Pourquoi les systèmes solaires photovoltaïques ont-ils besoin de parasurtenseurs ?

Introduction

Pour maximiser l’efficacité de la production d’électricité, les systèmes solaires photovoltaïques sont généralement installés dans des zones dégagées telles que les toits, les champs ouverts et les régions montagneuses, couvrant une vaste zone. Cet environnement d’installation exposé en fait des cibles à haut risque pour les coups de foudre. Parallèlement, les systèmes solaires DC présentent des tensions élevées (généralement 1000V-1500V) et aucun point de passage à zéro naturel en courant. Une fois touché par une surtension, l’arc électrique est difficile à éteindre automatiquement, ce qui peut facilement entraîner des dommages aux équipements voire des incendies. Par conséquent, les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) sont des équipements essentiels pour garantir le fonctionnement sûr des centrales solaires. Cet article développera la définition, le principe de fonctionnement, les méthodes d’installation et le guide d’achat des parasurtenseurs.

1. Qu’est-ce qu’un parasurtenseur ?

Un dispositif de protection contre les surtensions (SPD) est un dispositif de protection utilisé pour limiter la surtension transitoire et le courant de surtension de décharge. Dans les systèmes solaires photovoltaïques, il contient au moins un composant non linéaire, connecté en parallèle ou en série dans le circuit, pour résister à l’impact des éclairs directs, de la surtension induite et de la surtension de fonctionnement du réseau sur les équipements.

Le SPD spécifiquement conçu pour les systèmes photovoltaïques doit répondre aux doubles exigences de haute tension continue et d’environnement électromagnétique complexe. Selon les dispositions de la norme de la Commission électrotechnique internationale IEC 61643-32:2017, le SPD utilisé pour les systèmes photovoltaïques doit s’appliquer aux dispositifs photovoltaïques dont la valeur effective de la tension latérale AC ne dépasse pas 1000V et une tension côté DC ne dépassant pas 1500V.

Les valeurs fondamentales des SPD dans les systèmes solaires photovoltaïques se reflètent dans les aspects suivants :

- Résistance à l’impact surtension : Réagir rapidement lorsqu’un éclair ou une surtension opérationnelle survient, détournant le courant surtension vers la terre.

- Protection des équipements clés : Protection directe des actifs centraux tels que les boîtiers combineurs, onduleurs et modules solaires.

- Assurer un fonctionnement continu : réduire les temps d’arrêt imprévus causés par les éclairs et protéger les revenus de production d’électricité de la centrale.

- Prévenir l’incendie et les explosions : Réduire le risque d’arcs latéraux en courant continu causés par la surtension et réduire les risques d’incendie.

2. Quel est le principe de fonctionnement d’un parasurtenseur ?

Le principe de fonctionnement fondamental des SPD PV repose sur des caractéristiques de résistance non linéaires, les varistors à oxyde métallique (MOV) étant le composant central de la technologie grand public. Son processus de travail peut être divisé en quatre étapes :

2.1 Étage normal à haute impédance

Lorsque la tension du système est normale et inférieure au seuil de départ (tension varistor) du SPD, le MOV présente une résistance extrêmement élevée (niveau mégaohm), comme un isolant, ne laissant passer qu’un très faible courant de fuite (généralement <1 mA), ce qui n’a aucun impact sur le fonctionnement normal du système solaire photovoltaïque.

2.2 Phase de déclenchement par surtension

Lorsque la foudre ou une surtension opérationnelle frappe et que la tension de la ligne dépasse instantanément le seuil de tension varistor du MOV, un effet d’avalanche se produit dans la structure cristalline à l’intérieur du MOV——la valeur de la résistance chute fortement jusqu’à un état presque conducteur (niveau milliohm), formant un chemin de décharge à faible impédance.

2.3 Décharge d’énergie et serrage en tension

Après la formation du chemin à faible impédance, le courant de surtension énorme est rapidement déchargé vers le système de mise à la terre. Au cours de ce processus, le MOV fixe la surtension sous son niveau de protection (Haut), garantissant que la tension résiduelle à travers l’équipement protégé est toujours inférieure à la résistance de l’isolation.

2.4 Récupération automatique et protection contre les pannes

Après la surtension passée et le retour de la tension dans la plage normale, le MOV se rétablit automatiquement en état haute impédance, et le système fonctionne normalement. Si l’énergie de surtension dépasse la limite de roulement du SPD et provoque une détérioration, le dispositif thermique intégré le déconnectera du circuit et déclenchera un indicateur d’alarme visuel (comme le passage de la fenêtre du vert au rouge) pour empêcher l’expansion des défauts de court-circuit.

