Dispositifs de protection contre les surtensions DC pour les installations PV

Panneau solaire PV Combiner Box DC Dispositif de protection contre les surtensions

Étant donné que les dispositifs de protection contre les surtensions CC pour les installations PV doivent être conçus pour fournir une exposition complète à la lumière du soleil, ils sont très vulnérables aux effets de la foudre. La capacité d'un générateur photovoltaïque est directement liée à sa surface exposée, de sorte que l'impact potentiel des événements de foudre augmente avec la taille du système. Lorsque les occurrences d'éclairage sont fréquentes, les systèmes PV non protégés peuvent subir des dommages répétés et importants aux composants clés. Cela entraîne des coûts de réparation et de remplacement substantiels, des temps d'arrêt du système et une perte de revenus. Des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) correctement conçus, spécifiés et installés minimisent l'impact potentiel des événements de foudre lorsqu'ils sont utilisés en conjonction avec des systèmes de protection contre la foudre.

Un système de protection contre la foudre qui incorpore des éléments de base tels que des aérogares, des conducteurs de descente appropriés, une liaison équipotentielle pour tous les composants porteurs de courant et des principes de mise à la terre appropriés fournit un auvent de protection contre les chocs directs. S'il y a un problème de risque de foudre sur votre site photovoltaïque, je recommande vivement de faire appel à un ingénieur électricien professionnel ayant une expertise dans ce domaine pour fournir une étude d'évaluation des risques et une conception du système de protection si nécessaire.

Il est important de comprendre la différence entre les systèmes de protection contre la foudre et les SPD. Le but d'un système de protection contre la foudre est de canaliser un coup de foudre direct à travers des conducteurs de courant substantiels vers la terre, évitant ainsi aux structures et aux équipements d'être sur le chemin de cette décharge ou d'être directement frappés. Les parafoudres sont appliqués aux systèmes électriques pour fournir un chemin de décharge vers la terre afin d'éviter que les composants de ces systèmes ne soient exposés aux transitoires haute tension causés par les effets directs ou indirects de la foudre ou des anomalies du système électrique. Même avec un système de protection contre la foudre externe en place, sans parafoudre, les effets de la foudre peuvent encore causer des dommages importants aux composants.

Pour les besoins de cet article, je suppose qu'une certaine forme de protection contre la foudre est en place et j'examine les types, la fonction et les avantages de l'utilisation supplémentaire de parafoudres appropriés. En conjonction avec un système de protection contre la foudre correctement conçu, l'utilisation de parafoudres à des emplacements clés du système protège les principaux composants tels que les onduleurs, les modules, les équipements des boîtiers de combinaison et les systèmes de mesure, de contrôle et de communication.

L'importance des SPD

Outre les conséquences des coups de foudre directs sur les réseaux, le câblage d'alimentation d'interconnexion est très sensible aux transitoires induits électromagnétiquement. Les transitoires provoqués directement ou indirectement par la foudre, ainsi que les transitoires générés par les fonctions de commutation des services publics, exposent les équipements électriques et électroniques à de très fortes surtensions de très courte durée (dizaines à centaines de microsecondes). L'exposition à ces tensions transitoires peut provoquer une défaillance catastrophique des composants qui peut être perceptible par des dommages mécaniques et le suivi du carbone ou être imperceptible mais toujours provoquer une défaillance de l'équipement ou du système.

Une exposition à long terme à des transitoires de faible magnitude détériore le matériau diélectrique et isolant dans l'équipement du système PV jusqu'à ce qu'il y ait une panne finale. De plus, des transitoires de tension peuvent apparaître sur les circuits de mesure, de contrôle et de communication. Ces transitoires peuvent sembler être des signaux ou des informations erronés, entraînant un dysfonctionnement ou l'arrêt de l'équipement. Le placement stratégique des SPD atténue ces problèmes car ils fonctionnent comme des dispositifs de court-circuit ou de serrage.

Caractéristiques techniques des SPD

La technologie SPD la plus couramment utilisée dans les applications PV est la varistance à oxyde métallique (MOV), qui fonctionne comme un dispositif de limitation de tension. D'autres technologies SPD comprennent la diode à avalanche de silicium, les éclateurs contrôlés et les tubes à décharge gazeuse. Les deux derniers sont des dispositifs de commutation qui apparaissent comme des courts-circuits ou des pieds de biche. Chaque technologie a ses propres caractéristiques, ce qui la rend plus ou moins adaptée à une application spécifique. Les combinaisons de ces dispositifs peuvent également être coordonnées pour fournir des caractéristiques plus optimales qu'elles n'offrent individuellement. Le tableau 1 répertorie les principaux types de SPD utilisés dans les systèmes PV et détaille leurs caractéristiques générales de fonctionnement.

Un parafoudre doit être capable de changer d'état assez rapidement pendant la brève période pendant laquelle un transitoire est présent et de décharger l'amplitude du courant transitoire sans défaillance. L'appareil doit également minimiser la chute de tension dans le circuit SPD pour protéger l'équipement auquel il est connecté. Enfin, la fonction SPD ne doit pas interférer avec le fonctionnement normal de ce circuit.

