeth Benali1 , Michael Troubat2 Présidente de France Paratonnerres, Présidente de la division D84 du GIMELEC 1 , Responsable R&D de France Paratonnerres2 This paper discusses the risks and challenges connected to the lightning phenomenon and proposes solutions for protection. After a brief history of the lightning and the associated risks, the paper describes the various systems of protection available and discusses the various laboratory or in situ tests available to validate their proper functioning. Then these Lightning Protection Systems are compared with standards and regulations in force in France. Some typical lightning protection installations set up on sites around the world are briefly described. Finally, in view of global warming and depletion of raw material resources, a reflection on future developments of lightning protection is proposed. ABSTRACT Cet article traite des risques et enjeux liés à la foudre et propose des solutions de protection. Après un bref historique de la foudre et des risques asso- ciés, l’article aborde les différents systèmes de protection à disposition et évoque les différents tests en laboratoire ou in situ disponibles pour valider leur bon fonctionnement. Par la suite, ces systèmes de protection foudre sont rappro- chés des normes les encadrant et de la réglementation en vigueur en France. Quelques installations de protections foudre originales mises en place sur des sites à travers le monde sont briè- vement décrites. Pour terminer, compte tenu du réchauffement climatique et de l’épuisement des ressources de matières premières, une réflexion sur les évolutions à venir de la protection foudre est proposée. RÉSUMÉ REE N°3/2017 Z 67 La foudre en France : enjeux et solutions tivité foudre se situe entre les tropiques. À chaque instant, 100 coups de foudre frappent la Terre, soit un total annuel mon- dial de 32 millions de coups de foudre. En France par exemple, on enregistre en moyenne environ 500 000 éclairs nuage-sol par an. Les mois de plus grande activité sont les mois d’été. Cette période estivale représente habituelle- ment plus de la moitié du foudroiement annuel. L’activité suit une courbe gaus- sienne le long d’une année (figure 1). Typologies d’impact foudre Un impact de foudre peut se localiser à plusieurs endroits différents (figure 2) : Effets de la foudre En fonction de la localisation de l’im- pact (source), les effets de la foudre sont variables et engendrent des consé- quences différentes (figure 2). Impact sur une structure (S1) effets mécaniques induits lors d’un impact foudre (déformations, arrache- effets thermiques (ou effet Joule) engendrant au point d’impact la fu- sion, voire la destruction par explosion des matériaux, ou encore des départs d’incendie. Impact à proximité d’une structure (S2) surtensions induites par le rayon- nement électromagnétique du cou- rant de foudre sur tous les éléments métalliques proches. Des surtensions apparaissent ainsi sur tous les équipe- ments qui leur sont reliés (les effets sont proportionnels à la puissance et à montées en potentiel de la terre de l’installation, au moment de la disper- sion du courant dans le sol, provo- quant des différences de potentiels destructrices entre les masses des équipements et les réseaux auxquels tensions de pas1 pouvant provoquer sur les personnes ou les animaux, des brûlures ou des arrêts respiratoires et cardiaques lors de la dispersion du courant de foudre dans le sol. Impact sur un service (S3) surtensions conduites lors d’un coup de foudre direct sur une ligne électrique ou un pylône. Le courant se propage et atteint toutes les installations dis- 1 La tension de pas est la tension générée lors d’un impact de foudre entre deux points du sol séparés d’une distance appelée « pas » (par exemple entre les deux pieds d’une per- sonne). tribuées par ligne, même localisées à plusieurs kilomètres du point d’impact. Impact à proximité d’un service (S4) surtensions induites (voir précédem- tensions de pas (voir précédem- ment). Dégâts et couts engendrés En France, le coût annuel des dom- mages causés par la foudre se chiffrent en milliards d’euros : par an : - 90 % survivent (90 fulgurés) dont 70 % ont des problèmes médicaux - 30 % souffrent de confusion mentale. Chaque année plusieurs cas de fou- droiement sur des personnes sont à déplorer. Bien que commun, l’orage reste un phénomène météorologique violent capable d’engendrer des dégâts considérables et de porter atteinte à l’intégrité physique des êtres humains. Figure 1: Répartition annuelle de l’activité foudre. Figure 2 : Différentes localisations possibles des impacts de foudre. 