Les systèmes de protection contre la foudre permettent de prévenir un aléa naturel générant un courant puissant de 2 à 200 kA, susceptible d'affecter tous les systèmes électroniques dans un rayon de 2 kilomètres autour du point d'impact. C'est pourquoi des systèmes de protection tels que les paratonnerres et les cages de Faraday sont conçus pour garantir la sécurité des bâtiments. De plus, ces systèmes protègent également contre les surtensions soudaines qui peuvent survenir en quelques microsecondes et qui, si elles ne sont pas maîtrisées, peuvent entraîner des pertes humaines et matérielles considérables.

Que sont les systèmes de protection contre la foudre ?

Les systèmes de protection contre la foudre constituent une solution d'ingénierie intégrée conçue pour protéger les installations et les structures des effets physiques et électriques de la foudre. Leur objectif principal est de prévenir les pertes humaines et matérielles en canalisant en toute sécurité l'énergie de la foudre vers la terre.

L'importance des systèmes de protection contre la foudre

Comparativement aux catastrophes naturelles telles que les incendies, les tremblements de terre et les inondations, la foudre et les surtensions sont plus fréquentes et causent donc des dégâts plus importants. C'est pourquoi il est primordial d'équiper chaque bâtiment et installation de systèmes de protection contre la foudre . Les éléments de commutation, les harmoniques et les chutes de tension engendrent des dommages économiques considérables, au même titre que la foudre elle-même. En particulier, en raison des caractéristiques du champ magnétique et de l'impulsion émise lors d'un impact de foudre, celle-ci peut pénétrer les installations par des lignes parallèles. Par conséquent, il est crucial d'isoler au maximum l'impulsion.

Il est essentiel que les systèmes de protection contre la foudre soient conçus et mis en œuvre par des ingénieurs experts. La moindre erreur lors de leur installation peut compromettre l'ensemble du projet. Par conséquent, les systèmes de protection contre la foudre et de mise à la terre doivent impérativement être installés par des entreprises spécialisées.

Aujourd'hui, de nombreuses activités sociales, telles que l'industrie, le commerce, les services et la santé, dépendent du bon fonctionnement des équipements électriques et électroniques. La cause la plus fréquente de défaillance des systèmes est la surtension soudaine, qui interrompt la transmission des données et endommage les équipements. Les mesures effectuées avant et après l'installation des systèmes de protection contre la foudre sont essentielles à leur bon fonctionnement. Les valeurs de résistance obtenues sont déterminées selon des normes spécifiques. L'objectif principal est de diriger la surtension de manière contrôlée. De plus, l'utilisation d'un éclateur est importante pour la sécurité des personnes et des systèmes électroniques.

Afin de prévenir les dommages causés aux équipements de plus en plus sensibles, la perte de données critiques et d'assurer la protection des installations face aux progrès technologiques, la mise en œuvre complète des quatre étapes fondamentales d'un système de protection contre la foudre est indispensable. Ces étapes sont les suivantes :

• Système de mise à la terre
• Système équipotentiel
• système de protection externe contre la foudre
• système de protection interne contre la foudre

Ces systèmes sont répertoriés de cette manière, et il est essentiel qu'ils fonctionnent ensemble de manière intégrée.

Systèmes de protection contre la foudre externes

Ils sont conçus pour capter et transmettre en toute sécurité les impacts de foudre au sol. Les systèmes les plus couramment utilisés sont les suivants :

Systèmes de protection contre la foudre

Les systèmes de protection contre la foudre se composent de trois éléments principaux :

• Paratonnerres (tiges) : Projections verticales conçues pour recevoir la décharge de la foudre. Ils sont généralement munis d’une sphère pointue, lisse et polie.
• Câbles conducteurs : Ce sont des structures robustes qui conduisent le courant de foudre du toit jusqu’au sol. Ils longent les bords de la toiture et sont reliés à la terre à un ou plusieurs angles sous la structure.
• Piquets de mise à la terre : Ce sont des tiges longues et épaisses encastrées dans la structure pour la mise à la terre. Des câbles conducteurs y sont raccordés pour la protection.

