Protection foudre : les solutions pour sécuriser les bâtiments à risque

Comme pour tous les types de bâtiments, l’enjeu est double ; Arnaud Lefort, PDG d’Indelec, nous l’explique : « Nous distinguons d’une part les impacts directs de la foudre sur le bâtiment, qui peuvent provoquer des incendies, des dégâts domestiques ou sur les personnes. D’autre part, les effets indirects des coups de foudre peuvent provoquer des perturbations sur le réseau dues aux champs électromagnétiques et occasionner des surtensions importantes qui impactent les équipements liés au réseau. »

Concernant les installations à risque, plus précisément, leur protection est régie par un arsenal légal, notamment l’arrêté ICPE du 19/07/2011 et les études de danger, avec une analyse de risque réalisée par une entreprise certifiée Qualifoudre (ou un bureau d’étude foudre), comme nous l’explique Christian Macanda, responsable Produit groupe de Citel : « Dans le cas des ICPE (installations classées pour la protection de l’environnement), les conséquences sur l’environnement peuvent être désastreuses en cas d’incident. L’approche est donc administrative et très cadrée. Pour les bâtiments non-ICPE, comme les datacenters, les usines ou les hôpitaux, la problématique majeure est liée à la perte de service. Dans ce cas, ce n’est pas le matériel mais la continuité de service qui est stratégique. »

Sans oublier les surtensions transitoires
En dehors de la foudre, les surtensions dites « de manœuvres », induites par la commutation de charges sur le réseau, peuvent aussi causer des dommages et altérer la continuité de service. Ces surtensions sont d’intensité bien moindre, mais avec une occurrence bien plus importante, comme l’explique Christian Macanda : « Le foudroiement moyen en France est d’environ un à deux impacts par an et par km², alors que les surtensions transitoires relatives à l’utilisation des équipements et au réseau électrique interne sont innombrables et mettent un stress permanent sur les équipements. » Un équipement sensible bien positionné et bien protégé dure au-delà de 10 ans, contre à peine un an pour un équipement positionné sur une zone de surtensions fréquentes.

Les lignes, même si elles sont souterraines, sont également porteuses de surtensions en cas de foudroiement plus loin sur le réseau, qu’il s’agisse des lignes entrantes du sol ou du toit, souligne Alain Rousseau, expert foudre chez SEFTIM et président de commissions techniques de normalisation pour l’Afnor : « Il est essentiel de sécuriser toutes les entrées du bâtiment en installant des parafoudres, pour protéger le bâtiment contre les chocs de foudre directs. Il faut pour cela des parafoudres de Type 1. Ensuite, pour protéger le réseau contre les chocs indirects, il faut installer des parafoudres moins puissants à divers endroits du réseau. Le parafoudre est la priorité zéro pour la protection foudre du bâtiment. »

Et la résilience des installations ?
Un autre enjeu de la protection foudre est lié à la résilience des installations, comme nous l’explique David Dumon Ruiz, responsable marketing Surge protection, APAC-EMEA-SA, Mersen-Cirprotec : « Les systèmes connectés permettent de mesurer et de surveiller les installations et les équipements pour les adapter au besoin et les maintenir. Les versions analogiques des produits nécessitaient des actions de maintenance tous les ans ou tous les deux ans. Les systèmes connectés, paratonnerres ou parafoudres, permettent un aperçu en temps réel pour adapter la protection du bâtiment en fonction de ses spécificités. Un paratonnerre connecté au Cloud renseigne,, à chaque fois que le bâtiment est frappé par la foudre, sur la date, l’heure et l’intensité du courant pour prévoir l’état de l’installation et la maintenance à effectuer. Les parafoudres connectés donnent des informations sur leur état de fonctionnement et, à l’avenir, les parafoudres intelligents permettront de mettre en corrélation le nombre de surtensions et la puissance du courant pour prévoir la maintenance. De plus, nous proposons une solution connectée pour monitorer la connexion à la terre et son efficacité. La prise de terre doit présenter une bonne résistance, sinon le parafoudre ne fonctionne pas correctement. Les systèmes connectés permettent également de déterminer la performance de l’installation et d’influer sur leur résilience. »

