Quel mathématicien du XVIIIe siècle a inventé le paratonnerre, le cathéter urinaire flexible, et a inventé l'expression « le temps, c'est de l'argent » ?
Benjamin Franklin
Le principe du paratonnerre a été détaillé pour la première fois par Benjamin Franklin en Pennsylvanie en 1749, qui a développé dans les années suivantes son invention pour une application domestique (publiée en 1753) et d'autres améliorations vers un système fiable vers 1760. La tour Nevyansk a été construite entre 1721 et 1745, sur ordre de l'industriel Akinfiy Demidov. La tour Nevyansk a été construite 28 ans avant l'expérience et l'explication scientifique de Benjamin Franklin. Cependant, la véritable intention derrière le toit métallique et les barres d’armature reste inconnue. Dans ce qui deviendra plus tard les États-Unis, le paratonnerre pointu, également appelé paratonnerre ou tige de Franklin, a été inventé par Benjamin Franklin en 1749 dans le cadre de son exploration révolutionnaire de l'électricité. Bien qu'il ne soit pas le premier à suggérer une corrélation entre l'électricité et la foudre, Franklin fut le premier à proposer un système réalisable pour tester son hypothèse. Franklin a émis l'hypothèse qu'avec une tige de fer aiguisée en pointe, Une controverse sur l'éventail des théories opérationnelles remonte au XVIIIe siècle, lorsque Benjamin Franklin lui-même a déclaré que ses parafoudres protégeaient les bâtiments en dissipant les charges électriques. Il a ensuite rétracté sa déclaration, déclarant que le mode de fonctionnement exact de l'appareil était alors quelque peu mystérieux.
Un paratonnerre (US, AUS) ou paratonnerre (UK) est une tige métallique ou un objet métallique monté au sommet d'une structure élevée, telle qu'un bâtiment, un navire ou même un arbre, lié électriquement à l'aide d'un fil ou d'un conducteur électrique. pour s'interfacer avec la terre ou « terre » via une électrode, conçue pour protéger la structure en cas de foudre. Si la foudre frappe la structure, elle frappera préférentiellement la tige et sera conduite vers la terre à travers le fil, au lieu de traverser la structure, où elle pourrait déclencher un incendie ou provoquer une électrocution. Les paratonnerres sont également appelés embouts, aérogares ou dispositifs de terminaison de gâche.
Dans un système de protection contre la foudre, un paratonnerre est un composant unique du système. Le paratonnerre nécessite une connexion à la terre pour remplir sa fonction de protection. Les paratonnerres se présentent sous de nombreuses formes différentes, notamment des bandes creuses, pleines, pointues, arrondies, plates ou même en forme de brosse à poils. La principale caractéristique commune à tous les paratonnerres est qu’ils sont tous constitués de matériaux conducteurs, comme le cuivre et l’aluminium. Le cuivre et ses alliages sont les matériaux les plus couramment utilisés dans la protection contre la foudre.
Histoire
Le principe du paratonnerre a été détaillé pour la première fois par Benjamin Franklin en Pennsylvanie en 1749, qui a développé dans les années suivantes son invention pour une application domestique (publiée en 1753) et d'autres améliorations vers un système fiable vers 1760.
À mesure que les bâtiments deviennent plus hauts, la foudre devient de plus en plus menaçante. La foudre peut endommager les structures constituées de la plupart des matériaux, tels que la maçonnerie, le bois, le béton et l'acier, car les courants et tensions énormes impliqués peuvent chauffer les matériaux à haute température, provoquant ainsi un risque d'incendie.
Russie
Un paratonnerre pourrait avoir été intentionnellement utilisé dans la tour penchée de Nevyansk. La flèche de la tour est couronnée d'une tige métallique en forme de sphère dorée à pointes. Ce paratonnerre est mis à la terre à travers la carcasse des barres d'armature, qui transperce l'ensemble du bâtiment.
La tour Nevyansk a été construite entre 1721 et 1745, sur ordre de l'industriel Akinfiy Demidov. La tour Nevyansk a été construite 28 ans avant l'expérience et l'explication scientifique de Benjamin Franklin. Cependant, la véritable intention derrière le toit métallique et les barres d’armature reste inconnue.
L'Europe 
Le clocher des églises de nombreuses villes européennes, qui était généralement la structure la plus haute de la ville, risquait d'être frappé par la foudre. Très tôt, les églises chrétiennes ont essayé de prévenir les effets néfastes de la foudre par des prières. Peter Ahlwardts (« Considérations raisonnables et théologiques sur le tonnerre et la foudre », 1745) a conseillé aux personnes cherchant à se protéger de la foudre d'aller n'importe où sauf dans ou autour d'une église.
