Comprendre la signification du DC SPD : MOV vs GDT Technologie de protection 2025

Signification du SPD DC:Le SPD DC - dispositif de protection contre les surtensions pour les systèmes à courant continu - représente un équipement de sécurité critique protégeant les installations solaires photovoltaïques contre les transitoires de tension destructeurs. Comprendre ce que sont les SPD, comment ils fonctionnent et quelles sont les technologies clés qui les composent aide les concepteurs et les installateurs de systèmes à choisir la protection appropriée pour un fonctionnement fiable de l'énergie solaire. Ce guide complet explique les principes fondamentaux des disjoncteurs à courant continu, depuis les principes de fonctionnement de base jusqu'aux technologies avancées des composants.

Le terme “SPD” apparaît dans tous les codes électriques et les spécifications des équipements, mais de nombreux installateurs ont du mal à comprendre ce que ces dispositifs font réellement au-delà de la description générique de “protection contre la foudre”. Pour choisir correctement un SPD, il faut comprendre les technologies sous-jacentes, en particulier les différences entre les varistances à oxyde métallique (MOV) et les éléments de protection à tube à décharge (GDT) qui constituent la base de la plupart des parasurtenseurs solaires.

Que signifie dc spd ?

Définition d'un dispositif de protection contre les surtensions

SPD est l'abréviation normalisée de Surge Protection Device (dispositif de protection contre les surtensions), un équipement conçu pour limiter les surtensions transitoires et détourner les courants de surtension de l'équipement protégé. Les dispositifs de protection contre les surtensions portaient auparavant différents noms, notamment suppresseurs de surtensions, suppresseurs de surtensions transitoires (TVSS) et parafoudres secondaires. L'industrie électrique a normalisé le terme “SPD” afin d'éliminer toute confusion et d'assurer une terminologie cohérente entre les différentes normes et les différents fabricants.

La Commission électrotechnique internationale (CEI) définit officiellement les parafoudres dans les normes de la série CEI 61643, qui couvrent différentes applications, notamment les systèmes d'alimentation en courant alternatif à basse tension, les circuits de télécommunications et les installations photovoltaïques. La norme CEI 61643-31 traite spécifiquement des parafoudres pour systèmes photovoltaïques, en établissant des exigences de performance et des méthodes d'essai pour les dispositifs de protection contre les surtensions en courant continu utilisés dans les applications solaires.

Aux États-Unis, la norme UL 1449 des Underwriters Laboratories couvre les disjoncteurs pour les circuits d'alimentation en courant alternatif et continu, y compris les systèmes solaires photovoltaïques. Cette norme établit les exigences de sécurité et de performance auxquelles les SPD doivent répondre pour être répertoriés par UL. L'article 285 du NEC définit les exigences d'installation des SPD dans les systèmes électriques généraux, tandis que l'article 690.35 traite spécifiquement des exigences de protection contre les surtensions pour les systèmes photovoltaïques.

Pourquoi les SPD DC diffèrent-ils de la protection AC ?

La protection contre les surtensions en courant continu est confrontée à des défis uniques par rapport aux applications en courant alternatif en raison de différences fondamentales dans le comportement du courant. Le courant alternatif traverse naturellement la tension zéro deux fois par cycle électrique - 120 fois par seconde sur les systèmes à 60 Hz. Ce passage à zéro éteint naturellement les arcs dans les dispositifs de protection, ce qui rend la protection contre les surtensions en courant alternatif relativement simple avec des composants qui n'ont besoin d'interrompre le courant que pendant de brèves périodes de courant nul.

Le courant continu maintient une polarité constante sans passage par zéro, ce qui crée des arcs soutenus lorsque les dispositifs de protection fonctionnent pendant les surtensions. Ces arcs en courant continu ne s'éteignent pas naturellement et peuvent continuer indéfiniment si le dispositif de protection ne peut pas interrompre activement le flux de courant. Les dispositifs de protection contre les surtensions en courant continu doivent intégrer des mécanismes améliorés d'extinction des arcs que les dispositifs en courant alternatif ne requièrent pas, ce qui rend les dispositifs de protection contre les surtensions en courant continu plus complexes et généralement plus chers que les dispositifs de protection en courant alternatif équivalents.

Les systèmes solaires photovoltaïques fonctionnent à des tensions continues atteignant couramment 600 à 1 500 V, ce qui est nettement plus élevé que les systèmes résidentiels classiques à courant alternatif de 120/240 V. Les tensions plus élevées créent des arcs électriques plus puissants qui nécessitent des capacités d'extinction proportionnellement plus importantes. Des tensions plus élevées créent des arcs plus puissants qui nécessitent des capacités de suppression proportionnellement plus importantes. Un dispositif de protection contre les surtensions en courant continu de 1000 V est confronté à des conditions de fonctionnement beaucoup plus sévères qu'un dispositif en courant alternatif de 240 V, ce qui nécessite des conceptions et des matériaux spécialisés pour protéger l'équipement de manière fiable sur de nombreux événements de surtension.

💡 Aperçu clé : N'utilisez jamais de disjoncteurs à courant alternatif dans des applications solaires à courant continu - ils n'ont pas les capacités d'extinction d'arc requises pour le service à courant continu et subiront des défaillances catastrophiques. Vérifiez toujours les valeurs nominales de tension continue indiquées sur l'étiquette des disjoncteurs avant de les installer dans des systèmes photovoltaïques.

Comment les DPS protègent les équipements

Principe de serrage de la tension

Les parafoudres protègent en limitant la tension apparaissant sur l'équipement protégé pendant les surtensions. Dans des conditions normales de fonctionnement, les disjoncteurs présentent une impédance extrêmement élevée et se présentent essentiellement comme des circuits ouverts. Lorsque la tension dépasse le niveau de seuil du SPD, le dispositif passe rapidement à une faible impédance, conduisant le courant de surtension à la terre tout en maintenant la tension à ses bornes au niveau de la tension d'écrêtage.

