Pourquoi un dispositif de protection contre les surtensions doit-il être homologué à la fois pour la classe I et pour la classe II ?

À un mile de là, la foudre frappe le sol. Pas d’impact direct. Pas de dégâts visibles. Pourtant, à l’intérieur du boîtier de regroupement solaire, une pointe de tension se propage le long des câbles CC provenant des panneaux. La surtension traverse les barres omnibus, en direction de l’onduleur. Au niveau des bornes d’entrée, un petit dispositif limite la tension. Le courant de surtension est dérivé vers la terre. L’onduleur continue de fonctionner. Les lumières du bâtiment ne clignotent pas. Les équipements protégés n’ont même pas eu conscience qu’une menace existait.

C’est le rôle d’un dispositif de protection contre les surtensions  Un parasurtenseur CC de classe I+II est spécialement conçu pour les installations photovoltaïques dont les tensions de chaîne peuvent atteindre 1 500 V CC. La série EKU5-T1+T2-40PV d’ETEK est un dispositif de protection combiné de type 1+2, conçu pour une tension de service continue maximale (Ucpv) de 500 V, 1 000 V ou 1 500 V, avec un courant de décharge maximal (Imax) de 40 kA (8/20 µs) et un courant d’impulsion (Iimp) de 6,25 kA (10/350 µs). Ce dispositif est certifié conforme à la norme CEI/EN 61643-31, la norme internationale relative à la protection contre les surtensions en courant continu dans les systèmes photovoltaïques. Cet article explique en quoi un parafoudre de classe I+II diffère d’un dispositif standard de classe II, comment la capacité nominale de 40 kA se traduit par une protection réelle pour une chaîne de 1 500 V, et pourquoi la conception enfichable est importante lorsqu’une cartouche arrive en fin de vie. 

Type 1+2 : pourquoi un seul dispositif remplace un système de protection à deux niveaux

Une installation photovoltaïque est exposée à deux types différents de surtensions. Un coup de foudre direct ou un coup de foudre très proche induit un courant impulsionnel de haute énergie avec une forme d'onde de 10/350 µs. Un coup de foudre lointain ou un transitoire de commutation provenant d'un onduleur voisin produit une surtension de plus faible énergie avec une forme d'onde de 8/20 µs. Les schémas de protection traditionnels utilisent un parafoudre de classe I au niveau de l’entrée du réseau pour traiter les impulsions à haute énergie de 10/350 µs, suivi d’un parafoudre de classe II en aval pour traiter les surtensions restantes de 8/20 µs. Les deux dispositifs doivent être séparés par une distance de découplage ou une inductance afin d’assurer la coordination.

Un dispositif de protection contre les surtensions de classification de type 1+2 combine ces deux fonctions dans un seul boîtier. Le circuit interne utilise un éclateur ou un tube à décharge gazeuse pour l’impulsion à haute énergie de 10/350 µs et une varistance à oxyde métallique (MOV) pour la surtension de 8/20 µs. Les deux étages sont intégrés, ce qui rend tout découplage externe superflu. Pour un boîtier de regroupement solaire situé sur le toit d’un bâtiment où des coups de foudre directs et indirects sont possibles, un seul dispositif de protection contre les surtensions de type 1+2 assure une protection complète sans qu’il soit nécessaire de recourir à des dispositifs en cascade.

Le modèle EKU5-T1+T2-40PV est conçu pour supporter un courant de décharge impulsionnel (Iimp) de 6,25 kA par pôle (10/350 µs) et un courant impulsionnel total de 12,5 kA sur l'ensemble des pôles, ce qui est suffisant pour la plupart des installations solaires à grande échelle. Le courant de décharge maximal (Imax) de 40 kA (8/20 µs) couvre les transitoires de commutation générés par l'onduleur ainsi que les coups de foudre plus éloignés. Le dispositif est disponible en configuration tripolaire, avec des modes de protection entre DC+, DC- et PE.

D'où vient la valeur nominale de 40 kA : pourquoi vous avez besoin d'un parasurtenseur de classe I+2

Un dispositif de protection contre les surtensions sous-dimensionné tombera en panne dès la première forte surtension, laissant l’onduleur sans protection. La valeur nominale Imax de 40 kA signifie que le dispositif peut dévier en toute sécurité jusqu’à 40 000 ampères de courant de surtension en une seule fois. Pour une installation photovoltaïque située dans une région à activité orageuse modérée, un SPD de 20 kA peut suffire. Pour un parc solaire à grande échelle en Floride ou dans le Midwest, où les orages estivaux sont fréquents, un SPD de 40 kA offre une marge de sécurité plus élevée.

