Introduction

Dans les systèmes électriques modernes et les applications d'équipements électroniques, les parafoudres et les onduleurs, deux composants clés, doivent impérativement fonctionner de concert pour garantir la sécurité et la stabilité de l'ensemble du système. Avec le développement rapide des énergies renouvelables et la généralisation des dispositifs d'électronique de puissance, leur utilisation combinée est devenue de plus en plus courante. Cet article détaille les principes de fonctionnement, les critères de sélection et les méthodes d'installation des parafoudres et des onduleurs, ainsi que les moyens de les associer de manière optimale pour assurer une protection complète des systèmes électriques.

 

 

Chapitre 1 : Analyse complète des protecteurs de surtension

 

1.1 Qu'est-ce qu'un protecteur de surtension ?

 

Un parafoudre, également appelé dispositif de protection contre les surtensions, est un appareil électronique qui assure la protection de divers équipements électroniques, instruments et lignes de communication. Il connecte le circuit protégé au système équipotentiel en un temps extrêmement court, égalisant ainsi le potentiel à chaque borne de l'équipement, et évacue simultanément vers la terre le courant de surtension généré dans le circuit par la foudre ou une manœuvre de commutation, protégeant ainsi les équipements électroniques contre les dommages.

 

Les parafoudres sont largement utilisés dans des domaines tels que les communications, l'énergie, l'éclairage, la surveillance et le contrôle industriel ; ils constituent un élément indispensable des systèmes modernes de protection contre la foudre. Selon les normes de la Commission électrotechnique internationale (CEI), les parafoudres se classent en trois catégories : type I (protection directe contre la foudre), type II (protection des réseaux de distribution) et type III (protection des équipements terminaux).

 

1.2 Principe de fonctionnement du parasurtenseur

 

Le principe de fonctionnement d'un parafoudre repose sur les caractéristiques de composants non linéaires (varistances, tubes à décharge gazeuse, diodes de suppression des surtensions transitoires, etc.). En tension normale, ces composants présentent une impédance élevée et n'ont quasiment aucun impact sur le fonctionnement du circuit. Lors d'une surtension, ils basculent en quelques nanosecondes vers un état de faible impédance, dérivant l'énergie de la surtension vers la terre et limitant ainsi la tension aux bornes de l'équipement protégé à un niveau sûr.

Le processus de travail spécifique peut être divisé en quatre étapes :

 

1.2.1 Phase de surveillance

 

SPD conIl surveille en permanence les fluctuations de tension dans le circuit. Il reste dans un état de haute impédance dans la plage de tension normale, sans affecter le fonctionnement normal du système.

 

1.2.2 Phase de réponse

 

Lorsque la tension est détectée comme dépassant le seuil défini (par exemple 385 V pour un système 220 V), l'élément de protection réagit rapidement en quelques nanosecondes.

 

1.2.3 Décharge scène

L'élément de protection passe à un état de faible impédance, créant un chemin de décharge pour diriger la surintensité vers la terre, tout en limitant la tension aux bornes de l'équipement protégé à un niveau sûr.

 

1.2.4 Phase de récupération :

Après la surtension, le composant de protection revient automatiquement à un état de haute impédance et le système reprend son fonctionnement normal. Pour les modèles non autoréparateurs, le remplacement du module peut s'avérer nécessaire.

 

1.3 Comment à Choisissez un parasurtenseur

 

Choisir le protecteur de surtension approprié nécessite de prendre en compte divers facteurs afin de garantir une protection optimale et des avantages économiques.

 

1.3.1 Sélectionner le type en fonction des caractéristiques du système

 

Les systèmes de distribution d'énergie TT, TN ou IT nécessitent différents types de parafoudres.

Les parafoudres pour systèmes CA et systèmes CC (tels que les systèmes photovoltaïques) ne peuvent pas être mélangés

- La différence entre les systèmes monophasés et triphasés

 

1.3.2 Clé Correspondance des paramètres

 

- La tension de fonctionnement continue maximale (Uc) doit être supérieure à la tension continue maximale que le système peut rencontrer (généralement 1,15 à 1,5 fois la tension nominale du système).

- Le niveau de protection contre les surtensions (Up) doit être inférieur à la tension de tenue de l'équipement protégé.