Application de la cage de Faraday

Les cages de Faraday sont privilégiées pour la protection des bâtiments de faible hauteur, notamment ceux qui ne sont pas entourés d'immeubles élevés ou de saillies importantes. Ce système combine la conception d'un maillage et une méthode permettant de créer un angle de protection.

Les principales caractéristiques du système sont les suivantes :

• La distance de vision varie entre 5 et 20 mètres, selon l'activité requise.
• La distance entre deux conducteurs de descente est ajustée entre 10 et 20 mètres, en fonction du niveau de protection.
• La majeure partie du courant de foudre est transmise par les conducteurs et les systèmes de mise à la terre les plus proches du point d'impact.

De plus, la structure de cage de Faraday réduit considérablement le champ électromagnétique à l'intérieur de celle-ci, protégeant ainsi les systèmes électroniques des effets magnétiques de la foudre. Enfin, la répartition des courants de foudre sur plusieurs conducteurs assure une protection plus fiable.

Il est essentiel que les systèmes de protection contre la foudre externes soient associés à une liaison équipotentielle et à un parafoudre basse tension pour fonctionner efficacement. Cette intégration renforce la capacité de protection du système et en assure la fiabilité.

Systèmes de protection interne contre la foudre

Un impact de foudre sur un système de protection externe peut absorber jusqu'à 50 % de l'énergie nécessaire pour garantir la sécurité électrique des bâtiments. C'est pourquoi les systèmes de protection interne sont indispensables. Ils protègent également les installations électriques et les appareils qui y sont connectés contre les surintensités et les surtensions soudaines. Ces systèmes sont composés de modules de protection de classe B, C et D.

Pour que tous ces systèmes fonctionnent efficacement, un système de mise à la terre conforme à la norme CEI 62305 est requis. Par conséquent, la résistance de mise à la terre doit être réduite à environ 5 ohms et le système doit être assuré par une liaison équipotentielle.

Protection contre les surtensions

Les systèmes de protection contre la foudre internes protègent les installations à l'intérieur d'un bâtiment contre les surtensions dues au couplage inductif-capacitif et aux différences de potentiel. En particulier, même un impact de foudre situé à 2 km d'un bâtiment peut produire le même effet.

Les systèmes de protection contre les surtensions sont classés comme suit :

• Classe B (Type 1) : Utilisés dans les panneaux d'entrée principaux, ces systèmes sont conçus pour limiter les effets des impacts de foudre à haute énergie.
• Classe C (Type 2) : Utilisés dans les sous-panneaux, ces systèmes protègent les équipements contre les surtensions survenant dans le réseau.
• Classe D (Type 3) : Développés pour la protection des appareils électroniques sensibles, ces systèmes assurent une protection directe à l'appareil lui-même.

Sécurité des appareils électroniques

Les systèmes de protection contre la foudre sont également essentiels à la protection des appareils électroniques. De nombreux composants utilisés aujourd'hui dans les secteurs commercial et industriel contiennent des circuits électroniques sensibles. Ils doivent donc être protégés contre les courants de 30 000 à 300 000 ampères générés lors des décharges de foudre.

Des modules spécialement conçus protègent les stations d'émission et de réception, notamment celles des systèmes de communication. De plus, dans les applications où la transmission du signal s'effectue par câble coaxial, comme les ordinateurs, les systèmes de traitement de données ou les systèmes vidéo, on privilégie les modules adaptateurs avec connecteurs de classe D afin de prévenir les dommages causés aux appareils par les surtensions provenant des lignes de signal.

De plus, les systèmes de protection contre les surtensions sont importants pour protéger les appareils électroniques domestiques. Ces systèmes offrent une protection contre les risques tels que les surtensions de courte durée, les harmoniques, les variations de tension (hausses et baisses) provenant du réseau électrique.