Le dispositif est également homologué pour un courant de décharge total (ITotal) de 40 kA (8/20 µs) et de 12,5 kA (10/350 µs), ce qui correspond au courant de surtension combiné sur les trois pôles. Si la foudre induit un courant de 15 kA sur la ligne DC+ et de 10 kA sur la ligne DC-, le SPD détournera les deux courants sans dépasser ses caractéristiques nominales. Le boîtier est en thermoplastique classé UL94-V0 ; ainsi, si un composant interne venait à tomber en panne en cas de surtension extrême, le boîtier ne s’enflammerait pas.

La tension nominale de 1 500 V CC est essentielle pour les installations photovoltaïques modernes. Des tensions de chaîne plus élevées réduisent les pertes dans les câbles et permettent d’allonger les chaînes entre les boîtiers de regroupement. Un parc photovoltaïque de 1 500 V nécessite un parafoudre CC adapté à cette tension, et non un appareil de 1 000 V qui tomberait en panne si la tension de chaîne dépassait sa valeur nominale. L'EKU5-T1+T2-40PV est disponible en configurations 500 V, 1 000 V et 1 500 V, avec un niveau de protection en tension (Up) de ≤ 2,0 kV à 500 V, ≤ 4,0 kV à 1 000 V et ≤ 5,2 kV à 1 500 V. À 1 500 V CC, la tension de blocage est bien inférieure à la tension d’isolation nominale d’un onduleur classique.

Niveau de protection contre les surtensions et norme CEI 61643-31 : pourquoi les chiffres indiqués sur l'étiquette sont importants 

Le niveau de protection contre les surtensions (Up) correspond à la tension maximale qui apparaîtra aux bornes du parafoudre lorsqu’il dévie une surtension. Pour l’EKU5-T1+T2-40PV, Up est de 5,2 kV à 1 500 V CC. Il s’agit de la tension que les équipements en aval — l’onduleur, les câbles, les barres omnibus du boîtier de regroupement — doivent supporter. L’indice d’isolation d’un onduleur classique de 1 500 V CC est de 5 à 6 kV. Une valeur Up de 5,2 kV se situe dans cette fourchette, mais de justesse. Si la valeur Up était de 6,5 kV, l’onduleur risquerait de tomber en panne même avec le parafoudre en place.

La norme CEI 61643-31 est la spécification internationale relative aux dispositifs de protection contre les surtensions en courant continu utilisés dans les installations photovoltaïques. Elle définit les formes d'onde d'essai, le système de classification (Type 1, Type 2 et Type 1+2) ainsi que les paramètres de performance. Un dispositif de protection contre les surtensions (SPD) portant le marquage CEI 61643-31 a été testé pour résister à un nombre défini d’impulsions de surtension à son courant nominal sans subir de défaillance. Pour une installation photovoltaïque devant passer l’inspection de mise en service en Europe ou sur d’autres marchés adoptant les normes CEI, cette certification n’est pas facultative.

Le temps de réponse du SPD est spécifié à ≤ 25 ns. Ce temps est suffisamment rapide pour protéger les onduleurs modernes en carbure de silicium (SiC), qui ont des fréquences de commutation de l’ordre de plusieurs dizaines de kHz et sont sensibles aux dépassements de tension. Un SPD plus lent laisserait passer le front montant de la surtension avant de la bloquer, ce qui pourrait endommager les condensateurs d’entrée de l’onduleur.

Cartouches remplaçables et indicateur visuel : pourquoi l'entretien ne prend que 30 secondes 

Un dispositif de protection contre les surtensions s'use avec le temps. Chaque fois qu’il détourne une surtension, le MOV se dégrade légèrement. Après des centaines de petits transitoires ou un seul coup de foudre important, le dispositif finira par tomber en panne. Un SPD défectueux doit être remplacé. Sur un dispositif câblé, cela nécessite de mettre le tableau hors tension, de débrancher les fils, de retirer l’ancien module, d’en installer un nouveau et de rebrancher le tout. Il s’agit d’une opération de maintenance qui prend entre 30 et 60 minutes et nécessite l’intervention d’un électricien qualifié.

L’EKU5-T1+T2-40PV utilise une conception à cartouches enfichables. La base reste câblée au boîtier de regroupement. Les modules de protection s’enfichent dans la base et sont maintenus en place par des clips de retenue. Lorsqu’une cartouche tombe en panne — ce qui est indiqué par un voyant mécanique passant du vert au rouge —, le technicien la retire et insère une nouvelle cartouche. Le panneau reste sous tension, et le remplacement prend moins de deux minutes. La conception enfichable simplifie également l’installation initiale ; la base peut être montée et câblée, puis les cartouches insérées en dernier, ce qui réduit le risque d’endommager les composants électroniques lors du câblage du panneau.