Le courant de décharge nominal (In) et le courant de décharge maximal (Imax) doivent être choisis en fonction du lieu d'installation et de l'intensité de surtension prévue.

- Le temps de réponse doit être suffisamment rapide (généralement

 

1.3.3 Installation considérations relatives à l'emplacement

 

- La prise d'alimentation doit être équipée d'un dispositif de protection contre les surtensions (SPD) de classe I ou II.

Le tableau de distribution peut être équipé d'un parafoudre de classe II.

- L'extrémité avant de l'équipement doit être protégée par un dispositif de protection fine de classe III (SPD).

 

1.3.4 Spécial exigences environnementales

 

- Pour une installation en extérieur, tenez compte des indices de protection contre l'eau et la poussière (IP65 ou supérieur).

- Dans les environnements à haute température, sélectionnez des SPD adaptés aux hautes températures

- Dans les environnements corrosifs, choisissez des boîtiers aux propriétés anticorrosion.

 

1.3.5 Certification Normes

 

- Conforme aux normes internationales telles que IEC 61643 et UL 1449

- Certifié CE, TUV, etc.

- Pour les systèmes photovoltaïques, il doit être conforme à la norme CEI 61643-31

 

1.4 Comment installer un parasurtenseur

 

Une installation correcte est essentielle pour garantir l'efficacité des parasurtenseurs. Voici un guide d'installation professionnel.

 

1.4.1 Installation Emplacement Sélection

 

- Le parafoudre d'entrée d'alimentation doit être installé dans le coffret de distribution principal, aussi près que possible de l'extrémité de la ligne d'arrivée.

- Le boîtier de distribution secondaire SPD doit être installé après l'interrupteur.

- Le dispositif antiparasite frontal de l'équipement doit être placé aussi près que possible de l'équipement protégé (il est recommandé que la distance soit inférieure à 5 mètres).

 

1.4.2 Câblage Caractéristiques

 

- La méthode de connexion en « V » (connexion Kelvin) permet de réduire l'influence de l'inductance des conducteurs.

- Les fils de connexion doivent être aussi courts et droits que possible (

- La section transversale des fils doit être conforme aux normes (généralement pas moins de 4 mm² pour les fils de cuivre).

- Le fil de mise à la terre doit de préférence être un fil bicolore jaune-vert, dont la section transversale ne doit pas être inférieure à celle du fil de phase.

 

1.4.3 Mise à la terre Exigences

 

- Les bornes de mise à la terre du parafoudre doivent être correctement connectées au bus de mise à la terre du système.

- La résistance de mise à la terre doit être conforme aux exigences du système (généralement

- Évitez d'utiliser des fils de mise à la terre excessivement longs, car cela augmentera l'impédance de mise à la terre.

 

1.4.4 Installation Mesures

 

1) Coupez l'alimentation électrique et vérifiez l'absence de tension.

2) Prévoir un emplacement d'installation dans le coffret de distribution en fonction de la taille du parafoudre.

3) Fixez la base ou le rail de guidage du SPD

4) Connectez le fil de phase, le fil neutre et le fil de terre conformément au schéma de câblage.

5) Vérifiez si toutes les connexions sont sécurisées.

6) Mettez l'appareil sous tension pour effectuer les tests et observez les voyants d'état.

 

1.4.5 Installation Précautions

 

- Ne pas installer le parafoudre avant le fusible ou le disjoncteur.

- Une distance adéquate (longueur du câble > 10 mètres) doit être maintenue entre plusieurs SPD ou un dispositif de découplage doit être ajouté.

- Après l'installation, un dispositif de protection contre les surintensités (tel qu'un fusible ou un disjoncteur) doit être installé à l'extrémité avant du SPD.

Des inspections régulières (au moins une fois par an) et un entretien doivent être effectués. Des inspections renforcées doivent être réalisées avant et après la saison des orages.

