Protection des personnes et des biens contre les risques électriques dans les installations photovoltaïques

Les deux caractéristiques particulières des générateurs photovoltaïques sont leurs niveaux de tension continue et le fait qu'ils ne peuvent pas être mis hors tension aussi longtemps que les modules PV sont exposés au soleil. Le courant de court-circuit produit par un module PV est trop faible pour déclencher la déconnexion automatique de l'alimentation. Les mesures de protection les plus fréquemment utilisées ne donc sont pas applicables aux systèmes photovoltaïques. Cependant, comme les modules photovoltaïques sont installés à l'extérieur, ils sont exposés aux intempéries. Et comme ils peuvent être installés sur le toit de bâtiments, une attention particulière doit être portée au risque d'incendie et à la protection des pompiers et du personnel des services d'urgence.

Protection des personnes contre les chocs électriques

Le paragraphe 412.1.1 de la norme IEC 60364-4-41 et, en France, NF C 15-100-1 sous-paragraphe 412.1.1, indiquent : l'isolation double ou renforcée est une mesure de protection dans laquelle :

• la protection principale (= contre les contacts directs) est assurée par une isolation principale, et la protection en cas de défaut (= contre les contacts indirects) est assurée par une isolation supplémentaire, ou
• la protection principale et la protection en cas de défaut est assurée par une isolation renforcée entre les parties actives et les parties accessibles.

NB : Cette mesure de protection est prévue pour empêcher l'apparition de tensions dangereuses sur les parties accessibles des matériels électriques lors d'un défaut de l'isolation de base.

La norme IEC 60364-7-712 et

les guides UTE C 15-712-1, UTE C 15-712-2 et AFNOR XP C 15-712-3

stipulent que les systèmes PV dont la tension UOC maximale (tension en circuit ouvert) est supérieure à 120 V DC doivent utiliser "une isolation double ou renforcée" comme protection contre les chocs électriques.

En effet, l'appareillage côté CC, tel que les fusibles ou disjoncteurs, ne protège pas contre les chocs électriques car il n'y a pas de déconnexion automatique de l'alimentation dans un temps suffisamment court (La protection contre les surintensités, lorsqu'elle est utilisée, protège les cellules photovoltaïques contre le courant inverse et protège les câbles contre les surcharges et les courts-circuits).

Risque d'incendie : protection contre les effets thermiques

Quand un défaut d'isolement est détecté par un moyen quelconque, l'onduleur est arrêté et déconnecté du côté CA. Toutefois, le défaut est toujours présent sur le côté CC et la tension présente entre les pôles est la tension en circuit ouvert du générateur PV, tant que les modules sont exposés au soleil.

Cette situation ne peut être tolérée sur une longue période et le défaut doit être trouvé et éliminé. Sinon, un deuxième défaut peut se développer sur l'autre pôle, ce qui provoque la circulation d'un courant dans les conducteurs reliés à la terre et dans les parties métalliques de l'installation PV sans aucune garantie que les dispositifs de protection fonctionnent correctement. Voir "Disjoncteurs ou fusibles".

D'une manière générale, il existe trois situations qui peuvent conduire à des températures anormalement élevées et un risque d'incendie dans un système PV : un défaut d'isolement, un courant inverse dans un module PV, et la surcharge des câbles ou de l'équipement.

Détection de défaut d'isolement

L'isolation double ou renforcée est une mesure de protection contre les chocs électriques, mais elle n'exclut pas tout risque de défaut d'isolement (l'hypothèse ici est que la probabilité d'avoir un défaut d'isolement et qu'une personne touche une partie sous tension dans le même temps est très faible. Par contre, les défauts d'isolement en eux-mêmes se produisent plus fréquemment). Un défaut d'isolement coté CC peut être plus dangereux car l'arc a moins de chance de s'éteindre par lui-même comme il le fait en courant alternatif.

Le générateur PV doit être vérifié pour s'assurer qu'il est bien isolé de la terre.

Lorsqu'il n'y a pas d'isolement galvanique entre le côté CA et le côté CC :

• la mise à la terre d'un pôle est impossible,
• la protection coté CA peut être utilisée pour détecter les défauts d'isolement.

