Comprendre les systèmes de protection contre la foudre

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Les progrès scientifiques améliorent la protection contre la foudre pour les installations critiques

Benjamin Franklin a démontré qu'un chemin électriquement conducteur peut canaliser en toute sécurité les éclairs du haut d'un bâtiment vers le sol.. Son système de protection contre la foudre (LPS) a prouvé à plusieurs reprises son efficacité et a été progressivement perfectionné au cours des 2 derniers siècles.. Pour les installations ordinaires,il assure une protection fiable et abordable lorsqu'il est conçu et installé conformément aux NFPA780:Norme pour l'installation de systèmes de protection contre la foudre.

Pourtant, les exigences de protection contre la foudre de nombreuses structures dépassent celles fournies par les aérogares ordinaires (anciennement appelées paratonnerres) et la mise à la terre.. Leurs vulnérabilités ont augmenté à mesure que des composants électroniques de plus en plus sensibles contrôlent désormais des fonctions vitales, notamment la sécurité des bâtiments.,contrôle climatique,stockage et traitement des données,éclairage,équipement de fabrication et de transformation,quincaillerie de porte et systèmes d'accès,systèmes de santé,et d'autres fonctions critiques. En même temps,le risque semble augmenter en raison de la survenue d’événements météorologiques extrêmes plus fréquents associés au changement climatique,comme la foudre accompagne les tornades et les ouragans ainsi que les orages.

La foudre pose un risque important pour les bâtiments, leurs occupants et leur contenu. Il frappe 40 à 50 fois par seconde dans le monde,pour un total de près de 1,4 milliard de flashs par an,avec jusqu'à plus de 200,000 ampères de courant pratiquement sans entrave entre les charges ioniques de l'atmosphère et de la terre. Chaque région de l'Amérique du Nord est vulnérable à la foudre. À l'échelle nationale,la foudre cause autant de dégâts que les tornades. L'ampleur de cette dévastation,cependant,est souvent méconnu parce que les éclairs individuels n'attirent pas l'attention médiatique qui est accordée aux catastrophes régionales. Pourtant, un seul coup de foudre peut être un désastre pour une entreprise ou une communauté s'il perturbe les opérations critiques.

Réclamations d'assurance pour les bâtiments endommagés par la foudre aux États-Unis. totalisent plus de 5 milliards de dollars par an. Ce chiffre sous-estime le coût car il mesure principalement les incendies et les dommages structurels et néglige la plupart des dommages causés aux appareils et systèmes électroniques.. Les dommages causés par la foudre aux appareils électroniques sont souvent attribués à tort à d’autres causes.

Considérer,Par exemple,un centre de traumatologie de niveau I qui avait installé un nouveau générateur de secours. Le générateur a échoué à plusieurs reprises à la routine,contrôles mensuels,et l'hôpital a fait des réclamations contre la garantie du fabricant. Quelqu'un a finalement remarqué une corrélation entre les pannes d'équipement et les orages dans la région.,et il a été découvert que le générateur n'avait pas été correctement intégré au LPS du bâtiment. Depuis la réhabilitation,le responsable de l'installation signale que le générateur n'est plus tombé en panne.

Même si une police d'assurance payait le matériel endommagé,cela couvrirait-il les dommages indirects,comme une perte de revenus ou l'incapacité de répondre en cas d'urgence?Vous ne voudriez pas être un chef de la police ou des pompiers incapable de réagir aux dommages liés à la tempête parce que la tempête elle-même a détruit votre système de communication.

L'évaluation des risques

Un bon point de départ pour comprendre les besoins de protection contre la foudre de votre bâtiment est l'évaluation des risques liés à la foudre figurant à l'annexe L de la norme NFPA 780.

La norme recommande une protection contre la foudre lorsque la vulnérabilité d'une structure à la foudre est supérieure à son risque tolérable.:

•  La vulnérabilité est déterminée par la densité des éclairs (fréquence/superficie/année basée sur les cartes des services météorologiques nationaux) avec des modifications en fonction de la superficie d'une structure.,hauteur,topographie,et la proximité de structures ou d'arbres plus hauts. 
• Le risque dépend de la conductivité et de la combustibilité du toit et du système structurel.,la valeur et la combustibilité du bâtiment,la facilité avec laquelle les occupants peuvent être évacués,l'attitude d'un propriétaire envers la continuité des opérations,et les risques environnementaux,comme le rejet de matières dangereuses.

