Recherche & développement

La recherche est un élément fondamental du monde de la protection contre la foudre. L’analyse du phénomène foudre est très complexe à mettre en équations et doit être testé à grande échelle pour consolider les connaissances.

Trois types de tests permettent de caractériser les paratonnerres à dispositif d’amorçage atmosphérique

  • Les tests de laboratoire
  • Les tests in situ – coup de foudre déclenché
  • Les tests in situ - coup de foudre naturel

 

Essais en laboratoire

Les essais en laboratoire sont réalisés à partir d’un générateur produisant une onde de courant normalisée reproduisant les conditions de démarrage d’un traceur ascendant issu d’un paratonnerre lors de l’approche d’un traceur descendant négatif. Effets. Ils permettent de caractériser les traceurs ascendants générés par un paratonnerre, de les comparer entre eu, notamment de comparer les Paratonnerres à Dispositif d’Amorçage aux Paratonnerres à Tige Simple.

Laboratory tests

Il faut disposer d’un espace suffisamment important pour suspendre un plateau simulant le champ électrique généré par un nuage placé au-dessus du paratonnerre ainsi que le champ généré par un traceur descendant s‘approchant du sol. Une haute tension complexe (continue et impulsionnelle) est appliquée entre le sol et le plateau afin de créer une décharge permettant le passage du courant de foudre dans l’air entre la pointe et le plateau.

Les laboratoires capable de faire ce genre de test sont peu nombreux dans le monde, ci-contre le laboratoire de l’IREQ au Canada.

Le temps d’amorçage est mesuré soit par enregistrement du passage du courant traversant le paratonnerre, soit sur l’enregistrement du courant d’un photomultiplicateur (lumière émise au niveau de la pointe).

L’opération est effectuée avec un Paratonnerre à Tige Simple puis avec un Paratonnerre à Dispositif d’Amorçage. La différence entre les deux mesures est appelée gain à l’amorçage. Elle traduit l’efficacité d’un système à dispositif d’amorçage.

L’ensemble des mesures est également porté sur un graphique, on peut constater une différence importante de l’écart type des valeurs enregistrées pendant les deux essais.

PDA PTS

On peut clairement voir que non seulement le paratonnerre à dispositif d’amorçage possède une efficacité supérieure à la pointe simple mais que son fonctionnement est également beaucoup plus régulier que pour une pointe simple.

Un protocole d'essai en conformité avec la norme NF C 17 102 Annexe C (procédures et critères de contrôle PDA) doit être défini afin d'obtenir des résultats fiables et reproductibles en laboratoire.

La figure ci-dessous montre la comparaison des courants de traceur ascendant émis par une tige de Franklin et une tige de PDA placées dans les mêmes conditions électriques et géométriques.

On constate que le courant d'une tige de Franklin est de nature pulsée contrairement à celui du PDA. De plus, le courant du PDA est plus élevé que celui de la tige de Franklin au même instant de la propagation du traceur ascendant

Current in Amps

Sequence

Exigences de la norme NFC 17-102

Les exigences de l'essai de la norme NFC 17-102 ont été fortement renforcées dans la dernière édition (2011).

Les paratonnerres à dispositif d’amorçage atmosphérique doivent à présent passer une séquence plus sévère de tests. Cette séquence complète permet de confronter les PDA à l'ensemble des scénarios de foudre qu'ils peuvent rencontrer dans la nature.

En effet, les PDA doivent répondre à l’ensemble des exigences ci-dessous :

  • le test de marquage
  • le test des dimensions
  • le test 'environnemental
  • le test électrique : résistance à un courant de test (100 kA en onde 10/350μs)
  • le test d'efficacité ou test d'avance à l’amorçage

Ces derniers tests sont vraiment plus sévères que ceux de l'édition précédente.

Il est important de noter que les PDA sont les seuls paratonnerres répondant à des exigences aussi sévères.

Ces exigences permettent de montrer leur fiabilité.

Les tests in situ – coup de foudre déclenché

Rockets launched

Les essais avec tirs déclenchés sont réalisés en plein air à partir d’une plate-forme spécialement aménagée pour l’opération. Généralement ces essais sont effectués par campagne dans des zones particulièrement foudroyées et pendant la période de l’année la plus favorable. Les fusées sont lancées à partir d’un pas de tir, elles sont reliées à la terre par un fil et se rapprochent des nuages jusqu’à l’amorçage.

Cette méthode présente l’avantage de pouvoir collecter plusieurs mesures par campagne.

Les tests in situ - coup de foudre naturel

Natural tests

Les essais en milieu naturel consistent simplement à placer un dispositif de mesure dans un endroit offrant une probabilité de foudroiement importante.

Les résultats obtenus sont incontestablement les plus réalistes mais les plus difficiles à obtenir.

Le nombre de mesures obtenues dans ces conditions est forcément plus réduit. Le temps nécessaire pour collecter un nombre de mesures significatif se compte en années.

Comparison of results obtained by the different systems

Onera

Les courbes ci-dessus comparent les courants de traceur ascendant émis par un PTS sous trois échelles expérimentales différentes.

  • En laboratoire haute tension, dans le cadre d'une expérimentation selon la norme NF C 17-102. (Travaux de G. Berger - CNRS)
  • En échelle naturelle sans déclenchement artificiel. (Travaux de J.R. GUMLEY, 1992, Experiments at Kennedy Space Center, 21st ICLP, Berlin)
  • En échelle naturelle avec déclenchement artificiel par fusée (Travaux de A. BONAMY, A. BONDIOU-CLERGERIE, P. LALANDE, P. LAROCHE, I. GALLIMBERTI,1997, The stabilisation field : a physical concept for the description of the lightning connection on grounded structures, Lightning and Mountain, Chamonix, paper B.1.2.)

Compte tenu des échelles de temps et de courant, sur les premières 200 microsecondes, on constate que les courants mesurés sont très analogues.

On peut en déduire la validité des expériences effectuées en laboratoire quant à la phase de formation et de début de la propagation du traceur ascendant naturel.

Plusieurs des sites in situ sont désormais opérationnels. On peut citer par exemple