Protection contre les surtensions pour les panneaux solaires : Dimensionnement et coordination 2025

Le dimensionnement et la coordination des parasurtenseurs pour panneaux solaires déterminent si votre installation de panneaux solaires survivra aux coups de foudre et aux événements transitoires qui menacent les équipements coûteux. Une bonne protection contre les surtensions ne se limite pas à l'installation de dispositifs génériques : il faut calculer les valeurs nominales appropriées, coordonner plusieurs niveaux de protection et intégrer les parasurtenseurs aux systèmes de protection contre les surintensités et de mise à la terre. Ce guide complet couvre tout ce dont les concepteurs et les installateurs de systèmes solaires ont besoin pour assurer une protection efficace contre les surtensions.

La foudre représente la principale menace pour les installations solaires, un seul coup délivrant suffisamment d'énergie pour détruire instantanément des onduleurs, des modules et des systèmes de surveillance d'une valeur de plusieurs dizaines de milliers de dollars. Même les coups presque manqués à des centaines de mètres de distance induisent des tensions dommageables par couplage électromagnétique avec les conducteurs du réseau. Une sélection appropriée des parasurtenseurs permet d'éviter ces pertes grâce à un dimensionnement et une coordination systématiques.

Comprendre les exigences en matière de parasurtenseurs pour les panneaux solaires

Ce qui rend la protection solaire contre les surtensions unique

Les systèmes solaires photovoltaïques présentent des défis uniques en matière de protection contre les surtensions par rapport aux installations électriques standard. Les panneaux photovoltaïques sont installés dans des endroits exposés - souvent les points les plus élevés des bâtiments - ce qui en fait des cibles pour la foudre. Les longs conducteurs de courant continu entre les panneaux et les onduleurs agissent comme des antennes de collecte de l'énergie électromagnétique des coups de foudre, convertissant les champs transitoires en tensions et courants dommageables.

La protection contre les surtensions en courant continu diffère fondamentalement des applications en courant alternatif. Le courant continu maintient une tension constante sans passage par zéro, ce qui crée des arcs soutenus dans les dispositifs de protection que les systèmes à courant alternatif évitent grâce à des zéros de courant naturels se produisant 120 fois par seconde. Les parasurtenseurs pour l'énergie solaire doivent relever le défi de l'extinction de l'arc CC tout en fonctionnant à des tensions atteignant couramment 600 à 1 500 V, ce qui est nettement plus élevé que les tensions CA résidentielles.

Les panneaux solaires restent sous tension dès que la lumière atteint les modules, ce qui rend impossible une mise hors tension complète sans couvrir physiquement les panneaux ou attendre l'obscurité. Cette mise sous tension permanente signifie que les parasurtenseurs doivent prendre en charge simultanément les tensions côté ligne et côté charge - l'ouverture des déconnexions n'élimine pas les risques d'électrocution ou de surtension du côté de l'équipement du panneau solaire.

💡 Aperçu clé : La protection contre les surtensions solaires n'est pas un équipement de luxe optionnel - la norme NEC 690.35 impose des dispositifs de protection contre les surtensions lorsque les conducteurs des circuits CC se trouvent à plus de 2 mètres du champ solaire, ce qui couvre pratiquement toutes les installations, à l'exception des systèmes de micro-onduleurs dotés d'une électronique au niveau du module.

NEC 690.35 Exigences de dimensionnement

L'article 690.35 du NEC établit les exigences relatives aux dispositifs de protection contre les surtensions pour les systèmes photovoltaïques, y compris les dispositions spécifiques concernant le dimensionnement et la coordination. L'article 690.35(A) impose des dispositifs de protection contre les surtensions pour les circuits CC lorsque les conducteurs sont situés à plus de 2 mètres (6,6 pieds) du groupe photovoltaïque, ce qui impose une protection contre les surtensions à presque toutes les installations solaires, à l'exception de celles dotées de micro-onduleurs montés directement sur les modules.

Le code exige que les dispositifs de protection solaire soient conçus pour la tension et l'intensité maximales disponibles à leur point d'installation. L'article 690.35(D) précise que les disjoncteurs doivent avoir une tension nominale adaptée à la tension du circuit et une intensité nominale suffisante pour le courant de défaut disponible. Bien que le code ne précise pas les valeurs nominales exactes, il confère aux concepteurs la responsabilité de calculer et de spécifier correctement les valeurs nominales adéquates.

Les exigences relatives à l'emplacement de l'installation en vertu de l'article 690.35 stipulent que les disjoncteurs doivent être installés au premier endroit facilement accessible sur les circuits de courant continu. Pour la plupart des systèmes, il s'agit de combinateurs de réseaux, de sectionneurs CC principaux à l'entrée du bâtiment ou de bornes d'entrée CC de l'onduleur. La flexibilité du code permet aux concepteurs d'optimiser l'emplacement de la protection en fonction de la configuration du système tout en s'assurant que la protection contre les surtensions existe là où elle est la plus efficace.

Sélection du courant nominal de surtension

Calcul du courant de décharge nécessaire

Le courant nominal des parasurtenseurs doit tenir compte du courant de surtension maximal attendu sur le lieu d'installation en fonction de l'exposition à la foudre et de la configuration du système. Le courant de décharge nominal (In) indique le courant de surtension que l'appareil peut supporter de manière répétée sans dégradation - généralement testé avec 15 à 20 applications de surtension. Le courant de décharge maximal (Imax) représente la surtension unique la plus élevée à laquelle l'appareil survit sans défaillance catastrophique.

L'évaluation de l'exposition à la foudre permet de déterminer les valeurs de courant appropriées. Le niveau kéraunique - la moyenne annuelle des jours d'orage - indique le risque relatif de foudre. Les régions comptant plus de 40 jours d'orage par an sont exposées à un risque élevé, ce qui nécessite une protection robuste contre les surtensions. Les données sur la densité des éclairs au sol, lorsqu'elles sont disponibles, permettent une évaluation plus précise du risque de foudre, mesuré en éclairs par kilomètre carré et par an.