Il est important de noter qu'un système de protection externe contre la foudre ne suffit pas à lui seul. La foudre peut endommager tous les appareils dans un rayon de 2 km après un impact. Par conséquent, un système de protection contre les surtensions basse tension doit également être utilisé.  

Sélection des systèmes de protection contre la foudre

Il s'agit d'un processus d'ingénierie qui exige une planification rigoureuse tenant compte des caractéristiques et des facteurs de risque de la structure. Ce processus nécessite de prendre en considération les caractéristiques structurelles du bâtiment, les conditions géographiques et les coûts.

Systèmes selon les types de bâtiments

Les systèmes de protection contre la foudre varient selon le type de bâtiment. Les bâtiments abritant des matières explosives et inflammables, les théâtres, les écoles, les hôpitaux, les banques, les hôtels et les bâtiments publics nécessitent des systèmes de protection spécifiques. De plus, les installations critiques telles que les centrales électriques, les centres de distribution d'eau et les stations-service requièrent également des mesures de protection particulières.

Pour chaque bâtiment, il convient de sélectionner des systèmes conformes aux normes TS 622, TS IEC 61024 et au Règlement sur la protection incendie des bâtiments. De plus, des systèmes de protection contre la foudre, tant extérieurs qu'intérieurs, doivent être intégrés en fonction des résultats de l'analyse des risques du bâtiment.

L'influence des conditions géographiques

Les caractéristiques orageuses de la région jouent un rôle important dans le choix du système. Les données météorologiques et les conditions environnementales doivent être prises en compte lors de l'analyse des risques.

Effets des dégâts de foudre

Des millions de coups de foudre se produisent chaque année dans le monde, causant des dégâts considérables. Les effets de ces dégâts peuvent être analysés selon trois grands axes.

Risques pour la sécurité des personnes

La foudre peut avoir des conséquences mortelles pour la santé humaine. En cas de frappe directe, elle peut provoquer un arrêt respiratoire et un arrêt cardiaque. De plus, elle peut entraîner des brûlures graves, des lésions nerveuses et des séquelles neurologiques permanentes.

Dommages au système électronique

La foudre cause des dommages considérables aux systèmes électroniques. Plus précisément, un seul impact de foudre peut affecter tous les appareils électroniques dans un rayon de 2 km. Ces effets comprennent :

• Dommages aux alimentations électriques
• Les systèmes d'automatisation sont désactivés.
• Pannes survenant sur les lignes de communication et de données.
• Dysfonctionnements survenant dans les systèmes de caméras et de commutation.

pertes économiques

Les conséquences économiques des dégâts causés par la foudre sont considérables. Les dommages subis par les installations de production d'électricité, en particulier, entraînent les conséquences suivantes :

• Perte de revenus résultant d'un arrêt de production.
• Pertes dans les systèmes d'alimentation électrique sur site
• Défaillances des systèmes de données
• Dommages matériels causés au matériel de terrain.

De plus, la foudre présente des risques d'incendie et d'explosion, pouvant entraîner des pertes économiques importantes, notamment dans les installations contenant des matières inflammables et explosives. Par ailleurs, les effets du champ électromagnétique généré par la foudre peuvent causer des dommages indirects aux systèmes, dont le coût de réparation peut s'avérer très élevé.

Le rôle crucial de la mise à la terre dans les systèmes de protection contre la foudre

Il existe un lien étroit entre la mise à la terre et la protection contre la foudre pour la sécurité des installations électriques. Un système de mise à la terre protège les bâtiments et les équipements électroniques en réduisant les effets de la foudre.

Exigences de base en matière de mise à la terre

La mise à la terre de base est la méthode la plus fondamentale appliquée dans les installations où circulent des courants importants ; elle renforce l’effet d’égalisation du potentiel. Les exigences techniques suivantes ont été définies pour ce système :

• Utilisation de bande galvanisée (longueur minimale de 20 à 30 mètres)
• Le diamètre des tiges conductrices doit être compris entre 12,5 mm et 40 mm.
• La résistance à la terre doit être maintenue faible.