Évaluer le risque foudre
Toutes les installations peuvent être impactées par le risque foudre, avec différents niveaux de dommages. Pour les ICPE et l’industrie, un certain nombre de dispositions réglementaires sont prévues. Mais pour les datacenters par exemple, la loi ne dit rien. Il est donc essentiel de pouvoir évaluer le risque foudre sur une installation donnée, comme nous l’explique Arnaud Lefort : « La méthode d’analyse de risque est prévue par la norme NF EN 62305-2 et repose sur un certain nombre de critères tels que la typologie du bâtiment, sa surface et son environnement. En effet, l’incidence du risque foudre n’est pas la même en Bretagne, où elle est la plus faible de France, ou dans la vallée du Rhône, qui affiche la plus haute incidence. Enfin, cette méthode distingue bien les trois catégories de risques : l’impact direct sur les structures, l’impact indirect sur le réseau et le risque pour les personnes. D’autres risques sont également identifiés, comme celui pour le patrimoine, dans le cas d’une cathédrale par exemple. » Cette méthode permet donc de déterminer le niveau de protection à utiliser selon les risques.

L’analyse de risque comporte quatre paramètres principaux, comme nous l’explique David Dumón Ruiz : « On distingue la perte de vie humaine, la perte économique, la perte de service public et la perte d’héritage culturel. Pour les datacenters par exemple, la foudre induit une perte économique et une perte de service public. Le niveau de risque pour un datacenter donné dépendra de sa taille et de son emplacement. Cette analyse de risque est définie sur une échelle de 1 à 4. Un hôpital ou une infrastructure critique admet un risque de niveau 1, contre un niveau 4 pour un bâtiment moins important. »

Des risques différents selon la structure des bâtiments
Dans la prise en compte du risque foudre, les experts distinguent également trois types de bâtiments, comme nous le détaille Alain Rousseau, expert foudre : « Le risque foudre est lié à la structure des bâtiments. On distingue donc les bâtiments industriels en métal, où la structure métallique sert naturellement de protection foudre. Les bâtiments avec des structures en béton peuvent connaître des dommages, notamment des fissures en cas de foudroiement. Dans ce cas, il est préconisé d’installer un paratonnerre sur le toit. Enfin, les structures plus communes, en bois, en brique ou en verre, sont traversées par un champ magnétique important en cas de foudroiement, ce qui occasionne des dégradations plus importantes. »

Protection directe

La protection foudre s’inscrit dans cette logique d’analyse du risque et de détermination d’un niveau de protection. Il est ensuite essentiel de mener une étude technique pour couvrir le bâtiment, et toutes les zones à risque doivent être incluses au système de protection, comme le précise Arnaud Lefort : « Nous disposons de deux méthodes de protection directe : le maillage, régi par la norme NF EN 62305-3, consiste à équiper le bâtiment de mailles conductrices en cuivre ou en aluminium sur la structure. Plus les mailles sont resserrées, plus la protection foudre est efficace. Chaque maille est reliée à une prise de terre et il est essentiel de maintenir une équipotentialité sur le réseau de la terre. La deuxième méthode, beaucoup plus utilisée, consiste à installer des paratonnerres à dispositif d’amorçage (PDA), pour concentrer l’impact du coup de foudre sur un point particulier du système de protection. Le paratonnerre permet ainsi d’assurer la couverture du bâtiment et de canaliser les courants de foudre vers la terre, grâce à un réseau de plusieurs descentes. Le principal avantage des PDA est qu’ils sont plus simples à mettre en place que le maillage et qu’ils permettent de protéger des zones extérieures. L’étude technique est utile pour définir le système de protection en installant les solutions les plus adaptées. »

