Protection contre les surtensions (SPD) pour les boîtes de jonction photovoltaïques : prévention des surtensions dues à la foudre et aux surtensions transitoires

Au cours de mes 15 années d'expérience dans la conception de structures de support photovoltaïques et d'équilibrage électrique de systèmes (BOS), j'ai constaté les défaillances catastrophiques de boîtes de jonction dépourvues de protection adéquate contre les surtensions. Un seul impact de foudre dans un rayon de 500 mètres peut induire des surtensions transitoires de l'ordre du kilovolt sur le câblage CC, détruisant diodes, fusibles et circuits de surveillance. Ce guide explique le fonctionnement de la protection contre les surtensions (SPD) pour les boîtes de jonction photovoltaïques, à partir de données de terrain recueillies sur plus de 40 installations dans la région du delta du Yangtsé.

Qu'est-ce qu'un SPD et pourquoi les boîtiers de combinaison PV en ont-ils besoin ?

Un dispositif de protection contre les surtensions (DPS) est un composant limitant la tension et détournant les surtensions transitoires des équipements sensibles. Dans les systèmes photovoltaïques, le circuit CC est particulièrement vulnérable car les longs câbles reliant les modules et le boîtier de raccordement agissent comme de grandes antennes pour les interférences électromagnétiques. Sans DPS, la foudre à proximité peut créer une différence de potentiel de plusieurs milliers de volts aux bornes des conducteurs de la chaîne.

Mes tests de 2021 ont montré qu'une surtension simulée de 20 kA (8/20 µs) induisait une tension résiduelle de 1,8 kV aux bornes du boîtier de raccordement sans protection. Cette valeur dépasse la tension de tenue typique de 1 kV des diodes photovoltaïques standard. Il en résulte souvent une défaillance silencieuse : le système continue de fonctionner, mais avec un rendement réduit, jusqu'à ce qu'un incident thermique survienne.

Les parafoudres protègent contre deux phénomènes distincts : les impacts directs de foudre (type 1) et les transitoires de commutation ou surtensions induites (type 2). Pour les boîtes de jonction situées en plein champ, les deux types sont pertinents, mais l’évaluation des risques dépend de la situation géographique et de la taille du système.

Comment les surtensions transitoires endommagent les composants photovoltaïques

Les surtensions transitoires endommagent les composants par trois mécanismes : le claquage diélectrique, la surcharge thermique et la migration de la métallisation. Le claquage diélectrique se produit lorsque la tension dépasse la tension d'isolation de la jonction de la diode, provoquant un court-circuit immédiat. La surcharge thermique survient lorsque la conduction partielle chauffe le semi-conducteur au-delà de sa température de jonction maximale de 150 °C.

La migration de la métallisation est le mode de défaillance le plus insidieux. Des surtensions répétées de faible intensité provoquent le déplacement des atomes d'aluminium le long du réseau cristallin du silicium, créant des filaments conducteurs qui finissent par court-circuiter la jonction. Ce processus s'étale sur plusieurs mois, ce qui rend difficile de remonter à un événement de foudre précis sans surveillance adéquate.

Mes observations sur le terrain indiquent que 681 TP3T des défaillances de boîtiers de jonction dans les régions exposées à la foudre sont dues à des surtensions transitoires de faible énergie répétées plutôt qu'à un seul impact catastrophique. Cette statistique souligne la nécessité d'une coordination robuste des parafoudres, et non d'une simple protection contre les surtensions.

Symptômes de type 1 et de type 2 : Critères de sélection pour la DC Side

La norme CEI 61643-31 classe les parafoudres pour applications photovoltaïques en deux types : type 1 (T1) et type 2 (T2). Les parafoudres de type 1 sont conçus pour gérer les courants de foudre partiels avec une forme d’onde de 10/350 µs et peuvent dissiper 12,5 kA par pôle. Les parafoudres de type 2 gèrent les surtensions induites avec une forme d’onde de 8/20 µs et dissipent généralement 20 kA par pôle.

Pour les centrales photovoltaïques de grande puissance alimentées par des lignes aériennes, les parafoudres de type 1 sont obligatoires au niveau du tableau de distribution principal. En revanche, pour les boîtes de jonction, la décision est plus nuancée. Si la boîte de jonction se situe à moins de 10 mètres de l'onduleur et que le champ photovoltaïque est installé au sol, les parafoudres de type 2 sont souvent suffisants, à condition que le système de protection contre la foudre externe soit correctement dimensionné.

Suite à des essais réalisés sur une centrale de 10 MW à Anhui, je recommande l'utilisation de parafoudres de type 2 avec un courant de décharge nominal (In) de 20 kA et une tension de fonctionnement continue maximale (Ucpv) d'au moins 1,15 fois la tension en circuit ouvert du système. Cette marge permet de compenser les surtensions dues aux fortes variations d'irradiance et de température.