L'emplacement de l'installation a une incidence sur le courant nominal requis. Les combinateurs de panneaux et les déconnecteurs CC principaux situés à proximité des panneaux exposés sont confrontés à l'énergie de surtension la plus élevée, ce qui nécessite des parasurtenseurs de type 1 avec des intensités nominales de 10/350μs. Les équipements tels que les entrées CC des onduleurs sont confrontés à des surtensions atténuées après que l'impédance du conducteur a réduit l'énergie, ce qui permet d'utiliser des dispositifs de type 2 avec des valeurs nominales inférieures de 8/20μs. Les différentes formes d'onde représentent un contenu énergétique radicalement différent - les formes d'onde 10/350μs délivrent environ 20 fois plus d'énergie que les 8/20μs à la même intensité de crête.

Type 1 vs Type 2 Courants nominaux

Les parafoudres de type 1 sont testés avec des formes d'ondes de courant de 10/350μs simulant les caractéristiques du courant de foudre direct. La longue queue de 350 microsecondes de cette forme d'onde fournit une énergie élevée et soutenue qui nécessite une construction robuste du parafoudre. Les dispositifs de type 1 de 40 kA (10/350μs) gèrent environ 10 mégajoules d'énergie par impulsion, ce qui est suffisant pour vaporiser des dispositifs de protection inadéquats.

Les parasurtenseurs de type 2 sont testés avec des formes d'ondes de 8/20μs représentant les courants de foudre induits et les transitoires de commutation. La queue plus courte de 20 microsecondes contient beaucoup moins d'énergie que les formes d'ondes de type 1. Un dispositif de type 2 de 20 kA (8/20μs) gère environ 250 kilojoules, soit 2,5% de l'énergie gérée par un dispositif de type 1 de 40 kA. Cette différence spectaculaire explique pourquoi les appareils de type 1 coûtent beaucoup plus cher et pourquoi il est essentiel de choisir un type de disjoncteur adapté à chaque emplacement.

Ne confondez pas les courants nominaux - un dispositif de type 2 de 20 kA n'est PAS équivalent à un dispositif de type 1 de 20 kA, même si le courant de crête est le même. Le traitement de l'énergie diffère par des ordres de grandeur. Un dispositif de type 2 de 20 kA (8/20μs) gère une énergie similaire à celle d'un dispositif de type 1 de 2 à 3 kA (10/350μs). Il faut toujours spécifier le courant nominal ET le type de forme d'onde pour assurer une sélection correcte de l'appareil.

⚠️ Important : Méfiez-vous des fabricants de parasurtenseurs qui n'indiquent que des valeurs nominales de courant de crête sans préciser le type de forme d'onde. Cette omission cache souvent une gestion de l'énergie de qualité inférieure. Exigez des spécifications complètes comprenant “In (10/350μs)” pour les appareils de type 1 et “In (8/20μs)” pour les appareils de type 2.

Coordination des calibres de tension

Tension maximale de fonctionnement continu (MCOV)

La tension maximale de fonctionnement continu représente la tension la plus élevée qu'un parasurtenseur supporte en continu sans dégradation ni fausse activation. La MCOV doit dépasser la tension maximale apparaissant aux bornes du parasurtenseur dans toutes les conditions normales de fonctionnement, y compris les variations de température, les effets d'ombrage partiel et le comportement de suivi du point de puissance maximale de l'onduleur.

La tension des panneaux solaires varie considérablement en fonction de la température et de l'irradiation. Le froid augmente considérablement la tension en circuit ouvert des modules - certains modules gagnent 0,3-0,4% par degré Celsius en dessous des conditions d'essai standard. Un module de 40V VOC à 25°C peut atteindre 50V à -20°C, ce qui représente une augmentation de 25%. Les calculs de tension de chaîne doivent tenir compte de ce coefficient de température en utilisant la méthodologie de la température ambiante la plus basse prévue par la norme NEC 690.7.

La tension du point de puissance maximale diffère de la tension en circuit ouvert, qui correspond généralement à 75-85% de la VOC. Les onduleurs font normalement fonctionner les réseaux à la tension MPP, ce qui en fait la tension pertinente pour la sélection du MCOV plutôt que la VOC. Cependant, les spécifications des parasurtenseurs doivent tenir compte de toute la plage de tension, du minimum MPPT au maximum VOC corrigé en fonction de la température. Le MCOV doit dépasser la tension MPP de 10-20%, ce qui offre une marge pour les variations de tension sans approcher la VOC où une protection pourrait être nécessaire.

Sélection de l'indice de protection contre la tension (VPR)

L'indice de protection de la tension, également appelé tension de serrage, indique la tension maximale apparaissant sur l'équipement protégé en cas de surtension. Des valeurs VPR plus faibles offrent une meilleure protection en limitant l'exposition à la tension à des niveaux plus sûrs. Toutefois, la VPR doit rester suffisamment supérieure à la MCOV pour éviter toute fausse activation du parasurtenseur lors de transitoires de tension normaux dus aux effets de la limite des nuages, à la commutation des onduleurs ou à d'autres opérations légitimes du système.

La tension de résistance de l'équipement établit la limite supérieure du RVP acceptable. Les onduleurs supportent généralement une tension de 2 000 à 2 500 V sur les entrées en courant continu, bien que les spécifications varient selon le fabricant et le modèle. La VPR du parasurtenseur plus l'augmentation de tension due à l'inductance du câble doivent rester inférieures à cette limite de l'équipement. Si le VPR est égal à 1500V et que l'inductance du câble ajoute 400V de dépassement pendant les transitoires rapides, l'exposition effective de l'équipement atteint 1900V - ce qui est adéquat pour une résistance de 2000V, mais marginal pour les équipements ayant des limites inférieures.

Coordonner le VPR sur plusieurs niveaux de protection pour assurer un fonctionnement correct. Lors de l'utilisation en série de parafoudres de type 1 et de type 2, le dispositif de type 1 doit avoir un VPR plus élevé (typiquement 1800-2000V) tandis que les dispositifs de type 2 ont un serrage plus serré (1200-1500V). Cette différence de tension garantit que le dispositif de type 1 en amont s'active en premier pour gérer une énergie élevée, puis que le dispositif de type 2 assure un serrage fin pour la protection de l'équipement une fois que l'énergie de la surtension est redescendue à des niveaux gérables.