Protection indirecte
Sur le plan de la protection contre les effets indirects, l’installation de parafoudres à différents niveaux du réseau est requise pour filtrer les perturbations électromagnétiques, explique Arnaud Lefort : « Dans l’industrie, un parafoudre de Type 1 est systématiquement intégré au tableau général de l’usine, et la mise en place d’une cascade de protections secondaires est requise : les parafoudres les plus puissants sont installés en tête d’installation et les plus fins en bout d’installation. En cas d’alerte, il peut être intéressant d’être tenu au courant de l’imminence du risque foudre, soit par Météorage, soit grâce à des détecteurs d’orage. Cela permet notamment d’interrompre certaines opérations à risque en cas de foudroiement. »

L’architecture basse tension inclut un parafoudre de tête et des parafoudres divisionnaires selon plusieurs niveaux, mais seulement lorsque c’est utile, ajoute Christian Macanda : « Il convient d’installer des parafoudres divisionnaires seulement dans les parties du réseau où il y a des équipements à protéger. Il ne s’agit pas d’installer des parafoudres en cascade sans raison, mais lorsque c’est réellement utile. »

Élargir le cadre de la loi pour favoriser un plus haut niveau de protection
Si l’objectif est de traiter le risque global, il est essentiel de traiter les risques directs avec une cage maillée ou un paratonnerre et les risques indirects avec des parafoudres. L’objectif est bien de traiter tous les réseaux entrants, car le danger vient de l’extérieur, souligne Christian Macanda : « Il faut installer dans les TGBT des parafoudres appropriés. Dans les sites industriels de grande dimension, les parafoudres ont un rayon d’action limité. La seule obligation prévue par la norme NF C 15-100 est celle de l’installation d’un parafoudre à l’origine. Mais il est essentiel d’installer des parafoudres complémentaires dans les tableaux divisionnaires pour protéger le bout du réseau. Les parafoudres sont obligatoires seulement pour les sites sensibles. La directive européenne HD 60 364 va au-delà du premier niveau de protection et encadre l’ensemble des parafoudres du bâtiment, mis à part pour le petit tertiaire et le résidentiel. » Cette directive sera transcrite prochainement et figurera dans une version mise à jour de la NF C 15-100.

Quelques règles de câblage à respecter
« La stratégie pour obtenir un haut niveau de protection foudre est d’installer de façon conforme des parafoudres certifiés et positionnés aux bons endroits, sans exigence particulière pour la résistance de terre de l’installation, explique Christian Macanda. Certains installateurs font la confusion, l’important étant que le parafoudre soit installé au plus court entre les conducteurs actifs et la barrette de masse du tableau. Ensuite, il ne faut pas oublier que les courants faibles incluent les télécoms, mais aussi les lignes de données, notamment le réseau local informatique. Si ces réseaux relient deux bâtiments distincts, il est essentiel de traiter le problème. Il est recommandé de remplacer les conducteurs cuivre des réseaux de communication par de la fibre optique, qui ne conduit pas les courants perturbateurs. »

Pour une protection foudre efficace, il faut bien entendu traiter la protection externe avec un paratonnerre et la protection interne des câbles et des équipements. Sans oublier un point trop souvent négligé, celui de la qualité de la terre, comme nous l’explique David Dumón Ruiz : « Le paratonnerre écoule l’énergie vers la terre si elle admet une bonne résistance. Il est important de surveiller l’état de la terre, qui peut varier. Un suivi digital permet de déterminer l’état de fonctionnement et la qualité de la terre. Nous avons lancé un parafoudre intégrant un suivi de l’état de la terre. Nous avons donc intégré un sémaphore à la cartouche du neutre, avec un voyant tricolore qui nous informe de l’état (résistivité) de la terre. Cela est aussi une aide à l’installation, car le voyant nous confirme que le parafoudre a été bien câblé avec la câblette de terre, et que les conditions sont les mieux appropriées pour faire face à des surtensions. En cas de sécheresse ou de travaux, les propriétés de la terre peuvent être altérées et toute l’énergie qui n’est pas écoulée vers la terre remonte vers les équipements. »