Cette limitation de la tension empêche une tension excessive d'atteindre l'équipement protégé. Si un onduleur peut supporter une tension de 2000 V avant rupture de l'isolation, mais qu'une surtension due à la foudre atteint 10 000 V, le dispositif de protection contre les surtensions doit bloquer la tension en dessous de 2000 V. Un dispositif de protection solaire correctement dimensionné peut bloquer la tension à 1 500 V, ce qui est confortablement inférieur aux limites de l'équipement, tout en restant suffisamment élevé au-dessus de la tension de fonctionnement normale pour éviter toute fausse activation dans des conditions normales.

La relation entre la tension de fonctionnement normale, la tension de serrage du SPD et la tension d'isolement de l'équipement détermine l'efficacité de la protection. Les parafoudres idéaux se fixent juste au-dessus de la tension de fonctionnement normale tout en restant bien en dessous de la tension de résistance de l'équipement. Cependant, la physique limite le degré de serrage des disjoncteurs - des tensions de serrage plus faibles nécessitent des technologies plus sophistiquées (coûteuses) et réduisent la capacité de traitement de l'énergie des disjoncteurs.

Le temps de réponse des parafoudres affecte de manière critique la qualité de la protection. Les surtensions dues à la foudre augmentent extrêmement rapidement, atteignant souvent la tension maximale en quelques microsecondes. Si les parafoudres réagissent lentement, la tension peut augmenter considérablement au-delà de la tension d'enclenchement éventuelle avant que le parafoudre ne soit entièrement conducteur. Les disjoncteurs à réponse rapide limitent ce dépassement de tension et protègent mieux les équipements que les dispositifs plus lents, même si les deux se bloquent finalement à la même tension d'équilibre.

Chemin de détournement actuel

Lorsque les disjoncteurs s'activent pendant les surtensions, ils détournent le courant de surtension de l'équipement protégé par un autre chemin vers la terre. Le courant de surtension s'écoule du conducteur entrant vers le système d'électrodes de mise à la terre en passant par le dispositif de protection contre les surtensions, au lieu de continuer à traverser l'équipement protégé. Cette déviation du courant réduit l'énergie de surtension atteignant l'équipement de niveaux potentiellement destructeurs à des niveaux sûrs dans les limites des capacités de résistance de l'équipement.

Une déviation efficace du courant nécessite des connexions à la terre à faible impédance. Les disjoncteurs ne peuvent dévier le courant que si le chemin vers la terre offre une impédance plus faible que le chemin à travers l'équipement protégé. Les conducteurs de terre longs, enroulés ou sous-dimensionnés introduisent une impédance qui réduit l'efficacité des disjoncteurs en forçant un certain courant de surtension à traverser l'équipement malgré le fonctionnement du disjoncteur. L'installation correcte d'un dispositif de protection contre les surtensions exige des connexions à la terre aussi courtes que possible et des conducteurs de taille adéquate.

Le SPD doit gérer sans dommage tous les courants de surtension déviés tout en limitant la tension. Cette double exigence - gérer un courant élevé tout en maintenant une faible tension - représente le défi technique fondamental de la conception des disjoncteurs. Différentes technologies de protection permettent d'atteindre cet équilibre par différents mécanismes, les MOV et les GDT représentant les approches les plus courantes dans les applications solaires.

Technologie des varistances à oxyde métallique (MOV)

Construction et exploitation du MOV

Les varistances à oxyde métallique constituent le cœur de la plupart des SPD solaires à courant continu en raison de leur excellent équilibre entre performance, fiabilité et coût. Les MOV sont constitués d'une céramique d'oxyde de zinc frittée contenant de nombreux joints de grains microscopiques qui créent une résistance en fonction de la tension. Dans des conditions de tension normales, les joints de grains des MOV présentent une résistance élevée qui bloque le flux de courant. Lorsque la tension dépasse le seuil du MOV, les joints de grains se brisent et permettent la conduction du courant.

La caractéristique de résistance dépendant de la tension donne aux MOV leur nom - ”varistor” combine “résistance variable” indiquant une résistance qui change avec la tension appliquée. La résistance du MOV diminue considérablement lorsque la tension augmente au-dessus du seuil, créant ainsi l'action de serrage qui limite la tension pendant les surtensions. Ce comportement se produit naturellement grâce aux propriétés semi-conductrices des grains d'oxyde de zinc, sans nécessiter de circuits de contrôle externes ou de mécanismes de déclenchement.

La construction du MOV consiste à mélanger de la poudre d'oxyde de zinc avec de petites quantités de bismuth, de cobalt, de manganèse et d'autres oxydes métalliques, puis à comprimer et à fritter le mélange à haute température. Le processus de frittage fusionne le matériau en un disque céramique solide présentant les caractéristiques électriques souhaitées. Des électrodes métalliques sur les faces du disque fournissent les points de connexion, l'ensemble étant souvent recouvert d'époxy ou logé dans des boîtiers en céramique pour la protection de l'environnement et l'isolation.

La tension nominale du MOV dépend de l'épaisseur du disque et de la formulation de l'oxyde de zinc. Les disques plus épais supportent des tensions plus élevées car il y a plus de joints de grains en série. La capacité de traitement de l'énergie est liée au diamètre du disque - les diamètres plus grands dissipent plus de chaleur et traitent plus d'énergie de surtension avant défaillance. Les disjoncteurs solaires à courant continu utilisent généralement des disques MOV de 25 à 40 mm de diamètre pour une gestion adéquate de l'énergie à des tensions nominales de 600 à 1 500 V.

🎯 Pro Tip : Les valeurs nominales de tension des MOV dérivent en fonction de la température - la tension de serrage diminue lorsque la température augmente. Ce coefficient thermique signifie que les MOVs serrent plus fort lorsqu'ils sont chauds, ce qui est potentiellement bénéfique pour la protection mais augmente également le stress sur le MOV lui-même lors d'événements de surtension répétés dans des environnements chauds.

