Fonctionnement collaboratif des parafoudres, disjoncteurs et fusibles dans les systèmes photovoltaïques : analyse fonctionnelle et discussion sur la nécessité
Introduction
Avec le développement rapide de l'industrie photovoltaïque mondiale, la sécurité et la stabilité des systèmes de production d'énergie solaire sont devenues des enjeux majeurs. Exposés aux intempéries pendant de longues périodes, les systèmes photovoltaïques sont vulnérables à des aléas tels que la foudre, les fluctuations du réseau électrique et les pannes d'équipement, susceptibles d'endommager le matériel, voire de provoquer un incendie. Les parafoudres, les disjoncteurs et les fusibles sont des dispositifs de protection essentiels qui, chacun à leur manière, interagissent pour garantir le bon fonctionnement du système. Cet article analysera en détail leurs fonctions, leurs mécanismes de coordination et leur importance, afin de fournir des informations utiles aux utilisateurs du secteur.
I. Le « tueur invisible » qui menace les systèmes photovoltaïques
Les centrales photovoltaïques sont comme des « guerriers d'acier » travaillant en plein air, subissant constamment diverses épreuves difficiles.
1.1 Problèmes liés à la foudre :
En particulier, au Moyen-Orient et en Asie du Sud-Est, une seule saison d'orages peut paralyser les systèmes qui ne sont pas protégés.
1.2 Fluctuations du réseau électrique :
Dans le cadre du projet chilien dont j'étais responsable, plusieurs équipements ont été mis hors service suite à une augmentation soudaine de la tension du réseau.
1.3 Risque de court-circuit :
L'année dernière, un projet en Allemagne a subi un court-circuit dû à la vétusté des câbles, ce qui a failli provoquer un incendie.
Ces risques ne sont pas exagérés. Selon l'Alliance internationale pour la sécurité photovoltaïque, plus de 60 % des défaillances des systèmes photovoltaïques sont dues à une protection électrique insuffisante.
II. Fonctions essentielles des dispositifs de protection contre les surtensions (DPS)
2.1 Principe de fonctionnement
Les parafoudres dérivent les surtensions transitoires vers la terre grâce à des varistances à oxyde métallique (MOV) ou des tubes à décharge gazeuse (GDT), limitant ainsi la tension à un niveau sûr. Dans les systèmes photovoltaïques, les parafoudres sont généralement installés aux emplacements suivants :
Côté CC (entre les modules et l'onduleur) : pour protéger contre les surtensions induites par la foudre.
Côté CA (entre l'onduleur et le réseau) : pour supprimer les surtensions provenant du réseau.
2.2 Paramètres clés
Tension de fonctionnement continue maximale (Uc) : Doit correspondre au niveau de tension du système photovoltaïque (par exemple 1000 V CC ou 1500 V CC).
Courant de décharge (In/Iimp) : reflète la capacité à décharger le courant de foudre, et les systèmes photovoltaïques nécessitent généralement 20 kA ou plus.
Niveau de protection contre les surtensions (Up) : Détermine la valeur de la tension résiduelle et doit être inférieur à la tension de tenue de l'équipement protégé.
2.3 Nécessité
Protégez les équipements coûteux tels que les onduleurs et les boîtiers de raccordement contre les surtensions.
Se conformer aux normes internationales (telles que IEC 6164331, UL 1449) et aux exigences d'acceptation des centrales photovoltaïques.
III. Fonction et sélection des disjoncteurs et des fusibles
3.1 Disjoncteur
Fonction:
•Protection contre les surcharges : lorsque le courant dépasse la valeur définie (par exemple 1,3 fois le courant nominal), le mécanisme de déclenchement thermique se met en marche.
•Protection contre les courts-circuits : Le mécanisme de déclenchement électromagnétique coupe le courant de court-circuit (par exemple 10 kA) en quelques millisecondes.
• Caractéristiques d'application pour le photovoltaïque :
Il convient de sélectionner un disjoncteur CC dédié (tel qu'un disjoncteur CC 1000V/1500V).