Choisir les technologies les plus adaptées
Pour les bâtiments sensibles, certaines technologies sont plus performantes pour se prémunir du risque foudre, explique Alain Rousseau : « La cage maillée permet de mieux disperser les courants dans les conducteurs. Le paratonnerre localisé présente l’intérêt de son coût, mais l’objectif reste de disperser le courant dans le plus de chemins possibles, ce qui est la fonction de la cage maillée. Cette solution est de plus en plus plébiscitée par les professionnels et la législation commence à s’emparer du sujet. Les normes européennes et internationales prévoient une évolution vers davantage de cages maillées. »

Sur le plan des parafoudres, les technologies ont connu une réelle harmonisation. La différence se fait aujourd’hui sur la typologie des installations à protéger, comme nous l’explique Christian Macanda : « Aujourd’hui, certaines applications ont connu un fort mouvement de normalisation et les différents fabricants proposent des produits particuliers selon les applications. Les fermes photovoltaïques, mais aussi l’éclairage public, les installations de vidéosurveillance ou les infrastructures de recharge de véhicules électriques intègrent de l’électronique plus sensible et nécessitent des protections particulières. » Globalement, les technologies s’uniformisent et sont assez similaires, même si de petites différences et particularités existent, poursuit Christian Macanda : « La technologie de l’éclateur à gaz est plus adaptée aux réseaux de données. Chez Citel, nous fabriquons notre propre éclateur à gaz que nous intégrons à nos parafoudres. Dans certaines applications comme les réseaux d’énergie, nous développons des éclateurs à gaz spécifiques. »

Mais sur le plan technologique, les choix dépendent des caractéristiques propres de chaque installation : « Sauf en cas de demandes spécifiques, il est toujours intéressant d’associer différentes technologies et de créer des bouquets de solutions », précise David Dumón Ruiz

Les nouveautés produits
Sur le plan des paratonnerres, des solutions connectées apparaissent depuis peu, comme nous l’explique Arnaud Lefort : « L’apport de connectivité permet d’accéder à distance via un portail Web à l’état de fonctionnement du paratonnerre PDA et de recevoir des alertes systématiques et immédiates en cas de foudroiement. » Les solutions connectées aident donc à vérifier l’état de l’installation et des différents produits qui la composent, mais aussi à identifier les dysfonctionnements éventuels sur les réseaux électriques ou IT. Car en dehors des maintenances annuelles, il est nécessaire d’aller inspecter les équipements après chaque foudroiement pour vérifier l’état de l’installation. « L’intégration de connectivité aux produits constitue une innovation majeure, car ils sont soumis à de fortes contraintes », ajoute Arnaud Lefort.

Du côté des paratonnerres, Mersen lance cette année une solution connectée, baptisée Nimbus Pro, que nous présente David Dumón Ruiz : « Cette solution permet de surveiller les paratonnerres et même plusieurs installations réunissant plusieurs équipements. Nimbus Pro récupère les données et déclenche des alarmes en cas de foudre, avec des informations sur l’heure, le jour et la puissance du courant. De plus, la solution permet de lancer des tests sur les PDA. Toutes les données de fonctionnement du paratonnerre s’interfacent avec un système de gestion du bâtiment. »

La notion de Smart SPD (Surge protective device), ou parafoudre intelligent, fait son apparition. Le parafoudre est un équipement passif qui vit au sein du réseau. Il intègre progressivement de nouvelles fonctionnalités, comme le comptage de l’écoulement, l’horodatage ou la mesure du courant transitoire écoulé, ce qui permet, in fine, d’évaluer le vieillissement des parafoudres et de lancer d’éventuelles campagnes de maintenance préventive. « Nous observons l’arrivée de ces produits depuis quelques années. Il faut savoir que les parafoudres sont des produits très robustes, qui bénéficient d’une très longue durée de vie. Ces technologies connectées sont intéressantes, mais peuvent doubler le prix des parafoudres, sans améliorer leur durée de vie ou leur efficacité », souligne Christian Macanda.

