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Alain CHAROY - Hyper & RF 2006 - PARIS La Défense - a.charoy@aemc.fr
Un point sur les paratonnerres
Un point sur les paratonnerres
à dispositif d
à dispositif d’
’amorçage
amorçage (PDA)
(PDA)
Historique du paratonnerre
Historique du paratonnerre
 Le modèle électrogéométrique
 La norme NF C 17-102
 Retours d’expériences
 Conclusions
L
L’
’hérédité du paratonnerre
hérédité du paratonnerre…
…
• Dalibard (en fait le curé Raulet), àMarly-le-Roi,
le10mai 1752, prouva la nature électrique des éclairs.
• Benjamin Franklin, à Philadelphie, en septembre 1752
mena une expérience que retint la Science officielle.
• Benjamin Franklin gagna beaucoup encommercialisant des
paratonnerres, appelés «pointes de Franklin» (ou «PTS»).
- Il prétendit qu’un paratonnerre «déchargeait le nuage à partir du sol»
Mais le courant émis par un paratonnerre ne dépasse pas 100 μA, alors que
le courant qui recharge un cumulo-nimbus est de plusieurs ampères.
- On fabriqua des pointes recouvertes de platine iridié jusque vers 1930.
- Puis des paratonnerres radioactifs, interdits en France depuis 23/10/1983.
- Désormais on installe des «paratonnerres à dispositif d’amorçage», dits
«PDA», ou «actifs».
L
L’
’esthétique d
esthétique d’
’un PDA est
un PDA est étudiée
étudiée…
…
Les r
Les rôles d
ôles d’
’un «
un « bon
bon »
» paratonnerre
paratonnerre
 Capter le courant de foudre avec une
probabilité aussi grande que possible.
 Écouler le courant au sol sans perturber
l’environnement (bâtiment et systèmes).
 Quel que soit le type de paratonnerre:
- Il n’évite pas le tonnerre !
- Il ne repousse pas la foudre ; il ne limite pas son courant !
- L’énergie d’un choc (de 109 à 1010 J) est principalement rayonnée dans l’air.
- L’induction magnétique pose un sérieux problème de CEM (U  100 V/m2).
- Une «bonne terre» (R faible) réduit l’énergie dissipée dans le sol (W =  R I2 dt ).
- La descente du courant reste un aspect critique (amorçage certain aux fers à béton).
Le principe de l
Le principe de l’
’avance à l
avance à l’
’amorçage
amorçage
Le champ électrique croît rapidement à l’approche d’un
traceur descendant au parcours aléatoire (charges d’espace).
Dans la compétition entre plusieurs traceurs ascendants,
celui issu d’un «bon» paratonnerre doit arriver en tête.
Le but d’un PDA est d’ioniser l’air avec assez d’avance par
rapport aux autres traceurs. Cette avance, en μs, se mesure en
labo par comparaison / PTS dans des conditions mal normalisées :
- Distance pointe - plateau définie ( 1 m, par exemple : 3 m)
- Distance plateau - sol définie ( 2 m, par exemple : 5 m)
- Amplitude du champ statique définie (de 10 à 25 kV/m, par ex : 20 kV/m)
- Temps de montée défini (de 100 μs à 1 ms, par exemple : 100 μs)
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- Avec ces valeurs, l’avance à l’amorçage est faible ( 30 μs) donc on «corrige»
Déduction de l
Déduction de l’
’avance à l
avance à l’
’amorçage
amorçage…
…
Une «déduction» de l’avance à l’allumage s’obtient par projection
graphique des moyennes mesurées (avec le PTS et le PDA) sur une
«onde de référence» ayant un de temps de montée TM de… 650 μs !
Nous n’avons trouvé nulle
part la justification de la
constante de temps de
référence TM de 650 μs…
TM
Problèmes des mesure d
Problèmes des mesure d’
’avance à l
avance à l’
’amorçage
amorçage
Des grandeurs sont à spécifier, mais ne sont pas imposées :
- Choix du PTS de référence.
- Polarisation continue (très sensible).
- La pression atmosphérique.
- La température.
- L’humidité absolue (la physique d’un traceur négatif change vers 8 g/m3).
- Le nombre de chocs (la dispersion des résultats mesurés n’est jamais négligeable).