68 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 On rappelle, que par temps d’orage, la mise à l’abri dans un local en dur reste la mesure la plus efficace et le meilleur réflexe. En effet, la foudre cherche le chemin le plus facile pour atteindre le sol. Le courant peut alors se propager dans le sol jusqu’à 20 à 30 m autour du point d’impact. Une personne à proximité d’un objet frappé par la foudre peut ainsi être blessée ou tuée. Une étude réalisée en 2008 [1] in- dique que la 20e cause de mortalité (1 sur 81 701) est d’être frappé par la foudre. Une statistique américaine portant sur la période 1950-1990 fait apparaître que 40 % des foudroiements ont lieu en terrain découvert dont : En complément d’information, il est à préciser que le site le plus impacté de la planète est le lac Maracaibo au Venezuela avec au moins 297 jours d’orage par an (figure 3). Ce point est confirmé par une étude américaine [2] menée en 2016. Les différents systèmes de protection La protection contre la foudre est soumise à une réglementation impor- tante au travers d’arrêtés, décrets et circulaires ministérielles, qui s’appuient notamment sur les textes de normali- sation. En France par exemple, les profes- sionnels de la protection contre la foudre sont réunis au sein d’une représentation des acteurs de la filière industrielle, le syndicat GIMELEC (www.paratonnerre- pda.com) qui est l’organe privilégié dans le dialogue avec les instances règlemen- taires et normatives (Afnor, Ineris…). A titre d’information, nous donnons ci- après une liste non exhaustive des tech- niques courantes de protection contre la foudre. Systèmes paratonnerres (protection des bâtiments) Le paratonnerre situé sur le som- met d’un bâtiment permet de capter la foudre, de la canaliser et d’évacuer l’éner- gie vers la terre. On distingue quatre prin- cipaux types de paratonnerres (figure 4): a) paratonnerres à tige simple (PTS) : tige métallique placée en partie su- écoulée vers la terre le long d’une b) paratonnerres à dispositif d’amorçage (PDA) : paratonnerre moderne qui dans les mêmes conditions qu’un paratonnerre à tige simple, va géné- rer un traceur ascendant précoce permettant de capter la foudre plus haut et ainsi protéger sur une plus c) paratonnerres à cages maillées : dis- positif consistant à réaliser un mail- lage autour du volume du bâtiment. Les conducteurs peuvent être équi- pés de pointes courtes sur les par- ties situées au sommet du bâtiment. Chaque conducteur de descente est d) paratonnerres à fils tendus : systèmes constitués d'un ou plusieurs fils conducteurs tendus au-dessus des installations à protéger. Cette méthode est utilisée en particulier pour la protection des lignes à haute tension des réseaux électriques. Figure 3 : Orage sur le lac Maracaïbo (Vénézuela). Figure 4 : Différents types de systèmes paratonnerres. REE N°3/2017 Z 69 La foudre en France : enjeux et solutions La prise de terre permet dans le cadre d’un maillage des masses de fixer un potentiel invariable des appareils ou des éléments conducteurs, d’une manière générale d’écouler à la terre l’énergie. Système parafoudres (protection des réseaux internes) La condition nécessaire à l’obtention d’une bonne protection contre la foudre est l’équipotentialité, qui est un moyen fiable pour éviter les amorçages ou les destructions de matériels. Pour cela il est nécessaire de procéder à un maillage des masses, toutes les structures métalliques étant interconnectées grâce à ce maillage. Cheminement des câbles : sépara- tion des câbles protégés de ceux qui ne le sont pas. Réduction des surfaces de boucle : malgré une bonne équipotentialité, il subsiste un risque de surtension du fait des champs magnétiques qui induisent des tensions dans toute boucle de conducteur électrique. Le regroupement des équipements sensibles a son intérêt dans la gestion du risque. Parafoudres : leur rôle est de limiter les surtensions transitoires à des valeurs non dangereuses pour le matériel et d’évacuer les courants de décharge vers la terre. Protection associée aux risques de surtensions amenées par les réseaux externes Les réseaux externes conducteurs