Considérations relatives à la tension de string et à la tension du système

La tension de chaque branche détermine les exigences en matière de protection contre les surtensions au niveau du combinateur, tandis que la tension du système combiné affecte la protection de la déconnexion principale et de l'entrée de l'onduleur. Un système composé de dix branches de 500 V en parallèle présente une tension de 500 V aux parasurtenseurs à chaque position de branche, mais peut se combiner en un système de 5 kW fonctionnant à la même tension de 500 V avec une capacité de courant plus élevée. La protection par branche ne voit que le courant de surtension de chaque branche, et non le courant combiné de plusieurs branches.

Cependant, les protections contre les surtensions de la déconnexion CC principale et de l'entrée de l'onduleur doivent gérer l'énergie de surtension combinée de toutes les branches parallèles. Si chaque branche peut fournir un courant de surtension de 1 000 A, un réseau de dix branches peut fournir 10 000 A au niveau de la déconnexion principale lors d'événements affectant plusieurs branches simultanément. Les protecteurs de surtension de la déconnexion principale doivent avoir des valeurs nominales de courant correspondant à cette exposition combinée, généralement 2 à 3 fois le courant de surtension de chaque branche.

La configuration d'un système avec ou sans mise à la terre affecte différemment les valeurs nominales de tension. Les systèmes non mis à la terre (flottants) développent une tension symétrique sur les conducteurs positifs et négatifs par rapport à la terre - un système de 600 V peut afficher +300 V et -300 V par rapport à la terre. Les parasurtenseurs de chaque conducteur ne voient que la tension entre le conducteur et la terre, ce qui peut permettre l'utilisation d'appareils moins performants. Les systèmes mis à la terre placent la tension totale sur le conducteur non mis à la terre, ce qui nécessite des protections de surtension plus élevées sur ce conducteur.

Coordination de la protection à plusieurs niveaux

Protection primaire à l'origine du réseau

La protection primaire contre les surtensions est généralement installée au niveau des combinateurs de réseaux ou des boîtiers de chaînes où les conducteurs proviennent des réseaux photovoltaïques exposés. Ce premier niveau de protection est confronté à une énergie de surtension maximale provenant de coups de foudre directs ou de courants induits électromagnétiquement par des coups de foudre proches. Les parafoudres de type 1 conçus pour des formes d'ondes de 10/350μs offrent une robustesse appropriée pour la protection primaire.

Les courants nominaux de l'étage primaire doivent tenir compte des pires scénarios de foudroiement direct. Les coups de foudre sur les réseaux ou les structures voisines peuvent injecter des courants supérieurs à 100 kA dans les systèmes électriques. Bien que les parasurtenseurs individuels ne gèrent pas la totalité de ce courant - il se répartit sur plusieurs chemins vers la terre -, il convient d'évaluer de manière prudente la protection primaire à 40-60 kA (10/350μs) dans les zones modérément exposées et à 80-100 kA dans les zones fortement exposées.

Installez la protection primaire avec des connexions à la terre les plus courtes possibles en utilisant des conducteurs de calibre 6 AWG minimum pour les appareils de type 1. Chaque mètre de conducteur de terre introduit une inductance d'environ 1μH, ce qui provoque une élévation de tension d'environ 1kV par mètre pendant les taux d'élévation de courant de surtension typiques. Les longues connexions à la terre nuisent à l'efficacité de la protection en permettant une augmentation excessive de la tension malgré le fonctionnement du parasurtenseur. Essayez d'avoir des connexions à la terre de moins d'un mètre en utilisant des lignes droites sans coudes inutiles.

🎯 Pro Tip : Monter les parafoudres primaires à l'intérieur des boîtes de raccordement ou à proximité immédiate de celles-ci plutôt que de les installer à distance sur les murs. Le montage rapproché minimise les longueurs des conducteurs protégés et des électrodes de mise à la terre, ce qui améliore considérablement l'efficacité de la protection tout en réduisant au minimum les coûts.

Protection secondaire à l'entrée du bâtiment

La protection secondaire aux points d'entrée du bâtiment - typiquement les déconnexions CC principales - fournit une protection de secours et protège contre les surtensions entrant du côté du système électrique du bâtiment. Cet étage de protection fonctionne après que l'impédance du conducteur a atténué l'énergie de surtension provenant des événements d'origine du réseau, ce qui permet des courants nominaux légèrement inférieurs à ceux de la protection primaire tout en conservant des marges de sécurité adéquates.

Les parafoudres de type 1 restent appropriés pour les entrées de bâtiment malgré une exposition énergétique réduite, offrant une robustesse contre les menaces inattendues. La protection secondaire doit être évaluée à 30-50 kA (10/350μs) en fonction de la distance de la protection primaire et de l'exposition à la foudre. Les systèmes avec de longs parcours de conducteurs entre la protection primaire et la protection secondaire bénéficient de valeurs nominales secondaires plus élevées, car l'énergie électromagnétique se couple davantage dans les longs segments de conducteurs.

Coordonner les tensions nominales des protections secondaires pour qu'elles s'activent à des tensions légèrement inférieures à celles des dispositifs primaires. Si la protection primaire s'enclenche à 1800 V et la secondaire à 1600 V, pendant le fonctionnement coordonné, le dispositif primaire gère l'énergie initiale de la surtension, puis le dispositif secondaire fournit un enclenchement supplémentaire lorsque le courant diminue. Cette progression de la tension guide l'énergie de surtension à travers les étapes de protection sans que les dispositifs ne se battent entre eux.

Protection tertiaire au niveau de l'équipement

L'étage de protection final au niveau des entrées CC de l'onduleur et d'autres équipements sensibles fournit un serrage précis de la tension pour la protection de l'électronique. Les parasurtenseurs de type 2 conçus pour des formes d'ondes de 8/20μs conviennent aux emplacements des équipements où la protection en amont et l'impédance des conducteurs ont réduit les menaces de surtension à des niveaux modérés. La protection au niveau de l'équipement se concentre sur le serrage de la tension plutôt que sur la gestion maximale de l'énergie.

