Le guide ultime de la protection photovoltaïque en courant continu

Dans le cadre de la campagne mondiale en faveur des énergies renouvelables, les systèmes solaires photovoltaïques (PV) sont passés d'une technologie de niche à un élément essentiel de l'infrastructure électrique moderne. Pour les particuliers et les entreprises, l'installation de panneaux solaires est un investissement majeur à long terme dans l'énergie durable et l'indépendance financière. Cependant, l'efficacité et la sécurité d'un système photovoltaïque dépendent fortement d'un élément souvent négligé : protection électrique robuste.

Contrairement au courant alternatif (CA) utilisé dans les habitations, le courant continu (CC) généré par les panneaux solaires présente des défis uniques et complexes en matière de sécurité. Ce guide présente tout ce que vous devez savoir sur la protection contre le courant continu photovoltaïque, depuis les principales différences entre le courant continu et le courant alternatif jusqu'à la mise en place d'un système de protection complet et conforme à la réglementation.

1. Pourquoi Protection photovoltaïque DC Questions : Alimentation en courant continu ou en courant alternatif

Pour comprendre la nécessité d'une protection spécialisée en courant continu, il faut d'abord clarifier les différences fondamentales entre le courant continu et le courant alternatif, et l'impact de ces différences sur la sécurité.

Principales différences entre le courant continu et le courant alternatif

Les dangers des systèmes à courant continu non protégés

Les dispositifs de protection standard pour le courant alternatif ne sont pas conçus pour gérer les propriétés uniques du courant continu :

• A Arc en courant continu manque d'interruption naturelle, créant un plasma à haute température qui peut déclencher des incendies.
• A Chocs en courant continu entraîne une contraction musculaire continue, ce qui augmente le risque de brûlures graves et de lésions internes.

Sans protection CC spécialisée, même des défauts électriques mineurs dans un système photovoltaïque peuvent se transformer en problèmes catastrophiques.

2. Principales menaces pesant sur les systèmes solaires à courant continu

Le côté CC d'un système photovoltaïque (des panneaux solaires à l'onduleur) est confronté à trois risques électriques majeurs. La compréhension de ces menaces est la première étape de l'élaboration d'une stratégie de protection efficace.

1. Surintensités : Courts-circuits et surcharges

Une surintensité se produit lorsque le courant dépasse la limite de sécurité d'un circuit. Il existe deux formes de surintensité :

• Circuits courts: Un chemin involontaire à faible résistance (par exemple, un câblage endommagé, un contact de conducteur avec le cadre d'un module) provoque une surtension soudaine et massive. Dans les chaînes PV parallèles, les chaînes saines "renvoient" le courant dans le défaut, ce qui surchauffe les conducteurs et déclenche des incendies.
• Surcharges: Une augmentation modérée et soutenue du courant (par exemple, des panneaux photovoltaïques surdimensionnés par rapport à la capacité de l'onduleur) entraîne une accumulation progressive de chaleur. Cela dégrade les composants, fait fondre l'isolation et finit par provoquer des incendies.

2. Surtensions : Surtensions transitoires et permanentes

Les surtensions sont des pointes de tension ou des tensions élevées soutenues qui endommagent les composants sensibles :

• Surtensions transitoires: Les surtensions brèves et de forte amplitude (par exemple, les coups de foudre, les commutations de services publics). Même des surtensions d'une durée de quelques microsecondes peuvent détruire les onduleurs, tandis que de petites surtensions répétées dégradent les composants au fil du temps.
• Surtensions permanentes: Conditions de haute tension soutenues (par exemple, défauts du conducteur neutre dans les systèmes triphasés). Ces conditions obligent les composants à consommer plus de courant, ce qui entraîne une surchauffe et un grillage.

3. Défauts d'arc en courant continu : Le risque d'incendie silencieux

Un défaut d'arc en courant continu est une décharge électrique involontaire à travers un petit espace de circuit. Il est particulièrement dangereux pour deux raisons :

1. Pas d'extinction naturelle de l'arc (contrairement au courant alternatif), les arcs brûlent donc indéfiniment jusqu'à ce que le circuit soit interrompu manuellement.
2. L'arc crée un plasma à faible résistance, ce qui lui permet de croître même lorsque les conducteurs se séparent.