ne véhiculant pas de l’énergie (tuyaute- ries métalliques) doivent être reliés au réseau de masse afin d’éviter les risques liés aux différences de potentiel. Un retour d’expérience mondial Expérimentations en laboratoire Le développement des systèmes de protection foudre est validé par de nom- breuses expérimentations en laboratoire. Bien qu’il soit impossible de reproduire à l’identique l’ensemble du phénomène foudre, la combinaison de plusieurs labo- ratoires, de plusieurs générateurs et de différents modes opératoires permet d’approcher le phénomène et ainsi de soumettre les produits de protection aux contraintes de la foudre. Ces expérimentations sont réalisées à l’aide : simuler le vent, les vibrations, la pluie, etc. Les progrès de la science permettent de proposer des équipements de plus en plus puissants et adaptés à la repro- duction du phénomène foudre. Les tests ainsi menés sont de plus en plus perti- nents et leur éventuelle remise en cause du fait qu'ils seraient trop éloignés de la réalité du phénomène foudre n'est plus justifiée. Tests in situ Les professionnels de la foudre ont depuis de nombreuses années mis en place des tests in situ sur l’ensemble du globe. Ces tests permettent de confron- ter les paratonnerres à des sites exposés à la foudre dans diverses conditions cli- matiques et environnementales. La filière foudre française s’est même organisée de façon à proposer un proto- cole de test commun permettant de dé- montrer l’efficacité de sa technologie de produits. Plusieurs sites expérimentaux sont ainsi implantés à des endroits fortement impactés par les décharges nuage-sol. Les résultats obtenus de- vraient être publiés prochainement. La législation française La normalisation En France, la protection foudre est régie par différentes normes et guides. L’organisme officiel s’occupant de la nor- malisation est l’AFNOR. Les documents disponibles sont clas- sés selon différentes rubriques : exigences du matériel de protection règles de mise en œuvre des protec- Les normes d’analyses du risque sont au nombre de deux : la foudre (partie 2) : évaluation des risques. Les normes d’installation applicables en France sont au nombre de trois : contre la foudre à dispositif d’amor- foudre (partie 3) : dommages physiques basse tension. Les normes produits applicables pour les industriels concepteurs de solutions sont les suivantes : Quelques guides pratiques existent également permettant de décrire à l’aide d’exemples certaines normes d’installa- tion ou d’analyse de risque. Certifications et exigences La France a été parmi les premières nations dans le monde à structurer et imposer des exigences et un système de certification pour les professionnels de la foudre. C’est ainsi qu’en 2001, la certification Qualifoudre a été validée par le ministère chargé de l’environne- 70 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 ment au travers de la mise en œuvre d’un référentiel par l’INERIS. Cette certification a permis une pro- fessionnalisation du métier et permet de garantir une expertise et un savoir- faire des entreprises certifiées, sur la base d’un référentiel en maintenance continue. La réglementation française Divers arrêtés obligent à la mise en place de protections foudre ou la réa- lisation d’une étude de vulnérabilité du site. Les sites industriels classés ICPE (ins- tallations classées pour la protection de l’environnement), soumis à l’arrêté du 4 Octobre 2010 modifié, ont l’obligation de réaliser : - organisme indépendant. L’arrêté du 30 décembre 2011 concernant les immeubles de grande hauteur (IGH) impose la mise d’une protection par paratonnerre sur ce type de bâtiment. L’arrêté ERP (établissement recevant du public) du 21 juin 1980 modifié, impose la mise en place de protection paratonnerre sur certains sites : La circulaire interministérielle du 22 février 2016 confirme et clarifie ces dif- férents arrêtés, élargissant la prescrip- tion du PDA, et les rassemble en un seul document. Réalisations originales françaises En tant que leaders mondiaux dans la protection foudre, les produits fran- çais protègent de nombreux sites dans le monde. L’expertise et le savoir-faire français contribuent à la protection des biens et des personnes et cela dans des domaines très variés tels que : cléaires, installations photovoltaïques, châteaux, temples...). Il est à noter, que certains sites