Source: iaeimagazine.org
La tempête parfaite de Lightning pour la destruction est sur le terrain solaire. Large - des panneaux solaires et souvent exposés et isolés - Emplacement rendez la protection contre la surtension pour qu'il dure sa durée de vie.
La foudre est une décharge électrique dans l'atmosphère. Lorsque la foudre frappe, les incendies sont susceptibles de se produire en raison de la libération d'énergie. Les nuages de nimbus (nuages de pluie) ont une concentration de charge électrique, et leur accumulation crée une ionisation de l'air. L'ionisation de l'air qui se situe entre le sol et les nuages de nimbus crée une décharge des nuages au sol. Les nuages de nimbus provoquent les plus grandes surtensions car elles génèrent la foudre.
Les coups de foudre indirects sont destructeurs. Les observations anecdotiques sur l'activité de la foudre sont généralement un mauvais indicateur du niveau de la foudre - sur des surtensions induites dans les tableaux PV1. Les coups de foudre indirects peuvent facilement endommager les composants sensibles dans l'équipement PV, qui a souvent un coût élevé pour réparer ou remplacer les composants endommagés et affecter la fiabilité du système PV1. La surtension dépend des conditions de configuration de chaque système PV et des câbles.
Les systèmes PV sont exposés dans de grands espaces ouverts, généralement dans les champs ou sur le dessus des bâtiments. Les nuages de pluie chargés qui s'accumulent sur de tels champs ouverts ont la propension à libérer la charge sous forme de foudre. Lorsque cela se produit, une surtension de tension est susceptible de se produire. Plus le champ est expansif, plus la destruction est susceptible de se produire.
L'équipement électronique peut facilement être endommagé au point de défaillance catastrophique par des surtensions. Si une surtension se produit lorsque tout personnel est présent, il comprometra également sa sécurité. Les coups de foudre indirects peuvent être mortels si la personne est à moins de 60 pieds du point de la foudre [2]. Lorsqu'un système photovoltaïque est situé sur un site industriel, les opérations et l'équipement commerciaux sont également en danger. Les onduleurs sont chers, mais pour les applications industrielles, un échec encore plus cher est le coût des temps d'arrêt.
Lorsque la foudre frappe un système solaire photovoltaïque, il provoque un courant transitoire induit et une tension dans les boucles de fil solaire PV. Ces courants et tensions transitoires apparaîtront aux bornes de l'équipement et provoqueront probablement des défaillances d'isolation et de diélectrique au sein des composants solaires PV électrique et électronique tels que les panneaux PV, l'onduleur, l'équipement de contrôle et de communication2, ainsi que des appareils dans l'installation du bâtiment3. La boîte de tableau, l'onduleur et le dispositif MPPT (Power Point Tracker) ont les points de défaillance les plus élevés.
Pour empêcher une grande énergie de passer par l'électronique et de causer des dommages à haute tension au système PV, les surtensions de tension doivent avoir un chemin de terre. Pour ce faire, toutes les surfaces conductrices doivent être directement ancrées et tout le câblage qui entre et quitte le système (tel que les câbles Ethernet et les plats secteur) est couplé à la terre via un dispositif de protection contre les surtensions (SPD).
Un SPD est nécessaire pour chaque groupe des chaînes dans la boîte de tableau, la boîte de recombiner, ainsi que la déconnexion DC.
Classifications de dispositifs de protection des surtensions
Les SPD offrent une protection contre les dangers causés par les surtensions.
UL 1449 [4] définit les SPD de type 1, de type 2 et de type 3:
Type 1:Un port, des SPD connectés en permanence, à l'exception des enclos de douille des compteurs Watt -, destinés à l'installation entre le secondaire du transformateur de service et le côté de la ligne du dispositif de surintensité de l'équipement de service, ainsi que le côté de chargement, y compris Watt - Hour Metter Planchers Enclosures et les espèces de cas moulés intentionnels pour être installés sans un protège de cas de propection externe. Les SPD de type 1 pour une utilisation dans les systèmes PV peuvent être connectés entre le réseau PV et la déconnexion du service principal.
Type 2:Les SPD connectés en permanence destinés à l'installation du côté de charge du périphérique de surintensité de l'équipement de service; y compris les SPD situés au panneau de branche et les SPD de boîtier moulé. La valeur IMAX est le courant de décharge unique maximum représenté par une forme d'onde de 8/20 µs que le SPD peut prendre en charge.
Type 3:Point d'utilisation SPDS, installé à une longueur de conducteur minimale de 10 mètres du panneau de service électrique au point d'utilisation, par exemple le cordon connecté, la fiche directe - dans, le type de réceptacle et les SPD installés au niveau de l'équipement d'utilisation. La distance (10 mètres) est à l'exclusion des conducteurs qui sont fournis ou utilisés pour attacher des SPD.
Les SPD de type 1 protègent contre les coups de foudre directs et se caractérisent par une onde de courant de 10/350 µs. Les SPD de type 1 sont utilisés dans les onduleurs centraux.