Avantages et limites du MOV

Les MOV offrent plusieurs avantages significatifs qui les rendent populaires pour les applications solaires. Leur temps de réponse rapide - qui s'active généralement en quelques nanosecondes - offre une excellente protection contre les transitoires de foudre à montée rapide. Les MOV gèrent des niveaux d'énergie modérés à élevés qui répondent à la plupart des besoins en matière de protection contre les surtensions solaires. La technologie s'avère rentable, fiable et bien comprise après des décennies d'utilisation généralisée dans les applications de protection contre les surtensions.

La tension de serrage des MOV reste relativement stable sur une large gamme de courants de surtension. Contrairement à certaines technologies de protection où la tension de serrage augmente considérablement avec le courant, les MOV conservent une tension de serrage raisonnablement constante sur toute leur plage de courant nominal. Ce comportement prévisible simplifie la coordination de la protection et permet une spécification sûre de la protection de l'équipement.

Cependant, les MOV subissent une dégradation progressive lorsqu'ils sont exposés à des surtensions répétées ou à un fonctionnement prolongé proche de leur tension nominale. Chaque surtension endommage légèrement la structure de l'oxyde de zinc, réduisant progressivement le seuil de tension du MOV. Après de nombreuses surtensions, le MOV peut commencer à conduire à la tension de fonctionnement normale, en tirant un courant continu qui génère de la chaleur et finit par provoquer une défaillance catastrophique. Cette dégradation rend la durée de vie du MOV quelque peu imprévisible en fonction de l'historique de l'exposition aux surtensions.

Le courant de suivi des MOV représente une autre limitation dans les applications à courant continu. Lorsque les MOV se clampent pendant les surtensions, ils conduisent momentanément des courants élevés. Dans les systèmes à courant alternatif, le passage à zéro normal du courant alternatif éteint naturellement ce flux. Dans les systèmes à courant continu sans passage par zéro, les MOV peuvent continuer à conduire après la fin de la surtension si le système peut fournir un courant suffisant. Les disjoncteurs à courant continu de qualité intègrent des déconnecteurs en série ou des éléments de limitation de courant qui gèrent le courant de suivi des MOV, mais ces ajouts augmentent le coût et la complexité.

Technologie des tubes à décharge (GDT)

Construction et exploitation du GDT

Les tubes à décharge de gaz constituent une autre technologie de protection contre les surtensions qui utilise l'ionisation d'un gaz scellé pour conduire le courant de surtension. Les GDT sont constitués de deux ou trois électrodes séparées par de petits espaces à l'intérieur de tubes en céramique ou en verre remplis de gaz inerte - typiquement de l'argon ou un mélange de gaz nobles. Sous tension normale, le gaz reste non conducteur et les GDT présentent une impédance extrêmement élevée, proche de l'infini.

Lorsque la tension entre les électrodes GDT dépasse le seuil d'ionisation du gaz, celui-ci se décompose et devient un plasma conducteur. Ce gaz ionisé conduit le courant de choc entre les électrodes avec une très faible résistance, généralement inférieure à 1 ohm lorsqu'il est complètement ionisé. Cette faible résistance permet aux GDT de gérer des courants extrêmement élevés tout en générant une chute de tension minimale, ce qui les rend excellents pour les applications de protection contre les surtensions à haute énergie.

Lorsque le courant de surtension cesse, le gaz ionisé se recombine rapidement et revient à son état non conducteur. Cette caractéristique d'auto-récupération signifie que les GDT reviennent automatiquement en mode de protection après une surtension, sans qu'il soit nécessaire de les remplacer, à moins qu'ils ne soient endommagés. Dans les systèmes à courant alternatif, la désionisation rapide se produit naturellement aux passages à zéro du courant. Dans les systèmes à courant continu, la décharge doit s'éteindre d'elle-même lorsque le courant de surtension tombe en dessous du niveau de courant de maintien minimum du gaz.

Les tensions nominales des GDT dépendent de l'espacement des électrodes et de la composition du gaz. Des espaces plus larges et un gaz à basse pression augmentent la tension de claquage, tandis que des espaces plus étroits et une pression plus élevée la réduisent. Les disjoncteurs solaires à courant continu utilisent généralement des GDT à intervalles multiples, avec trois électrodes créant deux intervalles de décharge en série, ce qui permet d'obtenir des tensions nominales plus élevées dans des boîtiers compacts. Ces conceptions permettent généralement d'obtenir des tensions nominales de 600 à 1500 V CC adaptées aux applications photovoltaïques.

Avantages et limites de la GDT

Les GDT excellent dans la gestion de courants de surtension très élevés, nettement plus que les MOV de taille similaire. Leur faible chute de tension de conduction pendant les surtensions signifie moins de dissipation d'énergie dans le dispositif de protection et, par conséquent, une plus grande capacité de traitement de l'énergie. Les GDT présentent également une dégradation minimale due à l'exposition aux surtensions, ce qui permet d'obtenir des performances constantes tout au long de leur durée de vie, même dans des environnements où l'exposition à la foudre est élevée.

L'impédance extrêmement élevée des GDT à l'état normal introduit une charge pratiquement nulle sur les circuits protégés. Aucun courant de fuite ne circule dans les GDT non conducteurs, contrairement aux MOV qui présentent de faibles courants de fuite qui augmentent avec le vieillissement. Cette caractéristique d'absence de fuite s'avère précieuse dans certaines applications spécialisées où même des courants de fuite de l'ordre du microampère posent des problèmes.

