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Alain CHAROY - Forum de lélectronique 2006 - PARIS - Les PDA (paratonnerres à dispositif damorçage) et leur normalisation.

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2 Alain CHAROY - Forum de lélectronique PARIS - Les PDA (paratonnerres à dispositif damorçage) et leur normalisation

3 Historique du paratonnerre Le modèle électrogéométrique La norme NF C Retours dexpériences Conclusions

4 Lhérédité du paratonnerre… Jallabert(à Genève) observa en 1748 le « pouvoir des pointes ». Il mena des expériences délectricité statique avec labbé Nollet. Dalibard (en fait le menuisier Coiffier et le curé Raulet), à Marly-le-Roi, avec une barre de fer, prouva la nature électrique des orages, le 10 mai Delor, avec un « magasin délectricité », perfectionna cette expérience que Lemonnier confirma le 7 juin Lidée du cerf-volant électrique, émise en ao û t 1752 par Romas, fut mise en œ uvre à Nérac le 7 juin Benjamin Franklin, à Philadelphie, en septembre 1752 expérimenta un cerf-volant (isolant !). Il commercialisa des paratonnerres à tige simple dits « pointes de Franklin » en pr é tendant qu un paratonnerre « d é charge les nuages à partir du sol » (mais le courant extrait d une pointe est 1 amp è re). Richmann mourut foudroy é à Saint-P é tersbourg, le 6 ao û t Les paratonnerres radioactifs sont interdits en France depuis 23/10/1983. D é sormais on installe souvent des « paratonnerres à dispositif d amor ç age », dits « PDA » ou « actifs » à la place des paratonnerres à tige simples (PTS).

5 Lesthétique dun PDA est très étudiée…

6 Les rôles dun « bon » paratonnerre Intercepter le courant de foudre avec une aussi grande probabilité que possible. Écouler ce courant au sol sans rien perturber (personnes, bâtiment, mat é riaux et syst è mes). Quel que soit le type de paratonnerre: - Il névite pas le tonnerre ! - Il ne repousse pas la foudre ! - Il ne modifie pas la forme de son courant ! - Lénergie dun choc (10 9 à J) est principalement rayonnée. - Linduction magnétique pose un sérieux problème de CEM (U > 100 V/m 2 ). - La descente du courant est critique (avec amorçage inévitable aux fers à béton). - Une « bonne terre » (R faible) réduit lénergie dissipée dans le sol (W = R. I 2 dt).

7 Le principe de lavance à lamorçage Le champ électrique cro î t rapidement à l approche d un traceur descendant au parcours al é atoire (charges d espace). Dans la comp é tition entre plusieurs traceurs ascendants, celui issu d un « bon » paratonnerre doit arriver en tête. Le but d un PDA est d ioniser l air avec assez d avance par rapport aux autres traceurs. Cette avance, en µ s, se mesure en labo par comparaison / PTS dans des conditions mal normalis é es : - Distance pointe - plateau d é finie ( 1 m, par exemple 3 m) - Distance plateau - sol d é finie ( 2 m, par exemple 5 m) - Amplitude du champ statique d é finie (de 10 à 25 kV/m, par exemple 20 kV/m) - Temps de mont é e d é fini (de 100 µ s à 1 ms, par exemple 100 µ s) - Pente de champ d é finie (de à Vm -1 s -1, par exemple Vm -1 s -1 ) - Avec ces valeurs, l avance à l amor ç age est faible (< 30 µ s) donc on « corrige »

8 Augmentation de lavance à lamorçage… Une « déduction » de lavance à lallumage sobtient par projection graphique des moyennes mesurées (avec le PTS et le PDA) sur une « onde de référence » ayant un de temps de montée T M de… 650 µs ! Nous navons trouvé nulle part la justification de la constante de temps de référence T M de 650 µs… TMTM

9 Problèmes des mesure davance à lamorçage Des grandeurs sont à spécifier, mais ne sont pas imposées : - Choix du PTS de référence. - Polarisation continue (très sensible). - La pression atmosph é rique. - La temp é rature. - L humidit é absolue (la physique d un traceur n é gatif change vers 8 g/m 3 ). - Le nombre de chocs (la dispersion des r é sultats de mesures est toujours grande). - L extrapolation d un temps à une distance pose probl è me (Vitesse inconstante). Les conditions en labo diffèrent beaucoup de la réalité : - Poussières et charges despace (le champ E réel nest ni vertical, ni homogène). - Vent, surfaces mouill é es, pollution, etc (beaucoup de PDA marchent mieux à sec). - Distances en labo très inférieures au traceur réel (H < rayon électrogéométrique).