La protection de l'équipement doit être évaluée à 15-25 kA (8/20μs), ce qui offre une capacité adéquate pour les surtensions atteignant cet emplacement. Les valeurs nominales inférieures à celles des appareils de type 1 reflètent la menace réduite aux emplacements protégés des équipements, et non une protection inadéquate. Essayer d'utiliser des appareils de type 1 partout, c'est gaspiller de l'argent pour des capacités inutiles de haute énergie, tout en offrant potentiellement un moins bon blocage de la tension en raison du VPR généralement plus élevé des appareils de type 1.

Installez les parasurtenseurs au niveau de l'équipement directement sur les bornes de l'appareil protégé, idéalement à moins de 0,5 mètre. L'augmentation de la tension de l'inductance du conducteur s'avère particulièrement critique aux emplacements des équipements où une tension de serrage serrée protège les semi-conducteurs sensibles. Même de courtes distances entre le parasurtenseur et l'équipement introduisent une élévation de tension qui annule les avantages de la protection. De nombreux onduleurs modernes intègrent une protection contre les surtensions, ce qui élimine les exigences d'installation externe, mais il convient de vérifier que la protection intégrée répond aux besoins du système avant de sauter les dispositifs externes.

Exigences en matière de mise à la terre et d'installation

Intégration du système d'électrodes au sol

L'efficacité des parasurtenseurs dépend essentiellement d'une mise à la terre correcte. Les parasurtenseurs détournent le courant de surtension vers la terre, ce qui nécessite des connexions à la terre à faible impédance pour fonctionner efficacement. Tous les parasurtenseurs d'une installation solaire doivent être connectés à un système d'électrodes de terre commun, afin d'éviter les différences de potentiel de terre qui provoquent un flux de courant de surtension à travers l'équipement entre les points de terre.

Le système d'électrodes de terre doit être conforme ou supérieur aux exigences de la norme NEC 250.50, et se compose généralement de tiges de terre, d'acier de construction ou d'électrodes enrobées de béton reliées entre elles. Les installations solaires bénéficient d'une mise à la terre améliorée au-delà du code minimum - plusieurs tiges de terre espacées de plus de 2 mètres et reliées par des conducteurs en cuivre de calibre 4 AWG ou plus fournissent une impédance plus faible que les systèmes à tige unique.

Le dimensionnement du conducteur de terre du parasurtenseur affecte les performances de la protection davantage par l'inductance que par la résistance. Une électrode de terre de 10Ω avec un conducteur droit de 1 mètre de calibre 6 AWG offre de meilleures performances de protection contre les surtensions qu'une électrode de 5Ω reliée à 10 mètres de fil enroulé de calibre 10 AWG. L'inductance du conducteur le plus long crée une augmentation de tension pendant les courants de surtension rapides qui annule la résistance inférieure. Donner la priorité aux conducteurs de terre courts et droits, même au prix d'une résistance légèrement plus élevée.

Minimisation de la longueur des fils

La longueur du câble entre les parafoudres et l'équipement protégé a un impact direct sur l'efficacité de la protection. Chaque mètre de conducteur introduit une inductance d'environ 1μH, provoquant une élévation de tension d'environ 1kV par mètre pendant les taux d'élévation de courant de surtension typiques de la foudre (1kA/μs). Cette augmentation de tension inductive s'ajoute à la tension de serrage du parasurtenseur, réduisant l'efficacité de la protection ou permettant même une tension dommageable malgré le fonctionnement du parasurtenseur.

Dans la mesure du possible, installez les parasurtenseurs à moins de 0,5 mètre des bornes de l'équipement protégé. Ce montage rapproché peut nécessiter de placer les parasurtenseurs à l'intérieur des boîtiers d'équipement ou des boîtes de jonction immédiatement adjacentes plutôt que dans des emplacements muraux pratiques. Les inconvénients de l'installation s'avèrent utiles pour améliorer considérablement la protection - la réduction des câbles de 3 mètres à 0,5 mètre élimine environ 2 500 V d'augmentation de la tension inductive pendant les transitoires rapides.

Lorsque la séparation entre les parasurtenseurs et l'équipement ne peut être évitée, utiliser des paires torsadées pour les conducteurs positifs et négatifs. La torsion des conducteurs minimise la surface de la boucle magnétique et réduit l'inductance en garantissant que les chemins de courant aller et retour occupent pratiquement le même espace. L'annulation du champ magnétique qui en résulte réduit l'inductance de 50% ou plus par rapport à des conducteurs parallèles séparés même par de petites distances.

Certains fabricants de parasurtenseurs proposent des systèmes de connexion à barre omnibus à faible inductance plutôt que des terminaisons filaires traditionnelles. Ces systèmes utilisent des connexions plates en cuivre qui minimisent l'inductance parasite et permettent d'installer le parasurtenseur un peu plus loin de l'équipement protégé sans augmentation excessive de la tension. Envisagez ces conceptions haut de gamme pour les installations critiques où l'installation d'un parasurtenseur à proximité s'avère difficile, voire impossible.

Coordination de la protection contre les surintensités

Exigences en matière de protection des circuits SPD

La norme NEC 690.35(B) exige une protection contre les surintensités pour les circuits de protection contre les surtensions afin que les dispositifs défaillants ne créent pas de risques d'incendie ou d'électrocution. Les parasurtenseurs tombent parfois en panne à la suite d'une exposition extrême aux surtensions ou du vieillissement des composants, ce qui peut entraîner un courant continu dans les panneaux photovoltaïques et créer des risques thermiques. Les dispositifs de surintensité isolent les parafoudres défaillants avant que des conditions dangereuses ne se développent.