- L’extrapolation d’un temps à une distance pose problème (Vitesse inconstante).
Les conditions en labo diffèrent beaucoup de la réalité :
- Poussières et charges d’espace (le champ E réel n’est ni vertical, ni homogène).
- Vent, surfaces mouillées, pollution, etc (beaucoup de PDA marchent mieux à sec).
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Écarts entre décharges foudre et au laboratoire
Écarts entre décharges foudre et au laboratoire
Aucun PDA ne peut générer un traceur ascendant sans l’apport d’énergie
du traceur descendant (donc il ne peut pas générer de coup ascendant).
Historique du paratonnerre
 Le modèle électrogéométrique
Le modèle électrogéométrique
 La norme NF C 17-102
 Retours d’expériences
 Conclusions
Modèle électrogéométrique et «
Modèle électrogéométrique et « sphère fictive
sphère fictive »
»
R
R = 10 IkA
2/3
Centre mobile aléatoire
Lieux probables
des coups de foudre
( R = 20, 30, 45 ou 60 m, selon le niveau de protection choisi )
Les limites du modèle électrogéométrique
Les limites du modèle électrogéométrique
 Le modèle de la sphère fictive reste statistique.
 Il est invalide pour les chocs positifs (soit  10%).
 Ses prédictions sont aléatoires (intervalles de confiance ?).
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réilluminations d’un « petit » choc négatif (avec R faible).
 Le modèle électrogéométrique ne marche pas au laboratoire.
 Il ne différencie pas un PDA d’un PTS, mais il est le modèle
scientifiques le plus sérieux à ce jour. Les avancées récentes
ne le remettent pas fondamentalement en cause.
Conséquence du modèle électrogéométrique
Conséquence du modèle électrogéométrique
Un modèle mathématique permet de déduire qu’une sphère fictive touchera à coup
sûr le paratonnerre si elle s’approche dans une « paraboloïde » ouverte vers le haut.
Exemple d
Exemple d’
’un choc de foudre «
un choc de foudre « anormal
anormal »
»
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Violaine Verrier - Thèse Expertise magnétique a posteriori des impacts de foudre 02AIX30003.
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Faculté des sciences et techniques de Saint Jérôme.
Historique du paratonnerre
 Le modèle électrogéométrique
 La norme NF C 17-102
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 Retours d’expériences
 Conclusions
Les textes réglementaires français :
Les textes réglementaires français :
La circulaire n° 93-17 du 28 janvier 1993 précise, au paragraphe
3.3.2 : Paratonnerres à dispositif d'amorçage, dit «actifs» :
«Dans l'attente d'indications confirmées à ce sujet par un organisme
habilité, il pourra être admis dans l'étude que ces dispositifs assurent
une surprotection de l'installation sur laquelle ils sont mis en place.»
La circulaire du 28 octobre 1996 concerne l'application de l'arrêté
du 28 janvier 1993 relatif à la protection de certaines installations
classées contre les effets de la foudre et la modification de sa
circulaire n° 93-17 du 28 janvier 1993 :
- Protection contre les effets directs et indirects de la foudre.
- Pas de différence entre PDA et PTS.
Une référence: NFPA 780 - Lightning Protection Code - Edition 1992
La norme française NF C 17-102
La norme française NF C 17-102
La norme NF C 17-102 traite de la
protection par PDA contre les coups
de foudre directs des structures de
hauteur inférieure à 60m et des zones
ouvertes.
Elle définit 3 niveaux de protection
(contre 4 pour la NF C 17-100).
Le PDA doit surplomber d’au moins
2 m la zone qu’il protège.
Elle comprend 57 pages
Le «
Le « calcul
calcul »
» de la distance de protection
de la distance de protection
Un problème est que la norme postule que la vitesse de propagation du traceur
positif ascendant est de 106 m/s (alors que les mesures montrent que la vitesse
d’un tel leader peut être 20 fois plus lente, avec une moyenne de  2 105 m/s).
Même une toute petite variation ( de ± 10% ) de la valeur normalisée entraîne
une variation significative de la «zone protégée» :
En prenant une avance à l’amorçage nulle (pour un PTS), la NF C 17-102 prédit
un rayon de protection 1,4 fois supérieur à celui calculé par l’angle de la 17-100!
