Protection contre les surtensions dans les systèmes photovoltaïques : Fonctions et guide de sélection

Le rôle des surtensions dans les systèmes photovoltaïques

Une surtension, définie comme une fluctuation de tension instantanée et significative, joue un rôle crucial dans les systèmes photovoltaïques (PV). Comme la plupart des systèmes photovoltaïques sont installés à l’extérieur et exposés à l’environnement naturel pendant de longues périodes, ils sont très sensibles aux surtensions causées par des facteurs tels que les éclairs, les fluctuations de tension du réseau et les défauts internes du système. La fonction principale d’un dispositif de protection contre les surtensions (SPD) est de supporter ces tensions et d’assurer le fonctionnement sûr et stable du système photovoltaïque.

Principe de protection

Les parasurtenseurs intègrent généralement des composants clés comme les varistors à oxyde métallique (MOV). En conditions de tension normales, un MOV présente un état à haute impédance, ne laissant presque aucun courant passer et n’ayant donc aucun impact sur le fonctionnement du système. Cependant, lorsqu’une tension surtension survient et dépasse le seuil de déclenchement du MOV, la résistance du MOV chute brusquement et instantanément, passant à un état de faible impédance. Cela crée un chemin à faible résistance par lequel le courant de surtension est rapidement détourné vers la masse, empêchant ainsi les hautes tensions d’endommager les composants électroniques sensibles du système photovoltaïque. Elle agit comme une barrière robuste, protégeant le système des dégâts causés par la surtension.

Protection des équipements critiques

Dans les systèmes photovoltaïques, les équipements coûteux et essentiels comme les onduleurs, panneaux photovoltaïques et contrôleurs dépendent fortement d’une tension stable. Les parasurtensions protègent directement ces dispositifs critiques contre les dommages causés par les surtensions. Par exemple, les onduleurs — composants du cœur qui convertissent le courant continu (CC) en courant alternatif (CA) — ont des exigences strictes en matière de stabilité de la tension. Les parasurtenseurs préviennent efficacement les pannes des onduleurs dues aux impacts des surtensions, assurant leur fonctionnement normal et garantissant ainsi la conversion et la sortie de puissance de l’ensemble du système photovoltaïque.

Assurer un fonctionnement continu du système

L’installation de parasurtenseurs réduit considérablement les dommages aux équipements et les temps d’arrêt causés par les surtensions, améliorant ainsi l’efficacité de la production d’énergie et le retour sur investissement du système photovoltaïque. Sans protection contre les surtensions, les dommages causés par les surtensions nécessiteraient réparation ou remplacement, entraînant des coûts d’entretien élevés et des temps d’arrêt prolongés du système. Cette interruption entraîne une perte de production d’électricité et une diminution des revenus. Les parasurtenseurs atténuent ces risques, garantissant que le système génère de l’énergie de manière continue et stable, offrant aux utilisateurs une alimentation fiable et des avantages économiques.

Prévention des incendies et explosions

Du côté DC des systèmes photovoltaïques, les tensions surtensions peuvent provoquer des arcs — un phénomène très dangereux qui déclenche facilement des incendies et des explosions. Les parasurtenseurs réduisent ce risque d’arcs, réduisant les risques d’incendie, assurant le fonctionnement sûr du système photovoltaïque et protégeant le personnel ainsi que l’environnement environnant.

Comment choisir le bon parasurtenseur

Déterminer le niveau de protection

Protection de niveau 1 (Classe B) : Principalement utilisée dans les armoires principales de distribution des bâtiments pour résister aux éclairs directs et aux puissantes impulsions électromagnétiques. Dans les systèmes photovoltaïques à grande échelle situés dans des zones fréquentes d’éclairs, un parasurtenseur de niveau 1 peut être installé sur la ligne principale d’entrée du système. Cela constitue la première ligne de défense, empêchant l’énergie puissante de foudre d’infiltrer directement le système.