Un débat est en cours pour savoir si une « machine météorologique », inventée par le prêtre prémontré Prokop Diviš et érigée à Přímětice en Bohême (aujourd'hui République tchèque) en juin 1754, compte effectivement comme une invention individuelle du paratonnerre. L'appareil de Diviš visait, selon ses théories privées, à prévenir complètement les orages en privant constamment l'air de son électricité superflue. L'appareil était cependant monté sur un poteau autonome et probablement mieux mis à la terre que les paratonnerres de Franklin à cette époque, il servait donc de paratonnerre. Voir les deux articles suivants pour des points de vue contradictoires sur le fait qu'il s'agit d'une invention indépendante de Diviš : Après les protestations locales, Diviš dut mettre fin à ses expériences météorologiques vers 1760.
États-Unis
Dans ce qui deviendra plus tard les États-Unis, le paratonnerre pointu, également appelé paratonnerre ou tige de Franklin, a été inventé par Benjamin Franklin en 1749 dans le cadre de son exploration révolutionnaire de l'électricité. Bien qu'il ne soit pas le premier à suggérer une corrélation entre l'électricité et la foudre, Franklin fut le premier à proposer un système réalisable pour tester son hypothèse. Franklin a émis l'hypothèse qu'avec une tige de fer aiguisée en pointe,
"Le feu électrique serait, je pense, sorti d'un nuage en silence, avant de pouvoir s'approcher suffisamment pour frapper..."
Franklin a spéculé sur les paratonnerres pendant plusieurs années avant son expérience de cerf-volant. Cette expérience, dit-on, a eu lieu parce qu'il en avait assez d'attendre que la Christ Church de Philadelphie soit achevée pour pouvoir y placer un paratonnerre.
Au XIXème siècle, le paratonnerre devient un motif décoratif. Les paratonnerres étaient agrémentés de boules de verre ornementales (désormais prisées des collectionneurs). L'attrait ornemental de ces boules de verre a été utilisé dans les girouettes. Cependant, le but principal de ces boules est de fournir la preuve d'un coup de foudre en se brisant ou en tombant. Si, après une tempête, une balle est découverte manquante ou cassée, le propriétaire doit alors vérifier que le bâtiment, la tige et le fil de terre ne sont pas endommagés.
Des boules de verre solide étaient parfois utilisées dans le cadre d'une méthode censée empêcher la foudre de frapper des navires et d'autres objets. L’idée était que les objets en verre, étant non conducteurs, sont rarement frappés par la foudre. Par conséquent, selon la théorie, il doit y avoir quelque chose dans le verre qui repousse la foudre. Par conséquent, la meilleure méthode pour prévenir la foudre sur un navire en bois était d'enterrer une petite boule de verre solide à l'extrémité du mât le plus haut. Le comportement aléatoire de la foudre, combiné au biais de confirmation des observateurs, a permis à la méthode de gagner en crédibilité même après le développement du paratonnerre marin, peu après les travaux initiaux de Franklin.
Les premiers paratonnerres à bord des navires étaient censés être hissés lorsque la foudre était anticipée, et leur taux de réussite était faible. En 1820, William Snow Harris a inventé un système efficace pour installer une protection contre la foudre sur les voiliers en bois de l'époque, mais malgré les essais réussis qui ont commencé en 1830, la Royal Navy britannique n'a adopté le système qu'en 1842, date à laquelle la Marine impériale russe avait déjà adopté le système.
Celui de Nikola Tesla était une amélioration des parafoudres. Le brevet a été accordé en raison d'une erreur dans la théorie de fonctionnement originale de Franklin ; le paratonnerre pointu ionise en fait l'air autour de lui, le rendant conducteur, ce qui augmente la probabilité d'une frappe. En 1919, plusieurs années après avoir reçu son brevet, Tesla écrivit un article pour The Electrical Experimenter intitulé "Famous Scientific Illusions", dans lequel il explique la logique du paratonnerre pointu de Franklin et divulgue sa méthode et son appareil améliorés.
Dans les années 1990, les « points de foudre » ont été remplacés tels qu'ils avaient été construits à l'origine lorsque la Statue de la Liberté au sommet du bâtiment du Capitole des États-Unis à Washington, D.C. a été restaurée. La statue a été conçue avec plusieurs appareils dotés de platine. Le Washington Monument était également équipé de plusieurs points de foudre, et la Statue de la Liberté dans le port de New York est frappée par la foudre, qui est dérivée vers le sol.
