Introduction et solutions aux problèmes liés à l'arc photovoltaïque CC

Avec le développement rapide de la technologie solaire, la production d’énergie photovoltaïque est devenue l’une des solutions d’énergie verte les plus importantes dans le monde. Les systèmes photovoltaïques jouent un rôle important, que ce soit sur les toits résidentiels, les parcs industriels ou les centrales solaires-à grande échelle. Parallèlement, les questions de sécurité des systèmes photovoltaïques retiennent progressivement l’attention. L'arc CC, en tant que phénomène électrique pouvant affecter la stabilité des systèmes photovoltaïques, mérite une compréhension approfondie par chaque praticien et utilisateur.

1.La signification de la frappe à l'arc DC

L'arc en courant continu, comme son nom l'indique, fait référence au phénomène par lequel un arc se forme entre des points de contact lorsque le chemin du courant dans un circuit à courant continu est soudainement interrompu.

Un arc électrique est un type de phénomène de décharge gazeuse. Lorsqu’un gaz est ionisé, il forme un canal conducteur, provoquant un arc électrique. Dans les circuits photovoltaïques à courant continu, lorsqu'un petit espace apparaît dans le circuit, la tension continue aux bornes de l'espace crée un champ électrique à l'intérieur de celui-ci. Lorsque l’intensité du champ électrique atteint un certain niveau, les molécules d’air s’ionisent. Les molécules d'air sont constituées d'atomes constitués de noyaux chargés positivement et d'électrons chargés négativement. Sous un champ électrique puissant, les électrons gagnent suffisamment d’énergie pour se libérer du noyau et devenir des électrons libres. Ces électrons libres accélèrent dans le champ électrique, entrent en collision avec d'autres molécules d'air, ionisant davantage de molécules, créant ainsi un grand nombre d'électrons libres et d'ions positifs. Ce processus est connu sous le nom de dégradation des gaz. Une fois le gaz décomposé, un arc électrique se forme.

Processus de frappe à l'arc DC :

Pour le courant continu, puisqu’il n’a pas de point de passage zéro et que la direction du courant ne change pas, l’arc peut recevoir de l’énergie en continu, ce qui rend difficile son extinction par lui-même.

Selon la méthode de connexion du circuit et l'emplacement de l'arc, les arcs peuvent être divisés en arcs en série et en arcs parallèles (l'arc de mise à la terre peut être considéré comme un type spécial d'arc parallèle). Les arcs en série se produisent généralement dans un seul conducteur sous tension. Étant donné que l'espacement entre les conducteurs est petit et qu'il existe de nombreux conducteurs, la fréquence d'apparition est plus élevée ; de plus, comme le signal d'arc en série est faible et facilement masqué par le bruit, il est difficile à détecter et, s'il n'est pas traité à temps, peut facilement provoquer des incendies. Les arcs parallèles se produisent généralement entre différents conducteurs sous tension. Étant donné que l’espacement entre les conducteurs est grand et que le chemin est complexe, la fréquence d’apparition est plus faible. Actuellement, des mesures de protection telles que des fusibles et des disjoncteurs permettent de contrôler efficacement l'impact des arcs parallèles.

2.Causes deFrappe à l'arc DC

2.1Problèmes de composants de connexion

Les composants de connexion constituent l’un des points problématiques les plus courants dans les systèmes photovoltaïques et constituent également une cause majeure d’arcs CC.

• Les connecteurs desserrés, oxydés ou usés (tels que les fiches MC4) sont des problèmes courants : lors d'une utilisation à long terme-, les connecteurs peuvent se desserrer en raison de facteurs tels que les vibrations et les changements de température. Des connecteurs desserrés peuvent augmenter la résistance de contact, générant une grande quantité de chaleur lors du passage du courant, provoquant une augmentation de la température du connecteur. Les températures élevées accélèrent l’oxydation et l’usure du connecteur, créant un cercle vicieux qui finit par conduire à des espaces pouvant déclencher des arcs électriques.

• Le sertissage des joints de câbles n'est pas conforme aux normes : une force de sertissage insuffisante ou des fuites peuvent entraîner un mauvais contact au niveau des joints de câbles, ce qui augmente également la résistance de contact, génère des températures élevées et peut par conséquent provoquer des arcs électriques.

2.2Problèmes de conducteur

Les fils sont des composants importants dans les systèmes photovoltaïques pour transmettre le courant, et leur qualité et leur état affectent directement le fonctionnement sûr du système.

• Un endommagement de la couche d'isolation du câble peut créer un espace entre le conducteur et les corps de mise à la terre ou les supports métalliques, ce qui peut provoquer un arc électrique : L'isolation du câble peut être endommagée lors de l'installation ou de l'utilisation en raison de facteurs tels que des dommages mécaniques ou une corrosion chimique.

• Le fil peut être endommagé par des forces extérieures (telles que le rongement des rongeurs ou le frottement mécanique), entraînant une exposition locale, qui est également l'une des causes de l'étirement de l'arc : dans certaines centrales photovoltaïques extérieures, des rongeurs rongent les câbles de temps en temps.

2.3Facteurs environnementaux et de vieillissement

Les facteurs environnementaux et le vieillissement des équipements sont également des causes importantes d’arcs CC dans les systèmes photovoltaïques.

• Une exposition prolongée à des températures et à une humidité élevées peut accélérer le vieillissement des composants, entraînant une baisse des performances d'isolation : dans des environnements à haute température-, les matériaux des composants subissent un vieillissement thermique, entraînant une baisse progressive de leurs performances ; dans des environnements-à forte humidité, les composants peuvent devenir humides, affectant leurs propriétés isolantes.