Les SPD de type 2 protègent contre les coups de foudre indirects, qui se caractérisent par des formes d'onde de 8/20 µs. Une forme d'onde de 8/20 µs signifie que la frappe a un temps de montée de 8 µs et une durée à un - un demi-pic de 20 µs. Les SPD de type 2 empêchent la propagation de la surtension dans les installations et l'équipement électriques. Ils protègent également contre l'effet électromagnétique de la foudre qui propage une surtension dans le fil.
Un SPD de type 2 doit être utilisé sur chaque MPPT et dans les onduleurs de chaîne et les boîtes de tableau.
Les cases où se produisent des surtensions sont généralement endommagées à partir de frappes indirectes. Ce n'est pas seulement le type de matériau et de hauteur, mais aussi la forme qui affecte la capacité d'un objet à attirer des coups de foudre. Si la forme de la boîte ou du matériau a une propension pour attirer des coups de foudre, un SPD de type 1 ou un tige de foudre doit être utilisé.
La hauteur, les formes pointues et l'isolement sont les caractéristiques dominantes qui déterminent où la foudre frappe. C'est un mythe que le métal attire la foudre. Cependant, il est important de noter que peu importe où se trouve la ferme PV ou la forme de tout objet à proximité, les SPD sont essentiels pour chaque système PV en raison de leur sensibilité inhérente aux frappes directes et indirectes.
Sélection et installation du dispositif de protection des surtensions pour les systèmes PV
Les systèmes PV ont des caractéristiques uniques, qui nécessitent donc l'utilisation de SPD qui sont spécialement conçus pour les systèmes PV.
Les systèmes PV ont des tensions de système CC élevées jusqu'à 1500 volts. Leur point de puissance maximum fonctionne à seulement quelques centiles en dessous du courant de court-circuit du système.
Pour déterminer le module SPD approprié pour le système PV et son installation, vous devez savoir:
la densité flash ronde de foudre;
la température de fonctionnement du système;
la tension du système;
la cote de courant de court-circuit du système;
le niveau de forme d'onde qui doit être protégé contre (foudre indirecte ou direct); et
le courant de décharge nominal.
Les exigences SPD pour une installation protégée par un système de protection contre la foudre externe (LPS) dépendent de la classe sélectionnée du LPS et si la distance de séparation entre le LPS et l'installation PV est isolée ou non - isolé [4]. La CEI 62305-3 détaille les exigences de distance de séparation pour un LPS externe.
Pour avoir un effet protecteur, le niveau de protection de tension du SPD (UP) doit être inférieur à 20% que la résistance diélectrique de l'équipement terminal du système.
Il est important d'utiliser un SPD avec un court-circuit avec un courant supérieur au courant de court-circuit de la chaîne de réseau solaire auquel le SPD est connecté. Le SPD fourni sur la sortie CC doit avoir un DC MCOV égal ou supérieur à la tension du système photovoltaïque maximum du panneau.
Lorsque la foudre frappe au point A (voir figure 1), le panneau PV solaire et l'onduleur sont susceptibles d'être endommagés. Seul l'onduleur sera endommagé si la foudre frappe au point B. Cependant, l'onduleur est généralement le composant le plus cher d'un système PV, c'est pourquoi il est essentiel de sélectionner et d'installer correctement le SPD correct sur les lignes AC et CC. Plus la grève est proche de l'onduleur, plus l'onduleur sera endommagé.
Figure 1.Emplacement de la foudre.
SPDS pour le côté CC des systèmes photovoltaïques
Les sources PV ont des caractéristiques de courant et de tension très différentes des sources CC traditionnelles: elles ont une caractéristique linéaire non - et provoquent une persistance du terme long - des arcs enflammés. Par conséquent, les sources de courant PV nécessitent non seulement de plus grands commutateurs PV et des fusibles PV, mais également un déconnecteur pour le dispositif de protection de surtension qui est adapté à cette nature unique et capable de faire face aux courants PV.
Les SPD installés du côté CC doivent toujours être spécialement conçus pour les applications CC. L'utilisation d'un SPD sur le côté AC ou DC incorrect est dangereuse dans des conditions de faille.
Lorsque les SPD sont utilisés du côté CC, ils doivent également être utilisés du côté CA en raison des différences potentielles.
SPDS pour le côté AC
La protection des surtensions est tout aussi importante pour le côté AC que pour le côté CC. Assurez-vous que le SPD est spécialement conçu pour le côté CA.
Pour une protection optimale, le SPD doit être dimensionné spécifiquement pour le système. La sélection appropriée garantira la meilleure protection avec la plus longue durée de vie.
Du côté AC, plusieurs onduleurs peuvent être connectés au même SPD s'ils partagent la même connexion de grille.
Installation
Les SPD doivent toujours être installés en amont des appareils qu'ils vont protéger. NFPA 780 12.4.2.1 dit que la protection contre les surtensions doit être fournie sur la sortie CC du panneau solaire du positif au sol et au négatif au sol, au combinateur et au recombiner pour plusieurs panneaux solaires, et à la sortie CA de l'onduleur.