 

Chapitre 2 : Dans-analyse approfondie des onduleurs

 

2.1 Qu'est-ce qu'un onduleur ?

 

Un onduleur est un dispositif d'électronique de puissance qui convertit le courant continu (CC) en courant alternatif (CA). C'est un composant essentiel des systèmes énergétiques modernes. Avec le développement rapide des énergies renouvelables, l'utilisation des onduleurs s'est considérablement généralisée, notamment dans les systèmes de production d'énergie photovoltaïque, les systèmes de production d'énergie éolienne, les systèmes de stockage d'énergie et les systèmes d'alimentation sans interruption (ASI).

 

 

Les onduleurs peuvent être classés en onduleurs à onde carrée, onduleurs à onde sinusoïdale modifiée et onduleurs à onde sinusoïdale pure en fonction de la forme de leur signal de sortie ; ils peuvent également être catégorisés en onduleurs connectés au réseau, onduleurs hors réseau et onduleurs hybrides selon leurs scénarios d’application ; et ils peuvent être divisés en micro-onduleurs, onduleurs de chaîne et onduleurs centralisés en fonction de leur puissance nominale.

 

2.2 Fonctionnement Principe de l'onduleur

 

Le principe de fonctionnement de base d'un onduleur est de convertir le courant continu en courant alternatif grâce à la commutation rapide de dispositifs semi-conducteurs (tels que les IGBT et les MOSFET). Son processus de fonctionnement est le suivant :

 

2.2.1 Entrée CC Scène

 

L'alimentation en courant continu (par exemple, panneaux photovoltaïques, batteries) fournit de l'énergie électrique en courant continu à l'onduleur.

 

2.2.2 Boosting Scène (Facultatif)

 

La tension d'entrée est augmentée à un niveau adapté au fonctionnement de l'onduleur grâce à un circuit élévateur CC-CC.

 

2.2.3 Inversion Scène

 

Les interrupteurs de commande sont activés et désactivés selon une séquence précise, convertissant le courant continu en courant continu pulsé. Ce dernier est ensuite filtré par le circuit de filtrage pour former un signal alternatif.

 

2.2.4 Sortir Scène

 

Après passage par filtrage LC, le courant de sortie sera un courant alternatif qualifié (par exemple 220 V/50 Hz ou 110 V/60 Hz).

 

Pour les onduleurs connectés au réseau, il inclut également des fonctions avancées telles que la commande de connexion synchrone au réseau, la recherche du point de puissance maximale (MPPT) et la protection contre l'îlotage. Les onduleurs modernes utilisent généralement la technologie PWM (modulation de largeur d'impulsion) pour améliorer la qualité du signal et le rendement.

 

2.3 Comment choisir un onduleur

 

Le choix d'un onduleur approprié nécessite la prise en compte de plusieurs facteurs :

 

2.3.1 Sélectionnez le type basé sur le scénario d'application

 

- Pour les systèmes raccordés au réseau, choisissez des onduleurs raccordés au réseau.

- Pour les systèmes hors réseau, choisissez des onduleurs hors réseau.

- Pour les systèmes hybrides, choisissez des onduleurs hybrides.

 

2.3.2 Pouvoir Correspondance

 

- La puissance nominale doit être légèrement supérieure à la puissance totale de la charge (une marge recommandée de 1,2 à 1,5 fois).

- Tenir compte de la capacité de surcharge instantanée (telle que le courant de démarrage du moteur).

 

2.3.3 Entrée caractéristiques correspondance

 

- La plage de tension d'entrée doit couvrir la plage de tension de sortie de l'alimentation.

- Pour les systèmes photovoltaïques, le nombre de chemins MPPT et le courant d'entrée doivent correspondre aux paramètres des composants.

 

2.3.4 Sortie Caractéristiques Exigences

 

- La tension et la fréquence de sortie sont conformes aux normes locales (par exemple 220 V/50 Hz).

- Qualité du signal (de préférence un onduleur à onde sinusoïdale pure)

- Rendement (les onduleurs de haute qualité ont un rendement supérieur à 95 %)

 

2.3.5 Protection Fonctions

 

- Protections de base telles que les surtensions, les sous-tensions, les surcharges, les courts-circuits et les surchauffes

- Pour les onduleurs connectés au réseau, une protection contre l'îlotage est requise.