Il convient de noter qu’en raison de l’absence de point de passage à zéro naturel dans les systèmes en courant continu, le courant de suivi généré après l’activation du SPD est plus difficile à couper que dans les systèmes en courant alternatif. Par conséquent, les SPD PV DC doivent disposer de capacités d’extinction par arc plus fortes et de niveaux de résistance aux courts-circuits plus élevés.

  3. Comment installer des parasurtenseurs pour protéger les centrales solaires photovoltaïques ?

L’installation de parasurtenseurs dans les systèmes solaires photovoltaïques doit suivre les principes de « protection graduelle, protection à proximité et mise à la terre fiable ». Combinées à l’architecture système (centralisée, de type chaîne), elles doivent être raisonnablement disposées côté DC, côté AC et côté signal de contrôle afin de former un système complet de protection contre les surtensions. Parallèlement, un respect strict des spécifications d’installation est nécessaire afin d’éviter d’affecter l’effet de protection dû à une installation inappropriée. Les points d’installation spécifiques sont les suivants :

3.1Choix du lieu d’installation

La protection contre les surtensions des systèmes solaires photovoltaïques doit couvrir l’ensemble du lien des « modules — boîtiers combineurs — onduleurs — armoires connectées au réseau ». Les principaux lieux d’installation sont divisés en 3 catégories :

3.2 Installation latérale DC : Il protège principalement les modules solaires, les boîtiers combineurs et les bornes d’entrée DC des onduleurs, divisés en protection à deux niveaux. Le premier niveau est installé entre la chaîne du module solaire et la boîte combinante, ou à l’intérieur de la boîte combinatrice, afin de supprimer les surtensions d’éclairs induites du côté module ; le second niveau est installé entre la borne de sortie de la boîte combinatrice et la borne d’entrée DC de l’onduleur afin d’affaiblir davantage l’énergie de surtension et de protéger les composants du cœur de l’onduleur. Les SPD côté CC doivent protéger les pôles positifs et négatifs à la terre (/PE, -/PE) afin de s’adapter à l’environnement haute tension continue. Si la distance entre l’onduleur et le réseau PV est inférieure à 10 m, et que le niveau de protection contre la tension du SPD frontal est ≤ 0,8 fois la tension nominale de résistance aux impulsions du réseau PV, certains points d’installation peuvent être omis.

3.3 Installation côté AC : Elle protège principalement les onduleurs, les armoires connectées au réseau et les équipements côté réseau, installés à la borne de sortie AC de l’onduleur et à l’intérieur de l’armoire connectée au réseau. Il est utilisé pour supprimer les surtensions causées par les fluctuations de la grille et les ondes d’éclair envahissant le côté grille, le mode de protection étant principalement L-N/L-PE. Il doit être utilisé avec des disjoncteurs pour s’adapter aux normes des systèmes AC. Si la distance entre l’armoire principale de distribution d’énergie et le SPD dans l’onduleur est inférieure à 10 m, une installation répétée n’est pas nécessaire.

3.4 Installation côté signal de contrôle : Installé à l’interface du signal des systèmes de surveillance et des équipements d’acquisition de données, un SPD dédié au signal est sélectionné pour empêcher les surtensions d’envahir les lignes de signalisation, d’endommager les équipements de contrôle et d’assurer la surveillance normale du système et la transmission des données.

3.5Exigences de la spécification d’installation

1. Méthode d’installation : La priorité est donnée à l’installation de rails DIN de 35 mm, conformément à la norme EN 60715. Une opération d’arrêt électrique est nécessaire pendant l’installation afin d’éviter les risques de sécurité causés par les travaux en direct.
2. Exigences de câblage : Le SPD doit être connecté en parallèle à la ligne électrique à l’avant de l’équipement protégé. La longueur du conducteur de connexion phase/neutre ne doit pas dépasser 1 m, et la longueur du fil de terre ne doit pas dépasser 0,5 m. Un radian doit être réservé à l’angle du conducteur pour éviter la courbure à angle droit ; Le conducteur de raccordement doit être choisi avec une section transversale appropriée, avec un fil simple brin minimum de 1,5 mm² et un fil multibrin de 35 mm² maximum pour garantir des performances conductrices.
3. Exigences de mise à la terre : La mise à la terre doit être fiable, avec une résistance de mise à la terre inférieure à 4Ω. Le SPD est relié à la bande de liaison équipotentielle de protection contre la foudre du système solaire photovoltaïque afin de garantir que le courant de surtension puisse être rapidement introduit dans le sol ; si le LPS (Lightning Protection System) et le cadre du module PV ne respectent pas la distance d’espacement sûre, des câbles blindés doivent être utilisés, et les deux extrémités de la couche blindée doivent être mises à la terre et capables de transporter une partie du courant électrique.
4. Protection de soutien : Un petit disjoncteur ou un fusible de protection contre la foudre doit être installé à l’avant du SPD pour éviter les pannes causées par des accidents non liés à la foudre ; la distance entre le SPD et l’équipement protégé ne doit pas dépasser 5 m pour garantir l’effet de protection.

