Protection contre les surtensions pour les systèmes photovoltaïques

Les coups de foudre indirects sont destructeurs. Les observations anecdotiques sur l'activité de la foudre sont généralement un mauvais indicateur du niveau de surtension induite par la foudre dans les panneaux photovoltaïques. Les coups de foudre indirects peuvent facilement endommager les composants sensibles de l'équipement photovoltaïque, ce qui entraîne souvent un coût élevé pour réparer ou remplacer les composants endommagés et affecter la fiabilité du système photovoltaïque. La surtension dépend des conditions d'installation de chaque système photovoltaïque et des câblages.

Les systèmes photovoltaïques sont exposés dans de grands espaces ouverts, généralement dans des champs ou au sommet des bâtiments. Les nuages ​​de pluie chargés qui s’accumulent au-dessus de ces champs ouverts ont tendance à libérer leur charge sous forme d’éclairs. Lorsque cela se produit, une surtension est susceptible de se produire. Plus le champ est étendu, plus la destruction est probable.

Lorsqu’un système photovoltaïque est situé sur un site industriel, les opérations commerciales et les équipements sont également menacés. Les onduleurs sont chers, mais pour les applications industrielles, une panne encore plus coûteuse est le coût des temps d'arrêt.

Lorsque la foudre frappe un système solaire photovoltaïque, elle provoque un courant et une tension transitoires induits dans les boucles de câbles du système solaire photovoltaïque. Ces courants et tensions transitoires apparaîtront aux bornes de l'équipement et provoqueront probablement des défaillances d'isolation et diélectriques au sein des composants électriques et électroniques solaires photovoltaïques tels que les panneaux photovoltaïques, l'onduleur, les équipements de contrôle et de communication, ainsi que les dispositifs de l'installation du bâtiment. Le boîtier réseau, l'onduleur et le MPPT (puissance maximalepoint tracker) présentent les points de défaillance les plus élevés.

Pour éviter qu'une énergie élevée ne passe à travers l'électronique et ne cause des dommages à haute tension au système photovoltaïque, les surtensions doivent avoir un chemin vers la terre. Pour ce faire, toutes les surfaces conductrices doivent être directement mises à la terre et tous les câbles qui entrent et sortent du système (tels que les câbles Ethernet et le secteur) doivent être couplés à la terre via un SPD.

Un dispositif de protection contre les surtensions est nécessaire pour chaque groupe de chaînes dans le boîtier de réseau, le boîtier de recombinaison, ainsi que la déconnexion CC.

Sélection et installation de dispositifs de protection contre les surtensions pour les systèmes photovoltaïques

Les systèmes photovoltaïques ont des caractéristiques uniques, qui nécessitent donc l'utilisation de SPD spécialement conçus pour les systèmes photovoltaïques.

Les systèmes photovoltaïques ont des tensions continues élevées pouvant atteindre 1 500 volts. Leur point de puissance maximale fonctionne à quelques centiles seulement en dessous du courant de court-circuit du système.

Pour déterminer le module SPD approprié pour le système PV et son installation, vous devez savoir :

l La densité du flash rond;

l La température de fonctionnement du système ;

l La tension du système ;

l Le courant nominal de court-circuit du système ;

l Le niveau de forme d'onde contre lequel il faut se protéger (foudre indirecte ou directe) ;

l Le courant de décharge nominal.

Les exigences SPD pour une installation protégée par un système de protection contre la foudre externe (LPS) dépendent de la classe sélectionnée du LPS et du fait que la distance de séparation entre le LPS et l'installation photovoltaïque est isolée ou non isolée. La CEI 62305-3 détaille les exigences en matière de distance de séparation pour un LPS externe.

Pour avoir un effet protecteur, le niveau de protection contre la tension d'un SPD (Up) doit être inférieur de 20 % à la rigidité diélectrique de l'équipement terminal du système.

