Protection contre la foudre et les surtensions pour les systèmes photovoltaïques sur les toits

À l'heure actuelle, de nombreux systèmes PV sont installés. Étant donné que l'électricité autoproduite est généralement moins chère et offre un degré élevé d'indépendance électrique par rapport au réseau, les systèmes photovoltaïques deviendront à l'avenir partie intégrante des installations électriques. Cependant, ces systèmes sont exposés à toutes les conditions météorologiques et doivent y résister pendant des décennies.

Les câbles des systèmes PV pénètrent fréquemment dans le bâtiment et s'étendent sur de longues distances jusqu'à atteindre le point de raccordement au réseau.

Les décharges de foudre provoquent des interférences électriques conduites et basées sur le champ. Cet effet augmente avec l'augmentation des longueurs de câble ou des boucles de conducteurs. Les surtensions n'endommagent pas seulement les modules PV, les onduleurs et leur électronique de surveillance, mais également les appareils de l'installation du bâtiment.

Plus important encore, les installations de production des bâtiments industriels peuvent également être facilement endommagées et la production peut être interrompue.

Si des surtensions sont injectées dans des systèmes éloignés du réseau électrique, également appelés systèmes photovoltaïques autonomes, le fonctionnement des équipements alimentés par l'électricité solaire (par exemple, équipements médicaux, approvisionnement en eau) peut être perturbé.

La nécessité d'un système de protection contre la foudre sur le toit

L'énergie libérée par une décharge de foudre est l'une des causes les plus fréquentes de l'incendie. Par conséquent, la protection des personnes et des incendies est d'une importance capitale en cas de coup de foudre direct sur le bâtiment.

Au stade de la conception d'un système PV, il est évident qu'un système de protection contre la foudre est installé sur un bâtiment. Les réglementations de certains pays en matière de construction exigent que les bâtiments publics (par exemple les lieux de rassemblement public, les écoles et les hôpitaux) soient équipés d'un système de protection contre la foudre. Dans le cas de bâtiments industriels ou privés, l'installation d'un système de protection contre la foudre dépend de leur emplacement, du type de construction et de l'utilisation. À cette fin, il faut déterminer si des coups de foudre sont à prévoir ou pourraient avoir des conséquences graves. Les structures nécessitant une protection doivent être équipées de systèmes de protection contre la foudre efficaces en permanence.

Selon l'état des connaissances scientifiques et techniques, l'installation de modules PV n'augmente pas le risque de foudre. Par conséquent, la demande de mesures de protection contre la foudre ne peut pas être dérivée directement de la simple existence d'un système photovoltaïque. Cependant, des interférences de foudre substantielles peuvent être injectées dans le bâtiment via ces systèmes.

Par conséquent, il est nécessaire de déterminer le risque résultant d'un coup de foudre selon CEI 62305-2 (EN 62305-2) et de prendre en compte les résultats de cette analyse de risque lors de l'installation du système PV.

La section 4.5 (Gestion des risques) du Supplément 5 de la norme allemande DIN EN 62305-3 décrit qu'un système de protection contre la foudre conçu pour la classe LPS III (LPL III) satisfait aux exigences habituelles des systèmes photovoltaïques. En outre, des mesures de protection contre la foudre adéquates sont répertoriées dans la directive allemande VdS 2010 (protection contre la foudre et les surtensions orientée risque) publiée par l'Association allemande des assurances. Cette directive exige également que le LPL III et donc un système de protection contre la foudre selon la classe de LPS III soient installés pour les systèmes photovoltaïques sur les toits (> 10 kW_p) et que des mesures de protection contre les surtensions soient prises. En règle générale, les installations photovoltaïques sur les toits ne doivent pas interférer avec les mesures de protection contre la foudre existantes.

