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ELECTROTECHNIQUE

PROTÉGEZ BIEN VOS INSTALLATIONS CONTRE LA FOUDRE

Chaque année, la foudre est responsable de nombreux dégâts matériels et des pertes d’exploitation. Si leparafoudre est nécessaire pour assurer la protection des équipements, il ne suffit pas. Car la foudre se mani-feste de différentes manières, ce qui oblige à prévoir plusieurs mesures de protection. Foudre-Protec metici l’accent sur des solutions à apporter contre les principaux effets de la foudre: les remontées du potentieldes masses de terre, les rayonnements de champs électromagnétiques et enfin les surtensions.

Avec une moyenne de trois chocs paran et par km≈, il existe une forteprobabilité pour qu’un choc defoudre se produise à proximité

d’une installation, voire sur l’installation elle-même. Si le foudroiement direct est évidem-ment le plus dommageable, ses effets le sontpresque autant : les effets de la foudre peu-vent en effet être ressentis par induction dansun rayon de 1 km et par conduction (surten-sions) dans un rayon de 10 km. Les équipe-ments électroniques et les câblages associés,qui sont très sensibles à ces effets, doivent êtreprotégés.Pour mettre en œuvre les dispositifs de pro-tection les mieux adaptés, il est important debien comprendre les mécanismes mis en jeulors d’un coup de foudre.Rappelons d’abord qu’un coup de foudre estcomposé de deux phases électriques. En pre-mier lieu, il y a l’électricité électrostatique, etplus précisément un déplacement de chargespour l’établissement du canal de foudre entrele nuage et le sol (phase permettant de com-prendre pourquoi un objet non-conducteurpeut être foudroyé). En deuxième lieu, il y apassage d’un courant électrique dans le canalionisé.Ce courant électrique peut avoir des consé-quences très graves pour les équipements élec-triques et électroniques. Il peut avoir des effetsdirects et indirects, conduisant à imaginer plu-sieurs types de protection. Un de ces effets se

manifeste sous la forme d’une remontée depotentiel des prises de terre des bâtiments,pendant le temps que dure l’écoulement descourants de foudre dans le sol.

1 - Plusieurs kilovoltssur les prises de terreLorsque le courant de foudre frappe un pointau sol, il se répartit dans celui-ci en formantdes gradients de potentiel dont l’importanceest proportionnelle à la résistivité du sol.Lorsque l’on a affaire à un sol homogène, lavaleur Ud de la différence de tension entre la

tension du point d’impact de la foudre et unpoint quelconque situé à la distance d de cepoint est donnée par la formule:

Ud = ρ

I2πd

où ρ est la résistivité moyenne du sol et I estl’intensité du courant écoulé. Concrètement, sideux postes ou deux bâtiments se trouvent auvoisinage du point d’impact de la foudre, leursprises de terre seront portées à un potentieldont la valeur dépendra de leur éloignementpar rapport au point d’impact.Les équipements reliés à la terre de chacun desbâtiments ne seront donc pas au même poten-

La foudre, où qu’elle tombe,induit les gradients de potentielsautour du point d’impact. Si desbâtiments sont situés dans lesenvirons, il peut exister d’impor-tantes différences de potentielentre les prises de terre.

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tiel: s’il existe une liaison électrique entre eux,la différence de potentiel existante peut êtreresponsable de claquages.Tout ceci peut être explicité sur un exempleconcret. Prenons le cas d’une installation decontrôle d’accès avec un lecteur de badge situéà l’extérieur sur une borne métallique auniveau du portail entrée de l’usine. Ce lecteurest relié par des paires métalliques à un boî-tier d’interface (qui est lui-même raccordé à unPC) à l’intérieur de l’usine. Imaginons que lafoudre tombe à proximité de ces équipements,

sur un pylône THT (ou un paratonnerre) parexemple. Imaginons que le pylône est localiséà 50 m du bâtiment et à 80 m de la borne delecture des badges. Considérons un coup defoudre moyen de 25000 A qui s’écouleraitdans un sol d’une résistivité moyenne de100 Ωm (sol correspondant à de l’humus).Dans ces conditions, la formule U = (ρ/2πd)Ipermet d’établir que la prise de terre du bâti-ment serait portée à 7962 V et que la tensionde la borne métallique (qui est de fait reliéeau sol) du lecteur de badge serait de 4976 V,

