« Une évaluation critique du code américain de protection des bateaux contre la foudre » était le titre d’un article (1) publié en 1991 par l’Institut des ingénieurs électriciens et électroniciens (IEEE). Fidèle à son nom, cette publication, dans une revue évaluée par des pairs, a souligné plusieurs domaines de problèmes clés existants dans les normes publiées par toutes les principales autorités concernant la protection des bateaux contre la foudre. Certains, tels que l’amélioration de la section de 8 mm² à 20 mm² [8AWG à 4AWG] du conducteur d’un paratonnerre principal, ont nécessité des modifications rédactionnelles mineures alors que d’autres étaient des questions fondamentales qui n’avaient pas de solution claire. Un problème majeur a été la conclusion selon laquelle « Il est démontré qu’une plaque de terre de 10 dm² [1 pied carré] est clairement insuffisante pour empêcher les arcs latéraux [sideflashes] en eau douce. En 1991, il n’y avait pas de solution pratique à cela. Étirer la zone de mise à la terre en une longue bande améliore ses performances théoriques mais est difficile à mettre en œuvre. Une autre préoccupation, qui donne également un indice pour la solution, devient évidente lorsque nous comparons les techniques de protection contre la foudre utilisées avec succès dans les bâtiments avec celles généralement appliqué, avec beaucoup moins de succès, aux engins nautiques. Dans les bâtiments, les conducteurs de descente de la foudre sont placés à l’extérieur et se terminent par plusieurs piquets de terre, eux aussi à l’extérieur. D’autre part, l’exigence selon laquelle une seule plaque de masse est requise dans un bateau a généralement pour résultat qu’un seul conducteur descendant traverse le milieu du bateau. Avec une probabilité de 100 %, des éclairs latéraux internes se forment fréquemment entre les conducteurs du système de protection contre la foudre et les autres équipements conducteurs. Ces éclairs latéraux internes peuvent être évités en reliant les équipements au système de protection contre la foudre, comme exigé par les normes, mais ces raccordements augmentent également le risque d’arcs latéraux externes émanant de l’équipement et dirigés vers l’eau.

L’ABYC est l’organisation évidente pour traiter ces problèmes, dont les normes maritimes servent de base à la certification NMMA. Compte tenu des problèmes susmentionnés inhérents à sa norme E-4 de protection contre la foudre, ABYC, dans sa dernière réécriture, a rétrogradé la classe E-4 en un Rapport Technique, [1], ABYC, 613 Third Street, Suite 10, Annapolis, DM 21403 2006. Cependant, même lorsque la norme E-4 existait, elle n’était pas imposée pour la certification NMMA. Au cours de son dernier cycle de révision, le National Fire Protection Association (NFPA) a entrepris une réécriture complète de sa norme de protection des engins nautiques contre la foudre basée sur le concept simple qu’un système de protection d’un bateau contre la foudre devrait ressembler à celui d’un bâtiment. La norme NFPA est revue tous les quatre ans par un comité de professionnels de la protection contre la foudre et contient non seulement un vocabulaire de référence mais également plusieurs annexes informatives expliquant les principes sous-jacents. Le chapitre 8 de NFPA780-2008 (3) qui en résulte est une nouvelle norme pour les engins nautiques qui s’écarte résolument de l’ancienne. Au lieu d’un seul paratonnerre (air terminal) au sommet d’un mât central, de nombreux paratonnerres peuvent être placées autour du périmètre. Au lieu d’un seul conducteur de descente suivant le chemin le plus rectiligne vers l’eau, des conducteurs de descente interconnectés en réseau sont placés à l’extérieur des installations, équipage et électroniques. Au lieu d’une seule plaque de terre immergée de 10 dm² , de multiples bornes de terre terminent les conducteurs de descente, de manière préférentielle également à l’extérieur.
D’ailleurs, il existe plusieurs cas où les dommages observés sur les bateaux peuvent être liés à des lacunes dans la norme existante. Commençons par ceux-ci. Nous pouvons alors montrer quelles modifications devaient être apportées à la norme marine afin qu’un système de protection du bateau ressemble plus à cela sur un bâtiment. Enfin, nous discuterons d’un système qui a été conçu conformément aux nouveaux concepts.