Quels que soient les calculs,La NFPA recommande d'envisager sérieusement une protection contre la foudre si l'un des facteurs suivants est présent.

• Grandes foules
• Fréquence élevée des éclairs
• Grand,structures isolées
• Contenu explosif ou inflammable
• Un patrimoine culturel irremplaçable
• Exigences réglementaires ou d’assurance
• Continuité des services critiques.

Surveillance de la foudre

De nombreuses avancées récentes en matière de sécurité contre la foudre ont été développées pour des applications militaires et de lancement spatial.. Cela est compréhensible car les installations de lancement,comme ceux de Cap Canaveral,Floride,sont situés dans des zones avec une intense activité de foudre. Dans de telles installations de lancement,la valeur des actifs est élevée,les équipements avioniques et aéronautiques sont sensibles,les fusées et leurs structures de lancement sont hautes,et les enjeux sont énormes lorsque des astronautes ou d'autres charges utiles de grande valeur sont assis au sommet d'énormes,réservoirs de carburant de fusée hautement volatils.

Cela a été illustré en 2011 alors que la navette spatiale Atlantis était assise sur le complexe de lancement 39A (LC-39A) au Kennedy Space Center.. Un jour avant qu'Atlantis effectue le dernier voyage du programme Shuttle de la NASA,la foudre a frappé près du complexe de lancement,deux fois. Les questions cruciales pour les ingénieurs et les responsables espérant maintenir le lancement dans les délais étaient les suivantes ::Où exactement la foudre a-t-elle frappé,et étaient-ils suffisamment proches pour endommager les systèmes électriques de la navette?

À ce moment-là, deux systèmes surveillaient l'activité de la foudre autour du Centre spatial Kennedy.:le système local de surveillance de la foudre nuage-sol (CGLSS),exploité par le 45e de l'Armée de l'Air Escadron Météo,et le NOUS. Réseau National de Détection de Foudre (NLDN),un système national de détection de la foudre détenu et exploité par Vaisala,une entreprise privée.

Les systèmes ont indiqué que les éclairs étaient proches du LC-39A.,où Atlantis attendait son lancement. Mais des enquêtes antérieures de la NASA avaient déterminé que le CGLSS et le NLDN produisaient des résultats douteux.:Ils ont signalé 70 à 80 % des impacts de foudre et étaient enclins à signaler les impacts dans des endroits où ils ne se produisaient pas réellement.

Dans les cas précédents,des éclairs à proximité de la rampe de lancement auraient retardé le lancement jusqu'à une semaine pendant que les ingénieurs testaient à nouveau les systèmes potentiellement affectés. Cette fois,cependant,La NASA a bénéficié d'un nouveau système de surveillance de la foudre. undefined,undefined

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undefined. undefined,undefined,undefined,undefined. En surveillant l’intégralité d’un parc éolien,un opérateur peut déterminer rapidement si une éolienne particulière a été heurtée afin de pouvoir l'arrêter en toute sécurité pour maintenance et éventuellement éviter une panne catastrophique.

Dans le secteur des assurances,une surveillance précise de la foudre permet aux propriétaires de documenter les allégations selon lesquelles les dommages sont dus à la foudre et non à un dysfonctionnement mécanique. De la même manière,les compagnies d'assurance peuvent se protéger contre les réclamations frauduleuses. Les deux parties bénéficient du fait qu’elles n’ont pas besoin d’envoyer des enquêteurs sur le terrain pour effectuer des travaux médico-légaux coûteux.

L'empreinte horizontale d'une installation est un facteur important pour déterminer la vulnérabilité à la foudre.. Cela rend le système de surveillance optique particulièrement précieux pour les organisations fournissant des services dans des zones comportant de nombreux actifs de grande valeur.,comme les aéroports et les ports,installations militaires,chantiers de construction,installations de production d'électricité,et des complexes avec plusieurs structures vulnérables à la foudre.