Si V = 105 m/s, aucun PDA n’est significativement plus efficace qu’un PTS.
La zone protégée selon la norme NF C 17-102
La zone protégée selon la norme NF C 17-102
Par un modèle impossible à justifier, la paraboloïde de capture
ouverte vers le haut du modèle électrogéométrique est dessinée
inversée vers le bas dans la norme française sur les PDA !
Et le «volume de capture certaine» devient, dans la
NF C 17-102, une «cloche de protection certaine» !
schéma de
la norme
schéma
commercial
Historique du paratonnerre
 Le modèle électrogéométrique
 La norme NF-C 17 102
 Retours d’expériences
 Conclusions
 Retours d
Retours d’
’expériences
expériences
Essais en laboratoire / Mise en
Essais en laboratoire / Mise en œ
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uvre
A Kourou, le lanceur Ariane n’a
jamais reçu de choc foudre direct.
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été détruit pour raison fiscale.
Cuve protégée par six (6) paratonnerres
Cuve protégée par six (6) paratonnerres…
…
Ce réservoir de pétrole de 10 000 m3
(contenant 1900 m3) n’avait que 3 ans.
Un contrôle technique 1 mois avant le
sinistre n’a fait ressortir aucune anomalie.
Un témoin rapporta que la foudre avait
frappé un des 6 paratonnerres.
La normalisation polonaise sur la mise en
œuvre des paratonnerres est perfectible
(1seul câble de mise à la terre).
Résultat d’un choc de foudre,
le 5 mai 2002 près de Cracovie
Aucun système
de «protection
contre la foudre»
n’a démontré son
aptitude à la
repousser !…
Quelques effets de la foudre
Quelques effets de la foudre…
…
Résultat d’un choc de
foudre sur l’acrotère d’un
immeuble protégé par un
PDA bien installé…
Certains « Early Streamer
Emission Air Terminals »
(PDA aux USA) supportent
assez mal la foudre !…
Un PTS supporte le
foudroiement direct
Historique du paratonnerre
 Le modèle électrogéométrique
 La norme NF-C 17 102
 Retours d’expériences
 Conclusions
Conclusions
 Conclusion
Ce
Ce qu
qu’
’il
il est
est possible de retenir
possible de retenir…
…
 Un paratonnerre réduit parfois les risques de la foudre directe.
 Aucun paratonnerre n’empire beaucoup les effets de la foudre.
 Le modèle électrogéométrique est valide pour tout paratonnerre.
 Le modèle de la « cloche à fromage » de la 17-102 est erroné !
 Les meilleurs PDA sont aussi robustes qu’un simple PTS.
 Un PDA économique est à peine plus coûteux qu’un PTS.
 Aucun PDA n’a démontré de supériorité en terme de rayon de
protection (seule de petites avances à l’amorçage sont prouvées).
 La descente et son maillage importent plus que le type de pointe.
 La norme NF C 17-102 mériterait d’être supprimée… Et d’être
remplacée par une norme internationale sérieusement établie.
 Veillons au (bon) choix et au (bon) montage des parafoudres !…
Documents à télécharger sur la toile
Documents à télécharger sur la toile…
…
• Etude des Paratonnerres à Dispositif d'Amorçage
Ministère de l’Aménagement du Territoire et de l’Environnement.
P. GRUET - Laboratoire d'Evaluation des Equipements Electriques Direction de la Certification.
Octobre 2001 - INERIS - DCE – 2000 - 25265f.doc - 88 Pages - Gentil, mais excellent !
• La foudre – Risques et prévention
Plaquette de 64 pages de la CRAM Rhône-Alpes.
Juin 2004 - SP 1076 - site inrs.fr - 64 Pages - Très bon document général.
• Evaluation of Early Streamer Emission Air Terminals
By Scott D. McIvor, Roy B. Carpenter, Jr., Mark M. Drabkin, Ph.D.
Résumé de 10 Pages en anglais, avec importante bibliographie - Scientifiquement robuste.