Niveau de protection contre les surtensions (montée) et coordination

Le niveau de protection contre les surtensions (Up) est la spécification la plus critique pour le choix d'un parafoudre. Il doit être inférieur à la tension de tenue aux impulsions de l'équipement protégé. Pour les boîtes de jonction photovoltaïques, la tension de tenue aux impulsions typique est de 1,5 kV pour les circuits de surveillance et de 2,5 kV pour les circuits de puissance.

La coordination des parafoudres entre le boîtier de raccordement et l'onduleur est essentielle pour éviter les déséquilibres énergétiques. Si le parafoudre du boîtier de raccordement présente une tension de seuil inférieure à celle du parafoudre de l'onduleur, il absorbera la majeure partie de l'énergie, entraînant un vieillissement prématuré. Je recommande une étude de coordination utilisant la méthode en cascade décrite dans la norme IEC 62305-4.

Dans ma pratique, j'installe un parafoudre de type 2 avec une tension de seuil ≤ 1,2 kV au niveau du boîtier de raccordement et un autre parafoudre de type 2 avec une tension de seuil ≤ 1,0 kV au niveau de l'onduleur. La longueur de câble de 10 mètres entre ces deux dispositifs crée une impédance naturelle qui favorise la distribution de l'énergie.

Règles critiques de câblage et d'installation (Données de mes tests sur le terrain)

L'efficacité des parafoudres dépend fortement de la qualité du câblage. Lors d'un audit réalisé en 2022 sur 15 boîtes de jonction, j'ai constaté que 7 d'entre elles étaient équipées de câbles de connexion pour parafoudre de plus de 50 cm. Ceci est inacceptable. L'inductance d'un câble de 50 cm, pour une forme d'onde de 10/350 µs, induit une chute de tension supplémentaire d'environ 15 kV, rendant le parafoudre inefficace.

La première règle est de maintenir les câbles de connexion du parafoudre aussi courts que possible, idéalement moins de 25 cm. La longueur totale des connexions de phase et de terre ne doit pas dépasser 50 cm. Si cela s'avère impossible, utilisez un câblage en V où les câbles de phase et de terre sont parallèles et proches l'un de l'autre afin de minimiser la surface de boucle.

Mes tests montrent que la réduction de la longueur de connexion de 50 cm à 20 cm a permis de diminuer la tension différentielle de 1,8 kV à 1,1 kV sous une même surtension de 20 kA. Cette amélioration du dispositif 39% a été obtenue simplement en rapprochant le parafoudre du bornier et en utilisant une barre de terre dédiée.

Exigences relatives à la terminaison terrestre et à la section transversale

La mise à la terre du parafoudre doit être raccordée à l'électrode de terre du boîtier de raccordement à l'aide d'un fil de cuivre d'une section minimale de 16 mm². Cette section est supérieure à celle généralement utilisée pour la mise à la terre des signaux (6 mm²). Le raccordement doit être effectué par sertissage ou soudage exothermique, et non par simple borne à vis.

J'ai constaté de nombreuses défaillances dues à des installateurs ayant raccordé la terre du parafoudre au châssis du boîtier de raccordement sans électrode de terre dédiée. Cette configuration crée une situation dangereuse : lors d'une surtension, le potentiel du châssis augmente, mettant en danger le personnel et les équipements connectés. L'électrode de terre doit présenter une résistance inférieure à 10 ohms, mesurée par la méthode de la chute de potentiel.

Pour les systèmes photovoltaïques flottants installés sur des plans d'eau, les exigences de mise à la terre sont plus complexes. L'électrode de terre doit être installée sur la structure du ponton et reliée au réseau de terre terrestre par des conducteurs flexibles afin de compenser les variations du niveau d'eau. Cette application spécifique requiert la consultation d'un ingénieur en protection contre la foudre.

Étude de cas : L'épisode de foudre de 2023 dans la province du Jiangsu

En juillet 2023, une centrale photovoltaïque au sol de 5 MW située dans la province du Jiangsu a été frappée directement par la foudre. L'événement a été enregistré par le réseau local de détection de la foudre comme un éclair descendant négatif d'une intensité de crête de -68 kA. La centrale était équipée de boîtes de jonction munies de parafoudres de type 2 d'un fabricant réputé, installés conformément à mes recommandations précédentes.

L'inspection post-incident a révélé que les 12 boîtes de jonction de la chaîne concernée restaient opérationnelles. Les parafoudres s'étaient activés et avaient dévié la surtension vers la terre, comme en témoignent les indicateurs thermiques rouges (indiquant leur fonctionnement). La tension résiduelle à l'entrée de l'onduleur a été mesurée à 1,3 kV, ce qui est conforme à la plage de tolérance aux surtensions de l'onduleur.