soit une différence de tension de 2986 V entreles deux prises de terre.On imagine sans peine qu’une telle tensionpeut provoquer des dommages irrémédiables,tant au niveau des électroniques que des câblesde liaison. Pour éviter cela, plusieurs solutionspeuvent être envisagées… du moins a priori.Blindage du câble raccordé d’un seul côté.Imaginons que le blindage du câble soit rac-cordé à la masse du boîtier d’interface de laborne (situé à l’intérieur de l’usine), et doncà la terre du bâtiment. Le potentiel du bâti-ment (7962 V) va se reporter à l’extrémitédu blindage (côté lecteur) tandis que la bor-ne métallique du lecteur va monter à sonpropre potentiel (4976 V), créant une diffé-rence de potentiel de 2986 V entre le blinda-ge du câble de liaison et la masse métalliquede la borne. S’il n’y a pas de séparation gal-vanique suffisante entre la masse métalliquede la borne et le blindage du câble, il va y avoirun claquage via la carte électronique du cof-fret qui permettra de fermer la boucle et defaire circuler un courant.Ceci perturbera ou détruira l’électronique dulecteur, tout en soumettant le câble de liaisonà une contrainte non négligeable (très dom-mageable s’il n’a pas été prévu pour le passa-ge d’un fort courant).Blindage raccordé aux deux extrémités.Lorsque le blindage du câble est raccordé desdeux côtés (côté coffret et côté lecteur), ilautorise de fait la circulation de courant. Celui-ci va générer un champ magnétique (pertur-bation mode commun) qui induit une diffé-rence de potentiel en mode différentiel.Les risques de dégâts sont un peu les mêmesque dans le cas précédent: perturbations oudestruction des électroniques situées à chaqueextrémité, contraintes sur le câble.

Le parafoudre n’est pas le seul moyende protectionLa mise en place d’un parafoudre sur le lecteurrépondra en partie au besoin de protection.Si son raccordement est correctement réaliséet s’il possède un réel pouvoir d’écoulementà la terre, il assurera la protection de l’élec-tronique du lecteur.Il sera par contre nécessaire de se poser laquestion du raccordement du blindage ducâble. Deux cas peuvent être envisagés. Dans lepremier, le blindage est raccordé à la borne“terre” du parafoudre; dans cette configura-tion, le blindage est référencé aux deux extré-mités, ce qui revient à fermer la boucle. L’autrepossibilité consiste à ne pas raccorder le blin-dage (le laisser en l’air) à la borne terre duparafoudre: le potentiel du bâtiment se repor-tera donc à l’extrémité du blindage, provo-quant lors d’un coup de foudre ou d’un défaut

Un coup de foudre est composé de deux phases électriques. En premier lieu, il y a l’électricitéélectrostatique : déplacement de charges pour l’établissement du canal de foudre entre lenuage et le sol (phase permettant de comprendre pourquoi un objet non-conducteur peut êtrefoudroyé). En deuxième lieu, il y a passage d’un courant électrique dans le canal ionisé.

Lorsque le courant de foudre frappe un point au sol, il se répartit dans celui-ci en formant des gra-dients de potentiel. Les prises de terre des bâtiments ne sont donc pas au même potentiel, ni bien sûrles masses des équipements reliés à ces prises de terre. S’il y a des liaisons à courant faible entre deséquipements électroniques présents dans des bâtiments différents, il y a des risques de claquage.

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50 Hz une différence de potentiel entre la bor-ne de terre du parafoudre et le blindage. Toutdépend alors de la séparation galvanique entrela borne de terre du parafoudre et le blinda-ge du câble.Alors que faire pour protéger le câble? Toutd’abord, il est clair qu’il n’est pas possibled’intervenir sur le sol. Il est conseillé de fermerla boucle par un autre moyen que le câble“signal” ; il suffit de faire accompagner celui-ci par un câble d’équipotentialité (câble nude 35 mm≈), référencé aux masses de chaqueextrémité, qui aura pour fonction d’offrir unchemin préférentiel au courant. L’objectif serad’équilibrer les références de terre. Ensuite,pour terminer la protection, on pourra ins-taller des parafoudres.Ceci étant, une fois résolu le problème des

surtensions provoquées sur les prises de terre,les équipements électriques ne sont pas entiè-rement protégés contre la foudre. Car celle-cia d’autres effets. Parmi ceux-ci, les phéno-mènes d’induction figurent en bonne place.