Lorsque le côté CA et le côté CC sont isolés galvaniquement :

• Si la technologie des cellules photovoltaïques (par exemple, films minces de silicium amorphe) nécessite que l'une des polarités soit directement mise à la terre, un dispositif de protection contre les surintensités, placé sur le conducteur de mise à la terre, doit la déconnecter en cas de défaut à la terre;
• Si la technologie des cellules photovoltaïques nécessite que l'une des polarités soit mise à la terre par une résistance, un dispositif de surveillance de l'isolement doit être utilisé;
• Si la technologie des cellules photovoltaïques ne nécessite le raccordement d'aucune polarité à la terre, un dispositif de surveillance d'isolement doit également être utilisé.

Le dispositif de surveillance d'isolement doit être choisi en tenant compte à la fois de la tension U_{OC MAX} et de la capacité entre les panneaux PV et la terre qui provoque un courant de fuite. La capacité des câbles et de l'onduleur doit également être prise en compte. Un dispositif de surveillance d'isolement capable de gérer une capacité jusqu'à 500 µF est bien adapté à un système PV de taille moyenne.

La documentation fournie par les fabricants de modules photovoltaïques donne les chiffres suivants :

Type de module PV	Puissance maximale habituellement développée avec un seul onduleur	Surface nécessaire pour produire cette puissance	Capacité usuelle par m2	Capacité usuelle entre conducteurs et terre pour un schéma IT
Module bi-verre avec cadre aluminium sur support de montage (en plein air)	1 MW	8000 m2	1 nF / m2	8 µF
Module bi-verre sur toit avec cadre aluminium	100 kW	800 m2	5 nF / m2	4 µF
Module PV à film mince sur substrat souple	100 kW	800 m2	50 nF / m2	40 µF

Certaines mesures effectuées sur des sites européens donnent les chiffres suivants :

Fig. P11 – Exemple de capacité de fuite pour divers systèmes PV

Type de module PV	Puissance maximale développée avec un onduleur unique	Surface nécessaire pour produire cette puissance	Capacité mesurée minimale (après-midi ensoleillé)	Capacité mesurée maximale (matinée pluvieuse)	Capacité mesurée maximale
Module bi-verre avec cadre en aluminium sur support de montage (en plein air)	Usine 1 : 1 MW	8000 m²	5 μF	10 μF	1.25 nF / m²
	Usine 2 : 750 kW	5000 m²	2 μF	4 μF	0.8 nF / m²
Module bi-verre sur toit avec cadre aluminium	Usine 1 : 100 kW	800 m²	2 μF	4 μF	5 nF / m²
	Usine 2 : 50 kW	400 m²	0.5 μF	1 μF	2.5 nF / m²
Module PV à film mince sur substrat souple	Usine 1 : 100 kW	800 m²	30 μF	50 μF	62.5 nF / m²
	Usine 2 : 50 kW	400 m²	15 μF	25 μF	62.5 nF / m²

Protection des modules PV contre un courant inverse

Un court-circuit dans un module PV, un câblage défectueux, ou un défaut associé peut générer un courant inverse dans une chaîne de module PV. Cela se produit si la tension en circuit ouvert d'une chaîne est sensiblement différente de la tension à vide de chaînes parallèles reliées au même onduleur. Le courant circule à partir des chaînes en bon état vers la chaîne défectueuse au lieu de circuler vers l'onduleur et le réseau d'alimentation CA. Le courant inverse peut entraîner une augmentation de température dangereuse et un incendie dans le module PV. La tenue au courant inverse d'un module PV doit donc être testée conformément à la norme CEI 61730-2 et le constructeur doit fournir la valeur admissible maximale de courant inverse (IRM) et/ou la valeur maximale de protection contre les surintensités du module PV (I_{MOD_MAX_OCPR}).

Fig. P12 – courant inverse

Courant inverse dans la chaîne défectueuse = courant total des autres chaînes

Il n'y a pas de risque de courant inverse en cas de chaîne unique. Lorsque deux chaînes ayant le même nombre de modules photovoltaïques sont montées en parallèle, le courant inverse sera toujours inférieur à la valeur maximale admissible. Ainsi, lorsque le générateur photovoltaïque est constitué de seulement une ou deux chaînes, aucune protection de courant inverse n'est nécessaire.

Une protection contre les courants inverses doit être mise en œuvre si le nombre total de chaînes qui pourraient alimenter une chaîne défectueuse est suffisamment élevé pour fournir un courant inverse dangereux, c'est à dire, selon l'IEC 60364-7-712, si :

Ns > 1+ I_{MOD_MAX_OCPR} / I_{SC_MAX}

Où :

• Ns est le nombre total de chaînes du générateur PV,
• I_{MOD_MAX_OCPR} est la valeur maximale de protection contre les surintensités du module PV, définie dans la norme CEI 61730-2,
• I_{SC_MAX} est le courant de court-circuit maximal d'un module PV, dépendant de l'éclairement max, et calculé selon la formule:

I_{SC MAX} = K_I x I_{SC_STC}, avec K_I ≥ 1,25

En France, le guide UTE C15-712-1 donne la condition suivante:

Ns > 1+ I_{MOD_MAX_OCPR} / I_{SC_STC}

Le guide UTE C15-712-2 (installations off-grid) impose la protection des chaînes.

