Strictement encadré par la normalisation, le mode de protection contre la foudre d’un bâtiment est choisi avant tout sur des critères financiers, hormis dans le cas de sites sensibles.
La protection dite « paratonnerre » des bâtiments contre les impacts directs de la foudre est assurée classiquement par la pointe métallique inventée au xviiie siècle par Benjamin Franklin. Une ou plusieurs tiges métalliques à pointes captatrices sont fixées en hauteur sur la toiture d’un bâtiment. Ces points d’impacts préférentiels de la foudre sont reliés à des écoulements de faible impédance, de préférence en cuivre, qui dissipent le courant de foudre dans le sol, par le biais de prises de terre adaptées.
Dès lors que le bâtiment est équipé d’un paratonnerre, il est obligatoire de protéger les armoires électriques des surtensions de très forte amplitude, par l’ajout de parafoudres, qui sont à distinguer des parasurtenseurs qui limitent la tension en basse fréquence.
Lors de l’arrivée d’une surtension en haute fréquence, le parafoudre raccordé à une prise de terre se transforme en court-circuit, limitant la différence de potentiel entre les différents circuits de l’installation. Pour les bâtiments de grandes dimensions (hôpitaux, universités, gros tertiaire, etc.), une seule tige simple avec son rayon de couverture inférieure à 20 m ne suffit plus. Les deux solutions les plus anciennes consistent soit à multiplier les pointes sur le pourtour de la toiture, en multipliant les descentes associées, soit à mailler l’extérieur du bâtiment avec une cage métallique, qui fonctionne sur le principe de la cage de Faraday. Plus récent et plus économique, il est possible de placer un Paratonnerre dit « à dispositif d’amorçage » (PDA), dont le rayon de protection varie suivant le niveau de protection recherché entre 70 et 120 m.
Un risque statistique
Les normes sont traditionnellement basées sur un modèle simplifié de la foudre qui part d’une sphère électrogéométrique fictive, dont le rayon est proportionnel à l’intensité de la charge électrostatique qu’il contient. À partir de la position d’une pointe de paratonnerre, cette méthode sert à calculer les hauteurs et les distances protégées d’un bâtiment, pour une valeur de risque probabiliste correspondant au niveau de protection recherché. L’intensité d’un coup de foudre peut atteindre de 100 à 300 kilos ampère. La méthode de la sphère fictive prend en considération le coup de foudre avec l’intensité la plus faible, celle à 3 kA, dont la sphère est évaluée à vingt mètres de rayon. La dangerosité de ce petit volume vient de sa plus grande facilité à passer à côté d’une protection. Les calculs ont aussi besoin de connaître le risque géographique qui était anciennement donné par le niveau kéraunique « Nk », défini par le nombre de jours d’orage par an dans une région. Cette mesure qui compilait des relevés effectués par des observateurs humains a été remplacée par la densité de foudroiement « Ng », qui indique le nombre d’impacts foudre par an et par kilomètre carré. Ces statistiques sont mesurées par le réseau français Météorage, composé d’une vingtaine de capteurs de type LS7001 du fabricant finlandais Vaisala, qui permettent de géolocaliser chaque impact de foudre par combinaison de triangulation et de différence de temps d’arrivée.
Tige simple ou active
Un Paratonnerre à tige simple (PTS) en inox ou en cuivre doit dépasser de deux mètres minimum les points hauts du bâtiment. Le nombre de pointes, leur hauteur, et leur emplacement sont ensuite fonction du bâtiment et du niveau de protection souhaités, définis par l’analyse du risque foudre. En atmosphère orageuse, lorsque l’air ambiant se charge en ions, la pointe s’ionise et émet naturellement un traceur ascendant qui va à la rencontre de la décharge descendante du nuage, créant un courant de foudre. En rendant proactive la tige du paratonnerre, les fabricants visent à augmenter le rayon de protection qui est inférieur à vingt mètres pour une tige simple. Un premier essai fut infructueux. En 1914, un brevet a été déposé afin d’ajouter une pastille radio- active (isotopes Radium-226 ou Americium-241) près de la tête de la tige. Ce dispositif, censé augmenter l’ionisation de l’air, n’a pas prouvé son efficacité. Les Parads (Paratonnerres radio- actifs) ont pourtant été commercialisés à plusieurs dizaines de milliers d’exemplaires des années 30 aux années 80, jusqu’à leur interdiction au 1er janvier 1987.
Les Paratonnerres à dispositif d’amorçage (PDA) (en anglais Early Streamer Emission, ESE) sont apparus au début des années 80 en particulier en France et en Espagne. Le PDA de type Pulsar a été breveté conjointement en 1985 par le CNRS et le fabricant Hélita du Groupe ABB. Les fabricants, au nombre d’une petite dizaine, ont chacun leur astuce, afin d’ioniser au mieux et au bon moment la pointe du paratonnerre. Lors de l’arrivée de l’orage, le PDA puise l’énergie nécessaire dans le champ magnétique ambiant pour générer l’impulsion haute tension et provoquer le départ d’une amorce[…]
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