La nécessité d'une protection contre les surtensions pour les systèmes PV

En cas de décharge de foudre, des surtensions sont induites sur les conducteurs électriques. Les parafoudres (SPD) qui doivent être installés en amont des dispositifs à protéger côté AC, DC et données se sont révélés très efficaces pour protéger les systèmes électriques de ces pics de tension destructeurs. La section 9.1 de la norme CENELEC CLC / TS 50539-12 (Principes de sélection et d'application - Parafoudres connectés aux installations photovoltaïques) appelle à l'installation de parafoudres à moins qu'une analyse des risques ne démontre que les SPD ne sont pas nécessaires. Selon la norme CEI 60364-4-44 (HD 60364-4-44), des parafoudres doivent également être installés pour les bâtiments sans système de protection externe contre la foudre tels que les bâtiments commerciaux et industriels, par exemple les installations agricoles. Le supplément 5 de la norme allemande DIN EN 62305-3 fournit une description détaillée des types de SPD et de leur lieu d'installation.

Acheminement des câbles des systèmes PV

Les câbles doivent être acheminés de manière à éviter les grandes boucles conductrices. Ceci doit être observé lors de la combinaison des circuits à courant continu pour former une chaîne et lors de l'interconnexion de plusieurs chaînes. De plus, les lignes de données ou de capteurs ne doivent pas être acheminées sur plusieurs chaînes et former de grandes boucles conductrices avec les lignes de chaînes. Ceci doit également être observé lors du raccordement de l'onduleur au raccordement au réseau. Pour cette raison, les lignes d'alimentation (cc et ca) et de données (par exemple capteur de rayonnement, surveillance du rendement) doivent être acheminées avec les conducteurs de liaison équipotentielle sur tout leur parcours.

Mise à la terre des systèmes PV

Les modules PV sont généralement fixés sur des systèmes de montage métalliques. Les composants photovoltaïques sous tension côté courant continu présentent une isolation double ou renforcée (comparable à l'isolation de protection précédente) comme l'exige la norme CEI 60364-4-41. La combinaison de nombreuses technologies côté module et côté onduleur (par exemple avec ou sans isolation galvanique) entraîne des exigences de mise à la terre différentes. De plus, le système de surveillance de l'isolement intégré aux onduleurs n'est efficace en permanence que si le système de montage est relié à la terre. Des informations sur la mise en œuvre pratique sont fournies dans le Supplément 5 de la norme allemande DIN EN 62305-3. La sous-structure métallique est mise à la terre de manière fonctionnelle si le système PV est situé dans le volume protégé des systèmes de terminaison d'air et que la distance de séparation est maintenue. La section 7 du supplément 5 requiert des conducteurs en cuivre d'une section d'au moins 6 mm² ou équivalent pour la mise à la terre fonctionnelle (Figure 1). Les rails de montage doivent également être interconnectés en permanence au moyen de conducteurs de cette section. Si le système de montage est directement connecté au système de protection contre la foudre externe en raison du fait que la distance de séparation s ne peut pas être maintenue, ces conducteurs font partie du système de liaison équipotentielle contre la foudre. Par conséquent, ces éléments doivent être capables de transporter des courants de foudre. L'exigence minimale pour un système de protection contre la foudre conçu pour une classe de LPS III est un conducteur en cuivre d'une section de 16 mm² ou équivalent. De plus, dans ce cas, les rails de montage doivent être interconnectés en permanence au moyen de conducteurs de cette section (figure 2). Le conducteur de mise à la terre fonctionnelle / de liaison équipotentielle de foudre doit être acheminé en parallèle et aussi près que possible des câbles / lignes cc et ca.

Les pinces de mise à la terre UNI (Figure 3) peuvent être fixées sur tous les systèmes de montage courants. Ils connectent, par exemple, des conducteurs en cuivre d'une section de 6 ou 16 mm² et des fils de terre nus d'un diamètre de 8 à 10 mm au système de montage de manière à ce qu'ils puissent transporter des courants de foudre. La plaque de contact intégrée en acier inoxydable (V4A) assure la protection contre la corrosion des systèmes de montage en aluminium.

Distance de séparation s selon CEI 62305-3 (EN 62305-3) Une certaine distance de séparation s doit être maintenue entre un système de protection contre la foudre et un système PV. Il définit la distance nécessaire pour éviter un contournement incontrôlé aux parties métalliques adjacentes résultant d'un coup de foudre sur le système de protection contre la foudre externe. Dans le pire des cas, un tel flashover incontrôlé peut mettre le feu à un bâtiment. Dans ce cas, les dommages au système PV deviennent sans importance.