Problèmes avec les normes précédentes

Le statu quo (avant NFPA780-2008) posait un certain nombre de problèmes, mais la pierre d’achoppement majeure était l’exigence d’une plaque ou d’une bande de terre 10 dm². Ceci a souvent été interprété comme signifiant que c’était tout ce qui était nécessaire et le meilleur moyen de raccorder ceci était par le chemin le plus court possible vers un unique paratonnerre [single air terminal] au sommet d’un mât.

Dans mon document IEEE de 1991 [2], j’ai calculé quelle tension typique le système de protection contre la foudre atteindrait s’il était connectée à un seul conducteur de terre immergé avec une zone de contact d’un pied carré. En eau douce, cette tension s’est avérée si importante que des arcs latéraux seraient inévitables. (Un éclair latéral est une étincelle incontrôlée qui transporte le courant à l’eau et peut causer des dommages importants aux coques et à l’équipement). Ce calcul avait été fait pour aider à expliquer les observations de dommages causés par des arcs latéraux étendus à des voiliers même lorsque le mât était mis à la terre à la quille ou à une plaque de terre. Des cas tels que celui ci-dessous tiré du dossier d’assurance Boat US n° 950447 ont nécessité l’ajout d’un nouveau terme au glossaire de la protection contre la foudre - une « électrode complémentaire de mise à la terre » qui évacue le courant de foudre vers l’eau en plus de celui conduit par l’électrode (ou plaque de terre) de mise à la terre principale. Dans ce cas, la chaîne d’ancre a provoqué des arcs latéraux à travers la coque causant des dommages importants à la coque.

 

Dans un autre cas, illustré ci-contre, un réservoir d’eau et un rayonnage en aluminium ont servi d’électrodes complémentaires. Le propriétaire de ce voilier a signalé non seulement « des milliers de trous » dans le lest en plomb - indiquant que le courant de foudre était effectivement sorti du conducteur de mise à la terre prévu - mais a également noté deux grands trous à proximité de la ligne de flottaison et du rayonnage en aluminium à l’arrière et d’un réservoir d’eau en avant. Les arcs latéraux qui ont causé ces trous sont originaires, respectivement, du pataras et de l’étai et clairement ont pris des chemins beaucoup plus longs et tortueux que la plus courte distance à l’eau. Apparemment, la foudre ne prend pas toujours le chemin le plus direct, mais a plutôt une affinité pour la ligne de flottaison. Noter le rôle majeur des deux conducteurs intermédiaires (l’organisateur et le réservoir d’eau) dans le guidage de l’arc latéral vers la ligne de flottaison. On peut sans beaucoup d’imagination apprécier les conséquences probables si un équipier avait été couché dans la couchette entre la cadène d’étai et le réservoir d’eau.

Dans d’autres cas, un IPN de support de mât en d’aluminium, une installation sanitaire, des cloques au gelcoat, et de l’humidité dans la coque ont tous servi d’électrodes de mise à la terre complémentaires. En fait, dans un autre cas bien documenté le lest de la quille semble n’avoir transporté aucun courant, mais quatre grands trous à la ligne de flottaison désignaient les conducteurs de descente de la foudre (reliées aux boulons de quille) comme électrodes de mise à la terre, ce qui pourrait difficilement être interprété ici comme étant « complémentaire ».
Lorsqu’un éclair latéral se produit dans une coque en fibre de verre, les atomes de carbone sont séparés de la résine, ce qui affaiblit le stratifié, et ce carbone résiduel forme maintenant des chemins conducteurs à travers la fibre de verre, par ailleurs isolante. Donc, si le bateau devait être frappé à nouveau, il est fort probable que les traces de carbone fourniraient des voies de passage intéressantes, mais leurs résistances élevées entraîneraient probablement une surchauffe. En d’autres termes, le risque de graves dommages à la coque augmente si le carbone n’est pas éliminé pendant les réparations. Ainsi l’élimination de toutes les pistes en carbone doit être une grande priorité lors de la réparation de la coque en fibre de verre endommagé par la foudre. Malheureusement, trouver et réparer ces traces est souvent problématique, mais s’il y a eu une sortie d’arc latéral émanant de la coque, vous pouvez être sûr qu’il y a des traces de carbone présentes.
Donc, théoriquement, un pied carré est loin d’être suffisant. Cependant, l’illustration ci-dessus montre que même la surface du lest de plomb n’était pas suffisante dans ce cas. Apparemment le problème n’est pas tant la taille de la zone de mise à la terre que sa répartition. Plutôt que de tenter de dissiper le courant de foudre à travers une seule plaque de masse, nous avons besoin de plusieurs points de sortie. Les emplacements préférés pour ceux-ci, comme le montre les trous de sortie observés, sont à la périphérie extérieure de la coque plutôt que directement sous le mât.
La plaque de terre unique n’est pas le seul problème majeur. La connexion courte et rectiligne de la base du mât à la plaque de terre en est un autre. Cela place la charge de foudre directement dans le milieu du bateau, augmentant le risque d’arcs latéraux internes vers des conducteurs intermédiaires du bateau. À cet égard, le câblage électrique, les réservoirs d’eau (en métal ou en plastique) et les équipiers sont tous des conducteurs potentiels.