Les défauts d'arc commencent souvent par une défaut de mise à la terre (conducteur CC touchant une surface mise à la terre, par exemple le cadre d'un module). Un second défaut de mise à la terre sur un autre conducteur contourne la protection de l'onduleur, déclenchant une surtension massive et un arc électrique persistant, l'une des principales causes d'incendie dans les systèmes photovoltaïques.

3. Les quatre piliers de la protection contre le courant continu : Ventilation technique

Un système photovoltaïque sûr repose sur quatre dispositifs de protection essentiels, chacun jouant un rôle distinct. Vous trouverez ci-dessous une description détaillée de leur fonctionnement, de leurs avantages et inconvénients, et de l'endroit où les placer.

A. Fusibles DC : La première ligne de défense

Les fusibles DC sont dispositifs passifs à usage unique conçus pour arrêter les surintensités. Ils contiennent un fil/une bande métallique calibré(e) qui fond lorsque le courant dépasse une limite fixée, coupant ainsi le circuit.

Principales spécifications des fusibles DC

• Tension nominale (VDC): Doit être égale ou supérieure à la tension maximale en circuit ouvert de la matrice PV (évite les arcs électriques après la fusion).
• Courant nominal (A): Taille à 125% du courant continu maximum du circuit (évite les faux déclenchements).
• Capacité d'interruption (CI): Le courant de défaut maximal que le fusible peut arrêter en toute sécurité (les fusibles PV modernes supportent souvent ≥200 000 ampères).

Avantages et inconvénients

• ✅ Réponse rapide aux courts-circuits ; IC élevé ; rentable pour la protection de la chaîne.
• ❌ Usage unique (remplacement nécessaire) ; pas de déconnexion manuelle.

Placement stratégique

• Boîtes combinées intérieures pour chaque chaîne PV parallèle (isolent les chaînes défaillantes pendant que les autres fonctionnent).
• Près des bornes de la batterie (protège les systèmes à base de batterie contre les courts-circuits).
• Les deux conducteurs positif/négatif dans les systèmes non mis à la terre.

B. Disjoncteurs à courant continu : Le protecteur réutilisable

Les disjoncteurs à courant continu sont les dispositifs automatiques à réarmement qui utilisent des mécanismes thermiques et magnétiques pour déclencher les circuits :

• Élément thermique: Un bilame plie sous l'effet de surcharges soutenues, ce qui déclenche le disjoncteur.
• Élément magnétique: Un solénoïde déclenche un arrêt immédiat en cas de court-circuit.

Pour gérer les arcs persistants du courant continu, les disjoncteurs utilisent une technologie spécialisée :

1. Eclatements magnétiques: Une bobine magnétique éloigne les arcs des contacts et les allonge.
2. Arc Chutes: Des plaques métalliques placées dans une chambre refroidissent et divisent les arcs électriques jusqu'à ce qu'ils s'éteignent.

Principales spécifications

• Tension nominale ≥ tension maximale du système.
• Courant nominal ≥125% du courant continu maximal.
• Courant nominal de court-circuit (SCCR) > courant de défaut maximal disponible.

Avantages et inconvénients

• Réinitialisable ; indicateur visuel de déclenchement ; sert également de déconnexion manuelle.
• ❌ Plus lent que les fusibles ; coût initial plus élevé ; conception complexe de l'extinction de l'arc.

Placement stratégique

• Boîtes de combinaisons (protection des cordes).
• Circuits de sortie du réseau principal (protection centralisée contre les surintensités).

C. Interrupteurs-sectionneurs à courant continu : L'interrupteur de sécurité

Les interrupteurs-sectionneurs à courant continu (ou isolateurs PV) sont interrupteurs manuels qui créent une coupure physique et visible dans le circuit. Leur rôle principal n'est pas la protection contre les surintensités, mais la sécurité pour la maintenance et les urgences.

Pourquoi ils sont essentiels

• Les panneaux solaires produisent de l'énergie tant qu'ils sont exposés à la lumière du soleil, ce qui crée des risques pour les techniciens. Les déconnecteurs isolent le réseau, éliminant ainsi les risques d'électrocution lors des réparations.
• En cas d'incendie ou d'inondation, les premiers intervenants utilisent des sectionneurs pour mettre rapidement le système hors tension.

Avantages et inconvénients

• ✅ Point d'isolation visible ; verrouillable pour une sécurité à long terme ; essentiel pour les interventions d'urgence.
• ❌ Pas de protection automatique contre les surintensités ; nécessite une opération manuelle.