• A Critical Review of Nonconventional Lightning Protection
By M. A. Uman and V. A. Rakov - UmanRakov%20(2002).pdf -
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  • 1. Alain CHAROY - Hyper & RF 2006 - PARIS La Défense - a.charoy@aemc.fr Un point sur les paratonnerres Un point sur les paratonnerres à dispositif d à dispositif d’ ’amorçage amorçage (PDA) (PDA)
  • 2. Historique du paratonnerre Historique du paratonnerre Le modèle électrogéométrique La norme NF C 17-102 Retours d’expériences Conclusions
  • 3. L L’ ’hérédité du paratonnerre hérédité du paratonnerre… … • Dalibard (en fait le curé Raulet), àMarly-le-Roi, le10mai 1752, prouva la nature électrique des éclairs. • Benjamin Franklin, à Philadelphie, en septembre 1752 mena une expérience que retint la Science officielle. • Benjamin Franklin gagna beaucoup encommercialisant des paratonnerres, appelés «pointes de Franklin» (ou «PTS»). - Il prétendit qu’un paratonnerre «déchargeait le nuage à partir du sol» Mais le courant émis par un paratonnerre ne dépasse pas 100 μA, alors que le courant qui recharge un cumulo-nimbus est de plusieurs ampères. - On fabriqua des pointes recouvertes de platine iridié jusque vers 1930. - Puis des paratonnerres radioactifs, interdits en France depuis 23/10/1983. - Désormais on installe des «paratonnerres à dispositif d’amorçage», dits «PDA», ou «actifs».
  • 4. L L’ ’esthétique d esthétique d’ ’un PDA est un PDA est étudiée étudiée… …
  • 5. Les r Les rôles d ôles d’ ’un « un « bon bon » » paratonnerre paratonnerre Capter le courant de foudre avec une probabilité aussi grande que possible. Écouler le courant au sol sans perturber l’environnement (bâtiment et systèmes). Quel que soit le type de paratonnerre: - Il n’évite pas le tonnerre ! - Il ne repousse pas la foudre ; il ne limite pas son courant ! - L’énergie d’un choc (de 109 à 1010 J) est principalement rayonnée dans l’air. - L’induction magnétique pose un sérieux problème de CEM (U 100 V/m2). - Une «bonne terre» (R faible) réduit l’énergie dissipée dans le sol (W = R I2 dt ). - La descente du courant reste un aspect critique (amorçage certain aux fers à béton).
  • 6. Le principe de l Le principe de l’ ’avance à l avance à l’ ’amorçage amorçage Le champ électrique croît rapidement à l’approche d’un traceur descendant au parcours aléatoire (charges d’espace). Dans la compétition entre plusieurs traceurs ascendants, celui issu d’un «bon» paratonnerre doit arriver en tête. Le but d’un PDA est d’ioniser l’air avec assez d’avance par rapport aux autres traceurs. Cette avance, en μs, se mesure en labo par comparaison / PTS dans des conditions mal normalisées : - Distance pointe - plateau définie ( 1 m, par exemple : 3 m) - Distance plateau - sol définie ( 2 m, par exemple : 5 m) - Amplitude du champ statique définie (de 10 à 25 kV/m, par ex : 20 kV/m) - Temps de montée défini (de 100 μs à 1 ms, par exemple : 100 μs) - Pente du champ définie (de 2.108 à 2.109 Vm-1s-1, par ex : 2.109 Vm-1s-1) - Avec ces valeurs, l’avance à l’amorçage est faible ( 30 μs) donc on «corrige»
  • 7. Déduction de l Déduction de l’ ’avance à l avance à l’ ’amorçage amorçage… … Une «déduction» de l’avance à l’allumage s’obtient par projection graphique des moyennes mesurées (avec le PTS et le PDA) sur une «onde de référence» ayant un de temps de montée TM de… 650 μs ! Nous n’avons trouvé nulle part la justification de la constante de temps de référence TM de 650 μs… TM
  • 8. Problèmes des mesure d Problèmes des mesure d’ ’avance à l avance à l’ ’amorçage amorçage Des grandeurs sont à spécifier, mais ne sont pas imposées : - Choix du PTS de référence. - Polarisation continue (très sensible). - La pression atmosphérique. - La température. - L’humidité absolue (la physique d’un traceur négatif change vers 8 g/m3). - Le nombre de chocs (la dispersion des résultats mesurés n’est jamais négligeable). - L’extrapolation d’un temps à une distance pose problème (Vitesse inconstante). Les conditions en labo diffèrent beaucoup de la réalité : - Poussières et charges d’espace (le champ E réel n’est ni vertical, ni homogène). - Vent, surfaces mouillées, pollution, etc (beaucoup de PDA marchent mieux à sec). - Distances en labo très inférieures au traceur réel (H rayon électrogéométrique).