La norme XP C 15-712-3 rend obligatoire la protection des modules à cause de la présence des batteries.

Les protections doivent être placées sur les deux polarités.

Protection des canalisations contre les surintensités

Dans une installation PV, le courant de court-circuit max produit par une chaîne est peu supérieur à son courant nominal, si bien que la protection des canalisations peut être assurée de deux manières différentes selon les cas:

• soit par des câbles de section suffisante pour tenir en permanence le courant de court-circuit maximal supposé les parcourir (petites installations, câble principal du générateur);
• soit par la mise en place d'une protection contre les surintensités, plus intéressante économiquement dès que la section des câbles devient trop importante.

Les normes indiquent donc:

• les conditions nécessitant l'utilisation d'une protection;
• le choix de la protection quand elle est nécessaire;
• le dimensionnement des câbles avec et sans protection.

En France, chaque document de référence comporte un organigramme présentant le choix des protections contre les surintensités et des câbles pour la partie CC:

• figure 7 dans l'UTE C15-712-1;
• figure 3 dans l'UTE C15-712-2;
• figure 5 dans l'XP C15-712-3;

Protection de chaîne (="string")

Selon la norme IEC 60364-7-712, lorsque la protection de chaîne contre les surintensités est nécessaire (voir ci-dessus la condition de protection contre les courants inverses):

• soit chaque chaîne PV est protégée par un dispositif de protection dont la valeur assignée nominale In vérifie:

1,5 × I_{SC_MOD} < In < 2,4 × I_{SC_MOD}

ET In ≤ I_{MOD_MAX_OCPR}

• soit N_TS chaînes sont raccordées en parallèle sous la protection d'un seul dispositif de valeur assignée nominale Ing, à condition que celui-ci vérifie:

1,5 × N_TS × I_{SC_MOD} < Ing < I_{MOD_MAX_OCPR} – ((N_TS -1) × I_{SC_MOD} )

Le courant admissible du câble de chaîne doit vérifier une des conditions suivantes (tableau 712.2 de la norme IEC 60364-7-712) :

• Si le câble n'est pas protégé: Iz ≥ 1,25 x (Ns-1) x I_{SC_MOD} + In_aval le plus proche ;
• Si le câble est protégé: Iz ≥ In .

En France, le guide UTE C15-712-1 et la norme XP C15-712-3 donnent les règles suivantes:

• soit chaque chaîne PV est protégée par un dispositif de protection dont la valeur assignée nominale In vérifie:

1,1 × I_{SC_MAX} ≤ In ≤ I_{MOD_MAX_OCPR}

• soit NTS chaînes sont raccordées en parallèle sous la protection d'un seul dispositif de valeur assignée nominale In, à condition que celui-ci vérifie:

1,1 × NTS × I_{SC_MAX} ≤ In ≤ I_{MOD_MAX_OCPR} – ((NTS -1) × I_{SC_MAX} )

Le guide UTE C15-712-2 impose une protection par chaîne, c'est donc la première règle qui s'applique.

Le dimensionnement des câbles de chaîne est le suivant:

• S'il n'y a pas de protection de chaîne (uniquement possible dans le cadre des installations couvertes par le guide UTE C15-712-1):

Iz ≥ I_SCMAX s'il y a au maximum 2 chaînes pour le générateur PV;

Iz ≥ (N_S-1)xI_SCMAX si le nombre Ns de chaînes en parallèle pour le générateur PV est supérieur à 2.

• S'il y a UNE protection PAR chaîne:

Iz ≥ I2 s'il y a moins de 20 chaînes en parallèle pour le générateur PV;

Iz ≥ In s'il y a au moins 20 chaînes pour le générateur PV.