Le calibre des fusibles ou des disjoncteurs doit assurer une protection fiable sans interférer avec le fonctionnement du parasurtenseur. La protection contre les surintensités doit être dimensionnée pour gérer le courant de fuite du parasurtenseur pendant la dérivation normale de la surtension, tout en s'ouvrant de manière fiable en cas de court-circuit du parasurtenseur. Les valeurs nominales typiques se situent entre 15 et 20 A pour les parasurtenseurs solaires à courant continu, mais il convient de vérifier les recommandations du fabricant pour les dispositifs spécifiques.

Certains parasurtenseurs intègrent des déconnecteurs thermiques qui isolent automatiquement les éléments de protection défaillants sans dispositifs de surintensité externes. Ces déconnecteurs internes détectent les températures élevées dues à la défaillance des composants et séparent mécaniquement les éléments défaillants avant qu'un risque d'incendie ne se développe. Les parasurtenseurs dotés d'une protection thermique intégrée peuvent ne pas nécessiter de protection externe contre les surintensités, bien que certaines juridictions imposent des dispositifs externes indépendamment de la protection intégrée.

⚠️ Important : Ne confondez pas les valeurs nominales des parasurtenseurs avec les valeurs nominales des dispositifs de surintensité. Un parasurtenseur de 40 kA se réfère à la capacité de traitement du courant de surtension, et non au courant continu ou au courant de défaut. La protection contre les surintensités de 15 à 20 A protège contre les défauts prolongés en cas de défaillance des composants du parasurtenseur, et non contre les surtensions où des courants momentanés élevés circulent en toute sécurité.

Coordination avec les fusibles à cordes

Les valeurs nominales des fusibles de branche affectent la sélection et la coordination des parasurtenseurs. Lorsque les fusibles de branche protègent les circuits individuels du réseau, les parasurtenseurs installés en aval des fusibles ne voient que le courant qu'une branche peut fournir. Cette disposition permet des courants nominaux de protection contre les surtensions un peu plus faibles puisque les fusibles limitent le courant maximal à leur valeur nominale pendant les défauts en régime permanent (mais pas pendant les surtensions rapides dues à la foudre qui dépassent le temps de réaction des fusibles).

Cependant, les fusibles n'offrent qu'une protection minimale lors des transitoires de foudre très rapides. Les valeurs I²t des fusibles indiquent l'énergie nécessaire pour faire fonctionner les fusibles - même les fusibles “rapides” ont besoin de quelques millisecondes pour s'ouvrir alors que les pointes de courant de la foudre se produisent en quelques microsecondes. Pendant cette brève période, le courant de foudre traverse entièrement les fusibles, ce qui peut endommager les parasurtenseurs situés en aval, malgré la présence de fusibles. Dimensionner les parasurtenseurs en fonction du courant de surtension maximal attendu, et non en fonction des valeurs nominales des fusibles de la chaîne.

Coordonner les tensions nominales des parasurtenseurs avec les caractéristiques de passage des fusibles. Les fusibles de qualité limitent l'augmentation de la tension en cas de défaut grâce à leur impédance. Cet effet de limitation de la tension complète mais ne remplace pas le blocage du parasurtenseur. La combinaison de la chute de tension du fusible et de la tension de serrage du parasurtenseur doit rester inférieure à la tension de résistance de l'équipement, ce qui permet d'obtenir des marges de protection adéquates.

Bonnes pratiques d'installation

Connexions correctes des bornes

Les bornes des parasurtenseurs nécessitent des connexions sûres avec des conducteurs de taille appropriée et des valeurs de couple spécifiées. Les connexions lâches introduisent une résistance et une inductance qui dégradent la protection tout en créant des points chauds potentiels dus à l'échauffement de l'I²R pendant les surtensions. Dénudez les conducteurs à la longueur appropriée - généralement 10-12 mm de conducteur exposé - et insérez-les complètement dans les bornes avant de les serrer.

L'utilisation d'embouts sur les conducteurs toronnés permet d'obtenir une fiabilité de terminaison équivalente à celle des conducteurs rigides. Les fils toronnés non ferrulés ont tendance à se séparer sous l'effet de la compression, les brins individuels se pliant au lieu de créer un contact uniforme. Les embouts rassemblent les brins en unités solides, ce qui évite ce comportement. Certaines juridictions imposent des terminaisons par embout sur tous les conducteurs torsadés connectés à des parasurtenseurs et autres dispositifs de protection.

Serrez les vis des bornes selon les spécifications du fabricant à l'aide de clés dynamométriques calibrées. Un serrage insuffisant crée des connexions lâches qui surchauffent et se corrodent, tandis qu'un serrage excessif endommage les bornes ou arrache les vis. La plupart des bornes de protection contre les surtensions spécifient un couple de 7-9 lb-in pour des conducteurs de 12-10 AWG, mais il faut toujours vérifier les exigences spécifiques du produit. Consignez les valeurs de serrage lors de l'installation et prévoyez une nouvelle vérification au bout de 6 à 12 mois afin de détecter tout desserrement dû aux cycles thermiques.

Étiqueter les circuits de protection contre les surtensions en identifiant clairement leur fonction, leur tension nominale, leur courant nominal et la protection contre les surintensités qui leur est associée. Les étiquettes permanentes utilisant des matériaux conçus pour l'extérieur et résistant à la décoloration facilitent l'entretien et le dépannage ultérieurs. Inclure des spécifications de remplacement afin de s'assurer que des dispositifs corrects remplacent les unités défaillantes - les étiquettes génériques “protecteur de surtension” sans valeurs nominales invitent à des remplacements inappropriés qui ne protègent pas de manière adéquate.

Indication de l'état et surveillance

Les parasurtenseurs de qualité intègrent des indicateurs visuels indiquant leur état de fonctionnement. Les LED ou indicateurs verts indiquent que les parasurtenseurs sont en bonne santé et prêts à fournir une protection, tandis que les indicateurs rouges ou les LED vertes éteintes signalent une défaillance nécessitant un remplacement. Vérifiez les indicateurs lors de l'entretien de routine, tous les trimestres dans les endroits très exposés ou tous les ans ailleurs, et remplacez immédiatement les parasurtenseurs défectueux.