4..Guide d’achat de parasurtenseurs

L’achat de SPD dédiés aux systèmes solaires photovoltaïques doit être examiné de manière exhaustive, en combinaison avec les paramètres du système, l’environnement de service, les exigences de protection et d’autres facteurs. L’essentiel est d’assurer l’adaptabilité, la fiabilité et la sécurité, et d’éviter les défaillances de protection causées par une mauvaise sélection. Les points d’achat spécifiques sont les suivants :

4.1 Clarifier les paramètres du système pour garantir l’adaptabilité

Correspondance des paramètres de tension : Selon la tension de fonctionnement du côté DC et du côté AC du système solaire photovoltaïque, sélectionnez le SPD avec la tension de fonctionnement continue (Uc) correspondante. Le SPD côté CC doit être adapté à la tension maximale en circuit ouvert du système (comme les systèmes 1000V, 1500V), et le côté AC doit être adapté à une tension de fréquence de puissance de 380V. La valeur Uc devrait réserver une marge de sécurité suffisante pour éviter un vieillissement accéléré dû à une électrification à long terme. Par exemple, la tension continue de fonctionnement du SPD côté CC pour un système solaire photovoltaïque 1000V peut être de 500V afin d’assurer l’adaptation aux conditions de fonctionnement du système.

4.2 Sélection de la capacité actuelle : Combiné au niveau de protection contre la foudre de la zone où se trouve la centrale solaire photovoltaïque et au nombre de conducteurs descendants, on sélectionne le SPD avec une capacité de transport de courant appropriée. Pour les zones avec un niveau élevé de protection contre la foudre et plus de conducteurs de descente, il convient de sélectionner des produits ayant une forte capacité de transport de courant. Pour les SPD limitant la tension du côté CC, le courant impulsionnel (Iimp) et le courant de décharge nominal (In) peuvent être sélectionnés en référence aux normes pertinentes. Par exemple, lorsque le niveau de protection contre la foudre est de classe I et que le nombre de conducteurs de descente est inférieur à 4, une combinaison de SPD de test de classe I (Iimp ≥ 5kA) et de SPD de test de classe II (en ≥ 8,5 kA) peut être sélectionnée, ou seul le SPD de test de classe I (Iimp ≥ 8,5kA) peut être utilisé.

4.3 Adaptation du mode de protection : Le côté DC adopte le mode de protection bipolaire /-/PE, le côté AC adopte le mode de protection L-N/L-PE, et le côté signal de commande adopte un mode dédié de protection du signal pour garantir une protection complète sans impasse.

4.4 Conseils pour éviter les pièges

- Ne pas mélanger les SPD AC : L’utilisation de SPD 220V AC dans des systèmes 1000V DC peut entraîner une défaillance ou une explosion.

- Attention à l’adaptation des fusibles : Le courant nominal du fusible de secours doit être supérieur au courant maximal possible dans la branche SPD, sinon il ne peut pas jouer un rôle de protection contre les courts-circuits.

- Un découpleur est nécessaire si la distance entre les étages est insuffisante : si la distance entre deux niveaux de SPD ne peut pas atteindre l’exigence de 10 m, une inductance de découplage doit être connectée en série pour obtenir la coordination énergétique.

En résumé, les parasurtenseurs sont des équipements de soutien essentiels pour le fonctionnement sûr et stable des systèmes solaires photovoltaïques. En comprenant correctement leur définition et leur principe de fonctionnement, la standardisation de l’installation et de l’achat scientifique peut construire un système complet de protection contre les surtensions, résister efficacement aux risques de surtension, prolonger la durée de vie des équipements photovoltaïques et garantir un revenu stable à long terme des centrales solaires photovoltaïques.