Foudre déclenchée

Les fusées sont également utilisées pour guider la foudre vers la Terre dans le cadre de programmes de recherche et de tests.,en utilisant une version moderne de la célèbre expérience de cerf-volant de Franklin. Au Centre international de recherche et d'essais sur la foudre (ICLRT) de l'Université de Floride à Camp Blanding,de petites fusées sont lancées vers les nuages ​​d'orage. Les fusées traînent un fil fin qui fournit un chemin conducteur pour que les courants de foudre réels suivent jusqu'au sol où les tests peuvent être effectués.. La foudre déclenchée offre des conditions de test beaucoup plus réalistes que celles qui peuvent être obtenues en utilisant même les plus grands générateurs d'étincelles de laboratoire.. Les générateurs d'étincelles de laboratoire imitent la haute tension ou le courant élevé présent lors d'une décharge de foudre.,mais ne parvient pas à reproduire les deux quantités simultanément,comme ils se produisent dans un véritable éclair.

Ces courants de foudre réels peuvent être injectés directement à des endroits précis sur un article de test donné. Les articles testés peuvent également être soumis aux effets électromagnétiques indirects de la foudre.,avec la distance entre l'article à tester et la foudre contrôlée avec précision. L'ICLRT est équipé d'antennes à champ électrique et magnétique,détecteurs de rayons X et gamma,systèmes haute fréquence et très haute fréquence,et des systèmes de mesure optique pour détecter et enregistrer tous les aspects de la foudre déclenchée et son interaction avec un article de test.  

Grâce à un partenariat de recherche avec l'industrie privée,l'ICLRT est maintenant disponible pour des tests commerciaux. Il est utilisé pour tester des éléments allant des composants électroniques individuels aux systèmes intégrés de taille réelle et aux assemblages de construction qui doivent résister aux pires conditions que la nature peut leur réserver.. Fabricants de l'aéronautique et de l'aérospatiale,communications,ordinateurs et électronique,militaire,production et transport d'énergie,et d'autres industries critiques peuvent utiliser le laboratoire pour tester le matériel,systèmes de contrôle,protocoles de sécurité,et des systèmes innovants de protection contre la foudre.

Préoccupations architecturales

De nombreux bâtiments essentiels à la mission : casernes de police et de pompiers,par exemple, avoir un visage public qui nécessite une sensibilité à l'esthétique architecturale. Les câbles conducteurs peuvent généralement être installés à l'intérieur d'un bâtiment ou de ses murs.;les câbles exposés peuvent être alignés avec les lignes du bâtiment pour minimiser toute apparence inesthétique.

Les aérogares installées sur le toit d'un bâtiment mesurent souvent seulement 10 pouces. grand et 3/8 à 5/8 po. en diamètre. Ils ont généralement un impact mineur sur l'apparence du bâtiment.. Dans les situations où l'apparence est plus critique,les aérogares peuvent être remplacées par des éléments structurels qui sont en métal électriquement continu d'au moins 3/16 po d'épaisseur.

Ces « dispositifs d'arrêt de grève » se sont révélés populaires lorsqu'ils sont installés comme garde-corps autour des toits-terrasses où le public peut être en contact étroit avec le LPS.. En plus d'offrir une liberté architecturale accrue,les dispositifs anti-gâche répondent également aux exigences fonctionnelles. Par exemple,la charpente en acier d'une plate-forme d'atterrissage d'hélicoptère surélevée peut être connectée au réseau de toit du système de protection contre la foudre pour éviter le besoin d'aérogares en saillie.

Le LPS peut également être intégré aux panneaux solaires sur les toits et à d'autres caractéristiques de conception durable. À l'aéroport international O'Hare de Chicago,Par exemple,un bâtiment abritant les équipements de communication et de traitement de données de la Federal Aviation Administration (FAA) utilisait un toit vert recouvert de terre pour répondre aux directives environnementales de l'aéroport. En raison du caractère critique des services de la FAA,les directives de protection contre la foudre de l'agence dépassent les normes NFPA.

Certifications

Les LPS doivent être conçus et installés par des entreprises spécialisées employant des personnes dont les qualifications incluent la certification du Lightning Protection Institute.. Les propriétaires de structures critiques devraient également exiger une certification tierce par le Programme d'inspection du Lightning Protection Institute (LPI-IP) ou programme UL Master Label.

Quel que soit le soin apporté à la conception et à l’installation des LPS,les gestionnaires d'installations doivent rester attentifs à tout ce qui pourrait perturber l'efficacité d'un système. Par exemple:

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