pro- tégés sont remarquables et que certains systèmes de protection mis en place sont originaux et en marge des installa- tions classiques. Tour Eiffel La Tour Eiffel est protégée contre les impacts de la foudre par un dispositif al- lant au-delà des exigences des normes. Il est tout d’abord composé de plu- sieurs types de paratonnerres : autour du 3e qui fait office de cage de Faraday. Trois feuillards en cuivre de section supérieure à 200 mm² (bien au-delà des exigences normatives) sont installés dans trois des quatre arêtes de la Tour. Ces feuillards font office de conducteurs de descente. Leur très bonne conductivité (m = 9,93 106 S/m) permet d’écouler la très grande majorité du courant à la terre. De plus, la structure et les conduc- teurs de descente sont reliés à quatre prises de terre au niveau des quatre piliers. Des liaisons équipotentielles re- lient les piliers entre eux et permettent ainsi d’éviter toute différence de poten- tiel et d’éventuelles remontées de terre parasites. Des parafoudres installés dans les différents TGBT viennent compléter la protection foudre. Une étude numérique [4] sur la Tour Eiffel, via un logiciel en différence finie (FDTD), a permis de confirmer que la pro- tection actuellement en place permet : - tique rayonné à l’intérieur de la Tour Eiffel. La cartographie de la figure 5 montre le champ magnétique au niveau du sol entre les quatre piliers de la tour. Pas de tir de Kourou Les pas de tir de fusées à Kourou sont protégés de la foudre par des systèmes Figure 5 : Cartographie magnétique de la Tour Eiffel. REE N°3/2017 Z 71 La foudre en France : enjeux et solutions de fils tendus [3] permettant de couvrir la fusée contre les impacts sans être un obstacle à son décollage. A Kourou le choix s’est porté sur quatre poteaux formant un carré d’environ 30 mètres de côté (figure 6). Les quatre poteaux sont reliés entre eux à leur sommet via un câble tendu en acier, métal choisi en raison de sa bonne rigidité. Afin de minimiser le champ magné- tique rayonné et ainsi préserver l’intégri- té du lanceur et l’électronique sensible présente sur le site, une attention parti- culière a été mise sur : de terre des pylônes. Un système de prises de terre maillé est mis en place au niveau du sol (figure 7) de façon à parfaitement diffuser les surtensions dans le sol et participer ainsi à la réduction et la maîtrise des champs rayonnés entre le pas des mailles du réseau de terre. Sites miniers au Pérou Les risques liés à la foudre dans une mine sont d’une part les tensions de contact auxquelles sont exposés les travailleurs, d’autre part le phénomène d’ignition du méthane, ou coup de gri- sou, qui peut provoquer une explosion. C’est pourquoi la protection foudre des mines requiert une prise en compte particulière des différences de poten- tiel pouvant être générées, ainsi que du chemin d’évacuation du courant de foudre (figure 8). Pour le design des protections, il faut tenir compte des points d’entrée possibles du courant de foudre dans la mine : (enveloppe des puits de forage par - tensions induites. La protection foudre des mines de cuivre d’Arequipa au Pérou est réalisée de façon à limiter les courants conduits et induits dans les puits de forage, dans les souterrains et en particulier dans les galeries d’extraction. Pour cela, la protection mise en place repose sur le positionnement des paraton- nerres, la zone d’écoulement du courant et le contrôle des différences de potentiel. L’ossature métallique de soutènement des galeries est reliée mais de façon indi- recte (via des éclateurs d’équipotentialité) aux réseaux des terres foudre. Navire câblier Le navire câblier Deep Pioneer est protégé contre les impacts directs de la foudre via un paratonnerre de type Figure 6 : Protection anti-foudre du pas de tir de Kourou. Figure 7 : Système de maillage des prises de terre et cartographie magnétique associée. Figure 8 : Protection foudre d’un site minier au Pérou. 