Certains parasurtenseurs haut de gamme offrent une surveillance à distance par le biais de contacts secs ou de connexions réseau qui signalent l'état aux systèmes de gestion des bâtiments. Cette capacité s'avère particulièrement précieuse pour les grandes installations commerciales ou utilitaires où les inspections manuelles fréquentes s'avèrent peu pratiques. La surveillance à distance permet une maintenance proactive - la réception d'alertes en cas de défaillance des parafoudres permet de les remplacer immédiatement et de maintenir une protection continue.

Après un coup de foudre à proximité, inspectez les parasurtenseurs même s'ils ne présentent pas d'indication visuelle de défaillance. La foudre peut endommager les composants en deçà de leurs seuils de défaillance, laissant les parasurtenseurs opérationnels mais dégradés. Bien que l'appareil puisse passer les contrôles de l'indicateur, sa capacité de protection a été compromise, ce qui l'empêche de gérer correctement les surtensions ultérieures. Un remplacement proactif après un coup de foudre permet d'éviter d'endommager l'équipement lors d'un autre coup de foudre au cours de la même saison orageuse.

Erreurs d'installation courantes

❌ Courants nominaux sous-dimensionnés

Problème : Installer des parasurtenseurs dont le courant nominal n'est pas adapté à l'exposition prévue aux surtensions sur le lieu d'installation.

Scénarios courants :
- Utilisation de dispositifs de type 2 de 15 kA aux points d'origine des réseaux nécessitant une protection de type 1
- Choisir des parafoudres en fonction du prix plutôt que de l'évaluation de l'exposition à la foudre
- Ne pas faire la distinction entre les formes d'ondes de courant nominal 8/20μs et 10/350μs.

Correction : Évaluer l'exposition à la foudre à l'aide du niveau kéraunique ou des données sur la densité des éclairs au sol. Installer des parasurtenseurs de type 1 d'une capacité minimale de 40 kA (10/350μs) au niveau des combinateurs de réseau et des déconnexions principales dans les régions modérément exposées, cette capacité étant portée à 60-100 kA dans les zones fortement exposées. Utilisez des dispositifs de type 2 d'une capacité minimale de 20 kA (8/20μs) aux emplacements des équipements. Les dispositifs plus performants coûtent plus cher, mais ils permettent d'éviter des dommages coûteux à l'équipement, ce qui justifie l'investissement.

❌ Longueur excessive des câbles

Problème : Installer les parafoudres à distance de l'équipement protégé avec de longs conducteurs de connexion entre le parafoudre et les bornes de l'équipement.

Scénarios courants :
- Les parasurtenseurs à montage mural sont éloignés de quelques mètres des onduleurs pour une installation soignée.
- Acheminement des câbles de protection contre les surtensions dans des conduits complexes au lieu de connexions directes
- Installer les parasurtenseurs dans des boîtes de jonction plutôt que directement sur l'équipement protégé.

Correction : Monter les parasurtenseurs à moins de 0,5 mètre de l'équipement protégé en utilisant des fils droits les plus courts possibles. Chaque mètre de conducteur ajoute environ 1kV à la tension lors des transitoires rapides, ce qui dégrade l'efficacité de la protection. Acceptez des installations un peu plus désordonnées avec des parasurtenseurs montés à proximité plutôt qu'un montage à distance soigné qui compromet la protection. De nombreux équipements sont endommagés malgré la présence d'un parasurtenseur en raison de l'augmentation de tension due à la longueur des conducteurs, ce qui annule les avantages du serrage.

❌ Connexions de mise à la terre incorrectes

Problème : Connexions à la terre des parasurtenseurs utilisant des conducteurs de taille inadéquate, des longueurs excessives, des circuits ou plusieurs électrodes de terre séparées.

Scénarios courants :
- Utilisation d'un calibre minimum de 14 AWG au lieu du calibre optimal de 6-10 AWG pour les dispositifs de type 1
- Enrouler la longueur excédentaire du conducteur de terre au lieu de la couper à la longueur minimale
- Mise à la terre de différents parafoudres sur des électrodes séparées, créant ainsi des boucles de terre.

Correction : Utilisez un calibre minimum de 10 AWG pour les parasurtenseurs de type 2 et de 6 AWG pour les appareils de type 1. Acheminer les conducteurs de terre en ligne droite, sans coudes ni bobines inutiles - les lignes droites présentent une inductance plus faible que les lignes courbes, même si elles sont de longueur identique. Relier tous les parasurtenseurs et les équipements protégés à un système d'électrodes de mise à la terre unique et commun afin d'éviter les différences de potentiel de terre qui entraînent un courant de surtension à travers l'équipement entre les points de mise à la terre.

❌ Absence de suivi de l'état de la situation

Problème : Installer des parasurtenseurs sans indicateurs visuels ou ne jamais inspecter l'état de fonctionnement, laisser des dispositifs défectueux dans les systèmes pendant de longues périodes.

Scénarios courants :
- Spécifier les parafoudres les moins chers qui ne disposent pas de fonctions d'indication d'état
- Pas de procédures d'inspection de routine de l'état de fonctionnement des parasurtenseurs
- En supposant que les parafoudres assurent une protection continue pendant toute la durée de vie du système sans entretien

Correction : Spécifier des parafoudres avec indication visuelle de l'état de fonctionnement en un coup d'œil. Inclure l'inspection des parasurtenseurs dans les procédures de maintenance de routine - vérifier les indicateurs tous les trimestres dans les lieux très exposés et tous les ans ailleurs. Remplacez immédiatement les parasurtenseurs défectueux plutôt que de les remettre à plus tard. Un fonctionnement sans protection fonctionnelle contre les surtensions risque d'entraîner des dommages coûteux à l'équipement lors du prochain épisode de foudre, dépassant facilement le coût d'un remplacement proactif des protecteurs de surtension.

Considérations relatives aux applications spéciales

Réseaux au sol

Les installations solaires au sol sont confrontées à des menaces de surtension différentes de celles des installations en toiture. Les installations en plein champ constituent des cibles de choix pour la foudre, avec une protection minimale contre les structures environnantes. Cependant, les installations au sol permettent des approches de protection plus complètes, y compris des systèmes externes de protection contre la foudre avec des terminaux aériens qui interceptent les coups avant qu'ils n'atteignent l'équipement.