Norme NFPA : protéger un bateau comme un bâtiment

Alors que faire maintenant ? Eh bien, rappelez-vous que la norme pour les bâtiments existe depuis déjà longtemps, a fait l’objet de nombreuses itérations sous la direction d’un comité d’experts de la foudre, et fonctionne très bien. La différence est que la norme de construction place plusieurs paratonnerres, conducteurs et tiges de mise à la terre à l’extérieur du bâtiment. Peut-être pouvons-nous faire quelque chose de similaire pour les bateaux ?
Cette idée est à la base de la nouvelle norme NFPA [3] relative aux embarcations. Quand le comité NFPA sur la protection contre la foudre a examiné les types de dommages subis par les bateaux et en a reconnu les causes fondamentales, ils sont convenu qu’il existait de graves problèmes qui devait être traités. Nous avons donc examiné la norme existante avec l’intention de changer les concepts fondamentaux pour les aligner davantage sur ceux appliqués aux bâtiments.
Le résultat constitue un changement de direction majeur. Le texte final est un traitement détaillé d’un système complet de protection contre la foudre, qui inclut des détails tels que la façon d’utiliser les raccordements existants en tant que partie du système et introduit des éclateurs pour minimiser la corrosion galvanique et l’électrolyse. Trois points principaux se détachent nettement du statu quo.

1. Plusieurs antennes de paratonnerre
Tout d’abord, lorsqu’il s’agit de déterminer l’emplacement des paratonnerres, toute méthode admissible pour les bâtiments peut maintenant être utilisée pour les bateaux. Ainsi, au lieu de devoir utiliser uniquement la méthode du cône pour établir la zone de protection, la méthode de la sphère roulante peut être utilisé. Cela permet de placer des paratonnerres autour du périmètre et nécessite des tiges de paratonnerres beaucoup plus courtes. Par exemple, dans un bateau à moteur avec un hardtop, le cône inversé lorsqu’il est suspendu au hardtop donne une zone de protection qui habituellement ne couvre pas tout le pont avant. Si à la place nous utilisons la méthode de la sphère roulante, nous pouvons ajouter un paratonnerre sur le balcon avant, tel qu’une hampe métallique de pavillon, de sorte que le pont avant soit maintenant inclus. Tant que la tige de paratonnerre la plus avancée est plus haute que la hauteur de la tête, la zone théorique de protection couvre désormais toute personne travaillant sur le pont avant. Une approche encore meilleure est d’installer un câble conducteur entre le hardtop et la tige de paratonnerre puisqu’un conducteur placé au-dessus de la tête fournit une protection de loin supérieure à une tige verticale.

