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Parafoudre CC d'une installation photovoltaïque

Dans une installation photovoltaïque, les parafoudres ont pour rôle de protéger les modules photovoltaïques et les onduleurs contre les risques de surtensions induites dans le circuit de la partie continue.

Les surtensions sont à l'origine d'effets secondaires particulièrement perturbateurs sur les équipements de l'installation photovoltaïque, voire destructeurs.
Indépendamment des surtensions dûes à la foudre, les surtensions industrielles sont également une réalité (surtension de manoeuvre et de commutation, surtension d'interaction entre réseaux).
Une protection systématique contre les surtensions est donc recommandée pour tout type d'installation électrique (dont photovoltaïque), comme en témoignent de nombreuses destructions ou pannes récurrentes inexpliquées de matériels d'exploitation.

Le plan de ce cours est la suivant :

PARAFOUDRE CC D'UNE INSTALLATION PHOTOVOLTAÏQUE

  1. Les parafoudres DC photovoltaiques - Définitions
  2. Technologies et choix des parafoudres
  3. Emplacement des parafoudres photovoltaïques côté continu
  4. Atténuer les surtensions : règle de câblage
  5. Normes des parafoudres photovoltaïques côté continu

Atténuer les surtensions : règle de câblage côté continu de l'installation photovoltaïque



Comment se produise les surtensions d'origine atmosphérique (foudre) ?

La foudre est un courant électrique de haute fréquence (temps très courts) et de très forte intensité.

Foudre : courant électrique très bref et de très forte intensité
Les effets indirectes de la foudre sont nombreux : effets thermiques, effets dus aux différences de potentiels, effets électromagnétiques, effets électrodynamiques, effets électrochimiques, effets acoustiques, effets lumineux.

Le courant électrique de la foudre atteint 50 kA.

Ce fort courant électrique de la foudre est déchargé en un temps très court de l'ordre de 100 kA/µs. Cela signifie que le courant de la foudre de 50 kA est déchargé au sol en une demi micro seconde (10-6 seconde).

     



La courbe suivante est une illustration du courant électrique de la foudre :

Courant électrique de la foudre
     

Ce courant électrique va induire un champ magnétique autour du point d'impact de la foudre. Ce champ magnétique sera tout aussi bref et intense que la courant électrique. L'intensité du champ magnétique sera d'autant plus faible qu'on s'éloigne du point d'impact.
Le graphe ci-dessous illustre la profil du champ magnétique créé par la foudre :

Champ magnétique induit par la foudre
     

Compte-tenu des 3 courbes ci-dessus, on constate que la valeur du champ magnétique atteint une valeur normale à une centaine de mètres du point d'impact (le champ magnétique normal à la surface de la Terre est de 50 µT).

Par conséquent, dans ce rayon de 100 mètres autour du point d'impact de la foudre, le champ magnétique est anormalement élevé.
Lorsque ce champ magnétique rencontre un circuit électrique, l'induction propre du ciruit électrique va tranformer le champ magnétique en courant électrique. Ce courant électrique n'est pas dangereux pour le circuit électrique car il est proportionnelle au champ magnétique, et par conséquent son intensité est faible. Ce qui est dangereux pour le circuit, c'est la tension induite aux bornes du circuit électrique. En effet, celle-ci est proportionnelle à la variation du champ magnétique.
En première approximation, on peut se servir des relations suivantes :

Foudre : courant électrique très bref et de très forte intensité
Le courant et la tension induits dans le ciruit se calcule en première approximation par les relations suivantes :
Calcul du courant et de la tension induits par le champ magnétique de la foudre dans un circuit électrique
B(t) : Champ magnétique
S : Surface de la boucle d'induction du circuit électrique
L : Inductance propre du circuit électrique

Comme la valeur du champ magnétique B(t) est faible (∼ 300 µT pour un point d'impact à 10 mètres → voir graphe ci-dessus), le courant induit i(t) dans le circuit reste faible.

Par contre, la tension induite u(t) est proportionnelle à la variation du champ magnétique, ce qui implique de très forte tensions induites, vue que la variation du champ magnétique est très brutale. Ces surtensions sont destructrices pour les modules photovoltaïques ainsi que pour l'onduleur et les autres matériels électriques présents.
     

Ces deux relations montrent, par ailleurs, que la surface de la boucle d'induction du circuit électrique joue un rôle important. Dans la pratique, on essaiera toujours de minimiser cette surface en mettant en place un câblage adapté :

Câblage des modules photovoltaïques : miniser les surfaces des boucles


Sur l'illustration ci-dessous, la surface de la boucle S2 est plus petite que la surface de la boucle S1. Cela a pour effet immédiat de limiter la surtension induite dans le circuit.

Exemple de surtension avec une surface de boucle de 20 m² :

Câblage des modules photovoltaïques : miniser les surfaces des boucles


Exemple de surtension avec une surface de boucle de 2 m² :

Câblage des modules photovoltaïques : miniser les surfaces des boucles
On constate évidemment que la surtension induite est d'autant moins importante que la surface de la boucle d'induction du circuit électrique est faible. Dans le deuxième exemple ci-dessus (S = 2 m²), on atteint des surtensions correctes (∼ 500 V) pour des coup de foudre dont l'impact est situé à plus de 50 mètres. Evidemment, plus le point d'impact est proche, plus il est difficile d'atténuer la surtension.