Ombres de noyau sur les cellules solaires

La distance entre le générateur solaire et le système de protection externe contre la foudre est absolument essentielle pour éviter un ombrage excessif. Les ombres diffuses projetées, par exemple, par les lignes aériennes, n'affectent pas de manière significative le système photovoltaïque et le rendement. Cependant, dans le cas des ombres centrales, une ombre sombre clairement définie est projetée sur la surface derrière un objet, modifiant le courant circulant à travers les modules PV. Pour cette raison, les cellules solaires et les diodes de dérivation associées ne doivent pas être influencées par les ombres du cœur. Ceci peut être réalisé en maintenant une distance suffisante. Par exemple, si une tige de terminaison d'air d'un diamètre de 10 mm ombrage un module, l'ombre du noyau est progressivement réduite à mesure que la distance du module augmente. Après 1.08 m, seule une ombre diffuse est projetée sur le module (Figure 4). L'annexe A du supplément 5 de la norme allemande DIN EN 62305-3 fournit des informations plus détaillées sur le calcul des ombres du noyau.

Dispositifs de protection contre les surtensions spéciaux pour le côté CC A des systèmes photovoltaïques

Les caractéristiques U / I des sources de courant photovoltaïques sont très différentes de celles des sources CC conventionnelles: elles ont une caractéristique non linéaire (figure 5) et provoquent une persistance à long terme des arcs enflammés. Cette nature unique des sources de courant PV nécessite non seulement des interrupteurs PV et des fusibles PV plus grands, mais également un sectionneur pour le parafoudre qui est adapté à cette nature unique et capable de faire face aux courants PV. Le supplément 5 de la norme allemande DIN EN 62305-3 (paragraphe 5.6.1, tableau 1) décrit la sélection de parafoudres adéquats.

Pour faciliter la sélection des parafoudres de type 1, les tableaux 1 et 2 montrent la capacité de transport de courant d'impulsion de foudre I requise_lutin en fonction de la classe de LPS, un certain nombre de conducteurs de descente des systèmes de protection contre la foudre externes ainsi que le type de SPD (parafoudre à varistance à limitation de tension ou parafoudre à éclateur à commutation de tension). Des parafoudres conformes à la norme EN 50539-11 applicable doivent être utilisés. La sous-section 9.2.2.7 du CENELEC CLC / TS 50539-12 fait également référence à cette norme.

Parafoudre DC de type 1 pour utilisation dans les systèmes PV:

Parafoudre combiné multipolaire type 1 + type 2 FLP7-PV. Ce dispositif de commutation CC se compose d'un dispositif combiné de déconnexion et de court-circuit avec Thermo Dynamic Control et d'un fusible dans le chemin de dérivation. Ce circuit déconnecte en toute sécurité le parafoudre de la tension du générateur en cas de surcharge et éteint de manière fiable les arcs CC. Ainsi, il permet de protéger les générateurs PV jusqu'à 1000 A sans fusible de secours supplémentaire. Ce parafoudre combine un parafoudre et un parafoudre en un seul appareil, assurant ainsi une protection efficace des équipements terminaux. Avec sa capacité de décharge I_{la totalité de votre cycle de coaching doit être payée avant votre dernière session.} de 12.5 kA (10/350 μs), il peut être utilisé de manière flexible pour les classes de LPS les plus élevées. FLP7-PV est disponible pour les tensions U_CPV de 600 V, 1000 V et 1500 V et a une largeur de seulement 3 modules. Par conséquent, le FLP7-PV est le parafoudre combiné de type 1 idéal pour une utilisation dans les systèmes d'alimentation photovoltaïque.