- Protection contre l'injection inverse (pour systèmes hybrides)

 

2.3.6 Environnement Adaptabilité

 

- Plage de températures de fonctionnement

- Indice de protection (IP65 ou supérieur requis pour les installations extérieures)

- Adaptabilité à l'altitude

 

2.3.7 Certification Exigences

 

- Les onduleurs raccordés au réseau doivent posséder des certifications de raccordement au réseau local (telles que CQC en Chine, VDE-AR-N 4105 dans l'UE, etc.).

- Certifications de sécurité (telles que UL, IEC, etc.)

 

2.4 Comment installer l'onduleur

 

Une installation correcte de l'onduleur est d'une importance capitale pour ses performances et sa durée de vie :

 

2.4.1 Installation Emplacement Sélection

 

- Bien ventilé, à l'abri de la lumière directe du soleil

- Température ambiante comprise entre -25℃ et +60℃ (voir les spécifications du produit pour plus de détails)

- Sec et propre, à l'abri de la poussière et des gaz corrosifs

- Emplacement pratique pour l'exploitation et la maintenance

- Au plus près de la batterie (pour réduire les pertes en ligne)

 

2.4.2 Mécanique Installation

 

- Installez le tout à l'aide de fixations murales ou de supports pour assurer la stabilité.

- Maintenir l'appareil installé verticalement pour une meilleure dissipation de la chaleur.

- Prévoir un espace suffisant autour (généralement plus de 50 cm au-dessus et en dessous, et plus de 30 cm à gauche et à droite).

 

2.4.3 Électricité Relations

 

- Connexion côté CC :

- Vérifiez la polarité correcte (les bornes positive et négative ne doivent pas être inversées).

- Utilisez des câbles aux spécifications appropriées (généralement 4-35 mm²).

- Il est recommandé d'installer un disjoncteur CC sur la borne positive

 

- Connexion côté CA :

- Raccordez selon L/N/PE

- Les spécifications des câbles doivent être conformes aux exigences actuelles

- Un disjoncteur de courant alternatif doit être installé.

 

- Connexion à la terre :

- Assurez-vous d'une mise à la terre fiable (résistance de mise à la terre

- Le diamètre du fil de mise à la terre ne doit pas être inférieur au diamètre du fil de phase.

 

2.4.4 Système Configuration

 

- Les onduleurs raccordés au réseau doivent être équipés de dispositifs de protection du réseau conformes aux normes.

- Les onduleurs hors réseau doivent être configurés avec des batteries appropriées.

- Configurez correctement les paramètres du système (tension, fréquence, etc.).

 

2.4.5 Installation Précautions

 

- Assurez-vous que toutes les sources d'alimentation sont déconnectées avant l'installation.

- Évitez de faire passer les lignes CC et CA côte à côte.

- Séparer les lignes de communication des lignes électriques

- Effectuez une inspection approfondie après l'installation avant de mettre l'appareil sous tension pour les tests.

 

2.4.6 Débogage et Essai

 

- Mesurer la résistance d'isolement avant la mise sous tension

- Mettez progressivement l'appareil sous tension et observez le processus de démarrage.

- Vérifier le bon fonctionnement des différentes fonctions de protection

- Mesurer la tension de sortie, la fréquence et d'autres paramètres

 

Chapitre 3 : Collaboration entre le SPD et l'onduleur

 

3.1 Pourquoi le Votre onduleur a-t-il besoin d'un protecteur de surtension ?

 

En tant que dispositif d'électronique de puissance, l'onduleur est très sensible aux fluctuations de tension et nécessite la protection conjointe d'un parafoudre. Les principales raisons sont les suivantes :

 

3.1.1 Haut Sensibilité onduleur

 

L'onduleur contient un grand nombre de semi-conducteurs de précision et de circuits de commande. Ces composants ont une tolérance limitée aux surtensions et sont très sensibles aux dommages causés par les surtensions.

 

3.1.2 Système Ouverture

Les lignes CC et CA des systèmes photovoltaïques sont généralement assez longues et partiellement exposées à l'extérieur, ce qui les rend plus sensibles aux surintensités induites par la foudre.

 

3.1.3 Double Risques

L'onduleur est non seulement exposé aux risques de surtension provenant du réseau électrique, mais peut également subir des surtensions provenant du champ photovoltaïque.