Cependant, les GDT souffrent de plusieurs limitations importantes qui affectent leurs applications SPD solaires. Le temps de réponse plus lent que celui des MOV - typiquement des microsecondes plutôt que des nanosecondes - permet à la tension d'augmenter considérablement avant que l'ionisation du GDT ne se produise. Ce dépassement de tension peut dépasser les limites de résistance de l'équipement malgré le fonctionnement éventuel du GDT. Les transitoires de foudre à montée rapide peuvent endommager l'équipement avant que les GDT plus lents ne s'activent complètement.

Les caractéristiques de tension des GDT sont moins prévisibles que celles des MOV. La tension de claquage varie en fonction de la température, de la vitesse de montée de la tension appliquée et même de l'historique des surtensions. De larges plages de tolérance signifient que les GDT d'un même lot de fabrication peuvent s'ioniser à des tensions variant de ±20% ou plus. Cette variabilité complique la coordination précise de la protection et rend le serrage de la tension difficile à réaliser de manière fiable.

Conceptions SPD hybrides

Combinaison des technologies MOV et GDT

De nombreux SPD solaires DC haut de gamme utilisent des conceptions hybrides combinant des MOV et des GDT pour tirer parti des avantages de chaque technologie tout en atténuant leurs limites respectives. Les configurations hybrides courantes placent les MOV et les GDT en série ou en parallèle, coordonnant leur fonctionnement grâce à une sélection minutieuse des composants et à des éléments de contrôle supplémentaires.

Les conceptions hybrides en série placent un GDT en série avec un MOV. Le MOV fournit une réponse initiale rapide, une tension de serrage rapide, tandis que le GDT gère un courant élevé soutenu après l'ionisation. Cette disposition protège à la fois contre les transitoires à montée rapide nécessitant une réponse immédiate et contre les surtensions à haute énergie dépassant la capacité du MOV. Les conceptions en série nécessitent une coordination minutieuse pour s'assurer que le GDT s'ionise avant que les limites d'énergie du MOV ne soient dépassées.

Les conceptions hybrides parallèles connectent les MOV et les GDT sur le même chemin ligne-terre avec des résistances de limitation de courant ou des inductances qui gèrent l'interaction entre les éléments. La réponse rapide du MOV gère l'augmentation transitoire initiale de la tension, puis le GDT s'ionise et transporte la majorité du courant de surtension en raison de sa résistance de conduction plus faible. Cette configuration permet une réponse rapide avec une gestion de courant élevée, bien qu'une coordination correcte nécessite une conception sophistiquée pour éviter les conflits entre les composants.

⚠️ Important : Les conceptions de SPD hybrides nécessitent une ingénierie experte pour équilibrer les caractéristiques des composants. Des conceptions hybrides mal coordonnées peuvent avoir des performances inférieures à celles des SPD à technologie unique si les composants s'opposent les uns aux autres pendant les surtensions. Spécifiez des SPD hybrides provenant de fabricants réputés qui fournissent des données d'essai démontrant une coordination correcte.

Diodes à avalanche au silicium (SAD)

La technologie des diodes à avalanche au silicium représente une troisième approche de protection qui trouve des applications dans la protection de l'électronique sensible et dans les conceptions SPD solaires spécialisées. Les SAD utilisent des jonctions PN en silicium fortement dopées qui subissent une rupture par avalanche à des tensions précises, ce qui permet un blocage de tension extrêmement serré et une réponse ultra-rapide mesurée en picosecondes.

Les SAD offrent plusieurs avantages, notamment les tolérances de tension de serrage les plus étroites de toutes les technologies de protection - typiquement ±5% par rapport à ±10-20% pour les MOV et plus pour les GDT. Cette précision permet aux systèmes de protection de fonctionner plus près des limites de tension de l'équipement, ce qui maximise l'efficacité. La réponse ultra-rapide protège contre les transitoires les plus rapides sans dépassement de tension. Les SAD se révèlent également exceptionnellement fiables, sans dégradation due à l'exposition aux surtensions sur des millions d'opérations.

Cependant, les dispositifs SAD individuels gèrent une énergie relativement faible, ce qui nécessite des réseaux série-parallèle pour les applications à haute tension et à haute énergie telles que les systèmes solaires. Ces réseaux augmentent considérablement le coût et la complexité. Les SAD fonctionnent le mieux dans les conceptions hybrides protégeant les circuits sensibles en aval des étages de protection primaire MOV ou GDT. La protection par SAD à l'étape finale fournit un serrage serré de la tension pour l'électronique délicate après que la protection en amont ait réduit l'énergie de surtension à des niveaux que les SAD peuvent gérer.

Principaux paramètres de performance du DOCUP

Tension maximale de fonctionnement continu (MCOV)

La tension maximale de fonctionnement continu représente la tension la plus élevée qu'un dispositif de protection solaire peut supporter en continu sans dégradation ni fausse activation. La MCOV doit être supérieure à la tension maximale apparaissant aux bornes du SPD dans toutes les conditions normales de fonctionnement, y compris les variations dues aux effets de la température, aux fluctuations de la tension du réseau et aux états de fonctionnement du système. Le fait de faire fonctionner les SPD en permanence au-delà de leur MCOV nominale entraîne une défaillance prématurée due à la contrainte thermique ou à la dégradation des composants.

Pour les applications solaires à courant continu, le MCOV doit tenir compte de la tension du point de puissance maximale du générateur, qui varie en fonction de l'irradiation et de la température. Par temps ensoleillé, les panneaux solaires fonctionnent près de leur tension MPP nominale, tandis que par temps couvert, les onduleurs peuvent fonctionner à des tensions plus élevées pour obtenir une puissance maximale. Le SPD MCOV doit dépasser ces tensions de fonctionnement avec une marge adéquate - typiquement 10-20% minimum - pour assurer un fonctionnement fiable sans fausse activation.