2. Câbles de descente externes
Deuxièmement, conformément à la norme de construction, les conducteurs de descente (notez le pluriel) sont placés préférentiellement à l’extérieur du bateau. Cela établit un bouclier protecteur, assez semblable à une cage de Faraday, autour de l’intérieur du bateau. À l’intérieur de ce bouclier tout est à peu près à la même tension que le système de protection contre la foudre même s’il n’y a pas de liaison à la terre. Dans la nouvelle norme NFPA, une nouveauté est un conducteur en boucle qui entoure complètement le bateau. Cela sert d’ossature conductrice pour le réseau de conducteurs, permettant aux paratonnerres et aux bornes de mise à la terre d’être interconnectés, en même temps qu’il met en place ce bouclier protecteur autour de l’intérieur du bateau.
Le conducteur de boucle remplit la même fonction que le bus d’égalisation de l’ancien standard et le remplace. Bien que l’égalisation des potentiels par interconnexion [bonding] soit une bonne idée, les conducteurs d’interconnexion peuvent également déclencher des arcs latéraux. Et l’ancienne rédaction de la section 8.6.1.3 de la version 2004 de NFPA780 que « Le bus d’égalisation doit être connecté à la bande sous-marine de mise à la terre à ses deux extrémités » garantissait pratiquement que le bus serait situé au centre et bien en dessous de la ligne de flottaison, deux conditions qui augmentent le risque d’arc latéral.
Au lieu de cela, la nouvelle norme dans la section 8.4.3.1 indique « Une boucle conductrice de taille principale doit circuler … de manière à former une boucle conductrice continue à l’extérieur des zones des équipages, de câblage et d’électronique ». Placer la boucle conductrice bien au-dessus de la ligne de flottaison, à l’extérieur, et avec les bornes de terre en-dessous conserve les avantages de l’égalisation tout en corrigeant ses faiblesses.

3. Bornes de mise à la terre près de la ligne de flottaison et autour du périmètre
Troisièmement, les multiples descentes de foudre descendant à l’extérieur doivent être raccordées sur plusieurs bornes de mise à la terre, de préférence près de la ligne de flottaison. Distribuer les conducteurs de descente et les bornes de terre uniformément autour de la coque favorisent l’évacuation du courant loin du bateau. Ceci minimise les différences de tension dans l’eau sous le bateau et de ce fait réduit considérablement le risque d’arcs latéraux émanant des équipements conducteurs, même ceux qui sont près de l’eau.
Cependant, cela pose plusieurs problèmes pratiques si le seul type de mise à la terre autorisé est une plaque ou une bande de terre immergée de 10 dm². Il est déjà assez difficile de convaincre quelqu’un de percer des trous à travers la coque sous la flottaison pour installer une seule plaque de terre immergée, alors pour plusieurs. Faire ainsi semblerait augmenter le risque de sombrer après un coup de foudre plutôt que de le diminuer. En particulier, s’il y a eu une fuite d’eau à travers ces trous une explosion de type chaudière à vapeur est clairement possible. Donc, si « un » est un problème, « plusieurs » aggrave le problème au point de devenir infaisable. Et qu’en est-il de l’ancienne exigence voulant que la plaque de terre soit toujours immergée ? Si un voilier déjauge ou un bateau à moteur vient à planer, la plaque de mise à la terre peut émerger.
Ainsi, lorsque la nouvelle norme impose de multiples électrodes de mise à la terre, cela peut entraîner graves problèmes de mise en œuvre. Notez que « électrode de mise à la terre » est le nouveau terme de la NFPA pour une borne de mise à la terre en ce qu’elle est un conducteur que le courant traverse à l’interface entre le système de protection contre la foudre et le support de mise à la terre (l’eau, ici).
Heureusement, les dégâts que nous avons montrés précédemment indiquent que la foudre ne partage pas nécessairement cette préférence pour les conducteurs de terre immergés. En fait, les coins des réservoirs d’eau, des installations sanitaires, des pièces métalliques et des chaînes d’ancre semblent fonctionner aussi bien, et souvent beaucoup mieux. La même chose est vraie pour les conducteurs immergés tels que les passe-coques métalliques et les arbres d’hélice dont la surface de contact peut être bien inférieure au pied carré. La ligne de flottaison est une cible très populaire pour les arcs latéraux et des points de sortie multiples sont la règle, en particulier en eau douce.

