Comment intégrer une protection contre les surtensions des côtés CA et CC d’un système photovoltaïque ?

Intégrer un appareil de protection contre les surtensions intégrer un système photovoltaïque ne consiste pas simplement à brancher un composant et à passer à autre chose. Cela exige une approche réfléchie, fondée sur l’ingénierie, qui tient compte des caractéristiques électriques spécifiques des parties CA et CC de l’installation. Les surtensions induites par la foudre, les surtensions de commutation et les perturbations du réseau peuvent toutes générer des pics de tension destructeurs se propageant dans le système, endommageant les onduleurs, les boîtiers de combinaison, les équipements de surveillance et même les modules photovoltaïques eux-mêmes. En l’absence d’un positionnement adéquat des dispositifs de protection contre les surtensions des deux côtés, un seul événement transitoire peut entraîner des temps d’arrêt coûteux et le remplacement d’équipements.

Cet article décrit en détail la logique d’intégration complète du déploiement des dispositifs de protection contre les surtensions, tant du côté continu (string et champ) que du côté alternatif (connexion au réseau électrique) d’un système photovoltaïque. Que vous conceviez une installation commerciale sur toiture ou un projet au sol à grande échelle destiné aux services publics, il est essentiel de comprendre où positionner chaque dispositif de protection contre les surtensions, comment choisir les caractéristiques appropriées et comment raccorder et entretenir correctement ces composants afin d’assurer la fiabilité à long terme du système. Les recommandations présentées ici reposent sur l’expérience pratique du génie électrique sur le terrain et sont conformes aux normes IEC 61643 et IEC 62305, qui régissent la protection contre les surtensions dans les environnements photovoltaïques.

Comprendre les risques de surtension dans les systèmes photovoltaïques

Pourquoi les systèmes photovoltaïques sont particulièrement vulnérables

Les systèmes photovoltaïques sont continuellement exposés à l’environnement extérieur, ce qui les rend intrinsèquement vulnérables aux coups de foudre et aux décharges atmosphériques. Les longues distances de câblage entre les champs photovoltaïques et les onduleurs agissent comme des antennes, captant l’énergie électromagnétique induite par des coups de foudre proches, même en l’absence de foudroiement direct. Cette énergie induite se propage sous forme de surtension transitoire le long des câbles CC provenant des modules, ainsi que le long des câbles CA en direction du point de raccordement au réseau.

Du côté CC, la tension à vide d’une chaîne photovoltaïque peut déjà atteindre plusieurs centaines de volts dans des conditions standard. Lorsqu’une surtension transitoire se superpose à cette tension de base, la pointe combinée peut facilement dépasser la tenue en tension des étages d’entrée des onduleurs et des diodes de contournement, boîte de jonction composants. Du côté courant alternatif, les événements de commutation du réseau, les manœuvres des batteries de condensateurs et les défauts du fournisseur d’électricité génèrent des transitoires à montée rapide pouvant endommager l’étage de sortie de l’onduleur ainsi que tout équipement de mesure ou de communication connecté.

Un dispositif de protection contre les surtensions correctement sélectionné et installé de chaque côté intercepte ces transitoires avant qu’ils n’atteignent les composants électroniques sensibles. Le dispositif limite la tension à un niveau sûr et dévie le courant de surtension vers la terre, protégeant ainsi les équipements en aval. En l’absence de cette couche de protection, même un transitoire modéré peut dégrader l’isolation, provoquer des déclenchements intempestifs ou entraîner une défaillance immédiate des composants.

La nature bidirectionnelle de l’exposition aux surtensions dans les systèmes photovoltaïques

L’une des erreurs les plus courantes dans la planification de la protection contre les surtensions photovoltaïques consiste à considérer le système comme n’ayant qu’un seul point vulnérable. En réalité, les surtensions peuvent pénétrer par l’un ou l’autre sens. Un événement foudroyant à proximité du champ photovoltaïque injecte de l’énergie côté courant continu (CC), tandis qu’une perturbation du réseau ou une commutation de charge industrielle à proximité injecte de l’énergie côté courant alternatif (CA). Ces deux voies doivent être protégées indépendamment, chaque emplacement devant être équipé d’un dispositif de protection contre les surtensions dédié.

L’onduleur se situe entre ces deux côtés et constitue, dans la plupart des installations photovoltaïques, le composant individuel le plus coûteux. Il est également le plus vulnérable, car ses composants électroniques de puissance fonctionnent, en régime normal, à des tensions proches de leurs limites maximales. Un dispositif de protection contre les surtensions installé sur les bornes d’entrée CC de l’onduleur et un autre sur les bornes de sortie CA créent une enveloppe de protection autour de ce composant critique. Cette approche de protection bidirectionnelle n’est pas facultative pour les systèmes situés dans des zones à haut risque d’orages ou pour toute installation dont les coûts liés aux arrêts sont significatifs.