Les parafoudres de type 1 à éclateur à commutation de tension, par exemple FLP12,5-PV, sont une autre technologie puissante qui permet de décharger des courants de foudre partiels dans le cas de systèmes PV à courant continu. Grâce à sa technologie d'éclateur et à un circuit d'extinction dc qui permet de protéger efficacement les systèmes électroniques en aval, cette série de parafoudres a une capacité de décharge de courant de foudre extrêmement élevée I_{la totalité de votre cycle de coaching doit être payée avant votre dernière session.} de 50 kA (10/350 μs) ce qui est unique sur le marché.

Parafoudre DC de type 2 pour utilisation dans les systèmes PV: SLP40-PV

Un fonctionnement fiable des parafoudres dans les circuits PV CC est également indispensable lors de l'utilisation de parafoudres de type 2. À cette fin, les parafoudres de la série SLP40-PV disposent également d'un circuit de protection en Y résistant aux pannes et sont également connectés à des générateurs PV jusqu'à 1000 A sans fusible de secours supplémentaire.

Les nombreuses technologies combinées dans ces parafoudres évitent d'endommager le parafoudre en raison de défauts d'isolement dans le circuit PV, le risque d'incendie d'un parafoudre surchargé et mettent le parafoudre dans un état électrique sûr sans perturber le fonctionnement du système PV. Grâce au circuit de protection, la caractéristique de limitation de tension des varistances peut être pleinement utilisée même dans les circuits à courant continu des systèmes PV. De plus, le dispositif de protection contre les surtensions actif en permanence minimise de nombreux petits pics de tension.

Sélection des SPD en fonction du niveau de protection de tension U_p

La tension de fonctionnement sur le côté CC des systèmes PV diffère d'un système à l'autre. Actuellement, des valeurs jusqu'à 1500 V cc sont possibles. Par conséquent, la rigidité diélectrique des équipements terminaux diffère également. Pour garantir une protection fiable de l'installation photovoltaïque, le niveau de protection de tension U_p au SPD doit être inférieur à la rigidité diélectrique du système PV qu'il est censé protéger. La norme CENELEC CLC / TS 50539-12 exige que Up soit au moins 20% inférieur à la rigidité diélectrique du système PV. Les parafoudres de type 1 ou de type 2 doivent être coordonnés en énergie avec l'entrée de l'équipement terminal. Si des parafoudres sont déjà intégrés dans des équipements terminaux, la coordination entre le parafoudre de type 2 et le circuit d'entrée des équipements terminaux est assurée par le constructeur.

Exemples d'application:

Bâtiment sans système de protection externe contre la foudre (situation A)

La figure 12 montre le concept de protection contre les surtensions pour un système PV installé dans un bâtiment sans système de protection contre la foudre externe. Des surtensions dangereuses pénètrent dans l'installation photovoltaïque en raison du couplage inductif résultant de la foudre à proximité ou du passage du système d'alimentation électrique à l'entrée de service de l'installation du consommateur. Les SPD de type 2 doivent être installés aux emplacements suivants:

- côté courant continu des modules et onduleurs

- sortie AC de l'onduleur

- Tableau de distribution principal basse tension

- Interfaces de communication filaires

Chaque entrée CC (MPP) de l'onduleur doit être protégée par un dispositif de protection contre les surtensions de type 2, par exemple la série SLP40-PV, qui protège de manière fiable le côté CC des systèmes PV. La norme CENELEC CLC / TS 50539-12 exige qu'un parafoudre DC supplémentaire de type 2 soit installé côté module si la distance entre l'entrée de l'onduleur et le générateur PV dépasse 10 m.

Les sorties CA des onduleurs sont suffisamment protégées si la distance entre les onduleurs PV et le lieu d'installation du parafoudre de type 2 au point de raccordement au réseau (alimentation basse tension) est inférieure à 10 m. En cas de longueurs de câble plus importantes, un parafoudre supplémentaire de type 2, par exemple, la série SLP40-275, doit être installé en amont de l'entrée CA de l'onduleur selon CENELEC CLC / TS 50539-12.

De plus, un parafoudre série SLP2-40 de type 275 doit être installé en amont du compteur de l'alimentation basse tension. CI (Circuit Interruption) signifie un fusible coordonné intégré dans le chemin de protection du parafoudre, permettant au parafoudre d'être utilisé dans le circuit alternatif sans fusible de secours supplémentaire. La série SLP40-275 est disponible pour toutes les configurations de système basse tension (TN-C, TN-S, TT).