 

3.1.4 Économique Perte

Les onduleurs figurent généralement parmi les composants les plus coûteux d'un système photovoltaïque. Leur défaillance peut entraîner la paralysie du système et des frais de réparation élevés.

 

3.1.5 Sécurité Risque

Endommager l'onduleur peut entraîner des accidents secondaires tels que des chocs électriques et des incendies.

 

D'après les statistiques, dans les systèmes photovoltaïques, environ 35 % des pannes d'onduleurs sont liées à une surtension électrique, et la plupart d'entre elles peuvent être évitées grâce à des mesures de protection contre les surtensions raisonnables.

 

3.2 Solution d'intégration système du parasurtenseur et de l'onduleur

 

Un système complet de protection contre les surtensions pour un système photovoltaïque doit comprendre plusieurs niveaux de protection :

 

3.2.1 CC Côté Protection

 

- Installer un parafoudre CC dédié spécifiquement aux systèmes photovoltaïques à l'intérieur du boîtier de combinaison CC du champ photovoltaïque.

- Installez un parafoudre CC de deuxième niveau à l'extrémité d'entrée CC de l'onduleur.

- Protéger les modules photovoltaïques et la section CC/CC de l'onduleur.

 

3.2.2 CommunicationProtection latérale

 

- Installez le parafoudre de premier niveau à l'extrémité de sortie CA de l'onduleur.

- Installez le parafoudre de second niveau au point de raccordement au réseau ou dans l'armoire de distribution.

- Protéger la partie CC/CA de l'onduleur et l'interface avec le réseau électrique.

 

3.2.3 Signal Boucle Protection

 

- Installer des parafoudres pour les lignes de communication telles que RS485 et Ethernet.

- Protéger les circuits de commande et les systèmes de surveillance

 

3.2.4 Égalité Potentiel Connexion

 

- S'assurer que toutes les bornes de mise à la terre des parafoudres sont correctement connectées à la terre du système.

- Réduire la différence de potentiel entre les systèmes de mise à la terre

 

3.3 Coordonné considération de sélection et d'installation

 

Lors de l'utilisation conjointe de parafoudres et d'onduleurs, la sélection et l'installation doivent tenir compte des facteurs suivants :

 

3.3.1 Adaptation de tension

 

- La valeur Uc du SPD côté DC doit être supérieure à la tension en circuit ouvert maximale du générateur photovoltaïque (en tenant compte du coefficient de température).

- La valeur Uc du parafoudre côté CA doit être supérieure à la tension de fonctionnement continue maximale du réseau électrique.

La valeur Up du SPD doit être inférieure à la tension de tenue de chaque port de l'onduleur.

 

3.3.2 Capacité de courant

 

- Sélectionnez les valeurs In et Imax du parafoudre en fonction du courant de surtension prévu à l'emplacement d'installation.

- Pour le côté CC du système photovoltaïque, il est recommandé d'utiliser un SPD avec au moins 20 kA (8/20 μs).

- Côté courant alternatif, choisissez un parafoudre de 20 à 50 kA selon l'emplacement.

 

3.3.3 Coordination et coopération

 

- Il devrait y avoir une correspondance énergétique appropriée (distance ou découplage) entre plusieurs SPD.

- Veillez à ce que les parafoudres situés à proximité de l'onduleur ne supportent pas à eux seuls toute l'énergie de surtension.

- Les valeurs Up de chaque niveau de SPD doivent former un gradient (généralement, le niveau supérieur est 20 % ou plus supérieur au niveau inférieur).

 

3.3.4 Spécial Exigences

 

- Le parafoudre photovoltaïque CC doit être protégé contre l'inversion de polarité.

- Envisager une protection bidirectionnelle contre les surtensions (les surtensions peuvent provenir à la fois du réseau électrique et du système photovoltaïque).

- Sélectionnez des SPD (paramètres de protection contre les surtensions) capables de résister aux hautes températures pour une utilisation dans des environnements à haute température.

 

3.3.5 Installation Conseils

 

- Le parafoudre doit être placé aussi près que possible du port protégé (bornes CC/CA de l'onduleur).

- Les câbles de connexion doivent être aussi courts et droits que possible afin de réduire l'inductance des conducteurs.