Intégration du dispositif de protection contre les surtensions côté CC

Installation dans la boîte de combinaison de chaînes

Le premier et le plus important emplacement pour un dispositif de protection contre les surtensions côté CC est au niveau de la chaîne boîte de combinaison , également appelée boîte de combinaison CC ou boîte de jonction du champ photovoltaïque. C’est à cet endroit que plusieurs chaînes PV sont réunies avant que la sortie CC combinée ne soit acheminée vers l’onduleur. Installer un dispositif de protection contre les surtensions ici permet d’intercepter les transitoires au point le plus précoce possible du circuit CC, empêchant ainsi leur propagation plus loin dans le système.

Pour ce poste, le dispositif de protection contre les surtensions doit être dimensionné pour la tension continue maximale à vide du champ photovoltaïque dans les conditions les plus défavorables de température. Pour les systèmes fonctionnant à 1000 V CC, le dispositif doit présenter une tension de protection et une tension maximale continue de fonctionnement nettement supérieures à cette valeur. Les valeurs nominales couramment utilisées dans les installations photovoltaïques à grande échelle (centrales) et commerciales sont notamment 1000 V CC et 1500 V CC, avec des courants de crête impulsifs de 20 kA ou 40 kA, selon la classification de la zone de protection contre la foudre du site.

Le dispositif de protection contre les surtensions au niveau du tableau de combinaison doit être connecté entre chaque pôle CC et le conducteur de terre de protection. Dans une configuration à deux pôles, cela signifie qu’un dispositif est placé entre le rail positif et la terre, et un autre entre le rail négatif et la terre. Certaines installations utilisent un dispositif à trois pôles ou combiné qui protège simultanément les deux pôles. Le choix dépend de la configuration de mise à la terre du système et de la conception spécifique du dispositif de protection contre les surtensions.

Emplacement à l’entrée CC de l’onduleur

Même lorsqu’un dispositif de protection contre les surtensions est installé au niveau de la boîte de combinaison, l’installation d’un second dispositif aux bornes d’entrée CC de l’onduleur est fortement recommandée pour les systèmes comportant de longues longueurs de câble entre la boîte de combinaison et l’onduleur. L’inductance du câble limite l’efficacité avec laquelle un dispositif de protection contre les surtensions éloigné peut limiter une surtension rapide aux bornes de l’onduleur. La tension résiduelle apparaissant à l’entrée de l’onduleur après le déclenchement du dispositif situé dans la boîte de combinaison peut encore être suffisamment élevée pour solliciter les condensateurs d’entrée et les modules IGBT de l’onduleur.

Le dispositif de protection contre les surtensions à l’entrée CC de l’onduleur constitue une deuxième ligne de défense, captant toute énergie transitoire résiduelle qui n’a pas été entièrement absorbée par le dispositif en amont. Cette approche en cascade, parfois appelée schéma de coordination de type 1 plus type 2, est une pratique standard dans les installations photovoltaïques bien conçues. Le dispositif situé à l’entrée de l’onduleur est généralement un dispositif de protection contre les surtensions de type 2, doté d’une capacité de courant de décharge inférieure, puisque le dispositif en amont a déjà absorbé la majeure partie de l’énergie de la surtension.

Le raccordement correct du dispositif de protection contre les surtensions côté CC est essentiel. Les conducteurs de liaison entre le dispositif et le bus CC doivent être aussi courts que possible, idéalement inférieurs à 50 cm, afin de minimiser la chute de tension inductive qui s’ajoute à la tension de claquage ressentie par l’onduleur. Utiliser des longueurs de conducteurs aussi courtes que possible et éviter les coudes superflus dans les câblages de connexion sont des mesures pratiques qui améliorent significativement l’efficacité de l’installation du dispositif de protection contre les surtensions.

Intégration du dispositif de protection contre les surtensions côté CA

Emplacement à la sortie CA de l'onduleur

Côté CA, l'emplacement principal d’un dispositif de protection contre les surtensions est situé à la sortie CA de l’onduleur, généralement à l’intérieur ou immédiatement à proximité du sectionneur CA ou du tableau de raccordement. Cette position protège l’étage de sortie de l’onduleur contre les surtensions provenant du réseau et protège également tout équipement de surveillance, de mesure ou de communication connecté au bus CA à ce point.

