La foudre est une cause fréquente de pannes dans les systèmes photovoltaïques (PV) et éoliens. Une surtension dommageable peut survenir à cause d'un éclair qui frappe à une longue distance du système, ou même entre des nuages. Mais la plupart des dégâts causés par la foudre sont évitables. Voici quelques-unes des techniques les plus rentables généralement acceptées par les installateurs de systèmes électriques, sur la base de dizaines d’années d’expérience. Suivez ces conseils et vous avez de très bonnes chances d’éviter les dommages causés par la foudre à votre système d’énergie renouvelable (ER).
Soyez ancré
La mise à la terre est la technique la plus fondamentale pour se protéger contre les dommages causés par la foudre. Vous ne pouvez pas arrêter une surtension, mais vous pouvez lui donner un chemin direct vers la terre qui contourne votre précieux équipement et décharge la surtension dans la terre en toute sécurité. Un chemin électrique vers la terre déchargera constamment l’électricité statique qui s’accumule dans une structure aérienne. Souvent, cela empêche en premier lieu l’attraction de la foudre.
Les parafoudres et parasurtenseurs sont conçus pour protéger les équipements électroniques en absorbant les surtensions électriques. Cependant, ces appareils ne remplacent pas une bonne mise à la terre. Ils ne fonctionnent qu'en conjonction avec une mise à la terre efficace. Le système de mise à la terre est une partie importante de votre infrastructure de câblage. Installez-le avant ou pendant l'installation du câblage d'alimentation. Sinon, une fois le système opérationnel, cet élément important risque de ne jamais être coché sur la liste des « choses à faire ».
La première étape de la mise à la terre consiste à construire un chemin de décharge vers la terre en reliant (interconnectant) tous les composants structurels métalliques et les boîtiers électriques, tels que les cadres de modules photovoltaïques, les supports de montage et les tours d'éoliennes. L'article 250 du Code national de l'électricité (NEC) et les articles 690.41 à 690.47 spécifient les tailles de fils, les matériaux et les techniques conformes au code. Évitez les courbures brusques des fils de terre : les surtensions élevées n'aiment pas prendre les virages serrés et peuvent facilement sauter vers le câblage à proximité. Portez une attention particulière aux fixations des fils de cuivre sur les éléments structurels en aluminium (en particulier les cadres des modules PV). Utilisez des connecteurs étiquetés « AL/CU » et des fixations en acier inoxydable, qui réduisent le risque de corrosion. Les fils de terre des circuits DC et AC seront également connectés à ce système de mise à la terre. (Reportez-vous aux articles Code Corner sur la mise à la terre des panneaux photovoltaïques dans HP102 et HP103 pour plus de conseils.)
Tiges de terre
L’aspect le plus faible de nombreuses installations est la connexion à la terre elle-même. Après tout, vous ne pouvez pas simplement relier un fil à la planète ! Au lieu de cela, vous devez enterrer ou enfoncer une tige de métal conducteur et non corrosif (généralement du cuivre) dans le sol et vous assurer que la majeure partie de sa surface entre en contact avec un sol conducteur (c'est-à-dire humide). De cette façon, lorsque de l’électricité statique ou une surtension survient, les électrons peuvent s’écouler dans le sol avec une résistance minimale.
De la même manière qu’un champ de drainage dissipe l’eau, la mise à la terre agit pour dissiper les électrons. Si un tuyau d'évacuation ne se déverse pas correctement dans le sol, des refoulements se produisent. Lorsque les électrons remontent, ils franchissent l'espace (formant un arc électrique) jusqu'à votre câblage électrique, à travers votre équipement, et ensuite seulement à la terre.
Pour éviter cela, installez une ou plusieurs tiges de terre plaquées cuivre de 8 pieds de long (2,4 m) et 5/8 pouces (16 mm), de préférence dans un sol humide. Une seule tige n'est généralement pas suffisante, surtout sur sol sec. Dans les zones où le sol devient extrêmement sec, installez plusieurs tiges, en les espaçant d'au moins 6 pieds (3 m) et en les reliant entre elles avec du fil de cuivre nu, enterré. Une autre approche consiste à enterrer un fil de cuivre nu n° 6 (13 mm2), double n° 8 (8 mm2) ou plus gros dans une tranchée d'au moins 100 pieds (30 m) de long. (Le fil de terre en cuivre nu peut également passer au fond d'une tranchée qui transporte des conduites d'eau ou d'égout, ou d'autres fils électriques.) Vous pouvez également couper le fil de terre en deux et l'étendre dans deux directions. Connectez une extrémité de chaque fil enterré au système de mise à la terre.