- S'assurer que le système de mise à la terre présente une faible impédance.

- Évitez de former une boucle dans les lignes entre le parafoudre et l'onduleur

 

3.4 Entretien et dépannage

 

Points de maintenance du système coordonné de parafoudres et d'onduleurs :

 

3.4.1 Régulier inspection

 

- Inspectez visuellement l'indicateur d'état du SPD tous les mois.

- Vérifier le serrage des connexions tous les trimestres.

- Mesurer la résistance de mise à la terre annuellement.

- Inspecter immédiatement après un impact de foudre.

 

3.4.2 Commun dépannage

 

- Fonctionnement fréquent du parafoudre : vérifier la stabilité de la tension du système et l’adéquation du modèle de parafoudre.

- Défaillance du parafoudre : vérifiez la compatibilité du dispositif de protection frontal et si la surtension dépasse la capacité du parafoudre.

- Onduleur toujours endommagé : vérifiez si la position d’installation du parafoudre est correcte et si le raccordement est approprié.

- Fausse alarme : Vérifiez la compatibilité entre le parafoudre et l'onduleur et assurez-vous que la mise à la terre est correcte.

 

3.4.3 Remplacement Normes

 

- L'indicateur d'état signale une défaillance

- L'aspect présente des dommages évidents (tels que brûlures, fissures, etc.).

- Subir des surtensions dépassant la valeur nominale

- Atteindre la durée de vie recommandée par le fabricant (généralement 8 à 10 ans)

 

3.4.4 Système Optimisation

 

- Ajuster la configuration du SPD en fonction de l'expérience opérationnelle

- Application des nouvelles technologies (telles que la surveillance intelligente des SPD)

- Augmenter la protection en conséquence lors de l'extension du système

 

Chapitre 4 : Avenir Tendances de développement

 

Avec le développement de la technologie de l'Internet des objets, les SPD intelligents deviendront la norme :

 

4.1 Surtension intelligente protection technologie

Avec le développement de la technologie de l'Internet des objets, les SPD intelligents deviendront la norme :

- Surveillance en temps réel de l'état du SPD et de sa durée de vie restante

- Enregistrement du nombre et de l'énergie des événements de surtension

- Alarme et diagnostic à distance

- Intégration avec les systèmes de surveillance des onduleurs

 

4.2 Supérieur performance dispositifs de protection

 

De nouveaux types de dispositifs de protection sont en cours de développement :

- Dispositifs de protection à semi-conducteurs avec des temps de réponse plus rapides

- Matériaux composites à capacité d'absorption d'énergie supérieure

- Dispositifs de protection autoréparateurs

- Modules intégrant de multiples protections telles que la protection contre les surtensions, les surintensités et la surchauffe

 

4.3 Système-niveau solution de protection collaborative

 

L'orientation future du développement consiste à passer d'une protection basée sur un seul appareil à une protection collaborative au niveau du système :

- Coopération coordonnée entre le parafoudre et la protection intégrée de l'onduleur

- Schémas de protection personnalisés en fonction des caractéristiques du système

- Stratégies de protection dynamiques tenant compte de l'impact de l'interaction avec le réseau

- Protection prédictive combinée à des algorithmes d'IA

 

Conclusion

 

Le fonctionnement coordonné des parafoudres et des onduleurs est essentiel à la sécurité des réseaux électriques modernes. Grâce à une sélection rigoureuse, une installation standardisée et une intégration système complète, le risque de surtensions est minimisé, la durée de vie des équipements prolongée et la fiabilité du réseau renforcée. Avec les progrès technologiques, leur coopération deviendra plus intelligente et efficace, offrant une protection accrue pour le développement des énergies propres et l'application des équipements d'électronique de puissance.

 

Pour les concepteurs de systèmes et le personnel d'installation et de maintenance, une compréhension approfondie des principes de fonctionnement des parafoudres et des onduleurs, ainsi que des points clés de leur coordination, contribuera à concevoir des solutions plus optimisées et à apporter une plus grande valeur ajoutée aux utilisateurs. À l'heure actuelle, marquée par la transition énergétique et l'électrification accélérée, cette approche collaborative de la protection entre les différents dispositifs revêt une importance particulière.