Le dispositif de protection contre les surtensions sélectionné côté CA doit être dimensionné pour la tension CA du système, qui est généralement de 230 V monophasé ou de 400 V triphasé pour la plupart des installations photovoltaïques commerciales et industrielles. Le dispositif doit également être compatible avec la fréquence du réseau et présenter une tension maximale de fonctionnement continu prenant en compte les fluctuations normales de la tension réseau. Pour les systèmes triphasés, un dispositif de protection contre les surtensions à trois pôles ou à quatre pôles couvrant tous les conducteurs de phase ainsi que le neutre est requis.

Le courant d'impulsion nominal pour le dispositif de protection contre les surtensions côté CA doit être choisi en fonction de la zone de protection contre la foudre et de la distance par rapport à l'entrée principale du réseau. Un dispositif de protection contre les surtensions de type 2, avec un courant d'impulsion nominal de 20 kA ou 40 kA, convient à la plupart des applications de sortie CA photovoltaïque. Lorsque l'installation se trouve dans une zone à risque élevé de foudroiement ou lorsque la longueur du câble CA jusqu'au tableau principal est importante, un dispositif de type 1 doté d'un courant d'impulsion nominal plus élevé peut s'avérer justifié au niveau du tableau principal.

Implantation au niveau du tableau principal CA ou du point de couplage commun

Pour les systèmes photovoltaïques de grande taille qui alimentent un tableau principal ou un point de couplage commun partagé avec d'autres charges, un dispositif supplémentaire de protection contre les surtensions au niveau du tableau assure une protection globale du système. Ce dispositif prend en charge les surtensions provenant du réseau public et empêche leur propagation non seulement vers l'onduleur, mais également vers d'autres charges sensibles raccordées au même tableau.

La coordination entre le dispositif de protection contre les surtensions situé à la sortie CA de l'onduleur et celui installé au tableau électrique principal suit la même logique en cascade que du côté CC. Le dispositif au niveau du tableau électrique, généralement de type 1 ou combiné type 1 et type 2, absorbe la surtension initiale à haute énergie, tandis que le dispositif au niveau de l'onduleur élimine l'énergie résiduelle. Cette approche en couches garantit qu'aucun dispositif n'est submergé et que la protection reste efficace sur une large gamme d'amplitudes et de formes d'ondes de surtension.

Lors du choix du dispositif de protection contre les surtensions pour le tableau électrique principal, il est important de vérifier que le niveau de protection en tension du dispositif est coordonné avec la tenue aux chocs de l’onduleur et des autres équipements connectés. Le niveau de protection du dispositif de protection contre les surtensions doit être inférieur à la tenue en tension des équipements afin de garantir que le dispositif limite la surtension transitoire avant qu’elle ne puisse causer des dommages. Cette vérification de coordination constitue une étape obligatoire dans toute conception professionnelle de protection contre les surtensions pour systèmes photovoltaïques.

Bonnes pratiques en matière de mise à la terre, de câblage et d’installation

Rôle d’un système de mise à la terre à faible impédance

Un dispositif de protection contre les surtensions ne peut remplir efficacement sa fonction que s’il dispose d’un chemin de faible impédance vers la terre, permettant ainsi de détourner le courant de surtension. Le système de mise à la terre de l’installation photovoltaïque est donc tout aussi important que le dispositif de protection contre les surtensions lui-même. Une connexion à la terre à forte résistance ou mal interconnectée provoquera l’apparition d’une tension élevée aux bornes du dispositif de protection contre les surtensions pendant son fonctionnement, ce qui réduira son efficacité et pourrait laisser passer des tensions dommageables vers les équipements protégés.

Pour les installations photovoltaïques, le système de mise à la terre doit inclure une électrode de terre dédiée située à l’emplacement du champ de panneaux, reliée au système de fixation structurelle et à la borne de terre du dispositif de protection contre les surtensions côté courant continu (CC). Le dispositif de protection contre les surtensions côté courant alternatif (CA) doit être relié au conducteur principal de protection contre les chocs électriques du bâtiment ou de l’installation. Toutes les connexions à la terre doivent utiliser des conducteurs de section appropriée, généralement de 6 mm² ou plus pour les conducteurs de liaison à la terre des dispositifs de protection contre les surtensions, afin de supporter le courant de pointe sans chute de tension excessive.