2 - Les phénomènesd’inductionUne décharge qui se produit entre des nuages(ou en leur sein) ou la foudre qui tombe surdes objets proches se concrétise par l’appari-tion de champs électromagnétiques (dans unelarge bande de fréquences, de 100 Hz à10 MHz) qui induisent des tensions/courantssur les lignes situées à l’extérieur et/ou àl’intérieur d’un bâtiment. Les champs rayon-nés par la foudre sont perturbateurs car ils

sont de forte amplitude, varient assez rapide-ment et sont à prédominance magnétique.L’effet d’un champ électrique variable surun conducteur. Il suffit de regarder uneantenne d’autoradio ou de CB pour seconvaincre qu’un conducteur placé dans unchamp électrique devient le siège d’un cou-rant. Cette propriété est très appréciée pourréaliser des transmissions radio.Ce qui est vrai pour les ondes radio l’est pourla foudre. Aux fréquences élevées (supérieuresau mégahertz) dues à la foudre, tout conduc-teur électrique devient une antenne efficace.Les blindages des câbles qui ne sont raccor-dés qu’à une seule extrémité deviennent defait des antennes en haute fréquence.L’effet d’un champ magnétique variabledans une boucle. Un champ magnétiquevariable traversant une boucle y induit un fluxmagnétique variable. Toute variation de fluxcrée une différence de potentiel contre-élec-tromotrice. Ce phénomène est appelé cou-plage “champ à boucle”.Sur les installations, il existe de nombreusesboucles susceptibles de “capter” un champmagnétique. Les boucles de masse sont lesplus connues. On appelle boucle de masse lasurface comprise entre un câble transportantde l’information entre deux matériels etl’ensemble des masses de références utiliséespour ces matériels. Il y a donc autant deboucles de masse que de câbles de liaisonentre les circuits. Nécessaires au bon fonc-tionnement du système, on ne peut pas lessupprimer mais on peut réduire leurs effets.

Quel type de raccordement choisir ?Raccordement des blindages. Le raccorde-ment des écrans, drains, blindages est souventcontroversé, ce qui amène de nombreux ins-tallateurs à ne plus les raccorder même pourdes liaisons extérieuresPas de raccordement. En ne connectant nul-le part l’écran (drain, blindage) de câble, onobtient une réduction de la diaphonie capa-citive en mode différentiel entre paires (ànoter que le même effet est obtenu si l’écran(drain, blindage) est raccordé à une masse).Par contre, l’écran (drain, blindage) non rac-cordé n’est efficace que pour des signaux àassez haute impédance, et il est transparenten champ magnétique.Raccordement à une seule extrémité. Cettesolution permet de protéger une liaison iso-lée ou symétrique contre le champ électriquebasse fréquence (BF). Elle interdit la circula-tion de courants BF, ce qui évite d’induire uneronflette par induction magnétique en modedifférentiel dans la paire.Remarque. Du côté isolé, des différencesde potentiel peuvent apparaître entre

Il faut plus de concertationentre les professionnels Dans la pratique, lorsqu’il y a un appeld’offre pour la réalisation de réseaux dans unbâtiment neuf, les réseaux sont divisés parlots (lot “électrique”, lot “courant faible”, lot“fluide” et même quelquefois lot “foudre”). Lemanque de concertation et de coordinationentre les corps de métier fait qu’au final desinstallations neuves sont propices à êtreendommagées par les effets de la foudre.Souvent, chaque corps de métier qui répondà un lot traite en effet son sujet sans s’occu-

per du lot du voisin. Du coup, il n’y a pasd’interconnexion entre la terre “paratonner-re” et la terre “électrique”, pas d’intercon-nexion entre les bâtiments, pas d’intercon-nexion entre les câbles de mise à la masse deschemins de câble. Les écrans de câbles dedonnées ne sont raccordés nulle part, lacontinuité des chemins de câbles et la mise àla masse n’est pas assurée, les chemins decâbles métalliques sont remplacés par deschemins de câbles en plastique, etc.