Protection de niveau 2 (classe C) : Adaptée aux armoires de distribution, elle protège principalement contre les surtensions induites par la foudre et les surtensions de commutation. Dans les systèmes photovoltaïques, les SPD de classe C peuvent être installés aux bornes d’entrée et de sortie des onduleurs, ainsi que dans des boîtiers combineurs. Ils réduisent encore les tensions de surtension résiduelles après la protection de niveau 1, protégeant les équipements en aval contre les surtensions induites et opérationnelles.

Protection de niveau 3 (Classe D) : Généralement installée avant les équipements d’utilisation finale pour protéger contre les surtensions résiduelles induites par la foudre et les surtensions de commutation. Dans les systèmes photovoltaïques, pour les petits dispositifs sensibles à la tension tels que les modules de surveillance et les enregistreurs de données, un parasurtenseur de niveau 3 peut être installé à l’avant afin d’offrir une protection plus précise et d’assurer un fonctionnement stable.

Ajustez le niveau de tension

La tension maximale continue (Uc) du parasurtenseur doit correspondre à la tension nominale du système photovoltaïque. Par exemple, un système PV 1000V courant nécessite un parasurtenseur avec une fréquence Uc d’au moins 1000V. Si le SPD sélectionné a une tension excessivement basse, il peut être endommagé lors d’un fonctionnement normal en raison de son incapacité à supporter la tension du système. Inversement, une tension excessivement élevée peut empêcher le SPD de s’activer rapidement lors d’une surtension, le rendant inefficace. Adapter précisément le niveau de tension est donc une étape cruciale dans la sélection du SPD.

Considérons la capacité de charge courante

La capacité de transport de courant (Imax) fait référence au courant maximal d’éclair qu’un protecteur contre les surtensions peut supporter. Dans les applications pratiques, l’Imax du SPD devrait être légèrement supérieur au courant d’éclair attendu, en fonction de l’activité locale de la foudre et de l’intensité potentielle de surtension que le système pourrait rencontrer. Dans les zones à foudre fréquente, des SPD ayant une plus grande capacité de transport de courant sont nécessaires pour garantir qu’ils peuvent détourner de manière fiable le courant vers le sol lors de fortes surtensions sans tomber en panne due à la surcharge, garantissant ainsi la fiabilité et la longévité du SPD.

Faites attention au temps de réponse

Le temps de réponse d’un parasurtenseur doit être aussi court que possible, idéalement dans la plage des nanosecondes. Ce n’est qu’avec un temps de réponse suffisamment rapide que le SPD peut conduire rapidement dès l’arrivée du courant d’éclair, détournant rapidement le courant surtension vers la terre et protégeant l’équipement contre des dommages excessifs sous tension. Une réponse retardée signifierait que le SPD ne s’active qu’après que la tension de surtension ait déjà endommagé l’équipement, ne remplissant pas sa fonction de protection.

S’adapter à l’emplacement et à la méthode d’installation

Systèmes photovoltaïques centralisés : Les parasurtenseurs peuvent être installés à la fois aux bornes d’entrée et de sortie des onduleurs. L’installation d’un SPD à l’entrée de l’onduleur protège l’onduleur contre les surtensions provenant du côté panneau PV, tandis qu’un SPD à la borne de sortie protège les équipements côté réseau des surtensions générées par l’onduleur. De plus, des parasurtenseurs appropriés doivent être installés dans les boîtiers combineurs des grandes centrales centrales photovoltaïques afin d’assurer la sécurité électrique pendant le processus de combinaison du courant.

Systèmes PV distribués : En raison de leur échelle plus petite et de leur distribution dispersée, les systèmes PV distribués peuvent être équipés de parasurtenseurs installés dans la boîte combinatrice de chaque réseau photovoltaïque pour protéger les unités de production d’énergie individuelles. Si un système photovoltaïque distribué est connecté au réseau électrique interne d’un bâtiment, un parasurtenseur correspondant doit également être installé dans le boîtier de distribution du bâtiment afin d’empêcher la propagation des tensions aux autres équipements électriques via le réseau.