Si des onduleurs sont connectés à des lignes de données et de capteurs pour surveiller le rendement, des dispositifs de protection contre les surtensions appropriés sont nécessaires. La série FLD2, qui comprend des terminaux pour deux paires, par exemple pour les lignes de données entrantes et sortantes, peut être utilisée pour les systèmes de données basés sur RS 485.

Bâtiment avec système de protection externe contre la foudre et distance de séparation suffisante s (situation B)

Figure 13 montre le concept de protection contre les surtensions pour une installation photovoltaïque avec système de protection contre la foudre externe et une distance de séparation suffisante entre l'installation photovoltaïque et l'installation de protection contre la foudre externe.

L'objectif principal de la protection est d'éviter les dommages aux personnes et aux biens (incendie du bâtiment) résultant d'un coup de foudre. Dans ce contexte, il est important que l'installation photovoltaïque n'interfère pas avec le système de protection externe contre la foudre. De plus, le système PV lui-même doit être protégé des coups de foudre directs. Cela signifie que l'installation photovoltaïque doit être installée dans le volume protégé du système de protection externe contre la foudre. Ce volume protégé est formé par des systèmes de terminaison d'air (par exemple des tiges de terminaison d'air) qui empêchent les coups de foudre directs sur les modules PV et les câbles. La méthode de l'angle de protection (Figure 14) ou méthode de la sphère roulante (Figure 15) comme décrit dans la sous-section 5.2.2 de la norme CEI 62305-3 (EN 62305-3) peut être utilisée pour déterminer ce volume protégé. Une certaine distance de séparation s doit être maintenue entre toutes les parties conductrices du système PV et le système de protection contre la foudre. Dans ce contexte, les ombres du cœur doivent être évitées, par exemple en maintenant une distance suffisante entre les tiges de terminaison d'air et le module PV.

La liaison équipotentielle contre la foudre fait partie intégrante d'un système de protection contre la foudre. Il doit être mis en œuvre pour tous les systèmes et lignes conducteurs entrant dans le bâtiment et susceptibles de transporter des courants de foudre. Ceci est réalisé en connectant directement tous les systèmes métalliques et en connectant indirectement tous les systèmes sous tension via des parafoudres de type 1 au système de mise à la terre. La liaison équipotentielle de foudre doit être mise en œuvre aussi près que possible du point d'entrée dans le bâtiment pour éviter que des courants de foudre partiels ne pénètrent dans le bâtiment. Le point de connexion au réseau doit être protégé par un parafoudre multipolaire de type 1 à éclateur, par exemple un parafoudre combiné FLP1GR de type 25. Ce parafoudre combine un parafoudre et un parafoudre dans un seul appareil. Si les longueurs de câble entre le parafoudre et l'onduleur sont inférieures à 10 m, une protection suffisante est fournie. En cas de longueurs de câble plus importantes, des parafoudres supplémentaires de type 2 doivent être installés en amont de l'entrée CA des onduleurs selon CENELEC CLC / TS 50539-12.

Chaque DC, l'entrée de l'onduleur doit être protégée par un parafoudre PV de type 2, par exemple la série SLP40-PV (Figure 16). Ceci s'applique également aux appareils sans transformateur. Si les onduleurs sont connectés à des lignes de données, par exemple pour surveiller le rendement, des parafoudres doivent être installés pour protéger la transmission des données. À cette fin, la série FLPD2 peut être fournie pour les lignes avec le signal analogique et les systèmes de bus de données tels que RS485. Il détecte la tension de fonctionnement du signal utile et ajuste le niveau de protection de tension à cette tension de fonctionnement.