72 Z REE N°3/2017 LA FOUDREDOSSIER 1 PDA installé sur la tour et relié à la quille métallique permettant d’évacuer le cou- rant dans l’eau (figure 9). Afin de loca- liser le courant majoritairement sur un chemin, un conducteur de descente en cuivre assure cette liaison. La différence de conductivité entre l’acier (m = 9,93 106 S/m) et le cuivre (m = 59,6 106 S/m) permet une répartion en pourcentage du courant de foudre de l’ordre de 80/20. Tendances et évolution de la protection foudre Impact du réchauffement climatique Des études récentes [5] prévoient une accentuation du phénomène foudre d’ici la fin du siècle. En effet, la fréquence des orages va augmenter en raison du réchauffement climatique. Ces orages feront plus de victimes et occasionneront davantage de dégâts ou de feux de forêt. Le réchauffement climatique implique une augmentation du taux de vapeur d’eau dans l’atmos- phère alimentant le mouvement des courants d’air chaud. L’augmentation de ces courants d’air chaud vers les masses d’air froides piégées dans les nuages va provoquer un accroisse- ment de la quantité de charges élec- triques dans les cumulo-nimbus. Les chercheurs ayant réalisé cette étude, estiment que pour un degré de ré- chauffement climatique, la Terre sera frappée par 12 % d’éclairs nuage-sol en plus. Il est ainsi estimé que d’ici la fin du siècle, il se produira environ 50 % d’éclairs en plus sur Terre. Épuisement des matières premières (quid des ressources ?) Les systèmes de protection foudre sont consommateurs d’énergies fossiles et de matières premières telles que le cuivre ou le fer. L’épuisement des res- sources doit amener les professionnels de la foudre et les exploitants de sites à protéger à privilégier des systèmes de protection écologiques et moins consommateurs en ressources. A ce jour, les systèmes de protection par PDA sont reconnus comme des systèmes plus res- pectueux de l’environnement car moins consommateurs de matières premières. Quel est le futur du phénomène foudre et comment y répond-on ? Le réchauffement climatique et l’épuisement des matières premières amènent à se poser de façon urgente la question fondamentale de la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) et donc du choix de la technolo- gie la moins carbonée, lorsque cela est possible. Si plusieurs solutions, comme men- tionné ci-dessus, sont envisageables, la technologie PDA recouvre une bonne majorité d’entre elles et s’inscrit dans le schéma de réduction des GES avec un niveau de création de gaz très faible. Les professionnels de la foudre qui n’ont pas déjà pris une orientation de poli- tique économe en énergies fossiles et en matières premières, vont devoir s’y pencher. De plus, le développement de nou- veaux produits ou systèmes de protec- Figure 9 : Protection anti-foudre d’un navire câblier. LES AUTEURS De formation Essec et Droit inter- national, conférencière à l’IHEDN et Conseillère nationale du commerce extérieur, au terme d’une expérience de 20 ans dans l’industrie technique, Elysabeth Bénali-Léonard est par ailleurs membre expert de l’UF 81 (thématique foudre) et présidente de France Paratonnerres. Membre du Groupe de travail sur le référen- tiel Qualifoudre, présidente de la Division D 84 au GIMELEC, coordon- nant le sujet stratégique foudre pour la filière industrielle française. Michael Troubat est docteur en électronique des hautes fréquences de l’université de Limoges. A la suite de son doctorat, il a réalisé une spécialisation postdoctorale dans la thématique de la foudre et en par- ticulier dans la protection. Il travaille actuellement chez France Paraton- nerres en tant que responsable R&D où il développe des produits inno- vants. Il est expert dans le domaine de la foudre et participe au sein des commissions normatives aux évolu- tions des normes de protection. Son expérience et son expertise lui per- mettent de solutionner des problé- matiques complexes de protection contre la foudre tout en adaptant la solution aux particularités. REE N°3/2017 Z 73 La foudre en France : enjeux et solutions tion foudre plus robustes semble être un enjeu en raison de l’accroissement annoncé du nombre d’éclairs nuage-sol dans les années à venir. Références [1] Etude annuelle (2010) du National Safety Council américain intitulée Injury Facts [2] R. I. Albrecht et al., Where Are the Lightning Hotspots on Earth, BAMS Journal, November 2016, pp. 2051- 2068. [3] F. Isaac et al., Space Launching Site Protection against Lightning Hazards, Journal Aerospacelab, Issue 5, December 2012. [4] M. Troubat and E. Perrin, From the importance of equipotentiality in a lightning protection system, 2nd ISLP, Aurillac, 10-11 Mai 2017. [5] D. M. Romps et al., Projected increase in lightning strikes in the United States due to global warming, Science 14 Nov 2014: Vol. 346, Issue 6211, pp. 851-854.