• S'il y a UNE protection pour N_TS chaînes en parallèle (uniquement possible dans le cadre des installations couvertes par le guide UTE C15-712-1):

Iz ≥ kpxI2 s'il y a moins de 20/N_TS chaînes en parallèle pour le générateur PV;

Iz ≥ kpxIn s'il y a au moins 20/N_TS chaînes pour le générateur PV,

où

• I2 est le courant conventionnel de fonctionnement du dispositif de protection, défini dans la norme produit du dispositif;
• kp = 1+ (N_TS-1)/(Ns-N_TS)

Protection de groupe (= "sub-array")

Selon la norme IEC 60364-7-712, la protection contre les surintensités pour les groupes doit être mise en place dès qu'il y a plus de 2 groupes en parallèle.

Elle doit alors respecter la condition suivante:

1,25 × Isc_S-ARRAY < In ≤ 2,4 x Isc_S-ARRAY

Le facteur 1,25 a remplacé 1,5 pour donner de la souplesse à la conception, mais attention aux lieux de grande irradiance: le facteur de 1,25 doit alors être augmenté pour ne pas risquer de déclenchement intempestif...

Le courant admissible du câble de groupe doit vérifier une des conditions suivantes (tableau 712.2 de la norme IEC 60364-7-712) :

• Si le câble n'est pas protégé: Iz ≥ MAX [1,25 x I_{SC_autres groupes} + In_aval le plus proche ; 1,25 × Isc_S-ARRAY]  ;
• Si le câble est protégé: Iz ≥ In .

En France, le guide UTE C15-712-1 n'impose pas une protection à partir de deux groupes mais le choix d'une section adaptée au courant de court-circuit maximum généré par les groupes en parallèle... ce qui peut faire parfois de grandes sections, d'où le choix souvent préférable de protéger les groupes.

La norme XP C15-712-3 impose la protection des groupes à cause de la présence de batteries.

La règle applicable pour le choix de la protection est:

1,1 × I_{SCMAX_GROUPE} ≤ In

Le dimensionnement des câbles de groupe est le suivant:

• S'il n'y a pas de protection de groupe (uniquement possible dans le cadre des installations couvertes par le guide UTE C15-712-1):

Iz ≥ I_{SCMAX_GROUPE} s'il y a au maximum 2 groupes pour le générateur PV;

Iz ≥ (Na-1)xI_{SCMAX_GROUPE} si le nombre Na de groupes en parallèle pour le générateur PV est supérieur à 2.

• S'il y a une protection de groupe:

Iz ≥ I2 s'il y a moins de 20 groupes en parallèle pour le générateur PV;

Iz ≥ In s'il y a au moins 20 groupes pour le générateur PV.

Protection du câble principal du générateur (="array")

Selon la norme IEC 60364-7-712, la protection contre les surintensités du câble principal n'est exigée qu'en cas de présence de batterie, et doit alors respecter la condition suivante:

1,25 × Isc_ARRAY < In ≤ 2,4 x Isc_ARRAY

Le courant admissible du câble doit vérifier une des conditions suivantes :

• Si le câble n'est pas protégé: Iz ≥ 1,25 x Isc_ARRAY ;
• Si le câble est protégé: Iz ≥ In

En France, le guide UTE C15-712-1 n'impose pas de protection.

La norme XP C15-712-3 impose la protection du câble principal générateur à cause de la présence de batteries.

Le guide UTE C15-712-2 impose également la protection du câble principal générateur, parfois réalisée par la protection de chaîne ou de groupe.

La règle applicable pour le choix de la protection est:

1,1 × I_{SCMAX_GENERATEUR} ≤ In

Le courant admissible du câble doit vérifier une des conditions suivantes:

• Si le câble n'est pas protégé (uniquement pour les installations couvertes par le guide UTE C 15-712-1): Iz ≥ I_{SCMAX-GENERATEUR};
• Si le câble est protégé par un disjoncteur ou un fusible de type gPV: Iz ≥ In .

Note: Dans le cadre de la norme XP C15-712-3 (installations avec stockage), il est possible d'utiliser des fusibles gG; la règle est alors légèrement différente.

Disjoncteurs ou fusibles

Disjoncteurs ou fusibles peuvent être utilisés pour fournir une protection contre les surintensités.

Les fusibles pour installations photovoltaïques doivent être de type gPV, conformes à la norme IEC 60269-6 et, en France, à la NF EN 60269-6.

Les fusibles, habituellement sur porte-fusible ou directement reliés à des barres ou des câbles, ne fournissent pas de fonction de coupure en charge. Ainsi, lorsque des fusibles sont utilisés, des interrupteurs en charge doivent également être utilisés pour déconnecter les fusibles de l'onduleur afin de permettre le remplacement éventuel d'une cartouche. Ainsi, un coffret de groupe avec fusibles sur porte-fusibles assurant la protection de chaîne, par exemple, devrait également intégrer un interrupteur principal.