Conducteur HVI isolé résistant aux hautes tensions

Une autre possibilité pour maintenir les distances de séparation consiste à utiliser des conducteurs HVI isolés et résistants à la haute tension qui permettent de maintenir une distance de séparation s jusqu'à 0.9 m dans l'air. Les conducteurs HVI peuvent entrer directement en contact avec le système PV en aval de la plage d'extrémité d'étanchéité. Des informations plus détaillées sur l'application et l'installation des conducteurs HVI sont fournies dans ce guide de protection contre la foudre ou dans les instructions d'installation correspondantes.

Bâtiment avec système de protection externe contre la foudre avec des distances de séparation insuffisantes (situation C)

Si la toiture est en métal ou est formée par le système PV lui-même, la distance de séparation s ne peut pas être maintenue. Les composants métalliques du système de montage photovoltaïque doivent être connectés au système de protection contre la foudre externe de manière à pouvoir transporter des courants de foudre (conducteur en cuivre d'une section d'au moins 16 mm² ou équivalent). Cela signifie que la liaison équipotentielle contre la foudre doit également être mise en œuvre pour les lignes PV entrant dans le bâtiment par l'extérieur (Figure 17). Conformément au Supplément 5 de la norme allemande DIN EN 62305-3 et de la norme CENELEC CLC / TS 50539-12, les lignes DC doivent être protégées par un SPD de type 1 pour les installations PV.

Pour cela, un parafoudre combiné FLP1-PV de type 2 et type 7 est utilisé. La liaison équipotentielle de la foudre doit également être mise en œuvre dans l'alimentation basse tension. Si le (s) onduleur (s) PV est (sont) situé (s) à plus de 10 m du SPD de type 1 installé au point de raccordement au réseau, un SPD de type 1 supplémentaire doit être installé sur le côté AC du ou des onduleurs (par exemple, type 1 + parafoudre combiné type 2 FLP25GR). Des parafoudres appropriés doivent également être installés pour protéger les lignes de données pertinentes pour la surveillance du rendement. Les parafoudres de la série FLD2 sont utilisés pour protéger les systèmes de données, par exemple, basés sur RS 485.

Installations photovoltaïques avec micro-onduleurs

Les micro-onduleurs nécessitent un concept de protection contre les surtensions différent. A cet effet, le courant continu de la ligne d'un module ou d'une paire de modules est directement connecté à l'onduleur de petite taille. Dans ce processus, les boucles conductrices inutiles doivent être évitées. Le couplage inductif dans de telles petites structures à courant continu n'a généralement qu'un faible potentiel de destruction énergétique. Le câblage étendu d'un système photovoltaïque avec micro-onduleurs est situé du côté AC (Figure 18). Si le micro-onduleur est directement monté sur le module, les parafoudres ne peuvent être installés que du côté AC:

- Bâtiments sans système de protection externe contre la foudre = parafoudres de type 2 SLP40-275 pour courant alternatif / triphasé à proximité immédiate des micro-onduleurs et SLP40-275 au niveau de l'alimentation basse tension.

- Bâtiments avec système de protection externe contre la foudre et distance de séparation suffisante s = parafoudres de type 2, par exemple SLP40-275, à proximité immédiate des micro-onduleurs et des parafoudres de type 1 porteurs de courant de foudre à l'alimentation basse tension, par exemple FLP25GR.

- Bâtiments avec système de protection externe contre la foudre et distance de séparation insuffisante s = parafoudres de type 1, par exemple SLP40-275, à proximité immédiate des micro-onduleurs et des parafoudres de type 1 FLP25GR transportant du courant de foudre à l'entrée basse tension.

Indépendamment de certains fabricants, les micro-onduleurs disposent de systèmes de surveillance des données. Si les données sont modulées vers les lignes CA via les micro-onduleurs, un dispositif de protection contre les surtensions doit être prévu sur les unités de réception séparées (exportation de données / traitement des données). Il en va de même pour les connexions d'interface avec les systèmes de bus en aval et leur alimentation en tension (par ex. Ethernet, RNIS).

Les systèmes de production d'énergie solaire font partie intégrante des systèmes électriques d'aujourd'hui. Ils doivent être équipés de parafoudres et de parafoudres adéquats, garantissant ainsi un fonctionnement irréprochable à long terme de ces sources d'électricité.