La température affecte les valeurs nominales de MCOV différemment selon les technologies SPD. Les tensions nominales des MOV diminuent légèrement à des températures élevées, tandis que les tensions de claquage des GDT augmentent généralement avec la température. Les spécifications des SPD de qualité fournissent des valeurs nominales de MCOV sur l'ensemble de la plage de température de fonctionnement plutôt qu'à des températures d'essai uniques et arbitraires. Vérifiez que le MCOV du SPD dépasse la tension du système à la température de fonctionnement la plus élevée prévue, et pas seulement à la température standard de 25°C.

Niveau de protection contre la tension (VPR) / tension de serrage

L'indice de protection de la tension, également appelé tension de serrage, indique la tension maximale apparaissant entre le dispositif de protection contre les surtensions et l'équipement protégé lors d'événements de surtension. Des valeurs VPR plus faibles assurent une meilleure protection des équipements en limitant la tension à des niveaux plus sûrs. Cependant, la VPR doit rester suffisamment supérieure à la MCOV pour éviter toute fausse activation du SPD pendant les opérations normales, y compris les transitoires de tension provenant d'événements de commutation légitimes.

Les fabricants de disjoncteurs spécifient généralement la VPR à des courants d'essai spécifiques - généralement 10 kA pour les appareils résidentiels et 20 kA pour les applications commerciales. La tension de serrage augmente quelque peu avec le courant de surtension, de sorte que des courants d'essai plus élevés donnent des spécifications VPR plus élevées. Lorsque vous comparez des SPD, assurez-vous que les comparaisons de VPR utilisent la même méthodologie de courant d'essai - un dispositif montrant un VPR de 1500V à 10kA pourrait montrer 1700V à 20kA.

La relation entre la tension de tenue de l'équipement, la tension de serrage du disjoncteur et l'augmentation de tension due à l'inductance du câble détermine l'efficacité globale de la protection. Si l'équipement résiste à 2000 V, que le SPD se bloque à 1500 V, mais que l'inductance du fil ajoute 600 V de dépassement, l'exposition effective de l'équipement atteint 2100 V - dépassant sa capacité de résistance malgré le blocage techniquement adéquat du SPD. L'installation correcte du SPD avec une longueur de câble minimale s'avère aussi importante que les spécifications VPR du SPD.

Courant de décharge nominal (In) et courant de décharge maximal (Imax)

Le courant de décharge nominal (In) indique le niveau de courant de surtension qu'un dispositif de protection solaire peut supporter de manière répétée sans être endommagé. Les disjoncteurs sont testés à plusieurs reprises avec des courants de surtension de niveau In - généralement 15 à 20 opérations - afin de vérifier qu'ils survivent sans dégradation ni défaillance. In donne une indication réaliste de la robustesse du SPD pour l'exposition normale aux surtensions attendue pendant la durée de vie utile.

Le courant de décharge maximal (Imax) représente le courant de surtension unique le plus élevé auquel un dispositif de protection solaire peut résister sans provoquer de défaillance catastrophique. Cette valeur s'applique aux surtensions les plus graves, comme les coups de foudre à proximité, qui ne peuvent se produire qu'une seule fois au cours de la durée de vie d'un disjoncteur. L'Imax dépasse généralement l'In d'un facteur de 2 à 5 selon la conception et la technologie du SPD, ce qui reflète la différence entre des surtensions modérées répétées et des événements extrêmes uniques.

Pour les applications solaires, il convient de choisir des disjoncteurs dont les valeurs In sont adaptées à la fréquence d'exposition à la surtension prévue et dont les valeurs Imax sont adaptées aux considérations relatives à la zone de foudre. Les zones modérément exposées à la foudre peuvent utiliser des disjoncteurs de 20 kA In / 40 kA Imax, tandis que les régions fortement exposées bénéficient de spécifications de 40 kA In / 80-100 kA Imax. Les valeurs nominales les plus élevées coûtent plus cher mais fournissent les marges de protection nécessaires dans les environnements sévères.

🎯 Pro Tip : Ne confondez pas les valeurs nominales des dispositifs de protection contre les surintensités avec les valeurs nominales des dispositifs de protection contre les surintensités. Un dispositif de protection contre les surintensités de 20 kA se réfère à la gestion du courant de surtension, et non au courant continu ou de court-circuit. Les circuits SPD ont toujours besoin de fusibles ou de disjoncteurs - généralement de 15 à 20 A - pour se protéger contre les défauts prolongés en cas de défaillance des SPD en cas de court-circuit.

Critères de sélection du DOCUP

Adaptation du SPD à la tension du système

Pour choisir correctement la tension nominale d'un SPD, il faut comprendre trois niveaux de tension critiques : la tension nominale du système, la tension à point de puissance maximale et la tension en circuit ouvert. La tension nominale (telle que 600V ou 1000V) représente la tension de fonctionnement typique mais n'englobe pas la plage de tension à laquelle les SPD doivent s'adapter. La tension au point de puissance maximale varie en fonction de la température et de l'irradiation, mais représente la tension à laquelle les onduleurs fonctionnent normalement.

La tension en circuit ouvert définit la limite supérieure de la tension lorsque les panneaux fonctionnent sans courant de charge. Cette condition se produit pendant les pannes de réseau, tôt le matin avant le démarrage des onduleurs, ou lorsque les onduleurs se déconnectent des panneaux. Le COV varie de manière significative en fonction de la température - le temps froid augmente le COV de manière substantielle au-dessus des valeurs nominales. La norme NEC 690.7 exige de calculer le COV maximum en tenant compte de la température ambiante la plus basse prévue, ce qui donne souvent des tensions supérieures de 20% aux valeurs nominales.

La tension maximale de fonctionnement continu (MCOV) du SPD doit être supérieure à la tension de point de puissance maximale du système, tandis que l'indice de protection de la tension doit rester inférieur à la tension de résistance de l'isolation de l'équipement. Un système nominal de 1000 V peut avoir une tension MPP de 850 V et une VOC maximale de 1200 V. Les spécifications SPD appropriées peuvent être 1000 V MCOV / 1500 V VPR. Les spécifications appropriées du SPD pourraient être 1000V MCOV / 1500V VPR, positionnant le SPD pour gérer le fonctionnement normal sans fausse activation tout en se plaçant en dessous des limites de l'équipement pendant les surtensions.