Système de protection contre la foudre
Un système de protection contre la foudre est conçu pour protéger une structure des dommages dus aux coups de foudre en interceptant ces coups et en transmettant en toute sécurité leurs courants extrêmement élevés à la terre. Un système de protection contre la foudre comprend un réseau de bornes aériennes, de conducteurs de liaison et d'électrodes de terre conçus pour fournir un chemin à faible impédance vers la terre en cas d'impacts potentiels.
Les systèmes de protection contre la foudre sont utilisés pour prévenir ou réduire les dommages causés aux structures par la foudre. Les systèmes de protection contre la foudre atténuent le risque d'incendie que la foudre pose aux structures. Un système de protection contre la foudre fournit un chemin à faible impédance pour le courant de foudre afin de réduire l'effet thermique du courant circulant à travers des matériaux structurels inflammables. Si la foudre traverse des matériaux poreux et saturés d'eau, ces matériaux peuvent littéralement exploser si leur teneur en eau est transformée en vapeur par la chaleur produite par le courant élevé. C’est pourquoi les arbres sont souvent brisés par la foudre.
En raison des niveaux d'énergie et de courant élevés associés à la foudre (les courants peuvent dépasser 150 000 ampères) et du temps de montée très rapide d'un coup de foudre, aucun système de protection ne peut garantir une sécurité absolue contre la foudre. Le courant de foudre se divisera pour suivre chaque chemin conducteur vers la terre, et même le courant divisé peut causer des dommages. Les « éclairs latéraux » secondaires peuvent suffire à allumer un incendie, à faire exploser des briques, des pierres ou du béton, ou à blesser les occupants d'une structure ou d'un bâtiment. Cependant, les avantages des systèmes de base de protection contre la foudre sont évidents depuis plus d’un siècle.
Les mesures à l'échelle du laboratoire des effets de [toute recherche sur la foudre] ne s'adaptent pas aux applications impliquant la foudre naturelle. Vernon Cooray (éd.) Lightning Protection, The Institution of Engineering and Technology, 2010, ISBN 978-1-84919-106- 7 pp. 240-260, p 320 Les applications sur le terrain ont principalement été dérivées d'essais et d'erreurs basés sur les recherches en laboratoire les mieux intentionnées sur un phénomène très complexe et variable.
Les parties d'un système de protection contre la foudre sont les bornes aériennes (paratonnerres ou dispositifs de terminaison de gâche), les conducteurs de liaison, les bornes de terre (piquets de terre ou « mise à la terre », plaques ou treillis) et tous les connecteurs et supports pour compléter le système. Les aérogares sont généralement disposées au niveau ou le long des points supérieurs d'une structure de toit et sont électriquement liées entre elles par des conducteurs de liaison (appelés « conducteurs de descente » ou « fils de descente »), qui sont connectés par le chemin le plus direct à une ou plusieurs mises à la terre. ou des bornes de terre. Les connexions aux prises de terre doivent non seulement avoir une faible résistance, mais doivent également avoir une faible auto-inductance.
Un exemple de structure vulnérable à la foudre est une grange en bois. Lorsque la foudre frappe la grange, la structure en bois et son contenu peuvent être enflammés par la chaleur générée par le courant de foudre traversant certaines parties de la structure. Un système de protection contre la foudre de base fournirait un chemin conducteur entre une aérogare et la terre, de sorte que la majeure partie du courant de foudre suive le chemin du système de protection contre la foudre, avec beaucoup moins de courant traversant des matériaux inflammables.
Une controverse sur l'éventail des théories opérationnelles remonte au XVIIIe siècle, lorsque Benjamin Franklin lui-même a déclaré que ses parafoudres protégeaient les bâtiments en dissipant les charges électriques. Il a ensuite rétracté sa déclaration, déclarant que le mode de fonctionnement exact de l'appareil était alors quelque peu mystérieux.
À l'origine, les scientifiques pensaient qu'un tel système de protection contre la foudre composé d'aérogares et de « downleads » dirigeait le courant de la foudre vers le sol pour y être « dissipé ». Cependant, la photographie à haute vitesse a clairement démontré que la foudre est en réalité composée à la fois d’une composante nuageuse et d’une composante terrestre de charges opposées. Lors d'un éclair « nuage-sol », ces composants de charges opposées « se rencontrent » généralement quelque part dans l'atmosphère, bien au-dessus de la terre, pour égaliser des charges auparavant déséquilibrées. La chaleur générée lorsque ce courant électrique traverse des matériaux inflammables constitue le risque que les systèmes de protection contre la foudre tentent d'atténuer en fournissant un chemin à faible résistance pour le circuit de foudre. Aucun système de protection contre la foudre ne peut être fiable pour « contenir » ou « contrôler » complètement la foudre (ni jusqu'à présent, pour empêcher complètement les coups de foudre), mais ils semblent être extrêmement utiles dans la plupart des cas de coups de foudre.
