Exigences systèmes relatives aux parafoudres placés du côté DC de systèmes PV

Des paramètres importants pour la sélection de parafoudres situés du côté DC de générateurs PV ont été décrits précédemment, paramètres qui tous concernaient des évènements liés à la foudre et aux surtensions. Afin de garantir un fonctionnement sûr et fi able des parafoudres, il est également nécessaire de respecter certaines exigences importantes de l’installation qui découlent des caractéristiques particulières des générateurs PV.

Tension permanente maximale Uc des parafoudres

La tension permanente maximale UC est un paramètre important pour la sélection de parafoudres. La règle générale suivante est également valable pour les parafoudres placés du côté DC des systèmes PV : UC doit être plus élevée que la tension à vide maximale du générateur PV.
En exploitation, ce critère doit être rempli par toutes les lignes protégées (entre pôle “plus” et pôle “moins”, entre pôle “plus” et “terre” et entre pôle “moins” et “terre”). Pour défi nir la tension à vide d’un champ de modules, le paramètre UOC Array qui décrit la tension à vide d’un champ de modules dans des conditions normales, a été discuté dans le cadre de la future norme IEC CD-IEC 62548 “Installation and safety requirements for PV generators” [13]. Ces conditions normales, sous lesquelles des modules PV sont testés et dimensionnés, sont défi nies par une température des cellules PV de 25° C, une intensité d’irradiation sur la surface du module PV de 1000 W/m et un spectre lumineux correspondant à une masse d’air de 1,5. Ces conditions normales sont par contre en contradiction avec l’exigence minimale selon laquelle Uc, dans toutes les conditions normales d’exploitation, doit être plus élevée que la tension à vide du champ de modules.
La fig. 8 montre la caractéristique courant-tension d’une cellule PV pour une intensité d’irradiation de 1000 W/m2, la température des cellules PV correspondant à un paramètre variable. La tension à vide d’une cellule PV augmente lorsque la température de celle-ci chute. Dans l’exemple ci-dessous, la tension de ~ 42 V à une température standard de 25° C monte à ~ 52 V par - 25° C. Cette augmentation de la tension due à des températures basses des cellules doit également être prise en compte lors de la sélection de Uc pour un parafoudre installé dans un champ de modules.

Fig. 8

Il est également important de savoir que la réelle tension à vide maximale d’un module PV s’écarte de cette valeur nominale. Et plus particulièrement pour les applications PV avec modules à couches minces, on attachera une grande importance aux tolérances de la tension à vide. Ainsi la sélection de Uc sur la base de UOC Array pour des parafoudres placés du côté DC d’applications PV ne paraît pas adéquate. C’est pourquoi dans la future norme d’application européenne prTS 50539-12 : 2009 déjà mentionnée précédemment, on a posé comme exigence minimale pour la tension d’exploitation des parafoudres placés du côté DC des systèmes PV la condition UC ≥ 1,2 x UOCSTC . UOCSTC décrit dans ce projet de norme la tension à vide (“ open circuit” sous conditions normales telles que spécifiées). Une nouvelle définition UCPV, qui décrit la tension PV maximale autorisée dans des conditions d’exploitation normales, a été introduite pour la nouvelle conception des parafoudres pour systèmes photovoltaïques. Sur la base de cette valeur, le constructeur d’un système PV peut rechercher un parafoudre correctement dimensionné, car une définition identique est utilisée pour la sélection correcte de la tension d’entrée admissible des onduleurs DC-AC.

Comportement en surcharge de parafoudres dans des champs de modules

Le paragraphe précédent décrit les critères permettant de sélectionner correctement des parafoudres dans des conditions normales. Les parafoudres doivent aussi pouvoir maîtriser des conditions de défaut, comme par exemple :

• courts-circuits à la terre (défaut d’isolement) du côté courant continu d’un système PV non relié à la terre ;
• grand nombre de coups de foudre ou de courants de choc.

Dans de tels cas, il est possible que le parafoudre puisse passer à un état de surcharge. Cet état doit être sûr et garantir la protection des personnes et la sécurité contre les incendies.

Court-circuit à la terre (défaut d’isolement) du côté courant continu d’un système PV non relié à la terre

La fig. 9 décrit les conditions de base dans le cas d’un courtcircuit du côté courant continu d’un système PV non relié à la terre. Dans la majorité des systèmes PV, ni le pôle “plus” ni le pôle “moins” ne doivent être reliés à la terre, et tout particulièrement lorsque l’onduleur est utilisé sans transformateur. Dans ce cas, la “tension maximale du système PV” se situe entre le “plus” et le “moins”. Si aucun des deux conducteurs de courant continu n’est relié à la terre, la tension conducteur-terre n’atteint que 50 % de la “tension maximale du système PV”. En général, les parafoudres seront installés entre les conducteurs et la terre, car les surtensions dues à la foudre s’écoulent en général vers la terre. Dans des conditions d’exploitation normales, il suffit pour la ligne protégée conducteur-terre que Uc soit supérieur à 50 % de la “tension maximale du système PV”. Lors d’une défaillance de l’isolation, la “tension maximale du système PV” est alors appliquée entièrement sur le parafoudre. Si la tension permanente la plus élevée est sélectionnée selon ce critère de 50 % comme décrit ci-dessus, les parafoudres peuvent alors être surchargés. Les parafoudres ayant un élément de protection non linéaire peuvent, en fonction de la caractéristique tension-courant du MOV, générer un courant de défaut inadmissible. Le doublement de la valeur UC du parafoudre conduit à un niveau de protection Up plus élevé pour un courant de décharge identique, ce qui peut nuire à l’immunité aux perturbations de l’onduleur.

Fig. 9

Le scénario décrit dans la fig. 9 a servi de base pour le développement de parafoudres avec “montage en étoile résistant aux défaillances” (voir fig. 10). Cette conception permet de garantir que lors d’un défaut d’isolement le parafoudre ne soit pas surchargé. D’autre part, il possède un niveau de protection plus bas entre le pôle “plus” et le pôle “moins” et assure la coordination avec l’immunité aux perturbations de l’entrée courant continu de l’onduleur.

Fig. 10