La liaison équipotentielle entre la prise de terre côté courant continu (CC), la prise de terre côté courant alternatif (CA) et la prise de terre structurelle du système de fixation photovoltaïque est essentielle pour éviter l’élévation du potentiel de terre lors d’un événement de surtension. Lorsque différentes parties du système présentent des potentiels de terre distincts pendant un phénomène transitoire, la différence de tension entre elles peut endommager les équipements, même si chaque dispositif de protection contre les surtensions fonctionne correctement. Un système de mise à la terre unifié et à faible impédance élimine ce risque.

Surveillance et maintenance des dispositifs installés

Un dispositif de protection contre les surtensions est un composant protecteur consommable. À chaque absorption d’un événement de surtension, il consomme une partie de sa capacité de protection. Après un événement important de foudre ou une série de surtensions plus faibles, le dispositif peut atteindre la fin de sa durée de vie utile et nécessiter un remplacement. La plupart des dispositifs modernes de protection contre les surtensions produits comportent un indicateur visuel d’état, généralement une fenêtre changeant de couleur ou un drapeau qui tombe, afin de signaler que le dispositif s’est dégradé et doit être remplacé.

Intégrer des vérifications de l’état des dispositifs de protection contre les surtensions dans le calendrier d’entretien régulier du système photovoltaïque est une pratique simple, mais souvent négligée. Une inspection visuelle trimestrielle de tous les dispositifs installés, combinée à une vérification post-tempête après tout événement important de foudre dans la région, garantit que la protection reste opérationnelle. Certains modèles avancés de dispositifs de protection contre les surtensions intègrent des contacts de surveillance à distance pouvant être raccordés à la plateforme SCADA ou de surveillance du système, ce qui permet d’émettre automatiquement des alertes dès qu’un dispositif nécessite un remplacement.

Le remplacement d’un dispositif de protection contre les surtensions dégradé doit être effectué sans délai. Faire fonctionner un système photovoltaïque avec un dispositif de protection contre les surtensions défaillant, qu’il soit côté courant alternatif (CA) ou courant continu (CC), expose entièrement l’onduleur et les équipements associés au prochain événement transitoire. Compte tenu du coût relativement faible d’un dispositif de protection contre les surtensions comparé à celui du remplacement d’un onduleur ou aux pertes liées à une interruption de fonctionnement du système, un entretien opportun constitue une décision économique évidente.

Sélection du dispositif de protection contre les surtensions adapté aux applications photovoltaïques

Paramètres électriques clés à évaluer

La sélection du dispositif de protection contre les surtensions adapté à une application photovoltaïque nécessite l’évaluation de plusieurs paramètres électriques essentiels. La tension maximale continue de fonctionnement du dispositif doit être supérieure à la tension la plus élevée susceptible d’apparaître à ses bornes dans des conditions normales de fonctionnement, y compris les tolérances de tension du réseau. Pour les dispositifs situés du côté courant continu, cela implique de tenir compte de la tension de circuit ouvert maximale du champ photovoltaïque à la température ambiante minimale attendue, car la tension des modules photovoltaïques augmente lorsque la température diminue.

Le courant de décharge nominal et les valeurs nominales du courant de pointe maximal déterminent la quantité d’énergie de surtension que le dispositif de protection contre les surtensions peut absorber. Ces valeurs nominales doivent être adaptées à la classification en zones de protection contre la foudre du site d’installation, laquelle est déterminée par la densité locale des coups de foudre au sol et par les caractéristiques physiques de la structure. Un dispositif de protection contre les surtensions doté d’une valeur nominale de courant de pointe de 40 kA offre une marge de sécurité supérieure à celle d’un dispositif de 20 kA et convient aux emplacements exposés ou aux installations à forte valeur.

Le niveau de protection en tension du dispositif de protection contre les surtensions, exprimé en kilovolts, indique la tension maximale qui apparaît aux bornes du dispositif lors d’un essai normalisé de surtension. Cette valeur doit être inférieure à la tenue aux chocs de l’équipement à protéger. Pour les onduleurs photovoltaïques, la tenue aux chocs en tension continue à l’entrée est généralement spécifiée dans la fiche technique du produit, et le dispositif de protection contre les surtensions doit être choisi de sorte que son niveau de protection offre une marge adéquate en dessous de cette valeur.

Normes de conformité et exigences en matière de certification

Pour les applications photovoltaïques (PV), le dispositif de protection contre les surtensions doit être conforme à la norme IEC 61643-11 pour les dispositifs côté courant alternatif (CA) et à la norme IEC 61643-31 pour les dispositifs côté courant continu (CC). Ces normes définissent les méthodes d’essai, les exigences de performance et les exigences d’étiquetage applicables aux dispositifs de protection contre les surtensions utilisés respectivement dans les réseaux basse tension et les installations photovoltaïques. La conformité à ces normes garantit que le dispositif a fait l’objet d’essais indépendants et a été vérifié comme satisfaisant aux performances spécifiées dans des conditions normalisées de surtension.