Les structures à ossature d'acier peuvent relier les éléments structurels à la terre pour fournir une protection contre la foudre. Un mât de drapeau en métal ancré dans la terre constitue un système de protection contre la foudre extrêmement simple. Cependant, le ou les drapeaux flottant sur le mât lors d'un coup de foudre peuvent être complètement incinérés.
La majorité des systèmes de protection contre la foudre utilisés aujourd'hui sont de conception Franklin traditionnelle. Le principe fondamental utilisé dans les systèmes de protection contre la foudre de type Franklin est de fournir un chemin d'impédance suffisamment faible pour que la foudre puisse traverser pour atteindre le sol sans endommager le bâtiment. Norme NFPA-780 pour l'installation de systèmes de protection contre la foudre, édition 2008 – Annexe B. 3.2.2 Ceci est réalisé en entourant le bâtiment dans une sorte de cage de Faraday. Un système de parafoudres et de paratonnerres est installé sur le toit du bâtiment pour intercepter tout éclair avant qu'il ne frappe le bâtiment.
Protecteurs de structures
Paratonnerre
En télégraphie et en téléphonie, un parafoudre est placé à l'endroit où les fils pénètrent dans une structure, évitant ainsi d'endommager les instruments électroniques à l'intérieur et assurant la sécurité des personnes à proximité. Les parafoudres, également appelés parasurtenseurs, sont des dispositifs connectés entre chaque conducteur électrique d'un système électrique ou de communication et la Terre. Ils empêchent la circulation de l'alimentation normale ou des courants de signal vers la terre, mais fournissent un chemin sur lequel circule le courant de foudre à haute tension, contournant l'équipement connecté. Leur objectif est de limiter l'augmentation de la tension lorsqu'une ligne de communication ou électrique est frappée par la foudre ou est proche d'un coup de foudre.
Protection des systèmes de distribution électrique
Dans les systèmes aériens de transport d'électricité (haute tension), un ou deux conducteurs de calibre plus léger peuvent être montés au sommet des pylônes, poteaux ou tours non spécifiquement utilisés pour acheminer l'électricité à travers le réseau. Ces conducteurs, souvent appelés fils « statiques », « pilotes » ou « boucliers », sont conçus pour être le point de terminaison de la foudre au lieu des lignes haute tension elles-mêmes. Ces conducteurs sont destinés à protéger les conducteurs primaires de puissance des coups de foudre.
Ces conducteurs sont reliés à la terre soit par la structure métallique d'un poteau ou d'une tour, soit par des électrodes de terre supplémentaires installées à intervalles réguliers le long de la ligne. En règle générale, les lignes électriques aériennes dont la tension est inférieure à 50 kV ne possèdent pas de conducteur « statique », contrairement à la plupart des lignes transportant plus de 50 kV. Le câble conducteur de terre peut également supporter des câbles à fibres optiques pour la transmission de données.
Dans certains cas, ces conducteurs sont isolés d'une liaison directe avec la terre et peuvent être utilisés comme lignes de communication basse tension. Si la tension dépasse un certain seuil, comme lors d'un coup de foudre sur le conducteur, elle "saute" les isolants et passe à la terre.
La protection des sous-stations électriques est aussi variée que les paratonnerres eux-mêmes et est souvent la propriété de la compagnie d'électricité.
Protection contre la foudre des radiateurs de mât
Les radiateurs des mâts radio peuvent être isolés du sol par un espace à la base. Lorsque la foudre frappe le mât, elle saute cet espace. Une petite inductivité dans la ligne d'alimentation entre le mât et l'unité de réglage (généralement un enroulement) limite l'augmentation de la tension, protégeant ainsi l'émetteur des tensions dangereusement élevées.
L'émetteur doit être équipé d'un dispositif permettant de surveiller les propriétés électriques de l'antenne. Ceci est très important, car une charge pourrait subsister après un coup de foudre, endommageant l'espace ou les isolants.
