Paratonnaire

« La Tour Eiffel, paratonnerre géant. »
Photographie prise à 21h20 le 3 juin 1902 et publiée dans le Bulletin de la Société Astronomique de France en mai 1905.

paratonnerre, avec mise à la terre (ou à l'eau)

Les points hauts tels que les cheminées sont souvent choisis comme support de paratonnerre

paratonnerre contemporain (Lille, Nord de la France)

Le paratonnerre est un dispositif inventé en 1752 par Benjamin Franklin. Il était conçu à l'origine afin d'« écouler à la terre le fluide électrique contenu dans le nuage orageux et ainsi empêcher la foudre de tomber ». Depuis ces notions portent le nom d'effet de pointe en électrostatique et de cage de Faraday. Pour construire une protection contre la foudre, il faut construire une cage de Faraday enveloppant l'édifice à protéger.

Principe de fonctionnement

Son fonctionnement est aujourd'hui mieux connu. La structure d'un paratonnerre est composée d'une tige placée en hauteur puis connectée à la terre par un ou plusieurs éléments métalliques appelé(s) conducteur(s) de descente capable(s) de conduire cette électricité : ces conducteurs peuvent faire partie de la cage de Faraday.

Le paratonnerre n'attire absolument pas la foudre mais rend plus probable grâce à l'effet de pointe le parcours d'un claquage du diélectrique que constitue l'atmosphère. Ce claquage suit un parcours souvent initié par un précurseur.

Différents types de paratonnerres existent mais les trois plus courants sont : la pointe simple (dite pointe de Franklin), le paratonnerre à dispositif d'amorçage (PDA) et la cage maillée (cage de Faraday).

Dans le cas de la cage maillée, le système de protection est constitué de plusieurs pointes, couvrant toute la toiture et les arêtes du bâtiment à préserver. Les pointes sont reliées entre elles par des filins conducteurs interconnectés, reliés à la terre et formant une cage (dite cage de Faraday). Il est inutile de l'élever très haut.

Dans le cas de la pointe simple ou du PDA le système de protection est constitué outre l'organe de capture d'une ou deux descentes associées chacune à une prise de terre.

• La pointe d'une tige est entourée d'un champ électrique en période orageuse. Si l'arc électrique (l'éclair) se dirige vers l'une des pointes, alors il finira sa course dans les câbles de descente (au lieu de passer par le bâtiment).
• Une pointe unique a une utilité réduite, car rien ne garantit que l'éclair tombera à cet endroit : il existe des témoignages nombreux confirmant que la foudre peut tomber juste en dessous ou à côté d'un paratonnerre, dégradant ainsi le bâtiment supposé être protégé.

Zone protégée

Le modèle actuellement reconnu pour évaluer la zone protégée est le modèle électrogéométrique. Il consiste à considérer qu'un bâtiment (quelle que soit sa hauteur, qu'il soit ou non équipé d'un paratonnerre) n'est protégé que sous une sphère qui y est accolée. Autrement dit, on prend une boule (sphère) géante et imaginaire que l'on fait rouler jusqu'au contact contre le bâtiment.

• L'espace situé en dessous du point de contact est supposé protégé.
• La taille de la boule (rayon de la sphère) dépend de l'intensité de l'éclair dont on espère se protéger (de 5 mètres seulement pour un petit choc, à 200 mètres pour des chocs très rares et intenses).
• Vu sous un autre angle, seuls les gros chocs de foudre seront attirés par les hauteurs du bâtiment ou les pointes de paratonnerres.
• Potentiellement, le bas d'un bâtiment risquera toujours un éventuel choc de foudre. Donc la foudre peut tomber partout (même entre deux pieds de la tour Eiffel).
• En s'éloignant du bâtiment, aucune protection particulière n'est constatée. L'idée que la pointe du clocher protège tout le village est à oublier.
• Cela implique aussi qu'il n'est pas très utile d'élever démesurément les paratonnerres ni très malin de tout miser sur eux.

Enfin, ce modèle n'a été observé que pour les décharges négatives (90 % des cas), aucune réelle protection n'étant constatée avec les chocs positifs (10 % des cas).

Conclusion : la notion de « zone protégée » connue culturellement est à relativiser fortement.

Intérêt et limite de la protection

Il est rare de subir un choc direct de foudre. Le plus souvent, les dégradations et pannes sont causées à distance par l'onde magnétique, car un éclair dégage une onde très puissante. C'est cet effet indirect qui est responsable de la majorité des pannes électriques ou électroniques.