De son côté, Alain Rousseau doute de la nécessité d’intégrer de la connectivité dans tous les produits : « Aujourd’hui, on parle de connectivité partout, mais il faut bien se questionner sur la pertinence des informations en temps réel. Dans le nucléaire, cette information est utile, mais elle ne l’est pas pour toutes les applications. »

Les parafoudres basse tension, les plus installés, doivent pour leur part être associés à des fusibles ou à des disjoncteurs pour les protéger des courts-circuits : « Aujourd’hui, nous proposons des fusibles spécifiques qui permettent de faire des blocs de fusibles adaptés à cette fonction. Une autre solution consiste à intégrer les fusibles directement dans le parafoudre », explique Christian Macanda.

Une autre innovation concerne les systèmes isolés pour se prémunir contre les chocs de foudre directs. L’objectif est de prévoir une distance de séparation entre le circuit du paratonnerre et le circuit des bâtiments pour les isoler l’un de l’autre. « Cette solution était négligée auparavant, mais aujourd’hui, les systèmes isolés sont plus esthétiques et s’intègrent mieux aux bâtiments. Il s’agit d’un câble avec un isolant qui descend du haut du bâtiment vers la terre et qui assure une très bonne efficacité », explique Alain Rousseau.

Pour suivre les impacts de la foudre sur les installations, les professionnels installaient traditionnellement des compteurs de coups de foudre. « Aujourd’hui, des compteurs intégrés au paratonnerre PDA permettent d’être avertis de chaque événement en temps réel », explique Arnaud Lefort.

« Les paratonnerres ne sont pas une nouveauté et les parafoudres connaissent peu d’évolutions. Les solutions s’orientent aujourd’hui vers une plus grande simplicité d’installation et d’utilisation plutôt que vers une innovation technique particulière », conclut Alain Rousseau.

Des nouveautés induites par la connectivité et le pilotage en temps réel des équipements qui permettent de fluidifier et de rendre plus performante la protection foudre des bâtiments, et notamment des infrastructures sensibles ou critiques.

 

Alexandre Arène

 

Les principaux textes foudre en France par type de bâtiment ERP : établissements recevant du public > obligation de contrôles périodiques ·  Arrêté du 19/11/2001 portant approbation de dispositions complétant et modifiant le règlement de sécurité contre les risques d’incendie et de panique dans les ERP. ·  Arrêté du 11/12/2009 portant approbation de diverses dispositions complétant et modifiant le règlement de sécurité contre les risques d’incendie et de panique dans les établissements recevant du public. IGH : immeuble de grande hauteur > obligation de protection + contrôles périodiques ·  Arrêté du 30/12/2011 portant règlement de sécurité pour la construction des IGH et leur protection contre les risques d’incendie et de panique. ICPE : installation classée pour la protection de l’environnement > obligation d’études, de travaux et de vérifications ·  Arrêté du 19/07/2011 modifiant l’arrêté du 04/10/2010 relatif à la prévention des risques accidentels au sein des installations classées pour la protection de l’environnement soumises à autorisation. Il existe également des textes spécifiques pour certains sites soumis à ENREGISTREMENT et DÉCLARATION (et à d’autres rubriques « AUTORISATION » non reprises dans le texte ci-dessus). INB : installation nucléaire de base > démonstration de sûreté face aux agressions foudre ·  Arrêté du 02/02/2012 fixant les règles générales relatives aux INB. INBS : installation nucléaire de base secrète (ministère de la Défense) > obligations d’études, de travaux, de contrôles et de prévention ·  Arrêté du 01/10/2007 définissant les modalités relatives à la protection contre la foudre des INBS et des installations de mise en œuvre et maintenance associées aux systèmes nucléaires militaires.