Le dispositif de surveillance éteint l'émetteur lorsque l'antenne présente un comportement incorrect, par ex. à la suite d'une charge électrique indésirable. Lorsque l'émetteur est éteint, ces charges se dissipent. L'appareil de surveillance fait plusieurs tentatives pour se rallumer. Si après plusieurs tentatives, l'antenne continue à présenter un comportement inapproprié, éventuellement en raison de dommages structurels, l'émetteur reste éteint.
Paratonnerres et précautions de mise à la terre
Idéalement, la partie souterraine de l’ensemble devrait résider dans une zone à forte conductivité du sol. Si le câble souterrain résiste bien à la corrosion, il peut être recouvert de sel pour améliorer sa connexion électrique avec le sol. Si la résistance électrique du paratonnerre entre l’aérogare et la terre est un sujet de préoccupation important, la réactance inductive du conducteur pourrait être plus importante. Pour cette raison, le tracé du conducteur de descente reste court et les éventuelles courbes ont un grand rayon. Si ces mesures ne sont pas prises, le courant de foudre peut traverser une obstruction résistive ou réactive qu'il rencontre dans le conducteur. À tout le moins, le courant d'arc endommagera le paratonnerre et pourra facilement trouver un autre chemin conducteur, comme le câblage ou la plomberie du bâtiment, et provoquer des incendies ou d'autres catastrophes. Les systèmes de mise à la terre sans faible résistivité au sol peuvent néanmoins être efficaces pour protéger une structure contre les dommages causés par la foudre. Lorsque le sol a une mauvaise conductivité, est très peu profond ou inexistant, un système de mise à la terre peut être augmenté en ajoutant des piquets de terre, un conducteur de contrepoids (anneau de terre), des câbles radiaux s'éloignant du bâtiment ou des barres d'armature d'un bâtiment en béton. utilisé pour un conducteur de terre (Ufer Ground). Ces ajouts, même s'ils ne réduisent pas la résistance du système dans certains cas, permettront la [dispersion] de la foudre dans le sol sans endommager la structure.
Des précautions supplémentaires doivent être prises pour éviter les éclairs latéraux entre des objets conducteurs sur ou dans la structure et le système de protection contre la foudre. La surtension du courant de foudre à travers un conducteur de protection contre la foudre créera une différence de tension entre celui-ci et tout objet conducteur se trouvant à proximité. Cette différence de tension peut être suffisamment importante pour provoquer un dangereux flash latéral (étincelle) entre les deux pouvant causer des dommages importants, notamment sur les structures abritant des matériaux inflammables ou explosifs. Le moyen le plus efficace de prévenir ces dommages potentiels est d'assurer la continuité électrique entre le système de protection contre la foudre et tout objet susceptible de provoquer un éclair latéral. Une liaison efficace permettra au potentiel de tension des deux objets d'augmenter et de diminuer simultanément, éliminant ainsi tout risque de flash latéral.
Conception d'un système de protection contre la foudre
Une quantité considérable de matériaux est utilisée pour constituer les systèmes de protection contre la foudre. Il est donc prudent d’examiner attentivement l’endroit où une aérogare offrira la plus grande protection. La compréhension historique de la foudre, à partir des déclarations faites par Ben Franklin, supposait que chaque paratonnerre protégeait un cône de 45 degrés. Cela s'est avéré insatisfaisant pour protéger des structures plus hautes, car il est possible que la foudre frappe le côté d'un bâtiment.
Un système de modélisation basé sur une meilleure compréhension du ciblage de la terminaison de la foudre, appelé méthode Rolling Sphere, a été développé par le Dr Tibor Horváth. Il est devenu la norme selon laquelle les systèmes Franklin Rod traditionnels sont installés. Pour comprendre cela, il faut connaître la façon dont la foudre « se déplace ». Lorsque le leader d'un éclair saute vers le sol, il se dirige vers les objets au sol les plus proches de sa trajectoire. La distance maximale que chaque pas peut parcourir est appelée distance critique et est proportionnelle au courant électrique. Les objets sont susceptibles d'être touchés s'ils sont plus proches du leader que cette distance critique. Il est courant d'estimer le rayon de la sphère à 46 m près du sol.
