PROTECTION FOUDRE : LES CHOCS FOUDRES DIRECTS
Rappels des principes généraux de la protection foudre: paratonnerres et cages maillées

Une certitude :

Un choc de foudre va toujours à la terre et prend le chemin de moindre impédance.

Deux stratégies en protection foudre:

–  soit rendre le parcours entre l’objet à protéger de la foudre et la terre le plus impédant possible.

On se place alors dans une stratégie d’isolement vis à vis de la foudre,

–  soit faciliter le passage du chocs de foudre à la terre par un chemin très peu impédant mais qui contourne l’objet à protéger de la foudre.

On se place alors dans une stratégie d’écoulement de la foudre.

PROTECTION CONTRE LES CHOCS DE FOUDRE DIRECTS

Chocs de foudre directs et isolement vis à vis de la foudre

Problème : quels sont les moyens existants pour protection de bâtiment contre des chocs de foudre directs en utilisant uniquement la stratégie dite de l’isolement ?

-Isoler le bâtiment du sol : l’idée n’est pas évidente et cependant les maisons sur pilotis existent. Les matériaux utilisés pour séparer le corps du bâtiment et le sol doivent être isolants.

-On peut aussi imaginer n’utiliser que des matériaux isolants pour l’ensemble de la construction, du bois par exemple, on est alors en présence d’un chalet.

 Limites :

–  Mise à la terre par les réseaux (électrique, téléphoniques, etc…).

Solution : – Mesure du champ électrique (moulin à champ)

>>> si seuil prédéfinit atteint

>>> ouverture des circuits électriques

>>> démarrage groupe électrogène

– Disponibilité des matériaux ainsi que l’esthétique en fonction des régions.

– L’isolement obtenu est-il suffisant face à un choc de foudre ? Si oui, est-il toujours le même dans le temps ?

Chocs foudres directs et protection foudre par écoulement

Il s’agit ici de favoriser le passage du courant de foudre par un chemin qui le détourne du bâtiment à protéger de la foudre.

Paratonnerre

Un paratonnerre est un appareil qui sert non pas à éloigner la foudre mais au contraire à attirer la foudre  : sa présence augmente le risque de voir tomber la foudre sur le site qu’il doit protéger.

Principe de la protection foudre par paratonnerre :

disposer, verticalement, sur ou à proximité du bâtiment à qui est destinée la protection foudre, une structure conductrice (tige de métal) reliée au sol par un conducteur de faible impédance afin de faire tomber la foudre sur un endroit choisit et non pas n’importe où sur l’installation.

Pour favoriser la capture du courant de foudre, l’extrémité haute de la tige est soit, effilée soit, équipée de systèmes à impulsions soit, de systèmes à étincelage.

L’efficacité de ces systèmes de protection foudre tient à la présence d’une étincelle ou d’une impulsion juste au moment ou le traceur foudre descendant est dans le voisinage du paratonnerre.

Il est dans l’esprit de tout un chacun, qu’un volume conique virtuel, dit de couverture, assure la protection foudre foudre de tout ce qu’il englobe. La hauteur de cette protection serait déterminée, par la distance entre le sol et l’extrémité de la pointe du paratonnerre. Sa base, couvrirait, dans le cas d’une tige simple, une surface circulaire dont le rayon est égal à la hauteur. Les autres pointes offriraient une couverture au sol encore plus grande. La comparaison entre les différentes techniques de paratonnerre n’est pas facile à imaginer, car même dans les pays très exposés, la probabilité qu’un coup de foudre tombe sur un paratonnerre, est beaucoup trop faible (environ 1%) pour que des études comparatives puissent être menées.

Selon le modèle électromagnétique, aujourd’hui largement reconnu, la réalité de la protection foudre par paratonnerre serait assez différente. La zone de protection vis à vis de la foudre est en effet déterminée par une sphère de captation de la foudre dont le centre est l’extrémité du traceur et le rayon défini, de façon approchée, par la formule : R = 5 x I 2/3. Un coup de foudre moyen, 40 kA est donc capté par tout élément conducteur situé à environ 35 m de l’extrémité du traceur. Ce modèle indique que la zone de couverture (protection) ne dépend, ni la nature du paratonnerre ni de la hauteur à laquelle le paratonnerre est placé, mais seulement de l’intensité du choc de foudre.

Plus le coup de foudre est important, plus la zone protégée de la foudre est grande.

 Cage de Faraday

Une cage de Faraday est un volume constitué de parois métalliques à l’intérieur duquel on est à l’abri des effets directs d’une décharge (foudre par exemple). On n’imagine pas de placer, pour obtenir une baonne protection foudre, un bâtiment à l’intérieur d’une enveloppe métallique totalement fermée. Mais en appliquant à la cage de faraday le modèle électromagnétique, on s’aperçoit que l’enveloppe n’a pas besoin d’être complète pour capter puis écouler le courant de décharge de la foudre à la terre. Cercler la construction avec des conducteurs, de préférence plats, espacés tous les 10m permet une protection foudre du bâtiment pour tous les chocs foudres supérieurs à 3 kA, ce qui est nettement suffisant pour une protection complète vis à vis de la foudre.

Ce dispositif par la multiplicité des descentes à la terre favorise la répartition des courants et réduit ainsi les risques de montée en potentiel liés à l’écoulement en un seul point.

Le principe de la cage maillée est aussi utilisé pour la protection foudre des installations extérieures à des bâtiments. On parle alors de câbles de garde. Il s’agit de câbles tendus en l’air soutenus par des poteaux espacés de 10 à 15 m et reliés à un réseau de terre maillée.

La protection vis à vis de la foudre, de la fusée Ariane, celle du four solaire de Font Romeu, et des lignes H.T. sur les pylônes EDF, sont ainsi réalisées.

 Un réseau de terre correctement réalisé :

Voici la plus importante des précautions à observer, lorsque l’on utilise, pour protection foudre, la stratégie de l’écoulement. Les descentes de paratonnerre ou les feuillards des cages maillées doivent être aussi verticaux et droits que possible. On aura soin de respecter les rayons de courbure, section des descentes et autres règles d’installation définies par les normes. Dans les bâtiments à structure métallique, il est nécessaire d’établir une liaison entre les différents plans de masse des étages et les descentes des paratonnerres ou cages maillées, de façon à éviter les différences de potentiel (DDP) entre chaque plancher et la prise de terre.

Sans cette liaison la DDP, à 10 m de hauteur, sur un choc de 100 kA atteindrait environ : ΔU = Lω x di / dt ΔU =10 x 10-6 x 100 x103 / 10-6 ΔU = 1000 kV Ce résultat est à diviser par le nombre de descentes à la terre de la protection foudre.

Sans interconnexion du plan de masse de l’étage de façon directe avec les descentes, cette DDP est présente entre le plancher et la descente de protection foudre qui passe 20 ou 30 cm plus loin à l’extérieur du bâtiment. Le risque de claquage est alors important.