Envisager le lieu d'installation

Les exigences en matière de SPD varient considérablement en fonction de la position de l'installation dans le système PV. Les combinateurs de panneaux et les déconnexions CC principales sont les plus exposés aux surtensions dues aux coups de foudre directs ou à proximité, ce qui nécessite des disjoncteurs de type 1 avec des courants nominaux élevés, généralement de 40 à 100 kA en fonction de l'exposition à la foudre. Ces emplacements bénéficient des technologies GDT ou hybrides qui permettent une gestion maximale de l'énergie.

Les bornes d'entrée CC des onduleurs nécessitent un serrage précis de la tension pour protéger les semi-conducteurs sensibles, mais elles sont confrontées à une énergie de surtension plus faible après que l'impédance du conducteur en amont et les disjoncteurs primaires atténuent les menaces. Les disjoncteurs de type 2 avec des valeurs nominales de 15 à 20 kA suffisent généralement aux emplacements des onduleurs. La technologie MOV fonctionne bien ici, offrant une réponse rapide et une tension de serrage serrée protégeant l'électronique délicate. Les onduleurs multiples nécessitent chacun des SPD individuels plutôt qu'une protection collective.

Les bornes d'entrée CC des équipements ont besoin d'une protection individuelle même si des SPD sont installés en amont au niveau des combinateurs ou des sectionneurs. Les conducteurs entre les étages de protection introduisent une élévation de tension pendant les transitoires rapides qui peut dépasser les limites de résistance de l'équipement malgré le fonctionnement des disjoncteurs en amont. Les SPD au niveau des bornes fournissent un serrage localisé immédiatement au niveau des connexions de l'équipement, empêchant l'augmentation de la tension de l'inductance de plomb de mettre en échec la protection.

Essais et normes SPD

IEC 61643-31 Exigences PV

La CEI 61643-31 établit des exigences spécifiques pour les disjoncteurs dans les systèmes photovoltaïques, en abordant les défis uniques de la protection contre les surtensions en courant continu à haute tension. Cette norme définit des procédures d'essai, des classifications de performance et des exigences de marquage garantissant la fiabilité des parafoudres dans les applications solaires. Les disjoncteurs certifiés selon la norme IEC 61643-31 ont été soumis à des essais rigoureux simulant l'exposition à la foudre et aux surtensions de commutation des systèmes photovoltaïques.

La norme établit des classifications de SPD (Type 1, 2 et 3) basées sur les formes d'ondes de courant testées et les capacités de traitement de l'énergie. Les tests de type 1 utilisent des formes d'ondes de courant de 10/350μs représentant le courant de foudre direct, tandis que les tests de type 2 utilisent des formes d'ondes de 8/20μs pour les surtensions induites. Ces différentes formes d'ondes ont un contenu énergétique très différent - les formes d'ondes 10/350μs délivrent beaucoup plus d'énergie que les formes d'ondes 8/20μs pour le même courant de crête, ce qui rend les tests de type 1 beaucoup plus stricts.

Les tests de cycles de température vérifient que les SPD fonctionnent dans des plages de -40°C à +85°C, typiques des installations solaires extérieures. Les essais de fonctionnement à des températures extrêmes garantissent que les SPD ne s'activent pas à tort par temps froid (lorsque les tensions du système augmentent) ou qu'ils ne tombent pas en panne prématurément dans des conditions chaudes. Les tests d'humidité confirment que les SPD conservent l'intégrité de l'isolation et ne se dégradent pas à cause de l'exposition à l'humidité dans les environnements de condensation.

UL 1449 Normes nord-américaines

La norme UL 1449 définit les exigences nord-américaines en matière de test et de listage des SPD pour les applications à courant alternatif et à courant continu. La quatrième édition (UL 1449 Ed.4) comprend des exigences renforcées pour les disjoncteurs à courant continu utilisés dans les systèmes photovoltaïques, reflétant la croissance rapide des installations solaires. Les disjoncteurs répertoriés selon la norme UL 1449 ont subi des tests vérifiant les performances électriques, la sécurité incendie et la fiabilité de fonctionnement dans les conditions spécifiées.

Les tests de protection de la tension mesurent la tension de serrage réelle à des niveaux de courant standardisés en utilisant des formes d'ondes spécifiques. Ces tests permettent de vérifier que les disjoncteurs limitent la tension en fonction des spécifications de protection contre les surtensions. La norme UL 1449 exige également des tests de surtension temporaire (TOV), dans le cadre desquels les SPD doivent résister à des surtensions soutenues pouvant résulter de défauts de mise à la terre ou de dysfonctionnements du système, sans prendre feu ni créer de risques d'électrocution.

Le test de courant de court-circuit (SCCR) permet de vérifier que les disjoncteurs peuvent supporter le courant de défaut maximal disponible à l'endroit où ils sont installés, sans exploser ni créer de risque d'éclair d'arc électrique. Ce test de sécurité s'avère essentiel car les disjoncteurs qui ne fonctionnent pas en cas de court-circuit peuvent créer des conditions extrêmement dangereuses avec des courants disponibles atteignant des dizaines de milliers d'ampères dans les installations solaires. Seuls les dispositifs de protection solaire qui passent avec succès le test SCCR sont répertoriés par UL.

Idées reçues sur les DOCUP

Un plus grand nombre de DOCUP signifie toujours une meilleure protection

De nombreux installateurs pensent que l'installation de disjoncteurs à tous les endroits possibles offre une protection maximale, quelles que soient les valeurs nominales ou la coordination des disjoncteurs. Cependant, des disjoncteurs mal choisis ou mal placés peuvent en fait aggraver la protection en créant des boucles de terre, en introduisant du bruit ou en provoquant des défaillances de coordination des disjoncteurs, où les appareils se combattent mutuellement pendant les surtensions.