Il est peu probable qu'un objet situé en dehors de la distance critique soit heurté par le leader s'il y a un objet solidement ancré dans la distance critique. Les emplacements considérés comme à l'abri de la foudre peuvent être déterminés en imaginant les chemins potentiels d'un leader comme une sphère allant du nuage au sol. Pour la protection contre la foudre, il suffit de considérer toutes les sphères possibles lorsqu'elles touchent des points d'impact potentiels. Pour déterminer les points de frappe, considérons une sphère roulant sur le terrain. A chaque point, nous simulons une position de leader potentiel. La foudre est plus susceptible de frapper là où la sphère touche le sol. Les points que la sphère ne peut pas traverser ni toucher sont les plus protégés contre la foudre. Les parafoudres doivent être placés là où ils empêcheront la sphère de toucher une structure. Un point faible de la plupart des systèmes de détournement de la foudre réside cependant dans le transport de la décharge capturée du paratonnerre vers le sol. Les paratonnerres sont généralement installés autour du périmètre des toits plats ou le long des sommets des toits en pente à des intervalles de 6,1 m ou 7,6 m, selon la hauteur du paratonnerre. Lorsqu'un toit plat a des dimensions supérieures à 15 m sur 15 m, des aérogares supplémentaires seront installées au milieu du toit à des intervalles de 15 m ou moins selon un quadrillage rectangulaire.
Extrémités arrondies ou pointues
La forme optimale de la pointe d'un paratonnerre est controversée depuis le XVIIIe siècle. Durant la période de confrontation politique entre la Grande-Bretagne et ses colonies américaines, les scientifiques britanniques soutenaient qu'un paratonnerre devait avoir une boule à son extrémité, tandis que les scientifiques américains soutenaient qu'il devait y avoir une pointe. , la controverse n’était pas complètement résolue.
Il est difficile de résoudre la controverse car des expériences correctement contrôlées sont presque impossibles, mais les travaux réalisés par Charles B. Moore et al., en 2000, ont éclairé la question, constatant que les paratonnerres modérément arrondis ou aux extrémités émoussées agissent comme des paratonnerres. des récepteurs de frappe légèrement meilleurs. En conséquence, des tiges à bout rond sont installées sur la plupart des nouveaux systèmes aux États-Unis, bien que la plupart des systèmes existants aient encore des tiges pointues. Selon l'étude,
De plus, la hauteur du parafoudre par rapport à la structure à protéger et à la terre elle-même aura un effet.
Théorie du transfert de charges
La théorie du transfert de charge stipule qu'un coup de foudre sur une structure protégée peut être évité en réduisant le potentiel électrique entre la structure protégée et le nuage d'orage. Cela se fait en transférant une charge électrique (par exemple de la Terre proche vers le ciel ou vice versa). Le transfert de charge électrique de la Terre vers le ciel se fait en installant des produits techniques composés de nombreux points au-dessus de la structure. Il est à noter que les objets pointus transfèrent effectivement une charge à l'atmosphère environnante et qu'un courant électrique considérable peut être mesuré à travers les conducteurs lorsque l'ionisation se produit au moment où un champ électrique est présent, comme cela se produit lorsque des nuages ​​​​d'orage sont au-dessus de nous.
La National Fire Protection Association, NFPA, n'approuve actuellement aucun dispositif capable de prévenir ou de réduire les coups de foudre. Le Conseil des normes de la NFPA, à la suite d'une demande de projet portant sur les systèmes Dissipation Array[tm] et les systèmes de transfert de charge, a rejeté la demande de commencer à élaborer des normes sur une telle technologie (bien que le Conseil n'ait pas exclu l'élaboration de futures normes après que des sources fiables ont démontré le la validité de la technologie et de la science de base ont été soumises).
Théorie des premières émissions de streamers (ESE)
La théorie des premières émissions de streamers propose que si un paratonnerre possède un mécanisme produisant une ionisation près de son extrémité, sa zone de capture de la foudre est alors considérablement augmentée. Au début, de petites quantités d’isotopes radioactifs (radium 226 ou américium 241) ont été utilisées comme sources d’ionisation entre 1930 et 1980, puis remplacées par divers appareils électriques et électroniques. Selon un premier brevet, étant donné que les potentiels de terre de la plupart des parafoudres sont élevés, la distance de trajet entre la source et le point de terre surélevé sera plus courte, créant un champ plus fort (mesuré en volts par unité de distance) et cette structure sera plus sujette à l'ionisation et à la dégradation.
L'AFNOR, l'organisme national de normalisation français, a publié une norme, NF C 17-102, couvrant cette technologie. La NFPA a également étudié le sujet et il a été proposé de publier une norme similaire aux États-Unis. Initialement, un panel tiers indépendant de la NFPA a déclaré que « la technologie de protection contre la foudre [Early Streamer Emission] semble être techniquement solide » et qu'il existait une « base théorique adéquate pour le concept et la conception de l'aérogare [Early Streamer Emission] à partir d'un point de vue physique. point de vue". ) Le même panel a également conclu que "le système de protection contre la foudre recommandé [norme NFPA 781] n'a jamais été validé scientifiquement ou techniquement et les aérogares Franklin Rod n'ont pas été validées lors d'essais sur le terrain dans des conditions d'orage".