Reconnaissant que les équipements du bord servent souvent - par inadvertance - d’électrodes de mise à la terre, nous avons introduit l’idée d’une électrode de mise à la terre complémentaire, dont la superficie de contact est inférieure à 10 dm², voir zéro. La norme nécessite toujours au moins un conducteur de terre principal avec une surface immergée d’au moins un pied carré, mais maintenant des bornes de mise à la terre supplémentaires plus petites sont également autorisées. Cela rend possible d’installer de multiples bornes de mise à la terre en utilisant des pièces métalliques existantes telles que des passe-coques, des chaises d’hélice et des étambots de gouvernail, même ceux dont la zone de contact est inférieure à 10 dm². Alternativement, des équipements plus petits spécialement conçus pour servir d’électrodes de mise à la terre peuvent être ajoutés, comme nous l’avons fait pour le John Henry ci-dessous. Notez que l’ABYC TE-4 permet aussi que « les gouvernails, les quilles de ballast externes, ou tout accessoire métallique avec au moins une face externe peut être utilisé pour la mise à la terre supplémentaire tant qu’ils resteront conformes aux autres exigences de ce bulletin… ».

Système de protection contre la foudre sur le John Henry

Nous avons appliqué tous ces nouveaux concepts à John Henry, un Great Harbour 47’, navire hauturier construit par Mirage Manufacturing et exposé au salon des bateaux à moteur d’Annapolis l’année dernière. La photo annotée ci-dessous montre les principales caractéristiques. Les lignes rouges montrent la zone totale de protection obtenue par la méthode de la sphère roulante. Toute personne marchant n’importe où sur le pont est à l’intérieur de cette zone de protection. Pour réaliser cette couverture nous avons placé des paratonnerres sur le balcon avant, sur l’arceau du flybridge et sur la main courante à l’arrière du flybridge. Nous avons également raccordé le davier d’annexe au système de protection contre la foudre. Les lignes bleues indiquent les descentes de foudre supplémentaires qui ont été réalisés en câble de cuivre étamé pour batterie marine de 35 mm² de section. Ceux-ci étaient connectés aux accessoires conducteurs existants - les mains courantes sur les niveaux principal et flybridge, et le bimini - pour former deux boucles conductrices, l’une autour du niveau du pont principal et l’autre autour du flybridge. Les conducteurs de descente connectés à ces boucles conductrices passent verticalement à l’intérieur de la coque et se terminent sur des électrodes de mises à la terre Siedarc ™ en six emplacements répartis symétriquement autour de la ligne de flottaison. L’électrode breveté Siedarc ™ est un accessoire personnalisée spécialement conçue pour la mise à la terre de la foudre. Chacun de ceux-ci a été installé juste au-dessus de la bande noire [la bande de flottaison]. Un pied carré de terre immergé était fourni par une bande de mise à la terre placée près de la poupe du bateau. Ce positionnement a permis au conducteur de descente vers cette bande d’être également passé à l’intérieur de la coque, à l’extérieur de tous les accessoires et équipements conducteurs. Par mesure de précaution supplémentaire, tous les boulons traversant de la bande de mise à la terre étaient contenus dans un compartiment étanche. Le coût d’une telle installation est d’environ 6 000 $ à 7 000 $. John Henry n’a pas été frappé par éclair pour l’instant de sorte que l’efficacité de ce système n’a pas été testée. Et bien que le propriétaire du John Henry puisse espérer que son bateau ne sera jamais touché, nous trouverions qu’un tel impact ajoutera énormément aux données actuelles.

Biographie
Ewen Thomson est le fondateur de Marine Lightning Protection Inc (www.marinelightning.com),. Son doctorat est en génie électrique et il a presque trois décennies d’expérience en tant que chercheur sur la foudre et professeur d’université, y compris 20 ans à l’Université de Floride. Auteur principal de la révision qui a conduit à NFPA780-2008, il a également participé au développement d’ABYC TE-4

Notes de traduction :
[arc latéral pour sideflash, arc secondaire]
[paratonnerre ou tige ou antenne de paratonnerre, air terminal]
[grounding electrode, selon NFPA : une borne de mise à la terre, conducteur que le courant traverse à l’interface entre le système de protection contre la foudre et l’eau en tant que support de mise à la terre]
[bonding est l’interconnexion de l’équipotentielle, simplifiée ici en interconnexion]
[10 dm2 pour un pied carré]
[AWG gauge convertie en section millimétrique la plus proche disponible sur le marché européen]