  • 9. Écarts entre décharges foudre et au laboratoire Écarts entre décharges foudre et au laboratoire Aucun PDA ne peut générer un traceur ascendant sans l’apport d’énergie du traceur descendant (donc il ne peut pas générer de coup ascendant).
  • 10. Historique du paratonnerre Le modèle électrogéométrique Le modèle électrogéométrique La norme NF C 17-102 Retours d’expériences Conclusions
  • 11. Modèle électrogéométrique et « Modèle électrogéométrique et « sphère fictive sphère fictive » » R R = 10 IkA 2/3 Centre mobile aléatoire Lieux probables des coups de foudre ( R = 20, 30, 45 ou 60 m, selon le niveau de protection choisi )
  • 12. Les limites du modèle électrogéométrique Les limites du modèle électrogéométrique Le modèle de la sphère fictive reste statistique. Il est invalide pour les chocs positifs (soit 10%). Ses prédictions sont aléatoires (intervalles de confiance ?). Un « gros » choc positif peut se glisser au sein des réilluminations d’un « petit » choc négatif (avec R faible). Le modèle électrogéométrique ne marche pas au laboratoire. Il ne différencie pas un PDA d’un PTS, mais il est le modèle scientifiques le plus sérieux à ce jour. Les avancées récentes ne le remettent pas fondamentalement en cause.
  • 13. Conséquence du modèle électrogéométrique Conséquence du modèle électrogéométrique Un modèle mathématique permet de déduire qu’une sphère fictive touchera à coup sûr le paratonnerre si elle s’approche dans une « paraboloïde » ouverte vers le haut.
  • 14. Exemple d Exemple d’ ’un choc de foudre « un choc de foudre « anormal anormal » » Mémorial du mont Faron au Nord de Toulon. 507 m d'altitude. Point d'impact au pied du bâtiment. Foudroyé par un choc négatif, le 7 septembre 1998, vers 14 h. 32 kA estimés par analyse terrain, 15 kA annoncés par Météorage. Violaine Verrier - Thèse Expertise magnétique a posteriori des impacts de foudre 02AIX30003. Université de droit, d'économie et des sciences d'Aix-MarseilleIII Faculté des sciences et techniques de Saint Jérôme.
  • 15. Historique du paratonnerre Le modèle électrogéométrique La norme NF C 17-102 La norme NF C 17-102 Retours d’expériences Conclusions
  • 16. Les textes réglementaires français : Les textes réglementaires français : La circulaire n° 93-17 du 28 janvier 1993 précise, au paragraphe 3.3.2 : Paratonnerres à dispositif d'amorçage, dit «actifs» : «Dans l'attente d'indications confirmées à ce sujet par un organisme habilité, il pourra être admis dans l'étude que ces dispositifs assurent une surprotection de l'installation sur laquelle ils sont mis en place.» La circulaire du 28 octobre 1996 concerne l'application de l'arrêté du 28 janvier 1993 relatif à la protection de certaines installations classées contre les effets de la foudre et la modification de sa circulaire n° 93-17 du 28 janvier 1993 : - Protection contre les effets directs et indirects de la foudre. - Pas de différence entre PDA et PTS. Une référence: NFPA 780 - Lightning Protection Code - Edition 1992
  • 17. La norme française NF C 17-102 La norme française NF C 17-102 La norme NF C 17-102 traite de la protection par PDA contre les coups de foudre directs des structures de hauteur inférieure à 60m et des zones ouvertes. Elle définit 3 niveaux de protection (contre 4 pour la NF C 17-100). Le PDA doit surplomber d’au moins 2 m la zone qu’il protège. Elle comprend 57 pages
  • 18. Le « Le « calcul calcul » » de la distance de protection de la distance de protection Un problème est que la norme postule que la vitesse de propagation du traceur positif ascendant est de 106 m/s (alors que les mesures montrent que la vitesse d’un tel leader peut être 20 fois plus lente, avec une moyenne de 2 105 m/s). Même une toute petite variation ( de ± 10% ) de la valeur normalisée entraîne une variation significative de la «zone protégée» : En prenant une avance à l’amorçage nulle (pour un PTS), la NF C 17-102 prédit un rayon de protection 1,4 fois supérieur à celui calculé par l’angle de la 17-100! Si V = 105 m/s, aucun PDA n’est significativement plus efficace qu’un PTS.