Outre la conformité aux normes IEC, de nombreux marchés et cahiers des charges de projets exigent le marquage CE et la certification TÜV pour les dispositifs de protection contre les surtensions destinés aux systèmes photovoltaïques. Ces certifications offrent une assurance supplémentaire quant à la qualité du produit et à la constance de sa fabrication. Lors de la spécification d’un dispositif de protection contre les surtensions pour un projet photovoltaïque à usage commercial ou à grande échelle (centrale), la vérification que le produit possède les certifications appropriées pour le marché cible constitue une étape importante du processus d’approvisionnement.

Certains gestionnaires de réseau et assureurs imposent des exigences spécifiques concernant l’installation de dispositifs de protection contre les surtensions dans les systèmes photovoltaïques raccordés au réseau. L’examen préalable de ces exigences dès la phase de conception permet de s’assurer que le dispositif de protection contre les surtensions sélectionné répond à toutes les normes applicables et que la méthode d’installation est conforme aux codes électriques locaux. Les installations non conformes peuvent rencontrer des difficultés lors de l’approbation du raccordement au réseau ou lors du traitement des sinistres assurés liés à un événement de surtension.

FAQ

Ai-je besoin d’un dispositif de protection contre les surtensions à la fois côté courant alternatif (CA) et côté courant continu (CC) de mon système photovoltaïque ?

Oui. Les surtensions peuvent pénétrer dans un système photovoltaïque depuis l’un ou l’autre sens : depuis le côté du champ photovoltaïque lors d’orages ou depuis le côté du réseau lors de transitoires liés à des manœuvres de commutation. Installer un dispositif de protection contre les surtensions uniquement d’un seul côté laisse l’onduleur et les équipements associés exposés aux transitoires provenant du côté non protégé. Une stratégie complète de protection exige la présence d’un dispositif de protection contre les surtensions au niveau du tableau de combinaison CC ou à l’entrée CC de l’onduleur, ainsi qu’un autre dispositif au niveau de la sortie CA de l’onduleur ou du tableau principal.

Quelle tension nominale dois-je choisir pour un dispositif de protection contre les surtensions côté CC ?

Le dispositif de protection contre les surtensions doit présenter une tension maximale continue de fonctionnement supérieure à la tension maximale à vide du champ photovoltaïque dans les conditions de température minimale prévue. Pour les systèmes conçus pour fonctionner à 1000 V CC, un dispositif de protection contre les surtensions homologué pour 1000 V CC ou plus est requis. Pour les systèmes à 1500 V CC, un dispositif homologué pour 1500 V CC doit être utilisé. Ajoutez toujours une marge de sécurité supérieure à la tension maximale calculée du champ lors de la sélection de la valeur nominale du dispositif.

À quelle fréquence dois-je inspecter ou remplacer un dispositif de protection contre les surtensions dans une installation photovoltaïque ?

Une inspection visuelle de tous les dispositifs de protection contre les surtensions installés doit être effectuée au moins une fois par trimestre et après toute activité orageuse importante dans la région. La plupart des dispositifs comportent un indicateur d’état dont l’apparence change lorsque le dispositif est dégradé. Tout dispositif de protection contre les surtensions affichant une indication de défaut doit être remplacé sans délai. Même en l’absence de dégradation visible, les dispositifs installés dans des zones à forte activité orageuse peuvent bénéficier d’un remplacement tous les cinq à sept ans à titre préventif.

Puis-je utiliser un dispositif de protection contre les surtensions CA standard sur le côté CC d’un système photovoltaïque ?

Non. Les dispositifs de protection contre les surtensions CA standard ne conviennent pas aux applications en courant continu (CC). Les circuits en courant continu ne présentent pas de passage naturel du courant par zéro, ce qui signifie que, dès qu’un dispositif de protection contre les surtensions commence à conduire, il doit interrompre activement le courant de suivi afin d’éviter un arc électrique persistant. Les dispositifs de protection contre les surtensions spécifiquement conçus pour le courant continu sont dotés de mécanismes d’extinction d’arc et de composants dont les caractéristiques sont adaptées aux tensions et aux courants en courant continu. L’utilisation d’un dispositif conçu pour le courant alternatif (CA) dans un circuit en courant continu crée un risque sérieux d’incendie et de danger pour la sécurité.