• La poussière et la corrosion s'accumulent au niveau des points de connexion, ce qui peut perturber la continuité électrique et provoquer des décharges interstitielles : Dans les environnements poussiéreux à forte corrosivité, les points de connexion ont tendance à accumuler une grande quantité de poussière et de substances corrosives. Ces matériaux peuvent gêner la transmission du courant électrique, augmenter la résistance aux points de connexion, générer des températures élevées et potentiellement provoquer des arcs électriques.

3. Technologie de détection et application de l’arc CC dans le photovoltaïque

3.1Interrupteur de circuit de défaut d'arc (AFCI/AFDD)

La fonction d'un AFCI est de « détecter et couper le courant » immédiatement lorsqu'un arc se produit, empêchant ainsi le feu de se propager.

Il est généralement intégré dans des boîtiers de combinaison CC, des onduleurs ou des disjoncteurs pour surveiller les signaux de courant en temps réel. Lorsqu'un arc se produit, la forme d'onde actuelle présente un bruit et une distorsion spécifiques à haute fréquence-. L'AFCI utilise des algorithmes pour détecter ce signal anormal et déconnecte rapidement le circuit.

Structure principale

Les disjoncteurs de défaut d'arc AFCI se composent principalement d'un module disjoncteur, d'un module de fuite, d'un module d'alimentation, d'un module de conditionnement de signal, d'un module de déclencheur et d'un module d'interface de communication.

• Module d'alimentation : alimente les appareils concernés à l'intérieur de l'AFCI/AFDD.

• Module de conditionnement de signal : le signal de courant dans le circuit principal passe par un transformateur de courant de ligne jusqu'au module de conditionnement de signal. Le module amplifie, rectifie et filtre le signal avant de l'envoyer au microcontrôleur pour traitement.

• Module de déclenchement : dans le disjoncteur de défaut d'arc AFCI, la structure électromagnétique du module de déclenchement adopte une nouvelle technologie d'économie d'énergie-, minimisant les pertes de noyau et les pertes de court-circuit-du système électromagnétique du commutateur, maximisant ainsi les économies d'énergie. Un dispositif tampon est ajouté pour réduire l'impact énergétique sur le système électromagnétique, améliorant ainsi les performances de fermeture de l'interrupteur et prolongeant sa durée de vie. Le mécanisme de fonctionnement du module de déclenchement peut recevoir des signaux de défaut détectés par la puce de commande principale MCU et interrompre le circuit de la bobine via des contacts de commande, le mécanisme électromagnétique coupant le circuit principal. Une fois le défaut résolu, une pression sur le bouton de commande réinitialise le module.

Module d'interface de communication : ce module permet-la transmission en temps réel de données telles que les signaux de courant, de tension, de phase de courant et d'arc à l'ordinateur du terminal, permettant ainsi une surveillance à distance.

Principe de fonctionnement

La puce de contrôle principale MCU du disjoncteur de défaut d'arc AFCI surveille le signal de courant dans le circuit principal en temps réel. Lorsqu'un défaut d'arc est détecté dans le circuit principal, le microcontrôleur envoie un signal de déclenchement et le circuit de déclenchement exécute l'opération de déclenchement.

3.2Technologie d’imagerie thermique infrarouge

La technologie d'imagerie thermique infrarouge détecte un échauffement anormal au niveau des points de connexion grâce à une caméra infrarouge, permettant d'identifier à l'avance les risques potentiels d'arc. Un mauvais contact s'accompagne souvent de températures élevées localisées, et l'imagerie thermique infrarouge peut afficher clairement ces-zones de température élevée, fournissant ainsi au personnel de maintenance une référence intuitive.

4. Mesures de protection et mise en œuvre des défauts d'arc CC dans le photovoltaïque

4.1Installation standard

Une installation correcte constitue la base de la prévention des arcs CC dans les systèmes photovoltaïques. Pendant le processus d'installation, assurez-vous que les connecteurs et les joints de câbles sont fermement sertis pour éviter les connexions desserrées. Des outils professionnels doivent être utilisés pour le sertissage, fonctionnant avec la force spécifiée pour garantir une résistance de contact minimale aux points de connexion.

Par la même occasion, choisissez des matériaux isolants conformes aux normes pour réduire les risques de dommages mécaniques. Lors de l'installation des câbles, évitez les flexions et les étirements excessifs pour éviter d'endommager la couche isolante.

4.2Sélection des composants

Choisissez des connecteurs et des câbles résistants au vieillissement et aux températures élevées, et surtout dans les environnements difficiles, améliorez le niveau de protection des composants (tels que IP65/IP67). Lors de la sélection des composants, tenez pleinement compte des conditions environnementales de la centrale photovoltaïque, telles que la température, l'humidité et la corrosivité.

Par exemple, dans les centrales photovoltaïques situées dans des zones-à haute température, il convient de choisir des connecteurs et des câbles capables de maintenir des performances stables à des températures plus élevées ; dans des environnements très corrosifs tels que les zones côtières, des composants résistants à la corrosion doivent être sélectionnés.

4.3 Optimisation de la conception du système

L'optimisation de la conception du système est cruciale pour prévenir la formation d'arcs CC dans les systèmes photovoltaïques. Pendant le processus de conception, il est important d'éviter les tensions CC trop élevées (qui doivent être conformes aux normes de sécurité), de réduire les longs câbles et de minimiser le risque de décharge par espacement.

Planifiez raisonnablement la disposition des modules photovoltaïques et le cheminement des câbles, en visant à minimiser la longueur des câbles et à réduire le nombre de coudes et de joints dans les câbles. Dans le même temps, des dispositifs de protection appropriés doivent être installés, tels que des fusibles, des disjoncteurs et des dispositifs de protection contre les arcs électriques, pour couper rapidement l'alimentation en cas d'anomalies dans le circuit.