  • 19. La zone protégée selon la norme NF C 17-102 La zone protégée selon la norme NF C 17-102 Par un modèle impossible à justifier, la paraboloïde de capture ouverte vers le haut du modèle électrogéométrique est dessinée inversée vers le bas dans la norme française sur les PDA ! Et le «volume de capture certaine» devient, dans la NF C 17-102, une «cloche de protection certaine» ! schéma de la norme schéma commercial
  • 20. Historique du paratonnerre Le modèle électrogéométrique La norme NF-C 17 102 Retours d’expériences Conclusions Retours d Retours d’ ’expériences expériences
  • 21. Essais en laboratoire / Mise en Essais en laboratoire / Mise en œ œuvre uvre A Kourou, le lanceur Ariane n’a jamais reçu de choc foudre direct. Aux Renardières, le LEHT a été détruit pour raison fiscale.
  • 22. Cuve protégée par six (6) paratonnerres Cuve protégée par six (6) paratonnerres… … Ce réservoir de pétrole de 10 000 m3 (contenant 1900 m3) n’avait que 3 ans. Un contrôle technique 1 mois avant le sinistre n’a fait ressortir aucune anomalie. Un témoin rapporta que la foudre avait frappé un des 6 paratonnerres. La normalisation polonaise sur la mise en œuvre des paratonnerres est perfectible (1seul câble de mise à la terre). Résultat d’un choc de foudre, le 5 mai 2002 près de Cracovie
  • 23. Aucun système de «protection contre la foudre» n’a démontré son aptitude à la repousser !… Quelques effets de la foudre Quelques effets de la foudre… … Résultat d’un choc de foudre sur l’acrotère d’un immeuble protégé par un PDA bien installé… Certains « Early Streamer Emission Air Terminals » (PDA aux USA) supportent assez mal la foudre !… Un PTS supporte le foudroiement direct
  • 24. Historique du paratonnerre Le modèle électrogéométrique La norme NF-C 17 102 Retours d’expériences Conclusions Conclusions Conclusion
  • 25. Ce Ce qu qu’ ’il il est est possible de retenir possible de retenir… … Un paratonnerre réduit parfois les risques de la foudre directe. Aucun paratonnerre n’empire beaucoup les effets de la foudre. Le modèle électrogéométrique est valide pour tout paratonnerre. Le modèle de la « cloche à fromage » de la 17-102 est erroné ! Les meilleurs PDA sont aussi robustes qu’un simple PTS. Un PDA économique est à peine plus coûteux qu’un PTS. Aucun PDA n’a démontré de supériorité en terme de rayon de protection (seule de petites avances à l’amorçage sont prouvées). La descente et son maillage importent plus que le type de pointe. La norme NF C 17-102 mériterait d’être supprimée… Et d’être remplacée par une norme internationale sérieusement établie. Veillons au (bon) choix et au (bon) montage des parafoudres !…
  • 26. Documents à télécharger sur la toile Documents à télécharger sur la toile… … • Etude des Paratonnerres à Dispositif d'Amorçage Ministère de l’Aménagement du Territoire et de l’Environnement. P. GRUET - Laboratoire d'Evaluation des Equipements Electriques Direction de la Certification. Octobre 2001 - INERIS - DCE – 2000 - 25265f.doc - 88 Pages - Gentil, mais excellent ! • La foudre – Risques et prévention Plaquette de 64 pages de la CRAM Rhône-Alpes. Juin 2004 - SP 1076 - site inrs.fr - 64 Pages - Très bon document général. • Evaluation of Early Streamer Emission Air Terminals By Scott D. McIvor, Roy B. Carpenter, Jr., Mark M. Drabkin, Ph.D. Résumé de 10 Pages en anglais, avec importante bibliographie - Scientifiquement robuste. • A Critical Review of Nonconventional Lightning Protection By M. A. Uman and V. A. Rakov - UmanRakov%20(2002).pdf - Article de 12 Pages en anglais, avec une bibliographie fournie sur de la vitesse des leaders.