Une protection efficace utilise des types de SPD appropriés à des endroits stratégiques plutôt qu'une quantité maximale. Un système bien conçu peut comporter des SPD de type 1 au niveau des combinateurs de panneaux et de la déconnexion principale, ainsi que des SPD de type 2 au niveau de chaque onduleur, soit un total de quatre à six SPD pour une installation résidentielle typique. L'installation de SPD supplémentaires à chaque boîte de jonction ou de déconnexion n'améliore pas la protection et ajoute des coûts inutiles tout en créant potentiellement des problèmes.

La qualité et l'installation correcte d'un petit nombre de dispositifs de protection solaire l'emportent sur la quantité de dispositifs médiocres mal placés. Deux dispositifs de protection solaire correctement dimensionnés, avec une mise à la terre correcte et des longueurs de câble minimales, offrent une protection supérieure à celle d'une douzaine de dispositifs de protection solaire mal dimensionnés, avec de longues mises à la terre ou une mauvaise coordination. Il faut se concentrer sur la spécification et l'installation correctes des dispositifs de protection contre les incendies plutôt que de simplement maximiser le nombre de dispositifs.

Les SPD assurent une protection complète contre la foudre

Les parafoudres ne constituent qu'un élément d'une protection complète contre la foudre, et non pas des solutions autonomes protégeant contre toutes les menaces liées à la foudre. Les parafoudres protègent contre les surtensions apparaissant sur les conducteurs électriques, mais n'empêchent pas la foudre d'atteindre directement les équipements ou les structures. Une protection complète contre la foudre nécessite des systèmes externes de protection contre la foudre (bornes d'air, conducteurs de descente, électrodes de mise à la terre) fonctionnant en conjonction avec la protection par parafoudre.

Les réseaux frappés par la foudre peuvent détruire les modules, les rayonnages et les composants structurels sous l'effet des forces mécaniques, de la chaleur extrême et des ondes de choc, indépendamment de la protection électrique. Les SPD ne peuvent pas empêcher ces dommages - ils ne protègent l'équipement électrique que des courants de surtension et des tensions se propageant à travers les conducteurs. Les sites où l'exposition à la foudre est extrême peuvent nécessiter des LPS externes qui interceptent les coups avant qu'ils n'atteignent l'équipement PV.

Une mise à la terre et une liaison correctes sont tout aussi importantes pour la protection des disjoncteurs. Même les meilleurs parafoudres ne parviennent pas à protéger correctement les équipements lorsque les connexions de mise à la terre introduisent une impédance excessive ou que des électrodes de terre multiples créent des courants circulants. Une protection complète intègre les parafoudres, la protection externe contre la foudre, une mise à la terre correcte et le placement des équipements dans des systèmes coordonnés qui traitent tous les vecteurs de menace.

Une tension nominale plus élevée est toujours préférable

Certains installateurs supposent que les disjoncteurs à tension nominale plus élevée offrent une meilleure protection, choisissant des dispositifs de 1 500 V pour des systèmes de 600 V en raisonnant “plus c'est mieux”. Cependant, une tension nominale trop élevée peut en fait réduire l'efficacité de la protection. La tension d'enclenchement des disjoncteurs s'adapte grossièrement à la tension nominale - les disjoncteurs de 1500 V s'enclenchent généralement autour de 2500-3000 V tandis que les dispositifs de 600 V s'enclenchent à 1200-1500 V. L'utilisation de disjoncteurs surdimensionnés expose l'équipement à des tensions de serrage inutilement élevées.

Le choix de la puissance du SPD doit correspondre aux exigences de tension du système avec une marge de sécurité appropriée. Pour un système nominal de 600 V avec un COV maximal de 720 V, il faut choisir des SPD de 800 à 1 000 V CC qui offrent une marge suffisante au-dessus de la tension du système tout en minimisant la tension de serrage. La tension nominale de 1000 V offre une marge confortable, tandis que la tension nominale de 1500 V n'offre aucun avantage et une protection plus mauvaise en raison d'une tension de serrage plus élevée.

Le MCOV est le bon critère de sélection, et non la tension nominale maximale du SPD. Sélectionnez les SPD dont le MCOV dépasse la tension de point de puissance maximale du système de 10-20%, puis vérifiez que le VPR reste bien en dessous de la tension de résistance de l'équipement. Cette approche garantit que les disjoncteurs ne s'activeront pas à tort en fonctionnement normal tout en assurant un clampage optimal en cas de surtension.

Questions fréquemment posées

Que signifie SPD dans les systèmes solaires ?

SPD signifie “Surge Protection Device” (dispositif de protection contre les surtensions). Il s'agit d'un équipement qui limite les surtensions transitoires et détourne les courants de surtension afin de protéger les équipements solaires photovoltaïques contre la foudre et les transitoires de commutation. Le terme "SPD" a été normalisé dans les codes et normes électriques internationaux, remplaçant les anciens termes tels que suppresseur de surtension ou TVSS (suppresseur de surtension transitoire). Les disjoncteurs à courant continu spécifiquement conçus pour les applications solaires doivent avoir une tension nominale adaptée à la tension du système et être testés conformément aux normes IEC 61643-31 ou UL 1449 relatives aux exigences en matière de protection contre les surtensions photovoltaïques.

Quelle est la différence entre la protection contre les surtensions MOV et GDT ?