Quelques normes de référence Protection contre les coups de foudredirects- NFC 17 100 (décembre 1997)Protection des structures contre la foudre- NFC 17 102 (juillet 1995)Protection des structures et des zonesouvertes contre la foudre par paratonnerre àdispositif d’amorçage- ENV 61024-1 (norme européenne, janvier 1995)Protection des structures contre la foudre- CEI 1024-1 (norme internationale août 1993)Protection des structures contre la foudre- CEI 61662Analyse des risques, protections contre lescoups de foudre directs et indirects- UIC (juin 1991/octobre 1993)Recommandations pour la protection des ins-tallations industrielles contre les effets de lafoudre et des surtensions- UIC (avril 1982)Les installations électriques dans les emplace-ments présentant des risques d’explosion

Arrêtés du 28 janvier 1993 et du 28 juillet 1998Circulaires du 17 janvier 1993 et du 28octobre 1996 Protection contre les effets indirects dela foudre- NFC C 15 100Dispositifs de protection contre les surten-sions d’origine atmosphérique ou dues à desmanœuvres, section 534 et 443- NFC 61 740 (juillet 1995)Parafoudres pour installations basse tension- Guide UTE C 15 443 (juillet 1996)Protection des installations électriques bassetension contre les surtensions d’origine atmo-sphérique- CEI 61.643-1 (février 1998)Dispositifs de protection contre les surten-sions connectés aux réseaux de distributionbasse tension- UTE C 12-101 (novembre 1998)Textes officiels relatifs à la protection des tra-vailleurs

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l’écran (drain, blindage) et la masse.Raccordement aux deux extrémités. Cettesolution réduit efficacement les perturbationsles plus sévères, en mode commun HF. Elleprésente un risque de pollution légère pourles signaux bas niveaux en BF en mode diffé-rentiel.Remarque. Lorsque les câbles transitent entredeux bâtiments, il est essentiel de s’assurerque l’écran ne réalise pas l’équipotentialitédes références de terre des deux bâtiments.

Quelques précautions à prendrelors de l’installationPrenons le cas de deux ordinateurs en réseau.Supposons que la foudre tombe sur le para-tonnerre du bâtiment avec un di/dt de25.109 A/s (25 kA pendant 1 µs). Supposonsque les câbles d’énergie soient parallèles surune hauteur de 10 m et écartés de la descen-te de 2 m.Si la boucle formée par le réseau 50 Hz et leschemins de liaisons de données présentent

une surface de 50 m≈ au champ impulsion-nel, la f.e.m. développée est de:

e =dΦ

= µoSdH

=µoS

.di

dt dt 2πd dt

e = 4π10-7.50. 25.109 = 125 kV

2π.2Cette tension va être responsable d’un cla-quage dans l’équipement. Si cet exemple peutêtre considéré comme extrême, il permetd’illustrer l’importance de bien connaître sesinstallations afin de localiser les boucles demasses à haut risque.Dans une installation, il est primordial de limi-ter les surfaces de boucles. Pour ce faire, il estimportant de procéder à l’équipotentialité desmasses et de faire cheminer au maximum lescâbles ensemble.Un maillage efficace des masses. L’équipo-tentialité entre les masses est nécessaire pourle bon fonctionnement de tout système auto-matisé. Le maillage des masses est un moyensimple, peu coûteux et efficace (jusqu’à quelques dizaines de MHz), pour améliorer

l’immunité du système, que ce soit contre lafoudre ou contre les transitoires rapides. Cemaillage ne se substitue pas au réseau deconducteurs de protection nécessaire pour lasécurité des personnes.Tous les éléments conducteurs d’une installa-tion industrielle doivent être interconnectéspour participer au réseau de masse (tuyaux,structures métalliques, chemins de câbles,châssis des baies, faux plancher métallique,etc.) Pour assurer la continuité électrique, ilest important de gratter la peinture à l’endroitdes interconnexions.Durant de nombreuses années, les règles del’art ont préconisé un raccordement desréseaux de masse en étoile, garantissant la pro-tection des personnes et évitant les remontéesdes parasites. Mais le développement des trans-missions numériques à haut débit a mis enévidence l’insuffisance de cette technique et aconduit à l’introduction d’un principe basésur la recherche de l’équipotentialité “le réseaumaillé”. Celui-ci permet de réduire les sur-faces de boucles constituées par les différentscâblages (courant fort et faible) et conduc-teurs métalliques (chemins de câbles, châs-sis, etc.), d’assurer une équipotentialité deréférence commune à tous les équipementset de réduire les courants perturbateurs en lesdivisant.Prendre soin des chemins des câbles. En uti-lisant des chemins de câbles métalliques, onréduit les surfaces des boucles de masses eton diminue l’efficacité d’antenne des câbles.En pratique, il faut prévoir au minimum deuxchemins de câbles métalliques parallèles (ouun seul avec une séparation métallique): unpour les signaux sensibles et l’autre pour les