Le pouvoir de coupure doit correspondre au courant de court-circuit du système (généralement ≥ 15 kA).
3.2 Fusible
Fonction:
En faisant fondre l'élément fusible, il peut isoler rapidement le circuit défectueux et protéger la branche connectée en série.
Avantages :
La vitesse de déconnexion est plus rapide (de l'ordre de la microseconde), ce qui convient aux scénarios de courant de court-circuit élevé.
De petite taille, il convient aux boîtiers de transport d'électricité disposant d'un espace limité.
3.3 Collaboration avec SPD
Le parafoudre assure la protection contre les surtensions, tandis que les disjoncteurs/fusibles assurent la protection contre les surintensités.
En cas de défaillance d'un parafoudre suite à une surtension, les disjoncteurs ou les fusibles peuvent couper rapidement le circuit défectueux afin de prévenir un incendie.
IV. Étude de cas d'un système de protection multiniveaux
Prenons comme exemple une centrale photovoltaïque de 1 MW :
4.1 Protection côté courant continu
Branches de composants en série : Installez des fusibles (par exemple, de type gPV 10A) pour chaque série.
Entrée du boîtier de combinaison : Installer un SPD de type II (Up ≤ 1,5 kV) et un disjoncteur CC (63 A).
4.2 Protection côté secteur
Extrémité de sortie de l'onduleur : Configurer le SPD de type 1+2 (Iimp ≥ 12,5 kA) et le disjoncteur à boîtier moulé (250 A).
4.3 Simulation de scénarios de défaillance
En cas de foudre : le parafoudre libère le courant de surtension et limite la tension en dessous de 2 kV ; si le parafoudre tombe en panne en raison d’un court-circuit, le disjoncteur se déclenche.
En cas de court-circuit sur la ligne : le fusible fond en moins de 5 ms pour éviter la propagation de l’effet de point chaud.
V. Précautions de sélection et d'installation
5.1 Sélection SPD
Pour le côté CC, un SPD spécifique au photovoltaïque (tel qu'un PVSPD) doit être sélectionné pour éviter le problème de courant inverse des SPD CA ordinaires.
Il convient de tenir compte de la marge de température (Uc doit prévoir une marge dans les environnements à haute température).
5.2 Appariement disjoncteur/fusible
Le pouvoir de coupure doit être supérieur au courant de court-circuit maximal du système (par exemple, le courant de défaut de la chaîne peut atteindre 1,5 kA).
Le courant nominal du fusible doit être supérieur à 1,56 fois le courant de court-circuit du composant (Isc) (conformément à la norme NEC 690.8).
5.3 Suggestions d'intégration système
La longueur du fil entre le SPD et le disjoncteur doit être ≤ 0,5 m pour réduire la tension résiduelle.
Des inspections régulières des indicateurs d'état du SPD doivent être effectuées et les modules défectueux doivent être remplacés à temps.
VI. Tendances du secteur et mises à jour des normes
•Demande de haute tension : Avec l’adoption généralisée des systèmes photovoltaïques de 1 500 V, les niveaux de tension de tenue des parafoudres et des disjoncteurs doivent être améliorés de manière synchronisée.
• Surveillance intelligente : Les parafoudres intelligents intégrant des capteurs de température et des fonctions de communication sans fil sont progressivement utilisés pour assurer une alerte précoce en cas de panne à distance.
• Renforcement de la norme : La nouvelle version de la norme IEC 625482023 impose des exigences de coordination plus strictes aux dispositifs de protection des systèmes photovoltaïques.
Conclusion
Dans les systèmes photovoltaïques, les parafoudres, les disjoncteurs et les fusibles constituent un système de protection complet « tension-courant ». Le choix et la configuration appropriés de ces composants permettent non seulement d'allonger la durée de vie des équipements et de réduire les coûts d'exploitation et de maintenance, mais sont également essentiels au bon fonctionnement des centrales électriques. Avec le développement technologique, l'intégration et l'intelligence de ces dispositifs de protection renforceront encore la fiabilité des systèmes photovoltaïques.