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 CEI 60364-4-41 indique : l'isolation double ou renforcé est une mesure de protection dans laquelle :

• la protection principale est assurée par une isolation principale, et la protection en cas de défaut 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 CEI 60364-7-712 stipule 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.

L'appareillage, tels que les fusibles ou disjoncteurs sur le côté CC, ne protège pas contre les chocs électriques car il n'y a pas de déconnexion automatique de l'alimentation.

La protection contre les surintensités, lorsqu'elle est utilisée, protège les cellules photovoltaïques contre le courant inverse et protège les câbles contre les surcharges.

En ce qui concerne la protection des personnes contre les risques électriques, le guide UTE C 15-712 prescrit l’usage de la classe II pour toute la partie CC. Pour une seule chaîne - et même jusqu’à trois chaînes connectées en parallèle à l’entrée d’un onduleur photovoltaïque, la norme ne préconise pas d’autre protection.

Cependant, pour des raisons évidentes de maintenance et d’interchangeabilité de l’onduleur, il est obligatoire d’avoir un sectionneur CC en amont de l’onduleur. Et, pour la partie CA de l’installation ce sont les règles de la NF C 15-100 qui doivent être appliquées.

Pour protéger l’installation photovoltaïque contre les risques de court-circuit et d’inversion de courant ainsi que contre les risques de foudre le guide UTE C 15-712 prescrit des protections plus adaptées.

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 AC. 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 "Protection contre les surintensités".

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 AC peut être utilisée pour détecter les défauts d'isolement.

Lorsque le côté AC et le côté DC sont isolés galvaniquement :

• un dispositif de protection contre les surintensités (qui détecte également les défauts d'isolement) doit déconnecter le conducteur mis à la terre en cas de défaut, si la technologie des cellules photovoltaïques (par exemple, films minces de silicium amorphe) nécessite que l'un des conducteurs soit directement mis à la terre,
• un dispositif de surveillance de l'isolement doit être utilisé si la technologie des cellules photovoltaïques nécessite que l'un des conducteurs soit mis à la terre par une résistance,
• un dispositif de surveillance d'isolement doit également être utilisé lorsque la technologie des cellules photovoltaïques ne nécessite pas le raccordement d'un conducteur à la terre.

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 pôles 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.

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

	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 dans des usines européennes donnent les chiffres suivants :

	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

Fig. P8 – exemple de capacité de fuite pour divers systèmes PV

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).

Fig. P9 – 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 de chaîne contre les surintensités 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 :

[math]\displaystyle{ 1,35\; I_{RM} \lt (Ns - 1)\; I_{SC\; MAX} }[/math]

Où :

• [math]\displaystyle{ I_{RM} }[/math] est la valeur maximale de courant inverse des cellules photovoltaïques définie dans la norme CEI 61730,
• [math]\displaystyle{ Ns }[/math] est le nombre total de chaînes.

En France, le guide UTE C15-712 préconise la mise en place de protections sur les deux polarités de chaque chaîne (cf. Fig. P8f). Ces protections doivent interrompre un courant continu. Le seuil de déclenchement minimum doit être de 1,27 x I_sc. Sa tenue en tension doit être de 1,2 x V_oc x nombre de modules en série.

Nombre de chaînes	Obligation de protection	Valeur de la protection
1, 2 ou 3	Non	Sans objet
> 3	Oui	Sur les deux polarités (+ et - ) 1,25 Isc < Valeur fusible < 2 Isc

Fig. P8f – Résumé des protections contre les risques électriques prévues par la guide UTE C 15-712

Protection contre les surintensités

CEI 60364-7-712 :

• 712.433.1 : une protection contre les surcharges peut être omise sur les câbles des chaînes PV et des groupes PV si le courant admissible du câble est égal ou supérieur à 1,25 fois ISC STC en tout point.
• 712.433.2 : une protection contre les surcharges peut être omise sur le câble principal PV si le courant admissible du câble est égal ou supérieur à 1,25 fois ISC STC du générateur PV.

Comme dans toute installation, une protection est nécessaire contre l'effet thermique d'une surintensité présentant un danger.

Le courant de court-circuit dépend de l'éclairement, mais il peut être inférieur à la valeur de déclenchement de la protection contre les surintensités. Bien que cela ne pose pas de problème pour les câbles car le courant est inférieur au courant admissible, l'onduleur détecte alors une chute de tension et interrompt la production d'énergie. Il est donc recommandé de régler le courant maximal de déclenchement à une valeur significativement inférieure à I_{SC STC MAX}.

Protection de chaîne

Lorsque la protection de chaîne contre les surintensités est nécessaire, chaque chaîne PV doit être protégée par un dispositif de protection contre les surintensités.

Le calibre du dispositif de protection (fusible ou un disjoncteur) doit être supérieur à 1,25 fois le courant de court-circuit de la chaîne.

Protection de champ

Le courant nominal de déclenchement (I_TRIP) des dispositifs de protection contre les surintensités pour les champs PV (fusibles ou disjoncteurs) doit être supérieur à 1,25 fois le courant de court-circuit du champ.

Le calibre de la protection de surintensité doit être choisi afin d'éviter tout déclenchement intempestif en fonctionnement normal en tenant compte de la température. Un seuil de déclenchement supérieur à 1,4 fois le courant de court-circuit de la chaîne est généralement recommandé.

Disjoncteurs ou fusibles

Disjoncteurs ou fusibles peuvent être utilisés pour fournir une protection contre les surintensités. Les fusibles, habituellement sur porte-fusible ou directement reliés à des barres ou des câbles, ne fournissent pas une 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 afin de permettre l'utilisation de câbles de section plus faible qu'avec des fusibles, en particulier pour les câbles de sous-réseaux.

Double défauts à la terre

Les systèmes photovoltaïques sont soit isolés de la terre, soit un pôle est mis 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. P10 – protection de chaîne contre les surintensités "Max I"

Pour les deux raisons suivantes la situation de double défaut doit absolument être évitée. Un contrôleur d'isolement ou une protection contre les surintensités dans un système relié à la terre doit détecter premier défaut. Le personnel de maintenance doit rechercher le premier défaut et l'éliminer sans délai.

• Le courant de défaut pourrait être faible (par exemple, deux défauts d'isolement ou un faible courant de court-circuit du générateur avec un faible éclairement) et inférieur au seuil de déclenchement de la protection contre les surintensités (disjoncteur ou fusibles). Cependant, un défaut d'arc CC ne s'interrompt pas, même lorsque le courant est faible. Ceci peut présenter un grave danger, en particulier pour les modules photovoltaïques sur les 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 le premier défaut. Cependant, bien que le système de détection de défaut stoppe généralement l'onduleur, le défaut reste présent. 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 haute tension, 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.

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 la 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 1000V, 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.