Sécurité électrique : tout savoir sur le parafoudre photovoltaïque

Dans une installation photovoltaïque, les parafoudres ont pour rôle de protéger les modules photovoltaïques et les onduleurs contre les risques de surtensions induites dans le circuit de la partie continue. Il existe trois critères pour convenir d’installer ou non un parafoudre. Le premier est le type d’installation. Selon qu’il s’agit d’une installation domestique, industrielle (bâtiment), d’un champ solaire ou bien d’une installation équipée de structure paratonnerre. Le deuxième porte sur le niveau de kéraunique, qui correspond au nombre de fois où le tonnerre a été entendu dans l’année ou, plus précisément, la densité de foudroiement. Le dernier critère est la longueur de déploiement des lignes entre l’onduleur et les panneaux. Plus la distance augmente entre ces deux éléments, plus les risques de surtension augmentent. Dans le domestique, la distance moyenne est de 20m, quand, pour un supermarché, on approche les 50m. Plus la longueur augmente, plus le risque de couplage est important.

Les surtensions sont à l’origine d’effets secondaires particulièrement perturbateurs sur les équipements de l’installation photovoltaïque, voire destructeurs. Indépendamment des surtensions dues à la foudre, les surtensions industrielles sont également à prendre en compte (surtension de manœuvre et de commutation, surtension d’interaction entre réseaux). Une protection systématique contre les surtensions est donc recommandée pour tout type d’installation électrique (dont photovoltaïque), comme en témoignent de nombreuses destructions ou pannes récurrentes inexpliquées de matériels d’exploitation.

Plusieurs points sont à considérer pour analyser les risques «foudre et surtensions» :
– plus le champ de panneaux solaires est étendu, plus le risque «foudre» est important ;
– le risque multiple: l’effet direct (impact foudre sur les panneaux) et l’effet indirect (surtensions sur les panneaux, sur les convertisseurs/onduleurs sur les autres liaisons) ;
– quand l’installation photovoltaïque est localisée sur des sites industriels, le risque de surtensions de manœuvre doit aussi être particulièrement pris en compte ;
– le niveau de risque est en relation directe avec la densité de foudroiement locale et l’exposition des lignes. Le guide français UTE C 15-712-1donne des indications quant à la nécessité de protection, la sélection et l’installation optimisée des parafoudres.
Tout électricien qui installe des lignes en photovoltaïque doit connaître par coeur ce qui guide, qui reste une recommandation technique et n’a rien d’obligatoire.

«Le parafoudre est donc devenu incontournable dans les installations photovoltaïques. Il faut savoir que la plupart des bureaux d’études intègrent automatiquement un système de parafoudre dans leurs projets, au niveau des armoires ou des boîtes de jonction. En revanche,pour rester présent sur le marché et conserver certains clients, nous avons créé des modules parafoudres sous forme de modules pour circuit imprimé que les fabricants d’onduleurs intègrent directement dans leur matériel, même si ce n’est pas notre offre principale», explique Christian Macanda, responsable produits chez Citel.

La notion de parafoudre a bien été intégrée par le marché des installateurs de photovoltaïque grâce au concours de tous les acteurs: les fabricants, les bureaux d’études et les professionnels des bases de données techniques sur le parafoudre qui ont intégré le concept ainsi que les normes et les législations qui ont évolué. Il faut tout de même souligner que, concernant les installations domestiques ou sur les toitures, un onduleur photovoltaïque possède deux connexions, il est raccordé d’un côté à un panneau (DC) et de l’autre à un réseau de distribution (AC). Le risque de surtension peut venir de ces deux côtés et il est important,voire indispensable d’installer des parafoudres sur chaque connexion. S’il s’agit d’installations plus conséquentes, sur des grandes longueurs(très supérieures à 10m), il faut dupliquer les parafoudres aux deux extrémités de la ligne pour avoir une protection et une sécurité maximale contre les surtensions.

« Une idée reçue que j’aimerais contredire concerne la fonction d’un parafoudre,à savoir qu’un parafoudre fonctionne comme un fusible ou un disjoncteur… C’est faux. Un parafoudre vient dériver la surtension qu’il détecte afin d’éviter que cet élément perturbateur rentre dans le système et, s’il est bien installé, un parafoudre a une durée de vie de 15-20 ans au minimum et ne se remplace que très occasionnellement (en cas d’agression extrême) » , ajoute Christian Macanda.

Parafoudre connecté
«Même si nous constatons un taux d’incidents très faible, nous proposons une gamme de parafoudres équipés d’un indicateur de fonctionnement et d’un système de télésignalisation de défaut qui est conforme aux normes européennes et internationales,et qui répond aux critères de fonctionnements d’efficacité et de sécurité. Le parafoudre limite la surtension et écoule le courant perturbateur de façon répétitive», précise Christian Macanda. Le premier critère de fonctionnement des parafoudres implantés sur les systèmes photovoltaïques repose sur la capacité à encaisser les chocs de courant impulsionnel de 15000 ampères au minimum quinze fois sans destruction du matériel ou dégradation de ses performances.
Le second critère de fonctionnement est son efficacité à écouler la perturbation. Mais aussi à limiter l’amplitude de tension, la fameuse surtension transitoire. Sur la base d’une surtension qui représente des milliers de volts, le parafoudre va limiter son seuil de déclenchement, dénommé «niveau de protection». Plus ce seuil est réduit, plus il est efficace car la surtension que va subir l’équipement connecté ensuite sera très faible. Tous les systèmes sont équipés d’un indicateur mécanique qui indique la «fin de vie» de l’efficacité du parafoudre. Certains sites tertiaires connectent cette alarme câblée à une GTC. La solution Smart-parafoudre, qui permet une alerte à distance sans fil sur le téléphone ou la tablette du technicien de maintenance que nous possédons reste encore trop chère pour pouvoir l’intégrer automatiquement au parafoudre pour photovoltaïque. Et, comme je le disais, le risque de dysfonctionnement et d’incident reste très faible et ne nécessite pas forcément un système d’alerte aussi onéreux.

Rôle du parafoudre dans le stockage de l’énergie photovoltaïque
Depuis trois ans, les systèmes d’énergies renouvelables,dont les panneaux photovoltaïques,se développent pour stocker l’énergie dans des racks de batteries (ESS –Energy  Storage Systems) installés en série. Les câbles entre les modules de batteries représentent des points possibles de défaillance et de surtensions. Dans certains cas, il convient de mettre des parafoudres sur ces systèmes de stockages, même si physiquement ils sont plus éloignés du lieu d’impact de foudre. La différence de potentiel électrique de la terre dû au rayonnement de la foudre impacte également les équipements, d’où la nécessité d’intégrer des parafoudres à plusieurs niveaux de l’installation. Ce risque est plus marqué pour les installations industrielles.Le prix moyen d’un parafoudre est inférieur à 100€, ce qui est très faible comparé au coût global d’une installation photovoltaïque. En industriel,contrairement au domestique, l’arrêt de la production d’énergie peut être très pénalisant compte tenu des surfaces. La bonne logique serait d’intégrer un parafoudre avant et après l’onduleur,un au niveau des panneaux et un autre au niveau des batteries de stockage. Pourquoi prendre le risque de perte d’exploitation quand le parafoudre rassure tout le monde, y compris l’assureur?