Exemple d’applicationconcrète où un lecteur debadges est placé à l’exté-rieur du bâtiment où setrouve l’électronique asso-ciée. En tombant sur lepylône placé à proximité, lafoudre crée une différencede potentiel entre la terredu lecteur et la terre dubâtiment. Le parafoudreplacé au niveau du lecteurassure la protection del’électronique mais pascelle du câble de liaison. Enajoutant un câble d’équi-potentialité, on obtientune protection complète.

Lorsque la foudre tombe sur un paratonnerre,le courant intense circulant dans le chemin dedescente de celui-ci crée des champs électro-magnétiques induits importants auxquelssont sensibles toutes les boucles que formentles circuits électriques de raccordement deséquipements. Pour réduire les effets de cesphénomènes induits, il faut chercher à mini-miser la surface de ces boucles de masse.

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niveaux de puissance. De plus, il faut assurerla continuité électrique entre les différents élé-ments constituant le chemin de câbles et leurréférencement à la terre.Dans des installations existantes, il est géné-ralement plus facile d’améliorer le maillageque de modifier le parcours des chemins decâbles. Dans le cas où tous les câbles seraientregroupés dans un chemin de câbles, il estpossible de modifier leurs positions pour bienséparer les câbles à niveaux forts de ceux àniveaux faibles.Les câbles filaires doivent être plaqués contrela masse métallique des chemins de câbles.Dans le cas d’utilisation de signaux sensiblesqui transitent par exemple à l’extérieur d’unbâtiment, il est nécessaire de placer unensemble métallique (un capot sur un che-min de câbles) pour augmenter l’effet de cageautour des câbles.

3 - Les surtensionsconduitesLorsqu’une ligne électrique ou de télécom-munication est foudroyée directement ouqu’elle capte les ondes radioélectriques, lessurtensions subséquentes se propagent de parten part de la ligne jusqu’aux équipements quilui sont raccordés. A titre d’exemple, un coupde foudre frappant le réseau HTA (haute ten-sion aérien) se propage vers la Basse Tension(BT) via le poste HTA/BT ou par couplage desterres du poste. Les études et expérimenta-tions ont permis de montrer que les surten-sions pouvaient, dans certaines configurations,atteindre 14 kV mais qu’elles étaient très géné-ralement inférieures à 8 kV (les fréquencesde ces surtensions vont de 10 kHz à 1 MHz).Généralement, les matériels électriques et élec-troniques ne supportent pas de tellescontraintes et se mettent en court-circuit à laterre.Les surtensions dues à la foudre sont les plusdangereuses, mais il est important de ne pasnégliger les surtensions de “manœuvre”. Eneffet, dans des systèmes de coupure de bassetension (230/400 V), la commutation de cir-cuits provoque des surtensions à fréquencesélevées dont le niveau peut atteindre 5 à10 fois la tension d’alimentation. Dans cesconditions, les équipements électriques, et

Ces schémas représentent les câbles d’équi-potentialité d’une installation industrielleclassique comportant deux réseaux, l’un élec-trique, l’autre pour les courants faibles (VDI :voix, données, images). Le schéma du basmontre les améliorations apportées auniveau du maillage des masses, assurant ainsiune meilleure protection contre les phéno-mènes d’induction de la foudre.