L'installation appropriée d'un SPD repose sur trois valeurs, qui sont:
Tension de fonctionnement continue maximale: la tension que le SPD active.
Niveau de protection de la tension: La catégorie de surtension de l'équipement doit être supérieure au niveau de protection de la tension du SPD.
Courant de décharge nominal: la valeur maximale de la forme d'onde (8/20 µs pour les SPD de type 2) que le SPD est capable de résister après des surtensions répétitives.
Câbles
Les câbles dans les systèmes PV sont souvent étendus sur de longues distances afin qu'ils puissent atteindre le point de connexion de la grille. Cependant, les longues longueurs de câbles ne sont jamais recommandées et les systèmes PV sont loin d'une exception.
En effet, l'effet du champ - basé sur les interférences électriques qui est causée par les décharges de foudre augmente en relation avec l'augmentation des longueurs de câbles et des boucles de conducteur. Lorsqu'une surtension transitoire se produit, toute baisse de tension inductive dans les câbles de connexion peut affaiblir l'effet protecteur du SPD. Cela est moins susceptible de se produire si les câbles sont acheminés pour être aussi courts que possible.
La tension de surtension est un contributeur important à la défaillance du câble, et chaque impulsion sur un câble contribuera à la détérioration de la résistance à l'isolation du câble.
Si une surtension est injectée dans un stand - seul système PV (un système qui est loin du réseau électrique), toutes les opérations d'équipement alimentées par l'électricité solaire, telles que l'équipement médical ou l'alimentation en eau, peuvent être perturbées.
L'emplacement et la quantité de SPD à installer du côté CC dépendent de la longueur du câble entre les panneaux solaires et l'onduleur (voir tableau 1). Si la longueur est inférieure à 10 mètres, un seul SPD est nécessaire et le SPD doit être installé dans le même voisinage que l'onduleur. Si la longueur du câble est supérieure à 10 mètres, installez un SPD à proximité de l'onduleur ainsi qu'un deuxième SPD dans la boîte qui est proche du panneau solaire.
Acheminer les câbles de telle manière qui évite les grandes boucles de conducteur. Les lignes AC et CC et les lignes de données doivent être acheminées avec les conducteurs de liaison équipotentielle le long de toute la route pour s'assurer que les boucles de conducteur ne sont pas formées en étant acheminées sur plusieurs chaînes ou lors de la connexion de l'onduleur à la connexion de la grille.
Tableau 1.Sélection SPD.
Comment combiner des SPD avec des onduleurs
Les fermes photovoltaïques sont composées d'équipements très sensibles qui nécessitent une protection expansive. Étant donné que les fermes PV créent une puissance de courant direct (DC), les onduleurs (qui sont nécessaires pour convertir cette puissance de DC en AC) sont un élément essentiel à leur production électrique. Malheureusement, les onduleurs sont non seulement très sensibles aux coups de foudre, mais ils sont incroyablement chers.
NFPA 780,Norme pour l'installation de systèmes de protection contre la foudre, en 12.4.2.3 nécessite des SPD supplémentaires à l'entrée CC de l'onduleur si l'onduleur système est à plus de 30 mètres de la boîte de combiner ou de recombiner le plus proche.
Installez le SPD entre les fusibles et l'onduleur s'il existe des protecteurs de chaîne (tels que les fusibles, les disjoncteurs ou les diodes de chaîne) [voir figure 2].
Figure 2.SPD correctement et incorrectement connecté à l'onduleur avec des protecteurs de chaîne.
Pour connecter un SPD lorsqu'il y a un onduleur avec une boîte à fusible intégrée, assurez-vous que les fusibles internes sont contournés et que les fusibles de chaîne externes sont connectés (voir figure 3). Les SPD doivent être montés à l'extérieur de l'onduleur et dans un boîtier de type NEMA - 3 R ou plus s'il s'agit d'une application extérieure.
Les onduleurs de cordes doivent être installés le plus près possible des chaînes. Les câbles SPD qui se connectent au réseau L + / L -, et entre le terminal du SPD et la barre de sol de terre, doit être inférieur à 2,5 mètres. Plus les câbles de connexion sont courts, plus la protection sera efficace et coûte -.
Pour les onduleurs avec un seul tracker MPP, combinez la chaîne avant l'onduleur et connectez-les au SPD au point d'interconnexion.
Les combinaisons SPD doivent être planifiées pour chaque entrée lorsque l'onduleur a plusieurs trackers MPP. Un SPD doit être utilisé pour chaque entrée fusionnée avec une diode de chaîne.
Figure 3.SPD connecté à l'onduleur avec une boîte à fusible intégrée
Conclusion
Faire fonctionner des équipements photovoltaïques sans protection des surtensions appropriés est plus que des affaires risquées -, il est imprudent.
Pour que les systèmes solaires soient l'avenir d'un monde plus vert, ils doivent être protégés. L'occurrence de la foudre est imparable et donc la protection est essentielle.
La vulnérabilité des systèmes photovoltaïques aux frappes de foudre - à la fois directe et indirecte - signifie qu'elles doivent être construites avec une protection de surtension fiable et correctement installée.