10 Historique du paratonnerre Le modèle électrogéométrique La norme NF C Retours dexpériences Conclusions

11 Modèle électrogéométrique et sa « sphère fictive » R R = 10 I kA 2/3 Centre mobile aléatoire Lieux probables des coups de foudre ( R = 20, 30, 45 ou 60 m, selon le niveau de protection choisi )

12 Les limites du modèle électrogéométrique Ce modèle ne peut pas être valid é en labo (R trop grand). Le modèle de la sphère fictive reste statistique. Ses prédictions sont aléatoires (intervalle de confiance ?). Il est invalide pour les chocs positifs (soit 10% des coups). Un choc positif (de courant élevé) peut se glisser au sein des « réilluminations » dun choc négatif (donc avec R petit). Il ne différencie pas un PDA dun PTS, mais il est le modèle scientifiques le plus sérieux à ce jour. Les progrès récents de ce modèle ne le remettent pas fondamentalement en cause.

13 Conséquence du modèle électrogéométrique Un modèle mathématique prédit quune sphère fictive touchera à coup s û r le paratonnerre si elle sapproche dans une « parabolo ï de » ouverte vers le haut.

14 Historique du paratonnerre Le modèle électrogéométrique La norme NF C Retours dexpériences Conclusions

15 Les textes réglementaires français : La circulaire n° du 28 janvier 1993 précise, au paragraphe : Paratonnerres à dispositif d'amorçage, dit « actifs » : « Dans l'attente d'indications confirmées à ce sujet par un organisme habilité, il pourra être admis dans l'étude que ces dispositifs assurent une surprotection de l'installation sur laquelle ils sont mis en place. » La circulaire du 28 octobre 1996 concerne l'application de l'arrêté du 28 janvier 1993 relatif à la protection de certaines installations classées contre les effets de la foudre et la modification de sa circulaire n° du 28 janvier 1993 : - Protection contre les effets directs et indirects de la foudre. - Pas de différence entre PDA et PTS. Une référence: NFPA Lightning Protection Code - Edition 2004 Les USA ont refusé une norme sur les ESE (Early Streamer Emissions) Systems

16 La norme française NF C La norme NF C traite de la protection par PDA contre les coups de foudre directs des structures de hauteur inférieure à 60 m et des zones ouvertes. Elle définit 3 niveaux de protection (contre 4 pour la NF C ). Le PDA doit surplomber dau moins 2 m la zone quil protège. Elle comprend 57 pages

17 Le « calcul » de la distance de protection Un problème est que la norme postule que la vitesse de propagation du traceur positif ascendant est de 10 6 m/s (alors que les mesures montrent que la vitesse dun tel leader peut être 20 fois plus lente, avec une moyenne de m/s). Même une toute petite variation ( de ± 10% ) de la valeur normalis é e entra î ne une variation significative de la « zone prot é g é e » (ci-dessous, en m è tres): En prenant une avance à lamorçage nulle (pour un PTS), la NF C prédit un rayon de protection 1,4 fois supérieur à celui calculé par langle de la Si V 10 5 m/s, il ny a plus de différence entre un PDA et un PTS.

18 « Zone protégée » selon la norme NF C Par un modèle impossible à justifier, la parabolo ï de de capture ouverte vers le haut du mod è le é lectrog é om é trique est dessin é e invers é e vers le bas dans la norme fran ç aise sur les PDA ! Et le « volume de capture certaine » devient, dans la NF C , une « cloche de protection certaine » ! schéma de la norme schéma commercial

19 Historique du paratonnerre Le modèle électrogéométrique La norme NF-C Retours dexpériences Conclusions Retours dexpériences

20 Comparaison PTS / PDA Nous attendons encore les résultats de diverses études comparatives sur lefficacité de paratonnerres installés en situation réelle. Nous devons nous contenter de la comparaison de paratonnerres en labo et des récentes études à long terme du retour dexpérience sur site. Résultats de létude comparative de 3 PDA par Bryan, et al. (1999) : PTS (Franklin rod) PDA (ESE Device) Aucun Chocs Note: La protection foudre des sites à risques majeurs (explosifs) utilise soit des réseaux de fils tendus au-dessus des installations à protéger, soit une cage maillée autour de tout bâtiment sensible.

21 Cette cuve était protégée par six paratonnerres ! La foudre frappa un des 6 paratonnerres de ce réservoir de pétrole de m 3. La normalisation polonaise sur la mise en œuvre des paratonnerres reste perfectible (il ny avait quun seul câble de terre). Résultat dun choc de foudre le 5 mai 2002 près de Cracovie Résultat dun choc de foudre le 5 mai 2002 près de Cracovie

22 Protection dun bâtiment par de nombreux PDA Ce bâtiment en anneau de lESRF à Grenoble est dot é de huit PDA! Selon la le bâtiment est enti è rement sous leurs cloches de protection Ce bâtiment en anneau de lESRF à Grenoble est dot é de huit PDA! Selon la le bâtiment est enti è rement sous leurs cloches de protection PDA Antenne radio PDA

23 Un événement miraculeusement photographié ! Coup de foudre jeudi 13 juillet 2006 vers 19 heures Filmé par Jonathan HOWSE Linterlock général tomba, mais rien ne fut détruit