En réponse, l'American Geophysical Union a conclu que « [l]e panel Bryan n'a examiné pratiquement aucune des études et de la littérature sur l'efficacité et les fondements scientifiques des systèmes traditionnels de protection contre la foudre et a conclu à tort que la norme n'avait aucun fondement. " L'AGU n'a pas tenté d'évaluer l'efficacité des modifications proposées aux systèmes traditionnels dans son rapport. La NFPA a retiré son projet d'édition de la norme 781 en raison du manque de preuves d'une efficacité accrue des systèmes de protection basés sur les émissions précoces de streamers par rapport aux aérogares conventionnelles.
Les membres du comité scientifique de la Conférence internationale sur la protection contre la foudre (ICLP) ont publié une déclaration commune affirmant leur opposition à la technologie Early Streamer Emission. ICLP gère une page Web contenant des informations relatives à l'ESE et aux technologies associées. Néanmoins, le nombre de bâtiments et de structures équipés de systèmes de protection contre la foudre ESE augmente, ainsi que le nombre de fabricants d'aérogares ESE en Europe, en Amérique, au Moyen-Orient, en Russie, en Chine, en Corée du Sud, dans les pays de l'ASEAN et en Australie.
Analyse des grèves
Les impacts de foudre sur une structure métallique peuvent aller de l'absence de traces, à l'exception peut-être d'un petit trou dans le métal, à la destruction complète de la structure. En l’absence de preuves, l’analyse des frappes est difficile. Cela signifie qu'un impact sur une structure non instrumentée doit être confirmé visuellement, et le comportement aléatoire de la foudre rend de telles observations difficiles. Il existe également des inventeurs qui travaillent sur ce problème, par exemple grâce à une fusée éclair. Bien que les expériences contrôlées puissent être interrompues à l'avenir, de très bonnes données sont obtenues grâce à des techniques utilisant des récepteurs radio qui surveillent la « signature » électrique caractéristique des éclairs à l'aide d'antennes directionnelles fixes. Grâce à des techniques de synchronisation et de triangulation précises, les impacts de foudre peuvent être localisés avec une grande précision, de sorte que les impacts sur des objets spécifiques peuvent souvent être confirmés avec confiance.
L'énergie d'un coup de foudre est généralement comprise entre 1 et 10 milliards de joules. Cette énergie est libérée généralement en un petit nombre de coups séparés, chacun d'une durée de quelques dizaines de microsecondes (généralement 30 à 50 microsecondes), sur une période d'environ un cinquième de seconde. La grande majorité de l’énergie est dissipée sous forme de chaleur, de lumière et de son dans l’atmosphère.
Protecteurs d'avions
La protection contre la foudre des avions est assurée par le montage de dispositifs sur la structure de l'avion. Les protecteurs sont dotés d'extensions à travers la structure de la surface extérieure de l'avion et à l'intérieur d'un déchargeur statique. Les systèmes de protection destinés à être utilisés dans les avions doivent protéger les équipements électroniques critiques et non critiques. La protection contre la foudre d'un avion fournit un chemin électrique comportant une pluralité de segments conducteurs, continus ou discontinus, qui, lors de l'exposition à un champ haute tension, forment un canal d'ionisation en raison de la tension de claquage du système. Différents systèmes de protection contre la foudre doivent rejeter les courants de pointe associés aux coups de foudre. Les moyens de protection contre la foudre pour aéronefs comprennent des composants qui sont des diélectriques et des couches métalliques appliquées sur les surfaces habituellement accessibles par la foudre des structures composites. Divers moyens de connexion au sol aux couches comprennent une section de treillis métallique fusionnant les différentes couches à une fixation reliant la structure à une structure au sol adjacente. Les joints structurels composite-métal ou composite-composite sont protégés en rendant les zones d'interface conductrices pour le transfert du courant de foudre.