Placement stratégique

• Entre les panneaux solaires et l'onduleur.
• Plusieurs emplacements (par exemple, le toit près des panneaux, le sol près de l'onduleur) pour l'accessibilité.
• Intégré dans certains onduleurs modernes pour une installation simplifiée.

D. DC SPD (dispositifs de protection contre les surtensions) : Le parafoudre

Les SPD DC protègent contre les surtensions transitoires (par exemple, la foudre) à l'aide d'un dispositif de protection contre les surtensions transitoires. Varistance à oxyde métallique (MOV):

• Dans des conditions normales : Le MOV a une résistance élevée, ce qui isole le SPD.
• Lors d'une surtension : La résistance du MOV chute instantanément, détournant le courant excédentaire vers la terre.
• Après la surtension : Le MOV revient à une résistance élevée, prêt à faire face aux événements futurs.

Principales spécifications

• Tension nominale (VDC): ≥ la tension continue maximale du système.
• Courant de surtension maximal (Imax): Courant de crête (en kA) que le SPD peut dévier en un seul événement.
• Courant de décharge nominal (In): Courant que le SPD traite de manière répétée (viser In ≈ 50% de Imax).
• Capacité de surtension (Joules): Capacité d'absorption d'énergie (MOVs plus grands = joules plus élevés).

Avantages et inconvénients

• Temps de réponse de l'ordre de la nanoseconde ; réutilisable ; protection passive.
• ❌ Pas de protection contre les surintensités ; capacité énergétique limitée ; se dégrade en cas de surtensions répétées.

Placement stratégique

• Près de l'onduleur (pour les câbles de moins de 10 mètres).
• Boîte de raccordement (pour les tronçons >10 mètres - protection double aux deux extrémités).
• SPD de type 1 (protection directe contre la foudre) à l'entrée principale de l'alimentation ; SPD de type 2 (surtensions indirectes) aux boîtiers de regroupement (courants pour les systèmes résidentiels/commerciaux).

4. Construction d'un système complet de protection contre le courant continu : Code et conception

Un système de protection DC efficace n'est pas seulement une collection d'appareils, c'est aussi un système de protection. réseau coordonné alignés sur les normes de l'industrie. Vous trouverez ci-dessous des informations sur la manière de le concevoir, ainsi que sur les principales exigences du code.

Conception pas à pas d'un système de protection contre le courant continu

1. Réseau photovoltaïque vers boîte de dérivation:
   • Connectez les panneaux en série (strings) pour augmenter la tension ; mettez les strings en parallèle pour augmenter l'ampérage.
   • Installer des fusibles/disjoncteurs CC pour chaque chaîne parallèle (pour éviter les retours d'énergie).
   • Ajouter un SPD DC (Type 2) pour bloquer les surtensions.
2. Boîte de raccordement à l'interrupteur-sectionneur DC:
   • Acheminer le courant continu agrégé vers un sectionneur (point d'isolement manuel).
   • Placer les sectionneurs dans des endroits accessibles (toit + terre).
3. Déconnexion vers l'onduleur:
   • Envoyer le courant à l'onduleur (convertit le courant continu en courant alternatif).
   • Ajouter un deuxième SPD DC près de l'onduleur (pour les longs câbles).
   • Comptez sur la protection interne de l'onduleur pour la sécurité finale.

Principales exigences des codes (NEC et IEC)

Le respect des codes électriques n'est pas facultatif, il est obligatoire pour la sécurité et la validité de la garantie. Voici les normes essentielles :

5. Conclusion : Le meilleur retour sur investissement pour votre système solaire

Investir dans une protection photovoltaïque DC n'est pas un coût supplémentaire, c'est une opportunité à saisir. la protection de votre investissement solaire. Un système bien conçu :

• Prévient les dommages coûteux aux équipements et les risques d'incendie.
• Assure un fonctionnement fiable de votre système photovoltaïque pendant des décennies (protection des garanties).
• Assure la sécurité des techniciens et des premiers intervenants.

Les quatre piliers de la protection CC - fusibles, disjoncteurs, sectionneurs et SPD - fonctionnent ensemble pour faire de votre installation solaire une source d'énergie sûre et efficace. En respectant les codes de l'industrie et en privilégiant une conception professionnelle, vous obtiendrez plus qu'une énergie propre : vous gagnerez en tranquillité d'esprit.

Que vous soyez un propriétaire installant un système sur le toit ou un professionnel concevant un réseau commercial, n'oubliez pas : une protection DC robuste est la base d'un investissement solaire réussi.