Sélection des dispositifs de protection contre les surtensions pour les systèmes photovoltaïques – Types de parafoudres
La production d'énergie photovoltaïque (PV) est une source essentielle d'énergie renouvelable et se révèle très compétitive sur le plan économique par rapport aux méthodes de production d'électricité traditionnelles. Les petits systèmes PV distribués, tels que les panneaux solaires installés sur les toits, sont de plus en plus répandus. Ces systèmes utilisent la distribution de courant alternatif (CA) et continu (CC) avec des tensions pouvant atteindre 1 500 V. Dans les zones à haut risque, la partie CC, et notamment les panneaux PV, peut être directement exposée à la foudre, ce qui les rend vulnérables aux dommages causés par celle-ci.
La protection contre la foudre des bâtiments se divise en protection externe (système de protection contre la foudre, SPF) et protection interne (mesures de protection contre les surtensions, MPS), selon le risque de foudre. Les parafoudres, qui font partie de la protection interne, protègent contre les surtensions transitoires causées par la foudre ou les manœuvres électriques. Installés à l'extérieur de l'équipement protégé, les parafoudres fonctionnent principalement comme suit : en l'absence de surtension sur le réseau électrique, ils n'affectent pas significativement le fonctionnement normal du système protégé. En cas de surtension, ils présentent une faible impédance, déviant le courant de surtension et limitant la tension à un niveau sûr. Une fois la surtension passée et tout courant résiduel disparu, les parafoudres retrouvent un état de haute impédance.
1. Emplacement d'installation des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD)
L'emplacement des parafoudres est déterminé en fonction du niveau de risque de foudre et selon le concept de zones de protection contre la foudre (ZPF) de la norme CEI 62305. Les surtensions transitoires sont progressivement réduites à un niveau sûr, inférieur à la tension de tenue des équipements protégés. Comme illustré sur la figure, les parafoudres sont installés aux limites de ces zones, ce qui donne lieu au concept de protection multiniveaux contre les surtensions utilisé dans les systèmes basse tension. Pour les systèmes photovoltaïques, l'objectif est d'empêcher les surtensions dues à la foudre de pénétrer par les circuits alternatifs et continus, protégeant ainsi les composants critiques tels que les onduleurs.
2. Cours de test sur les dispositifs de protection contre les surtensions (DPS)
Selon la norme CEI 61643-11, les parafoudres sont classés en trois catégories d'essais en fonction du type d'impulsion de courant de foudre qu'ils sont conçus pour supporter. Les essais de type I (marqués T1) visent à simuler les courants de foudre partiels susceptibles de pénétrer dans un bâtiment. Ils utilisent une forme d'onde de 10/350 µs, comme illustré dans la figure ci-dessous, et sont généralement appliqués à la limite entre les zones de basse tension LPZ0 et LPZ1, par exemple au niveau des tableaux de distribution principaux ou des arrivées des transformateurs basse tension. Les parafoudres de ce niveau sont généralement de type à découpage de tension, avec des composants tels que des tubes à décharge gazeuse ou des éclateurs (par exemple, des éclateurs à cornet ou à graphite).
Les tests de type II (T2) et de type III (T3) utilisent des impulsions de plus courte durée. Les parafoudres de type II sont généralement des limiteurs de tension utilisant des composants tels que des varistances à oxyde métallique (MOV). Ils sont testés avec un courant de décharge nominal et une forme d'onde de courant de 8/20 µs (voir figure ci-dessous). Leur rôle est de limiter davantage la surtension résiduelle provenant du dispositif de protection en amont. Les tests de type III utilisent un générateur d'ondes combinées avec une impulsion de tension de 1,2/50 µs et une impulsion de courant de 8/20 µs (voir figure ci-dessous), simulant des surtensions plus proches des conditions d'utilisation des équipements.
3. Type de connexion du dispositif de protection contre les surtensions (DPS)
Il existe deux principaux modes de protection contre les surtensions transitoires. Le premier est la protection en mode commun (CT1), conçue pour protéger contre les surtensions entre les conducteurs sous tension et la terre (PE). La foudre, par exemple, peut introduire des tensions élevées par rapport à la terre dans un système. La protection en mode commun contribue à atténuer l'impact de telles perturbations externes, comme la foudre, comme illustré ci-dessous.
La seconde est la protection différentielle (CT2), qui protège contre les surtensions entre le conducteur de phase (L) et le conducteur neutre (N). Ce type de protection est particulièrement important pour contrer les perturbations internes, telles que le bruit électrique ou les interférences générées au sein même du système, comme illustré dans le schéma ci-dessous.
En mettant en œuvre l'un ou l'autre de ces modes de protection, voire les deux, les systèmes électriques peuvent être mieux protégés contre les sources potentielles de surtension, ce qui améliore en fin de compte la durée de vie et la fiabilité des équipements connectés.
Il est important de noter que le choix du mode de protection par parafoudre doit être compatible avec le système de mise à la terre en place. Pour les systèmes TN, les modes de protection CT1 et CT2 peuvent être utilisés. Cependant, dans les systèmes TT, le mode CT1 ne peut être appliqué qu'en aval d'un disjoncteur différentiel. Dans les systèmes IT, en particulier ceux sans conducteur neutre, la protection CT2 n'est pas applicable. Ce point est crucial pour les réseaux de distribution CC utilisant une configuration de mise à la terre IT. Vous trouverez plus de détails dans le tableau ci-dessous.
4. Paramètres clés des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD)
Selon la norme internationale CEI 61643-11, les caractéristiques et les tests des SPD connectés aux systèmes de distribution d'énergie basse tension sont définis, comme indiqué sur la figure 7.
(1) Niveau de protection contre la surtension (montée)
Le critère le plus important pour choisir un parafoudre est son niveau de protection contre les surtensions (Up), qui caractérise sa capacité à limiter la tension entre ses bornes. Cette valeur doit être supérieure à la tension de limitation maximale. Elle est atteinte lorsque le courant traversant le parafoudre est égal au courant de décharge nominal In. Le niveau de protection choisi doit être inférieur à la tension de tenue aux impulsions Uw de la charge. En cas de foudre, la tension aux bornes du parafoudre est généralement maintenue en dessous de Up. Pour les systèmes photovoltaïques à courant continu, la charge désigne généralement les modules photovoltaïques et les onduleurs.
(2) Tension de fonctionnement continue maximale (Uc)
Uc est la tension continue maximale pouvant être appliquée en continu au mode de protection du parafoudre. Elle est déterminée en fonction de la tension nominale et de la configuration de mise à la terre du système et sert de seuil d'activation du parafoudre. Pour le côté courant continu des systèmes photovoltaïques, Uc doit être supérieur ou égal à la tension maximale en circuit ouvert (Uoc Max) du générateur photovoltaïque. Uoc Max correspond à la tension en circuit ouvert maximale entre les bornes sous tension et entre la borne sous tension et la terre au point désigné du générateur photovoltaïque.
(3) Courant de décharge nominal (In)
Il s'agit de la valeur de crête d'un courant de forme d'onde 8/20 μs circulant dans le SPD, utilisé pour les tests de type II et pour les tests de préconditionnement de type I et Type IILa norme CEI exige que le parafoudre puisse supporter au moins 19 décharges d'un courant de forme d'onde de 8/20 µs. Plus la valeur In est élevée, plus la durée de vie du parafoudre est longue, mais son coût augmente également.
(4) Courant impulsionnel (Iimp)
Défini par trois paramètres : le courant de crête (Ipeak), la charge (Q) et l’énergie spécifique (W/R), ce courant est utilisé dans Type I tests. La forme d'onde typique est de 10/350 μs.