Cependant, un boîtier de raccordement présentait des signes de dégradation du parafoudre. La varistance avait réduit sa tension de limitation de 151 V, indiquant une absorption d'énergie importante. J'ai recommandé son remplacement préventif, car les varistances dégradées présentent un risque accru d'emballement thermique lors de surtensions ultérieures.

Cette étude de cas démontre l'efficacité des parafoudres correctement sélectionnés et installés. L'indisponibilité totale a été de 4 heures, principalement pour inspection et vérification. Sans parafoudres, le coût estimé des réparations aurait dépassé 1 400 000 £, incluant le remplacement de 12 boîtes de jonction et les dommages potentiels à l'onduleur.

Leçons apprises et meilleures pratiques

L'événement de 2023 a mis en lumière plusieurs bonnes pratiques à appliquer dans toutes les centrales photovoltaïques. Premièrement, la surveillance de l'état des parafoudres doit être intégrée au système SCADA de la centrale. Cela permet la détection à distance des défaillances ou de la dégradation des parafoudres, et donc leur remplacement en temps opportun avant qu'une surtension ne survienne.

Deuxièmement, des parafoudres de rechange doivent être stockés sur site. Le délai de livraison des parafoudres de remplacement est généralement de 2 à 4 semaines, période pendant laquelle le boîtier de raccordement est exposé. Disposer d'une unité de rechange pour chaque type de parafoudre utilisé dans l'installation permet d'éliminer ce risque.

Troisièmement, un contrôle périodique des parafoudres doit être effectué annuellement. Ce contrôle consiste à mesurer le courant de fuite à la tension de fonctionnement et à le comparer aux spécifications du fabricant. Une augmentation supérieure à 201 V indique une dégradation et justifie le remplacement du parafoudre.

Normes industrielles et références faisant autorité

La conception, la sélection et l'installation des parafoudres pour les systèmes photovoltaïques sont régies par plusieurs normes internationales. La norme principale est CEI 61643-31, Cette norme spécifie les exigences et les méthodes d'essai des parafoudres connectés au côté courant continu des installations photovoltaïques. Elle définit la classification, les caractéristiques de fonctionnement et les exigences de sécurité.

Pour la protection globale contre la foudre des systèmes photovoltaïques, CEI 62305-1 à -4 Ce cadre définit les modalités d'évaluation des risques, de blindage, de mise à la terre et de coordination des parafoudres. Ces normes sont reconnues internationalement et constituent la base de la plupart des codes nationaux, notamment le Code national de l'électricité américain (NEC) et les normes harmonisées européennes.

De plus, le Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) a publié des rapports techniques sur la protection contre les surtensions pour les systèmes photovoltaïques, offrant des conseils pratiques basés sur des recherches de terrain. Je recommande vivement de consulter ces documents avant de concevoir le système de protection de toute centrale photovoltaïque.

Méthodes d'essai et de vérification

La vérification des performances des parafoudres nécessite un équipement spécialisé, notamment un générateur de surtensions capable de produire des formes d'onde de 8/20 µs et de 10/350 µs. Les essais sur le terrain se limitent toutefois à la vérification de l'indicateur d'état du parafoudre, à la mesure du courant de fuite et à la vérification de la résistance de la connexion à la terre.

Pour les essais en laboratoire, le parafoudre doit être soumis à l'essai de fonctionnement décrit dans la norme CEI 61643-31, qui consiste à appliquer une série de surtensions d'amplitude et d'énergie croissantes. Le parafoudre doit maintenir sa tension de limitation dans les limites spécifiées et ne présenter ni emballement thermique ni explosion.

Je tiens à préciser que je n'ai aucun lien financier avec les fabricants de dispositifs de protection individuelle (DPI). Mes recommandations reposent exclusivement sur des données de terrain et des tests de laboratoire indépendants réalisés par un organisme tiers accrédité par le CNAS (Service national d'accréditation de Chine). Ceci garantit l'objectivité et la fiabilité des informations présentées dans ce guide.

En conclusion, la protection contre les surtensions (SPD) des boîtes de jonction photovoltaïques est indispensable : il s’agit d’un élément essentiel à la sécurité et à la fiabilité de votre installation. En respectant les critères de sélection (type 1 ou type 2), en appliquant des règles de câblage strictes et en consultant les normes en vigueur, vous pouvez réduire considérablement les risques de dommages causés par la foudre et les surtensions transitoires. N’oubliez pas que les SPD sont des dispositifs consommables ; ils doivent être inspectés et remplacés dans le cadre de votre programme de maintenance régulière.