Les caractéristiques de fonctionnement du SPD sont définies par plusieurs paramètres que celui qui effectue la sélection des SPD doit comprendre. Ce sujet nécessite plus de détails qui peuvent être traités ici, mais voici quelques paramètres à prendre en compte: tension de fonctionnement continue maximale, application en courant alternatif ou continu, courant de décharge nominal (défini par une grandeur et une forme d'onde), niveau de protection en tension (le tension aux bornes qui est présente lorsque le SPD décharge un courant spécifique) et une surtension temporaire (une surtension continue qui peut être appliquée pendant un temps spécifique sans endommager le SPD).

Les parafoudres utilisant différentes technologies de composants peuvent être placés dans les mêmes circuits. Cependant, ils doivent être sélectionnés avec soin pour assurer une coordination énergétique entre eux. La technologie des composants avec la puissance de décharge la plus élevée doit décharger la plus grande amplitude du courant transitoire disponible, tandis que l'autre technologie des composants réduit la tension transitoire résiduelle à une amplitude plus faible car elle décharge un courant moindre.

Le SPD doit avoir un dispositif d'autoprotection intégré qui le déconnecte du circuit en cas de panne de l'appareil. Pour rendre cette déconnexion apparente, de nombreux SPD affichent un indicateur qui indique son état de déconnexion. L'indication de l'état du SPD via un ensemble de contacts auxiliaires intégré est une fonction améliorée qui peut fournir un signal à un emplacement distant. Une autre caractéristique importante du produit à prendre en compte est de savoir si le SPD utilise un module amovible à sécurité pour les doigts qui permet à un module défaillant d'être facilement remplacé sans outils ni nécessité de mettre le circuit hors tension.

Dispositifs de protection contre les surtensions CA pour les installations PV

Les éclairs des nuages ​​vers le système de protection contre la foudre, la structure photovoltaïque ou un sol voisin provoquent une élévation locale du potentiel du sol par rapport aux références au sol éloignées. Les conducteurs couvrant ces distances exposent l'équipement à des tensions importantes. Les effets des augmentations de potentiel de terre sont principalement ressentis au point de connexion entre un système PV relié au réseau et le service public à l'entrée de service - le point où la terre locale est électriquement connectée à une terre référencée éloignée.

Une protection contre les surtensions doit être placée à l'entrée de service pour protéger le côté secteur de l'onduleur contre les transitoires dommageables. Les transitoires observés à cet endroit sont d'une ampleur et d'une durée élevées et doivent donc être gérés par une protection contre les surtensions avec des courants de décharge appropriés. Les éclateurs contrôlés utilisés en coordination avec les MOV sont idéaux à cet effet. La technologie de l'éclateur peut décharger des courants de foudre élevés en fournissant une fonction de liaison équipotentielle pendant le transitoire de foudre. Le MOV coordonné a la capacité de bloquer la tension résiduelle à un niveau acceptable.

En plus des effets de l'élévation du potentiel de terre, le côté alternatif de l'onduleur peut être affecté par des transitoires induits par la foudre et par commutation de services publics qui apparaissent également à l'entrée de service. Pour minimiser les dommages potentiels à l'équipement, une protection contre les surtensions CA appropriée doit être appliquée aussi près que possible des bornes CA de l'onduleur, avec le chemin le plus court et le plus droit pour les conducteurs d'une section transversale suffisante. La non-application de ce critère de conception entraîne une chute de tension plus élevée que nécessaire dans le circuit SPD pendant la décharge et expose l'équipement protégé à des tensions transitoires plus élevées que nécessaire.

Dispositifs de protection contre les surtensions DC pour les installations PV

Les impacts directs sur les structures mises à la terre à proximité (y compris le système de protection contre la foudre) et les éclairs inter et intra-nuages ​​qui peuvent être d'une magnitude de 100 kA peuvent provoquer des champs magnétiques associés qui induisent des courants transitoires dans le câblage CC du système PV. Ces tensions transitoires apparaissent aux bornes de l'équipement et provoquent des défaillances d'isolation et diélectriques des composants clés.

Le placement de parafoudres à des emplacements spécifiés atténue l'effet de ces courants de foudre induits et partiels. Le SPD est placé en parallèle entre les conducteurs sous tension et la terre. Il change d'état d'un appareil à haute impédance à un appareil à basse impédance lorsque la surtension se produit. Dans cette configuration, le SPD décharge le courant transitoire associé, minimisant la surtension qui serait autrement présente aux bornes de l'équipement. Ce dispositif parallèle ne transporte aucun courant de charge. Le SPD sélectionné doit être spécifiquement conçu, évalué et approuvé pour une application sur des tensions PV CC. Le sectionneur SPD intégré doit être capable d'interrompre l'arc CC le plus sévère, qui ne se trouve pas sur les applications CA.

La connexion de modules MOV dans une configuration Y est une configuration SPD couramment utilisée sur les grands systèmes PV commerciaux et utilitaires fonctionnant à une tension en circuit ouvert maximale de 600 ou 1,000 Vcc. Chaque branche du Y contient un module MOV connecté à chaque pôle et à la terre. Dans un système non mis à la terre, il y a deux modules entre chaque pôle et entre le pôle et la terre. Dans cette configuration, chaque module est évalué pour la moitié de la tension du système, donc même en cas de défaut pôle-terre, les modules MOV ne dépassent pas leur valeur nominale.