Certains systèmes de protection contre la foudre des avions utilisent un système de câbles blindés. Ces systèmes sont constitués d'un ou plusieurs conducteurs entourés d'un blindage conducteur. Le câble comporte les deux conducteurs d'une extrémité connectés à un élément de mise à la terre. Ceci est destiné à fournir une protection contre les interférences électromagnétiques. De tels systèmes réduisent la tension induite électromagnétiquement dans un conducteur blindé. Ceci est destiné à fournir une protection contre les interférences électromagnétiques induites par la foudre. Ce réseau fournit une impédance normalement élevée qui se décompose en une impédance très faible en réponse à une surtension momentanée induite électromagnétiquement dans le blindage. Cela établit un chemin conducteur entre le blindage et la terre. Toute surtension provenant de la foudre crée un courant dans le câble. Il en résulte un champ électromagnétique de direction opposée, qui annule ou réduit l'ampleur du champ électromagnétique à l'intérieur du câble blindé.
Protecteurs de motomarine
Une installation de protection contre la foudre sur une embarcation comprend un parafoudre monté au sommet d'un mât ou d'une superstructure, et un conducteur de terre en contact avec l'eau. Les conducteurs électriques s'attachent au protecteur et descendent jusqu'au conducteur. Pour un navire à coque conductrice (en fer ou en acier), le conducteur de mise à la terre est la coque. Pour un navire dont la coque n'est pas conductrice, le conducteur de mise à la terre peut être rétractable, fixé à la coque ou fixé à une dérive.
L'évaluation des risques
Certaines structures sont intrinsèquement plus ou moins exposées au risque d’être frappées par la foudre. Le risque pour une structure est fonction de la taille (superficie) d'une structure, de la hauteur et du nombre de coups de foudre par an et par mi² pour la région. Par exemple, un petit bâtiment sera moins susceptible d'être frappé qu'un grand, et un bâtiment situé dans une zone à forte densité de coups de foudre sera plus susceptible d'être frappé qu'un bâtiment situé dans une zone à faible densité de coups de foudre. . L'Agence nationale de protection contre les incendies fournit une feuille de travail d'évaluation des risques dans sa norme de protection contre la foudre.
L'évaluation du risque de foudre par la CEI comprend quatre parties : perte d'êtres vivants, perte de service au public, perte de patrimoine culturel et perte de valeur économique. La perte d’êtres vivants est considérée comme la plus importante et constitue la seule perte prise en compte pour de nombreuses applications industrielles et commerciales non essentielles. Les calculs d'évaluation des risques CEI peuvent être très compliqués s'ils ne sont pas effectués avec une assistance informatique.
Normes
L'introduction des systèmes de protection contre la foudre dans les normes a permis à divers fabricants de développer des systèmes de protection répondant à une multitude de spécifications. Il existe de nombreuses normes internationales, nationales, d’entreprise et militaires en matière de protection contre la foudre.
*NFPA-780 : « Norme pour l'installation de systèmes de protection contre la foudre » (2014)
*M440.1-1, Protection contre les tempêtes électriques et la foudre, ministère de l'Énergie
*AFI 32-1065 – Systèmes de mise à la terre, Commandement spatial de l'US Air Force
*FAA STD 019e, Exigences de protection contre la foudre et les surtensions, de mise à la terre, de liaison et de blindage pour les installations et les équipements électroniques
* Normes UL pour la protection contre la foudre
** UL 96 : « Standard des composants de protection contre la foudre » (5e édition, 2005)
** UL 96A : « Standard for Installation Requirements for Lightning Protection Systems » (douzième édition, 2007)
** UL 1449 : « Standard pour les dispositifs de protection contre les surtensions » (quatrième édition, 2014)
* EN 61000-4-5/[http://webstore.iec.ch/webstore/webstore.nsf/Artnum_PK/49686 CEI 61000-4-5] : « Compatibilité électromagnétique (CEM) – Partie 4-5 : Tests et techniques de mesure – Test d’immunité aux surtensions"
* EN 62305/IEC 62305 : « Protection contre la foudre »
* EN 62561/IEC 62561 : « Composants du système de protection contre la foudre (LPSC) »
* [http://www.itu.int/ITU-T/recommendations/index.aspx?ser=K Recommandations ITU-T série K] : "Protection contre les interférences"
* Normes IEEE pour la mise à la terre
** IEEE SA-142-2007 : « Pratique recommandée par l'IEEE pour la mise à la terre des systèmes électriques industriels et commerciaux. » (2007)
** IEEE SA-1100-2005 : « Pratique recommandée par l'IEEE pour l'alimentation et la mise à la terre des équipements électroniques » (2005)
* AFNOR [http://www.akihito-shigeno.com/files/NF_C_17_102_1.pdf NF C 17-102] : « Protection contre la foudre – Protection des ouvrages et des espaces ouverts contre la foudre par aérogares à émission précoce de streamers » (1995)