Les varistances à oxyde métallique (MOV) utilisent une céramique d'oxyde de zinc dépendante de la tension qui conduit lorsque la tension dépasse le seuil, offrant une réponse rapide (nanosecondes) et un serrage prévisible convenant à la plupart des applications solaires. Les tubes à décharge (GDT) utilisent un gaz ionisant pour conduire le courant de surtension, offrant une gestion du courant très élevée et une dégradation minimale, mais une réponse plus lente (microsecondes). Les MOV fonctionnent bien pour la protection des équipements finaux nécessitant une réponse rapide, tandis que les GDT excellent dans la protection primaire, gérant les surtensions de haute énergie aux origines du réseau. De nombreux SPD haut de gamme utilisent des conceptions hybrides combinant les deux technologies.

Comment savoir si mon système solaire a besoin de SPD DC ?

La norme NEC 690.35(A) impose des SPD DC lorsque les conducteurs de circuit dépassent 2 mètres entre le panneau photovoltaïque et l'équipement, ce qui couvre pratiquement toutes les installations solaires à l'exception des systèmes de micro-onduleurs. Au-delà des exigences du code, tout système comportant des panneaux photovoltaïques exposés sur le toit, des conducteurs traversant des bâtiments ou des équipements de valeur justifie une protection par disjoncteur. Les dommages causés par la foudre coûtent des milliers d'euros en remplacement d'équipement et en perte de production - une protection SPD coûtant des centaines d'euros est une assurance qui vaut la peine d'être souscrite. Les régions fortement exposées à la foudre bénéficient particulièrement d'une protection SPD complète à plusieurs endroits du système.

Puis-je utiliser des parasurtenseurs à courant alternatif sur des circuits solaires à courant continu ?

N'utilisez jamais de disjoncteurs à courant alternatif dans les applications solaires à courant continu. La protection contre les surtensions en courant alternatif s'appuie sur les passages à zéro naturels du courant pour éteindre les arcs, ce qui n'est pas le cas des systèmes en courant continu. Les disjoncteurs à courant alternatif connaissent une défaillance catastrophique dans les systèmes à courant continu, ce qui peut provoquer des incendies ou des chocs électriques. Vérifiez toujours les valeurs nominales explicites de tension continue sur les étiquettes des disjoncteurs avant de les installer dans des systèmes photovoltaïques. Les disjoncteurs à courant continu de qualité sont conformes à la norme IEC 61643-31 ou UL 1449 et répondent spécifiquement aux exigences de protection contre les surtensions en courant continu, y compris l'extinction d'arc améliorée pour les courants continus soutenus.

À quelle fréquence les SPD DC doivent-ils être remplacés dans les installations solaires ?

Les SPD de qualité avec indication d'état doivent être inspectés tous les trimestres dans les régions fortement exposées et tous les ans dans les autres régions, et remplacés s'ils présentent des signes de défaillance. Les SPD sans indicateur visuel doivent être remplacés de manière proactive tous les 5 à 7 ans dans les régions fortement exposées à la foudre, ou tous les 10 ans ou plus dans les régions à exposition modérée. Les zones extrêmement exposées ou les systèmes subissant de nombreux impacts de foudre peuvent nécessiter un remplacement plus fréquent. Remplacer les SPD immédiatement après un coup de foudre à proximité, même s'ils ne présentent pas de dommages visibles - le stress peut avoir dégradé les composants en deçà des spécifications, les rendant incapables de protéger contre les surtensions ultérieures.

De quel type de tension ai-je besoin pour mon système solaire 1000V DC ?

Un système à courant continu nominal de 1000 V nécessite le calcul de la tension maximale en circuit ouvert avec correction de la température conformément à la norme NEC 690.7, ce qui donne généralement 1150-1200 V. Choisissez des SPD 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 SPD doit être comprise entre 1 200 et 1 500 V CC, ce qui permet d'obtenir une marge supérieure à la tension maximale du point d'alimentation. Vérifier que la tension nominale de protection (VPR) reste inférieure à la tension de résistance de l'équipement - généralement 2000V pour les onduleurs. Cela permet d'éviter les déclenchements intempestifs en fonctionnement normal tout en assurant une protection adéquate contre les surtensions.

Les SPD à base de MOV se dégradent-ils avec le temps, même en l'absence de surtensions ?

Oui, les MOV se dégradent progressivement sous l'effet d'une tension continue, même en l'absence de surtensions importantes. Un fonctionnement proche de la tension maximale continue (MCOV) accélère la dégradation, de même qu'une température élevée. Chaque petite surtension ou transitoire de tension endommage progressivement la structure de l'oxyde de zinc, réduisant lentement le seuil de tension. Les dispositifs de protection solaire de qualité comprennent des déconnecteurs thermiques ou des fusibles qui isolent les MOV défaillants avant que les risques d'incendie ne se développent. Cette dégradation rend importante l'inspection périodique et le remplacement proactif - les SPD perdent de leur efficacité avant de montrer des signes de défaillance évidents. Un choix approprié de MCOV avec une marge adéquate au-dessus de la tension de fonctionnement normale minimise le taux de dégradation et prolonge la durée de vie.

Ressources connexes

La compréhension des principes fondamentaux des SPD DC constitue la base d'une conception et d'une installation correctes des systèmes de protection contre les surtensions.

Pour en savoir plus sur les applications et l'installation des SPD, consultez nos guides complets :

– SPD DC pour systèmes solaires - Achever la sélection et la coordination des DOCUP
– Protection solaire contre la foudre - Conception d'un système de protection complet
– Protection des circuits DC - Coordination des SPD avec la protection contre les surintensités
– Mise à la terre du système PV - Mise à la terre adéquate pour l'efficacité du SPD

Vous êtes prêt à mettre en place une protection SPD DC efficace pour votre installation solaire ? L'équipe technique de SYNODE fournit des conseils d'experts sur la sélection des dispositifs de protection contre les surtensions, sur les décisions concernant la technologie MOV ou GDT et sur les pratiques d'installation appropriées. Nous aidons à assurer une protection complète répondant aux exigences suivantes NEC 690.35 tout en optimisant l'efficacité de la protection et l'économie du système.

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