Il est important d'utiliser un SPD avec un courant de tenue aux courts-circuits supérieur au courant de court-circuit de la chaîne de panneaux solaires à laquelle le SPD est connecté. Le SPD fourni sur la sortie CC doit avoir un MCOV CC égal ou supérieur à la tension maximale du système photovoltaïque du panneau.

SPD pour le côté DC des systèmes photovoltaïques

Les sources photovoltaïques ont des caractéristiques de courant et de tension très différentes de celles des sources à courant continu traditionnelles : elles ont une caractéristique non linéaire et provoquent une persistance à long terme des arcs allumés. Par conséquent, les sources de courant photovoltaïque nécessitent non seulement des interrupteurs photovoltaïques et des fusibles photovoltaïques plus grands, mais également un sectionneur pour le dispositif de protection contre les surtensions, adapté à cette nature unique et capable de gérer les courants photovoltaïques.

Les SPD installés côté DC doivent toujours être spécifiquement conçus pour les applications DC. L'utilisation d'un SPD du mauvais côté AC ou DC est dangereuse en cas de panne.

Installation

Les SPD doivent toujours être installés en amont des appareils qu'ils vont protéger. La norme NFPA 780 12.4.2.1 indique qu'une protection contre les surtensions doit être fournie sur la sortie CC du panneau solaire du positif à la terre et du négatif à la terre, au niveau du boîtier de combinaison et de recombinaison pour plusieurs panneaux solaires et à la sortie CA de l'onduleur.

La bonne installation d'un SPD repose sur trois valeurs, qui sont :

l Tension de fonctionnement continue maximale : la tension que le SPD activera.

l Niveau de protection contre la tension : la catégorie de surtension de l'équipement doit être supérieure au niveau de protection contre la tension du SPD.

l Courant de décharge nominal : valeur maximale de la forme d'onde (8/20 μs pour les SPD de type 2) à laquelle le SPD est capable de résister après des surtensions répétitives.

Comment combiner des SPD avec des onduleurs

Les parcs photovoltaïques sont composés d’équipements très sensibles qui nécessitent une protection étendue. Étant donné que les parcs photovoltaïques créent de l’énergie en courant continu (CC), les onduleurs (qui sont nécessaires pour convertir cette énergie du courant continu en courant alternatif) sont un élément essentiel de leur production électrique. Malheureusement, les onduleurs sont non seulement très sensibles aux coups de foudre, mais ils sont également incroyablement coûteux.

La norme NFPA 780 12.4.2.3 nécessite des SPD supplémentaires à l'entrée CC de l'onduleur si l'onduleur du système se trouve à plus de 30 mètres du boîtier de combinaison ou de recombinaison le plus proche.

Installez le SPD entre les fusibles et l'onduleur s'il y a des protecteurs de chaîne (tels que des fusibles, des disjoncteurs CC ou des diodes de chaîne).

Pour connecter un SPD lorsqu'il y a un onduleur avec une boîte à fusibles intégrée, assurez-vous que les fusibles internes sont contournés et que les fusibles de chaîne externes sont connectés.

Les onduleurs string doivent être installés aussi près que possible des strings. Les câbles SPD qui se connectent au réseau L+/L-, et entre le bornier du SPD et le jeu de barres de terre, doivent être inférieurs à 2,5 mètres. Plus les câbles de connexion sont courts, plus la protection sera efficace et économique.

Pour les onduleurs équipés d'un seul tracker MPP, combinez les chaînes avant l'onduleur et connectez-les au SPD au point d'interconnexion.

Des combinaisons SPD doivent être planifiées pour chaque entrée lorsque l'onduleur dispose de plusieurs trackers MPP. Un SPD doit être utilisé pour chaque entrée fusionnée avec une diode chaîne.

Références

[1] Guide de protection contre la foudre, norme DIN EN 62305 – 3, 2014.

[2] Norme pour les dispositifs de protection contre les surtensions, UL 1449, 2014.

[3] Parafoudres basse tension – Partie 32 : Parafoudres connectés au réseau DC. côté des installations photovoltaïques – Principes de sélection et d’application, Norme CEI 61643-32, 2 017.