L'électrode de mise à la terre des fondations doit être constituée d'un anneau fermé et placée dans les fondations des murs extérieurs du bâtiment. De plus, dans les grands bâtiments, cette électrode doit être divisée en sections de 20 x 20 mètres.

Système de connexion équipotentielle

Le système de liaison équipotentielle assure la sécurité en empêchant les différences de potentiel pouvant survenir entre deux points quelconques de l'installation. Les points à raccorder à ce système sont les suivants :

• électrode de mise à la terre du système de communication
• fondations du bâtiment
• Tuyaux d'eau en matériau conducteur.
• système de chauffage central
• installation d'antenne
• Dispositifs de protection contre les surtensions

En particulier, toutes les pièces métalliques des structures à ossature métallique doivent être mises à la terre pour garantir une mise à la terre efficace. De plus, il convient de rappeler que les systèmes de mise à la terre peuvent se détériorer ou perdre en efficacité avec le temps.

L'utilisation d'une poudre réduisant la résistance de mise à la terre permet de maintenir la résistance obtenue tout au long de la durée de vie du système. Ce matériau constitue une solution idéale pour les sols à faible conductivité et améliore la résistance au gel d'environ 10 %.

Les systèmes de protection contre la foudre sont considérés comme indispensables dans les bâtiments modernes. Leur importance s'est accrue, notamment avec la généralisation et la précision croissante des systèmes électroniques. La conception et la mise en œuvre intégrées des systèmes de protection externe, interne, de mise à la terre et de liaison équipotentielle sont essentielles. Investir dans des systèmes de protection contre la foudre est crucial pour prévenir les pertes humaines et les dommages matériels. Il est donc impératif de consulter des ingénieurs spécialisés lors des phases de conception et d'installation, et de veiller à la maintenance et aux inspections régulières. De plus, les systèmes doivent être mis à jour en suivant les évolutions technologiques.

Foire aux questions

Pourquoi les systèmes de protection contre la foudre sont-ils importants ?

Les systèmes de protection contre la foudre sont essentiels pour prévenir les pertes humaines et les dégâts matériels. Ils garantissent la sécurité des bâtiments et de leurs occupants en prévenant les incendies, les coupures de courant et les dommages aux équipements électroniques qui peuvent être causés par la foudre.

Quels sont les composants de base des systèmes de protection contre la foudre ?

Les systèmes de protection contre la foudre se composent généralement de trois éléments principaux : un paratonnerre, un système de descente de courant et un système de mise à la terre. Ces éléments fonctionnent de concert pour acheminer l’énergie de la foudre vers le sol en toute sécurité.

Quelle est la différence entre un paratonnerre et une cage de Faraday ?

Un paratonnerre est une tige pointue, généralement placée au point le plus haut d'une structure, et destinée à capter la foudre en un seul point. Une cage de Faraday, en revanche, est un système de treillis conducteur qui entoure complètement la structure et offre une protection plus complète en répartissant l'énergie de la foudre sur toute la surface du bâtiment.

Pourquoi les systèmes de protection interne contre la foudre sont-ils nécessaires ?

Les systèmes de protection contre la foudre internes protègent les appareils électroniques et les installations électriques d'un bâtiment contre les surtensions et les surintensités. Ces systèmes empêchent les dommages aux installations internes causés par l'énergie que les systèmes de protection contre la foudre externes ne peuvent ni capter ni transmettre.

À quelle fréquence les systèmes de protection contre la foudre doivent-ils être entretenus ?

Il est recommandé d'inspecter et d'entretenir régulièrement les systèmes de protection contre la foudre, au moins une fois par an. Cependant, cette fréquence peut varier en fonction des conditions climatiques et de la fréquence des impacts de foudre dans la région où se situe le système. Un entretien régulier est essentiel pour garantir l'efficacité et la fiabilité du système.