• Cela implique qu'un paratonnerre ne protège en rien les matériels électroniques (au contraire, si l'éclair touche il tombe au plus près des appareils).
• Toutefois, s'il y a plusieurs conducteurs de descente vers la terre, il peut y avoir en prime un effet réducteur de l'onde magnétique (à l'intérieur du bâtiment).
• L'objectif d'un paratonnerre est seulement d'éviter des incendies et des dégradations de la structure du bâtiment.
• Il est important d'avoir plusieurs conducteurs de descente (capables d'écouler le choc de foudre) et bien positionnés. Ces conducteurs doivent être reliés aux masses métalliques proches pour éviter des arcs électriques : à l'instant du choc, deux extrémités d'un même câble ne sont plus au même potentiel (il peut y avoir plusieurs milliers de volts d'écart).

Autres protections

La sécurité offerte par cet outil souvent coûteux doit donc être relativisée, malgré les croyances et les conseils commerciaux. Il garde l'intérêt décrit ci-dessus, ni plus, ni moins.

• Pour les constructions individuelles, les spécialistes en CEM (compatibilité électromagnétique) connaissent des techniques simples, efficaces et peu coûteuses sur les façons de câbler l'installation électrique pour protéger les matériels.
• Ces conseils font souvent partie des normes actuelles, en particulier pour des constructions nouvelles (liaisons équipotentielles, absence de boucles sauf sur les masses, etc.). Recâbler le réseau électrique est plus efficace qu'un paratonnerre pour protéger les matériels.
• Pour protéger également le bâtiment, il faut un paratonnerre à plusieurs pointes ou la pose d'une ceinture conductrice sur les arêtes du bâtiment. Cela est contraignant et peu esthétique dans le cadre d'une habitation individuelle. La pose est donc essentiellement rencontrée en milieu industriel.
• Il est en revanche conseillé de poser une pointe au point d'impact si le bâtiment a déjà été touché par un choc direct.

La bonne nouvelle : il est (possible mais) très rare d'être touché directement par la foudre, que le bâtiment soit ou non « protégé ». Par contre, lutter contre les effets indirects (électromagnétiques) est prioritaire car il y a régulièrement des orages.

Attention à ne pas confondre les paratonnerres (dont il est question dans cet article et qui tentent de protéger la structure d'un bâtiment) avec les parafoudres (qui eux protègent les appareils électriques). Les parafoudres sont des protections (efficaces si bien câblées) à faire poser sur le circuit électrique, justement pour se protéger des surtensions induites.

Paratonnerres à pointe active

Il s'agit de paratonnerres équipés sur leur pointe d'un dispositif visant à accroître la zone de protection.

Paratonnerres radioactifs

Dès 1914, le physicien hongrois Szillard proposa de renforcer l'ionisation naturelle d'une pointe grâce à des sources radioactives placées près de la pointe. Ces théories aboutirent à la commercialisation de paratonnerres « radioactifs » et à des vives querelles entre partisans et opposants aux paratonnerres radioactifs. Dans les années 1980 (1^er janvier 1986 en France), conscientes du risque de dissémination des produits radioactifs, les autorités gouvernementales et scientifiques proposèrent d'interdire la fabrication, la vente et l'installation de ces paratonnerres.

On peut toutefois en trouver encore parfois sur certains toits anciens. Ils font l'objet d'un programme de récupération par l'Andra et sont classés comme déchets radioactifs de faible activité à vie longue. Dernièrement, l'arrêté du 15 janvier 2008 impose le retrait des paratonnerres à source radioactive protégeant les ICPE (installations classées pour l'environnement) et leur remise à une filière de traitement des déchets radioactifs avant le 1er janvier 2012^[1].

Paratonnerres à dispositifs d'amorçage

Il n'en reste pas moins que l'amélioration du paratonnerre de Franklin consiste à « créer une ionisation nettement supérieure à celle qui résulte de l'effet couronne spontané ou à maîtriser cet effet couronne pour optimiser sa production »^[2].

Sur cette base, les Paratonnerres à Dispositif d'Amorçage (PDA) ont fait leur apparition en 1984 en France puis en Espagne qui furent également les premiers pays à adopter des normes spécifiques (NF C 17 102 en France, UNE 12 186 en Espagne). Aujourd'hui, ce type de paratonnerres est proposé par un large nombre de fabricants (américains, chinois, australiens, argentins, turcs, indonésiens, etc.).