Envisager la conception d'un système supplémentaire de protection contre la foudre (LPS) conformément à la norme NFPA 780 ou à la norme IEC 62305 pour les grands réseaux de terre situés dans des endroits très exposés. Un système de protection contre la foudre correctement conçu avec des bornes d'air, des conducteurs de descente et des anneaux de mise à la terre intercepte certains coups directs, réduisant ainsi la demande en parasurtenseurs. Cependant, les LPS n'éliminent pas les exigences en matière de protection contre les surtensions - les surtensions induites par les coups à proximité et l'augmentation de la tension des LPS pendant la décharge menacent toujours les équipements nécessitant une protection contre les surtensions.

Les parafoudres pour réseaux de terre bénéficient d'une installation distribuée plutôt que d'une protection en un seul point. L'installation de parasurtenseurs au niveau des combinateurs de rangées et des points de collecte du réseau principal répartit l'énergie de surtension entre plusieurs dispositifs, ce qui améliore la capacité de survie du système. Cette approche distribuée coûte plus cher mais s'avère intéressante pour les grandes installations de valeur où les dommages causés par la foudre pourraient entraîner la perte d'une grande partie de la capacité de production.

Systèmes photovoltaïques flottants ou mis à la terre

Les systèmes PV flottants (sans mise à la terre) où aucun conducteur porteur de courant ne se connecte intentionnellement à la terre nécessitent des parasurtenseurs tripolaires protégeant simultanément le positif, le négatif et la mise à la terre de l'équipement. La tension se développe symétriquement sur les deux conducteurs par rapport à la terre - un système de 600 V peut afficher +300 V et -300 V par rapport à la terre. Les parasurtenseurs de chaque conducteur doivent avoir une tension nominale adéquate pour la tension entre le conducteur et la terre.

Les systèmes photovoltaïques mis à la terre avec un conducteur porteur de courant relié à la terre peuvent utiliser des parasurtenseurs bipolaires sur le conducteur non relié à la terre et sur la terre de l'équipement uniquement. Le conducteur solidement mis à la terre se connecte directement au système d'électrodes, ce qui ne nécessite pas de parafoudre. Cependant, de nombreuses installations utilisent une protection tripolaire même sur les systèmes mis à la terre, ce qui permet d'améliorer les marges de protection et de prendre en compte les modifications futures du système qui pourraient se convertir en configurations flottantes.

L'interaction entre les systèmes de détection des défauts à la terre et les parasurtenseurs doit être prise en compte à la fois dans les systèmes mis à la terre et dans les systèmes flottants. Les parasurtenseurs créent des chemins conducteurs intentionnels vers la terre lorsqu'ils fonctionnent, ce qui peut entraîner le déclenchement des systèmes de détection des défauts à la terre en cas de surtension. Choisissez des systèmes de détection de défauts à la terre dont les seuils sont supérieurs aux courants de fuite et de passage des parasurtenseurs, tout en conservant la sensibilité nécessaire pour détecter les défauts à la terre dangereux nécessitant une interruption.

Systèmes à haute tension (>1000V DC)

Les installations solaires fonctionnant à plus de 1000 V CC - de plus en plus courantes dans les projets commerciaux et à grande échelle - nécessitent des parasurtenseurs spécialisés conçus pour des tensions extrêmes. Peu de fabricants proposent des produits adaptés à ces tensions, d'où l'importance d'une spécification et d'un approvisionnement précoces. Les délais de livraison des parasurtenseurs haute tension peuvent atteindre plusieurs mois, ce qui nécessite une planification bien en amont des calendriers d'installation.

Les parasurtenseurs haute tension utilisent généralement des tubes à décharge en série dont la tension nominale est supérieure à 1500V. Certains modèles utilisent des technologies hybrides combinant des tubes à décharge et des varistances à oxyde métallique, ce qui permet d'obtenir une réponse rapide et une capacité de tension élevée. Vérifiez que les parasurtenseurs haute tension sont certifiés par des tests appropriés : les dispositifs génériques non répertoriés par une tierce partie peuvent ne pas assurer une coordination adéquate de la tension ou connaître une défaillance catastrophique.

Le personnel travaillant sur des systèmes de courant continu à haute tension a besoin d'une formation spécialisée allant au-delà des qualifications électriques standard. Le potentiel d'arc soutenu du courant continu à haute tension s'avère particulièrement dangereux, ce qui fait de la protection contre les surtensions et de la déconnexion des éléments de sécurité essentiels. Documentez soigneusement les installations de protection contre les surtensions, y compris les schémas de câblage montrant toutes les étapes de protection et leur coordination, afin de faciliter le dépannage et l'entretien ultérieurs.

Questions fréquemment posées

Comment calculer le courant nominal du parasurtenseur pour mes panneaux solaires ?

Calculez les courants nominaux des parasurtenseurs en fonction de l'exposition à la foudre et de l'emplacement de l'installation. Pour les combinateurs de réseau et les déconnexions principales dans les régions à exposition modérée (20-40 jours d'orage par an), spécifiez des protecteurs de surtension de type 1 d'une intensité minimale de 40 kA (10/350μs). Les zones à forte exposition requièrent des protections de 60 à 100 kA. Les équipements tels que les entrées CC des onduleurs utilisent des parasurtenseurs de type 2 de 15 à 20 kA (8/20μs). Ne confondez pas les types de forme d'onde - le type 2 de 20 kA (8/20μs) gère beaucoup moins d'énergie que le type 1 de 20 kA (10/350μs). Indiquez toujours le courant nominal et le type de forme d'onde.

De quel parafoudre ai-je besoin pour une installation solaire de 1000V DC ?