Un contact de signalisation à distance, disponible en option, peut être raccordé à un automate programmable (PLC) ou à un système SCADA. En cas de défaillance d’une cartouche, le système génère une alarme et une équipe de maintenance est dépêchée sur place avec un module de remplacement. Pour une centrale solaire à grande échelle comptant des centaines de boîtiers de regroupement, cette alerte à distance permet de gagner plusieurs jours de temps d’inspection.

Où installer le SPD dans une installation photovoltaïque de 1 500 V

Un système photovoltaïque nécessite une protection à plusieurs niveaux. L’EKU5‑T1+T2‑40PV est destiné à être installé à l’entrée CC du boîtier de raccordement et à l’entrée CC de l’onduleur. Le fabricant recommande une installation aux deux extrémités de la ligne d’alimentation CC — du côté des panneaux solaires et du côté de l’onduleur —, en particulier si le tracé de la ligne est externe et long.

L'appareil est monté sur un rail DIN de 35 mm (EN 60715). La section du conducteur de raccordement doit être comprise entre 4 mm² et 35 mm². Le conducteur de mise à la terre doit être dimensionné pour supporter le courant de surtension ; un conducteur en cuivre de 6 mm² est recommandé pour l'appareil de 40 kA. Le parafoudre est classé IP20, ce qui le rend adapté à une installation à l’intérieur d’un coffret de regroupement conforme à la norme NEMA ou IP65. La plage de températures de fonctionnement s’étend de -40 °C à +80 °C, couvrant ainsi les conditions extrêmes sur les toitures dans les climats désertiques et les installations en milieu froid.

Pour un parc solaire à grande échelle, le SPD doit être installé à la sortie de chaque boîte de raccordement, avant que le câble CC ne rejoigne l’onduleur. Pour un parc solaire commercial sur toiture, un seul SPD au niveau de l’entrée CC de l’onduleur peut suffire, en fonction de la longueur des chaînes et de l’évaluation du risque de foudre. La norme CEI 62305 fournit des recommandations pour le calcul de la fréquence prévue de coups de foudre pour une installation donnée.

Comment l'EKU5‑T1+T2‑40PV s'intègre dans une stratégie de protection des installations photovoltaïques

ETEK Solar fabrique l'EKU5‑T1+T2‑40PV, qui fait partie d'une gamme de dispositifs de protection contre les surtensions en courant continu destinés aux installations photovoltaïques. La gamme de produits comprend des parasurtenseurs de type 1+2 (capacités nominales de 40 kA et 12,5 kA) et des parasurtenseurs de type 2 pour la protection en aval. L’EKU5‑T1+T2‑40PV est conçu pour le côté courant continu des parcs solaires à grande échelle, des installations sur toitures commerciales et des installations solaires industrielles. Il est certifié conforme à la norme CEI/EN 61643-31, porte le marquage CE et est disponible en configurations de 500 V, 1 000 V et 1 500 V. Sa conception enfichable permet de remplacer sans outil les modules défectueux, et ses indicateurs d’état assurent une détection visuelle locale des défauts. Un contact de signalisation à distance est disponible en option pour l’intégration aux systèmes SCADA des centrales.

Un dispositif de protection contre les surtensions qui combine la protection directe contre la foudre et la suppression des transitoires de commutation en un seul appareil réduit la complexité de l’installation, diminue le stock de pièces et garantit qu’un coup de foudre à proximité et un événement de commutation de l’onduleur sont gérés par le même dispositif. Pour un exploitant de centrale solaire qui a dû remplacer un trop grand nombre de cartes d’onduleurs après un orage estival, l’EKU5‑T1+T2‑40PV offre une tension nominale de 1 500 V CC, une capacité de protection contre les surtensions de 40 kA et une facilité d’entretien grâce à ses modules enfichables, ce qui permet au parc photovoltaïque de continuer à produire de l’électricité tout au long de la saison des orages.

【Demandez un devis à ETEK Solar】
Contactez ETEK Solar en indiquant la tension de votre installation (500 V, 1 000 V ou 1 500 V CC), le nombre de chaînes par boîtier de regroupement et votre zone de risque de foudre afin de recevoir une recommandation de configuration de SPD et un échantillon de module enfichable.