Ces dispositifs à pointes actives reposent sur la théorie « de l'avance à l'amorçage » : le dispositif d'amorçage permet d'accroître la distance d'amorçage en générant un traceur ascendant précoce (par rapport au traceur ascendant naturellement émis par une pointe simple) et ainsi la zone de protection du paratonnerre. « L'analyse du développement des traceurs ascendants, effectuée avec le convertisseur d'image, met clairement en évidence une avance à l'amorçage des traceurs, lorsque le dispositif auxiliaire est en fonctionnement »^[3].

Cependant l'efficacité de tels dispositifs reste discutée : après la publication en 2001 par l'INERIS ^[4] soulignant le manque de relation entre cette avance à l'amorçage et la zone de protection (la zone de protection n'étant pas testable expérimentalement, les valeurs annoncées par les normes ou les fournisseurs ne sont pas vérifiables), une enquête réalisée en France par l'IPSOS auprès des installations industrielles classées pour l'environnement (ICPE) démontre des niveaux de satisfaction équivalents pour les sites équipés de pointes simples (40,7% des sites SEVESO français), de PDA (36,2% des sites) et les cages maillées (26,5% des sites)^[5]. Le retour d'expérience après les centaines de milliers d'installations de ce type de paratonnerres dans le monde conforte largement la confiance que l'on peut y accorder même si tout n'est pas démontré scientifiquement. Les recherches dans le domaine de la foudre montrent par ailleurs qu'aucune démonstration scientifique ne peut valider la solution technique retenue (PDA ou cage maillée). Rappelons le véritable intérêt d'un paratonnerre : il s'agit surtout, au cas où la foudre passerait, par hasard, à proximité et risquerait de toucher le bâtiment, de capter et écouler la décharge dans les conducteurs de descente et ainsi de préserver la structure du bâtiment.

Inhibiteur de Foudre (Lightning-Inhibitor)

L’Inhibiteur de Foudre est un élément de protection qui, à la différence du paratonnerre, évite la formation du canal foudre le long duquel a lieu la décharge électrique. Il empêche ainsi le phénomène naturel de formation de la foudre dans une zone déterminée.

Les paratonnerres traditionnels protègent les structures mais n’évitent pas les effets négatifs de l’induction électromagnétique provoquée par la grande quantité d’énergie qui est transmise pendant le coup de foudre et auquel sont exposés tous les appareils existants, qu’ils soient électriques, téléphoniques, informatiques, électroniques, etc., ces derniers pouvant être endommagés dans une plus ou moins grande mesure et même être entièrement détruits.

Inhibiteur de Foudre sur un aéroport

L’Inhibiteur de Foudre assure une protection non seulement contre les coups de foudre mais également contre les effets des inductions électromagnétiques car il permet d’éviter le phénomène naturel de formation d’un coup de foudre dans la zone protégée.

La terre et les nuages se comportent comme deux plaques d’un condensateur qui font que si la tension entre les deux dépasse un certain seuil, le point de rupture est atteint et l’orage se produit. Le temps de chute de la foudre est pratiquement instantané alors que le phénomène de formation du canal foudre peut durer plusieurs minutes. Le principe physique d’action de l’Inhibiteur de Foudre repose sur une décharge contrôlée et constante du condensateur pendant ce laps de temps, à l’aide d’un courant électrique de l’ordre de quelques milliampères qui est généré depuis sa pointe vers la prise de terre pendant l’apparition du champ électrique élevé « entre plaques », une situation qui se produit pendant les orages. »

Vocabulaire

L'analyse du terme 'paratonnerre' semble indiquer qu'il s'agit d'un dispositif contre le tonnerre. Or le tonnerre est le mot qui désigne le craquement généré par la foudre, dû à l'expansion de l'air qui est chauffé très rapidement. Le paratonnerre ne protège pas contre le tonnerre, mais contre la foudre elle-même. On ne peut cependant utiliser le terme parafoudre, déjà utilisé pour décrire un dispositif contre les surtensions.

Voir aussi

Liens internes

• Jacques de Romas qui vérifia en France le principe du cerf-volant de Franklin dès 1757.
• Foudre
• Clocher

Liens externes

Bibliographie

Notes et références

• Portail de l’électricité et de l’électronique