Les disjoncteurs offrent un réglage fin et une plus grande précision que les fusibles, ce qui permet l'utilisation de câbles de section plus faible qu'avec des fusibles, en particulier pour les câbles de groupes.

Double défaut à la terre Les systèmes photovoltaïques sont soit isolés de la terre, soit avec une polarité mise à la terre à travers une protection contre les surintensités. Par conséquent, dans les deux configurations, il peut y avoir un défaut dans lequel un courant s'écoule à la terre. Si ce défaut n'est pas éliminé, il peut se propager au pôle sain et donner lieu à une situation dangereuse avec un risque d'incendie. Même si une double isolation rend une telle éventualité peu probable, ce point mérite attention.

Fig. P13 – protection de chaîne contre les surintensités "Max I"

Pour les deux raisons suivantes, la situation de double défaut à la terre doit absolument être évitée:

• Le courant de double défaut d'isolement pourrait être faible et inférieur au seuil de déclenchement de la protection contre les surintensités (disjoncteur ou fusible). Cependant, un défaut d'arc CC ne s'interrompt pas, même lorsque le courant est faible. Ceci peut présenter un grave danger, en particulier quand les modules photovoltaïques sont installés sur des bâtiments;
• Les disjoncteurs et interrupteurs utilisés dans les systèmes PV sont conçus pour couper le courant nominal ou de défaut avec tous les pôles à la tension maximale en circuit ouvert (U_{OC MAX} ). Pour couper le courant lorsque U_{OC MAX} est égale à 1000 V, par exemple, quatre pôles en série sont nécessaires (deux pôles en série pour chaque polarité). Dans les situations de double défaut à la terre, le disjoncteur ou interrupteur doit couper le courant à pleine tension avec seulement deux pôles en série. Les appareils n'ont pas été conçus à cette fin et pourraient subir des dommages irrémédiables s'ils sont utilisés pour interrompre le courant dans une situation de double défaut à la terre.

La solution idéale consiste à éviter qu'un double défaut à la terre ne survienne.

Un contrôleur d'isolement (ou un dispositif de protection contre les surintensités dans les systèmes reliés à la terre) doit détecter et signaler le premier défaut. Cependant, bien que le système de détection de défaut stoppe généralement l'onduleur, le défaut reste présent. C'est pourquoi le personnel de maintenance doit localiser et éliminer le défaut sans délai.

Dans le cas de systèmes de puissance élevée avec des sous-réseaux protégés par des disjoncteurs, il est fortement conseillé de débrancher chaque tableau lorsque le premier défaut a été détecté, mais non éliminé dans les heures qui suivent.

Choix d'appareillage et de coffret

Double isolation

Les coffrets côté CC doivent assurer une double isolation.

Problèmes thermiques

Le comportement thermique de l'appareillage et des coffrets nécessite une surveillance attentive. Les boîtiers de générateur PV et les boîtiers de réseau sont généralement installés à l'extérieur et exposés aux intempéries. En cas de températures ambiantes élevées, des indices de protection IP élevés pourraient réduire le débit d'air et la dissipation thermique. En outre, la manière dont les dispositifs de commutation fonctionnent à tension élevée, c'est- à-dire par l'utilisation de pôles en série, augmente leur échauffement. Une attention particulière doit donc être portée à la température de l'appareillage dans les enveloppes extérieures sur le côté CC.

La protection des câbles doit être conforme aux exigences de la norme CEI 60364,

ou, en France, aux exigences des guides UTE C 15-712-1 et UTE C 15-712-2, et de la norme XP C 15-712-3.

La partie 7-712 de la norme stipule que tous les boîtiers sur le côté CC doivent répondre aux exigences de la norme CEI 61439. Cette norme couvre les ensembles d'appareillage et de commande basse tension et énonce les dispositions qui garantissent que le risque d'élévation de température a été pris en compte pour une conception sure des coffrets CC (générateur et coffrets de réseau).

Degré de pollution de l'appareillage et choix des enveloppes

En plus des critères habituels de sélection des enveloppes dans les systèmes PV avec U_{OC MAX} de 1000 V, certains équipements peuvent présenter un degré de pollution 2 selon CEI 60947-1 plutôt qu'un degré de pollution 3.

Si le tableau a un degré de pollution 2, l'indice de protection IP de l'enceinte selon IEC 60529 doit être d'au moins IP5x.