24 Que penser de la norme française sur les PDA ? A quoi bon installer des paratonnerres sur un bâtiment moderne ? Que penser des normes incompatibles (NF C / CEI ) ? Pourquoi des pays comparables créent-ils des normes contradictoires ? Combien de contre-exemples faut-il avant dabroger une norme erronée ? A quoi bon installer des paratonnerres sur un bâtiment moderne ? Que penser des normes incompatibles (NF C / CEI ) ? Pourquoi des pays comparables créent-ils des normes contradictoires ? Combien de contre-exemples faut-il avant dabroger une norme erronée ? Point de limpact

25 7 coups dans les cloches de 2 PDA Ce PDA est vendu pour un rayon de protection de 50 m Des preuves de la fausseté de la NF C Point dimpact PDA Gravats Dortoir foudroy é PDA à 20 m

26 Que penser des compteurs de coups de foudre ? Les effets dun coup sur un pylône … Lamplitude était-elle trop faible pour que ce coup soit compté ? Quaurait-on fait - ou su - de plus si le compteur avait fonctionné ? Quaurait-on fait - ou su - de moins sans compteur de coups de foudre ? Lamplitude était-elle trop faible pour que ce coup soit compté ? Quaurait-on fait - ou su - de plus si le compteur avait fonctionné ? Quaurait-on fait - ou su - de moins sans compteur de coups de foudre ? Son compteur après le choc ( conforme à lUTE C )

27 Un jugement intéressant aux USA Extrait de la norme NFPA 780 : In addition, the Council directed certain changes to the scope of the document in order to clarify that the document did not cover lightning protection installation requirements for early streamer emission systems or lightning dissipator array systems. Ainsi, aux USA, les PDA (ESE Systems) ne sont pas reconnus comme assurant une protection équivalente aux PTS. Le 7 octobre 2005, la Cour de Justice du District dARIZONA, opposant 3 plaignants, fabricants de PDA, à la NFPA et à 4 installateurs de protections foudre conventionnelles, donna raison à ces derniers et condamna les plaignants pour publicité mensongère (et à plus de $ damende). Si les PDA ne sont pas équivalents aux PTS, et si la justice statue quil est illégal daffirmer quils fonctionnent mieux, quen conclure?

28 Petit quiz avant de conclure… Photo de Kevin AMBROSE, le 1 er juillet 2005 PDA Gymnase dAlcobondas, foudroyé le 8 octobre 2005 Le modèle de la « cloche » cloche Un paratonnerre peut recevoir la foudre Une bonne norme doit prendre compte les réalités Aucun paratonnerre ne remplace une bonne assurance Le modèle de la « cloche » cloche Un paratonnerre peut recevoir la foudre Une bonne norme doit prendre compte les réalités Aucun paratonnerre ne remplace une bonne assurance VraiFaux

29 Historique du paratonnerre Le modèle électrogéométrique La norme NF-C Retours dexpériences Conclusions Conclusion

30 Il est possible de retenir… Un paratonnerre peut réduire certains risques de la foudre. Le modèle électrogéométrique sapplique à tout paratonnerre. Le modèle de « cloche à fromage » de la NF C est faux. La norme NF C sur les PDA mériterait dêtre abrog é e. Les bons PDA sont aussi robustes quun PTS. Un PDA économique est à peine plus co û teux quun PTS. Aucun paratonnerre nempire beaucoup les risques de la foudre. Aucun PDA na démontré de supériorité en terme de rayon de protection (seules de petites avances à lamorçage sont prouvées). La descente et son maillage importent plus que le type de pointe. Fils tendus et cages maill é es sont des solutions s û res. Veillons au (bon) choix et au (bon) montage des parafoudres !

31 Documents gratuits à télécharger sur la toile… Etude des Paratonnerres à Dispositif d'Amorçage Ministère de lAménagement du Territoire et de lEnvironnement. P. GRUET - Laboratoire d'Evaluation des Equipements Electriques Direction de la Certification. Octobre INERIS - DCE – f.doc - 88 Pages - Gentil, mais très bon ! La foudre – Risques et prévention Plaquette de 64 pages de la CRAM Rhône-Alpes. Juin SP site inrs.fr - 64 Pages - Très bon document général. Evaluation of Early Streamer Emission Air Terminals By Scott D. McIvor, Roy B. Carpenter, Jr., Mark M. Drabkin, Ph.D. Résumé de 10 Pages en anglais, avec importante bibliographie - Scientifiquement robuste. A Critical Review of Nonconventional Lightning Protection By M. A. Uman and V. A. Rakov - Uman&Rakov%20(2002).pdf - Article de 12 Pages en anglais, avec bonne bibliographie sur de la vitesse des leaders. acem_air_terminals.pdf : Étude à long terme, étayée par de nombreuses photos.


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