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surtout électroniques, ont de fortes probabi-lités de subir des dommages. Il est importantde noter qu’il n’y a pas forcément destruc-tion de matériel, mais fréquemment unvieillissement accéléré des composants deséquipements.Deux types de protection sont généralementutilisés contre les surtensions : les transfor-mateurs d’isolement et les parafoudres.Les parafoudres utilisent des composants(généralement des varistances à l’oxyde dezinc) capables de fonctionner de nombreusesfois sans se détériorer. Ils sont capables d’absor-ber la majeure partie de l’énergie transportéepar la surtension; il reste toujours une tensionsupérieure à la tension de service. Le résidu detension est appelé “tension résiduelle” (la ten-sion résiduelle doit être inférieure à la tensionque l’appareil peut supporter transitoirement).Il est important de noter que la mise en placede protections contre les surtensions dues à lafoudre, si celles-ci sont bien dimensionnées,permet dans la plupart des cas d’éliminer aus-si les autres surtensions, car “qui peut le pluspeut le moins”.Il est important de sélectionner les parafoudresen fonction des équipements que l’on veut pro-téger, et donc du niveau de protection à assu-rer. Il est nécessaire de choisir une tension rési-duelle inférieure à la tenue de l’équipement,mais aussi de prendre en compte sa capacité àécouler un courant de choc. La normeNFC 61-740, version juillet 1995, qui traitedes parafoudres, indique qu’ils doivent êtrecapables de tenir vingt chocs au courant nomi-nal (généralement 5 kA) et une fois son courantmaximal, sans se détruire. Logiquement, lesconstructeurs doivent indiquer ces valeurs dansles documentations de leurs produits.Pour assurer une protection efficace, il est recom-

mandé de dériver le courant de foudre à l’entréede l’installation. Cependant, le parafoudre placéà l’entrée de l’installation est parfois insuffisantpour assurer la protection de tous les matérielsde l’installation, notamment les matériels sen-sibles. La distance entre le parafoudre et l’équi-pement à protéger doit être aussi courte quepossible. Si la distance est trop grande, des oscil-lations peuvent créer aux bornes de l’appareil àprotéger une tension supérieure.En général, la protection par parafoudres’effectue en cascade. Le parafoudre placé entête d’installation aura pour fonction d’écou-ler le maximum de courants impulsionnels,tandis que le deuxième parafoudre, placé auplus près des équipements sensibles, abaisse-ra la tension résiduelle du premier parafoudreà un niveau compatible avec celui des équi-pements à protéger.De plus, on est souvent confronté à des cou-rants de haute fréquence. Les câbles de rac-cordement des parafoudres doivent être assi-milés à des selfs (de l’ordre de 1 µH/m).Celles-ci vont influer le niveau de protection,qui peut devenir préjudiciable aux équipe-ments si les câbles de raccordement des para-foudres sont trop longs. S’il n’est pas possiblede diminuer la longueur des fils de raccorde-ment du parafoudre, il faut alors abaisser leniveau de protection de ce dernier (tensionrésiduelle) pour compenser la tension ame-née par les fils.

Dominique LejopIngénieur à Foudre-Protec

Bibliographie- La foudre : comment protéger efficacement ses installations - Les cahiers de l’ingénierie (EDF Industrie) n° 64 de juin 1997et le n° 65 de septembre 1997- Parasites et perturbations des électroniques, tome 3, de AlainCharoy, publié chez Dunod

Un spécialiste de la foudre indépendant Foudre-Protec est un bureau d’étudesindépendant spécialisé dans les problèmesde foudre au niveau des bâtiments et desréseaux (électriques, informatiques, télépho-niques, radio, télévision). « Nous tenons àsouligner notre impartialité : nous n’avonsaucun lien avec les constructeurs, les distribu-teurs, les installateurs et les bureaux de contrô-le », indique Dominique Lejop, fondateur dela société en 1995, et qui a une bonne dizai-ne d’années d’expérience dans la protectioncontre les effets directs et indirects de lafoudre (acquise notamment chez Soulé,constructeur de parafoudres et de paraton-nerres). Le cœur de l’activité de Foudre-Pro-tec se situe dans les études préalables des

problèmes de foudre et les études d’implan-tation des réseaux informatiques et desplans de masse pour minimiser les risquesliés à la foudre. Le Bureau d’Etudes exercedes activités complémentaires de vérifica-tion des installations, d’expertise, de forma-tion et de mesure de réseaux de terre et…d’épaisseur de réservoirs (il est en effetimportant de connaître l’épaisseur des réser-voirs pour éviter leur percement par lafoudre).Foudre-ProtecBP 42365200 Bagnères de BigorreTél. : 05 62 91 29 38 - Fax. 05 62 91 29 98Email : foudre-protec@wanadoo.fr