Un système nominal de 1000 V nécessite le calcul de la VOC maximale corrigée en fonction de la température conformément à la norme NEC 690.7 - généralement 1150-1200 V. Choisissez des parasurtenseurs dont la tension maximale de fonctionnement continu (MCOV) dépasse la tension maximale du point de puissance de 10-20%, généralement 1000-1100V MCOV pour les systèmes de 1000V. La tension nominale globale du parasurtenseur doit être comprise entre 1200 et 1500 V CC, ce qui permet d'absorber la tension maximale du point de puissance avec une certaine marge. Vérifier que la tension nominale de protection (VPR) reste inférieure à la tension de résistance de l'équipement - généralement 2000V pour les onduleurs - en tenant compte de l'augmentation de la tension de l'inductance du fil pendant les transitoires rapides.

Puis-je utiliser un grand parasurtenseur au lieu de plusieurs petits appareils ?

Une protection insuffisante nécessite des parasurtenseurs à plusieurs endroits, ce qui crée une défense en profondeur. Installez des dispositifs de type 1 à l'origine des réseaux et à l'entrée des bâtiments pour gérer les surtensions de haute énergie, ainsi que des dispositifs de type 2 à chaque onduleur pour assurer la protection finale de l'équipement. La protection à point unique échoue parce que l'impédance du conducteur entre le parasurtenseur et l'équipement distant introduit une élévation de tension qui annule la protection. Chaque étage de protection traite les menaces correspondant à son emplacement. Plusieurs étages coordonnés offrent une protection supérieure à celle d'un seul appareil, quel que soit son courant nominal.

À quelle distance de l'équipement à protéger les parafoudres doivent-ils être installés ?

Dans la mesure du possible, monter les parasurtenseurs à moins de 0,5 mètre des bornes de l'équipement protégé. Chaque mètre de conducteur introduit une inductance d'environ 1μH, ce qui provoque une augmentation de tension d'environ 1kV pendant les courants de surtension typiques. Cette augmentation inductive s'ajoute à la tension de serrage du parasurtenseur, dégradant la protection - un parasurtenseur monté à 3 mètres de distance introduit une tension supplémentaire d'environ 3 kV malgré sa tension de serrage. Un montage rapproché améliore considérablement l'efficacité de la protection. Utilisez des conducteurs à paires torsadées lorsque la séparation ne peut être évitée afin de minimiser l'inductance de la boucle.

Quelle est la taille du fil de terre nécessaire pour les parasurtenseurs ?

Utilisez du cuivre de calibre 10 AWG au minimum pour les parasurtenseurs de type 2 et du cuivre de calibre 6 AWG au minimum pour les appareils de type 1. Cependant, une installation correcte du conducteur de terre est plus importante que sa taille - un conducteur de 10 AWG en ligne droite de 0,8 m offre de meilleures performances qu'un conducteur de 6 AWG sur 3 mètres de fil enroulé. L'inductance du conducteur de terre affecte les performances de surtension plus que la résistance. Acheminez les conducteurs de terre en suivant les trajets rectilignes les plus courts possibles, sans coudes inutiles. Connecter tous les parasurtenseurs à un système d'électrodes de mise à la terre unique et commun afin d'éviter les différences de potentiel de mise à la terre.

Les parasurtenseurs doivent-ils être remplacés régulièrement même s'ils ne présentent pas de défaillance visible ?

Oui, dans les régions fortement exposées à la foudre, il faut envisager un remplacement proactif tous les 5 à 7 ans, quels que soient les indicateurs d'état. Les parasurtenseurs se dégradent sous l'effet du stress cumulé des surtensions répétées inférieures au seuil qui ne déclenchent pas de défaillances visibles mais réduisent la capacité de protection. Après un coup de foudre à proximité, inspectez les parasurtenseurs et envisagez de les remplacer même en l'absence d'indication de défaillance - le stress peut avoir compromis la protection sans dommages apparents. Les parafoudres défectueux rendent l'équipement vulnérable au prochain coup de foudre, ce qui justifie facilement les coûts de remplacement proactifs.

Puis-je installer des parafoudres en série sans problème de coordination ?

Oui, s'ils sont correctement sélectionnés. Maintenir un conducteur d'au moins 10 à 15 mètres entre les parasurtenseurs de type 1 et de type 2 afin de permettre une coordination naturelle, ou utiliser des parasurtenseurs spécialement conçus pour une coordination rapprochée. Les dispositifs de type 1 doivent se bloquer à une tension plus élevée (1800-2000V) que les dispositifs de type 2 (1200-1500V) afin que les dispositifs en amont s'activent en premier pour traiter l'énergie élevée. Une mauvaise coordination fait que les dispositifs de type 2 s'enclenchent en premier, ce qui les oblige à gérer une énergie supérieure à leur valeur nominale, entraînant une défaillance prématurée. Consulter les guides de coordination des fabricants lors de l'utilisation de plusieurs étages de protection.

Ressources connexes

Pour protéger efficacement les panneaux solaires contre les surtensions, il faut comprendre comment les parasurtenseurs s'intègrent aux autres composants du système de protection.

Pour en savoir plus sur la protection complète contre les surtensions, consultez nos guides détaillés :

– Conception d'un système SPD DC - Spécification complète de protection contre les surtensions
– Protection contre la foudre pour l'énergie solaire - Intégration externe des LPS
– Protection de la boîte de raccordement PV - Installation de protecteurs de surtension dans les combinateurs
– Systèmes de mise à la terre en courant continu - Systèmes d'électrodes de mise à la terre pour l'efficacité contre les surtensions

Vous êtes prêt à mettre en place une protection contre les surtensions correctement dimensionnée pour votre installation de panneaux solaires ? L'équipe technique de SYNODE fournit des conseils d'experts sur la sélection des parafoudres, la détermination de l'intensité et de la tension nominale, et la coordination de la protection à plusieurs niveaux. Nous contribuons à assurer une protection complète contre la foudre répondant aux exigences de la norme NEC 690.35 tout en optimisant l'efficacité de la protection pour des projets allant du résidentiel à l'utilitaire.

Contactez nos ingénieurs d'application pour obtenir une aide au dimensionnement des parasurtenseurs et des services complets de conception de protection des systèmes.

Dernière mise à jour : Octobre 2025
Auteur : L'équipe technique de SYNODE
Révisé par : Département de génie électrique