Considérations relatives à la protection contre les surtensions du système sans alimentation

Tout comme les équipements et composants du système électrique sont sensibles aux effets de la foudre, il en va de même pour les équipements des systèmes de mesure, de contrôle, d'instrumentation, de SCADA et de communication associés à ces installations. Dans ces cas, le concept de base de la protection contre les surtensions est le même que sur les circuits de puissance. Cependant, comme cet équipement est généralement moins tolérant aux impulsions de surtension et plus sensible aux signaux erronés et à être affecté par l'ajout de composants en série ou en parallèle aux circuits, une plus grande attention doit être accordée aux caractéristiques de chaque SPD ajouté. Des parafoudres spécifiques sont nécessaires selon que ces composants communiquent via paire torsadée, Ethernet CAT 6 ou RF coaxial. En outre, les parafoudres sélectionnés pour les circuits sans alimentation doivent être capables de décharger les courants transitoires sans défaillance, pour fournir un niveau de protection de tension adéquat et éviter d'interférer avec le fonctionnement du système, y compris l'impédance série, la capacité ligne à ligne et terre et la bande passante de fréquence. .

Mauvaises applications courantes des parafoudres

Les SPD sont appliqués aux circuits de puissance depuis de nombreuses années. La plupart des circuits électriques contemporains sont des systèmes à courant alternatif. En tant que tel, la plupart des équipements de protection contre les surtensions ont été conçus pour être utilisés dans des systèmes à courant alternatif. L'introduction relativement récente de grands systèmes photovoltaïques commerciaux et à l'échelle des services publics et le nombre croissant de systèmes déployés a malheureusement conduit à une mauvaise application du côté DC des SPD conçus pour les systèmes AC. Dans ces cas, les SPD ne fonctionnent pas correctement, en particulier pendant leur mode de défaillance, en raison des caractéristiques des systèmes PV à courant continu.

Les MOV offrent d'excellentes caractéristiques pour servir de SPD. S'ils sont correctement évalués et appliqués correctement, ils fonctionnent de manière qualitative pour cette fonction. Cependant, comme tous les produits électriques, ils peuvent tomber en panne. Une panne peut être causée par le chauffage ambiant, des courants de décharge supérieurs à ce que l'appareil est conçu pour gérer, des décharges trop fréquentes ou une exposition continue à des conditions de surtension.

Par conséquent, les parafoudres sont conçus avec un interrupteur de déconnexion à commande thermique qui les sépare de la connexion parallèle au circuit CC sous tension si cela devient nécessaire. Étant donné qu'une partie du courant circule lorsque le SPD entre en mode de défaillance, un léger arc apparaît lorsque le sectionneur thermique fonctionne. Lorsqu'il est appliqué sur un circuit à courant alternatif, le premier passage à zéro du courant fourni par le générateur éteint cet arc et le SPD est retiré du circuit en toute sécurité. Si ce même SPD CA est appliqué au côté CC d'un système PV, en particulier des tensions élevées, il n'y a pas de passage à zéro du courant dans une forme d'onde CC. L'interrupteur thermique normal ne peut pas éteindre le courant d'arc et l'appareil tombe en panne.

Placer un circuit de dérivation à fusible parallèle autour du MOV est une méthode pour surmonter l'extinction de l'arc de défaut CC. Si la déconnexion thermique fonctionne, un arc apparaît toujours à travers ses contacts d'ouverture; mais ce courant d'arc est redirigé vers un chemin parallèle contenant un fusible où l'arc est éteint, et le fusible interrompt le courant de défaut.

La fusion en amont avant le SPD, telle qu'elle peut être appliquée sur les systèmes à courant alternatif, n'est pas appropriée sur les systèmes à courant continu. Le courant disponible de court-circuit pour faire fonctionner le fusible (comme dans un dispositif de protection contre les surintensités) peut ne pas être suffisant lorsque le générateur est à une puissance de sortie réduite. En conséquence, certains fabricants de SPD ont pris cela en considération dans leur conception. UL a modifié sa norme antérieure en complétant la dernière norme de protection contre les surtensions — UL 1449. Cette troisième édition est spécifiquement applicable aux systèmes PV.

Liste de contrôle SPD

Malgré le risque élevé de foudre auquel de nombreuses installations photovoltaïques sont exposées, elles peuvent être protégées par l'application de parafoudres et d'un système de protection contre la foudre correctement conçu. Une mise en œuvre efficace du DOCUP doit inclure les considérations suivantes:

• Placement correct dans le système
• Conditions de résiliation
• Mise à la terre et liaison correctes du système de mise à la terre de l'équipement
• Taux de décharge
• Niveau de protection de tension
• Adaptation au système en question, y compris les applications en courant continu ou en courant alternatif
• Mode de défaillance
• Indication d'état local et distant
• Modules facilement remplaçables
• Le fonctionnement normal du système ne doit pas être affecté, en particulier sur les systèmes sans alimentation