Essayez d'acheminer une partie du système vers des zones plus humides, comme là où un toit s'écoule ou là où les plantes doivent être arrosées. S'il y a un tubage en acier à proximité, vous pouvez l'utiliser comme piquet de terre (faites une connexion solide et boulonnée au tubage).
Dans les climats humides, les pieds en béton d'un réseau monté au sol ou sur poteau, ou d'une tour d'éolienne, ou des piquets de terre encastrés dans le béton ne fourniront pas une mise à la terre idéale. À ces endroits, le béton sera généralement moins conducteur que le sol humide entourant les semelles. Si tel est le cas, installez un piquet de terre dans la terre à côté du béton à la base d'un réseau, ou à la base de votre tour d'éolienne et à chaque ancrage de haubanage, puis connectez-les tous ensemble avec du fil nu et enterré.
Dans les climats secs ou arides, l’inverse est souvent vrai : les semelles en béton peuvent avoir une teneur en humidité plus élevée que le sol environnant et offrir une opportunité économique pour la mise à la terre. Si des barres d'armature de 20 pieds de long (ou plus) doivent être noyées dans le béton, les barres d'armature elles-mêmes peuvent servir de piquet de terre. (Remarque : cela doit être planifié avant de couler le béton.) Cette méthode de mise à la terre est courante dans les endroits secs et est décrite dans le NEC, article 250.52 (A3), « Électrode enrobée de béton ».
Si vous n'êtes pas sûr de la meilleure méthode de mise à la terre pour votre emplacement, discutez avec votre inspecteur en électricité pendant la phase de conception de votre système. Vous ne pouvez pas avoir trop de bases. Dans un endroit sec, profitez de chaque opportunité pour installer des piquets de terre redondants, des fils enterrés, etc. Pour éviter la corrosion, utilisez uniquement du matériel approuvé pour établir les connexions aux piquets de terre. Utilisez des boulons fendus en cuivre pour épisser les fils de terre de manière fiable.
Mise à la terre des circuits électriques
Pour le câblage des bâtiments, le NEC exige qu’un côté d’un système d’alimentation CC soit connecté – ou « lié » – à la terre. La partie CA d'un tel système doit également être mise à la terre de la manière conventionnelle de tout système connecté au réseau. (Cela est vrai aux États-Unis. Dans d'autres pays, les circuits électriques non mis à la terre sont la norme.) La mise à la terre du système électrique est requise pour un système domestique moderne aux États-Unis. Il est essentiel que le négatif CC et le neutre CA soient reliés à la terre en un seul point de leurs systèmes respectifs, et tous deux au même point du système de mise à la terre. Cela se fait au niveau du panneau d'alimentation central.
Les fabricants de certains systèmes autonomes à usage unique (comme les pompes à eau solaires et les répéteurs radio) recommandent de ne pas mettre le circuit électrique à la terre. Reportez-vous aux instructions du fabricant pour des recommandations spécifiques.
Câblage de réseau et technique de « paire torsadée »
Le câblage du réseau doit utiliser des longueurs minimales de fil, insérées dans le cadre métallique. Les fils positifs et négatifs doivent être de longueur égale et être reliés autant que possible. Cela minimisera l’induction d’une tension excessive entre les conducteurs. Un conduit métallique (mis à la terre) ajoute également une couche de protection. Enterrez les longs câbles extérieurs au lieu de les faire passer au-dessus de votre tête. Un câble de 100 pieds (30 m) ou plus est comme une antenne : il recevra les surtensions même des éclairs dans les nuages. Des surtensions similaires peuvent toujours se produire même si les fils sont enterrés, mais la plupart des installateurs conviennent que les câbles de transmission enterrés limitent davantage le risque de dommages dus à la foudre.
Une stratégie simple pour réduire la susceptibilité aux surtensions est la technique des « paires torsadées », qui permet d'égaliser et d'annuler toute tension induite entre deux ou plusieurs conducteurs. Il peut être difficile de trouver un câble d'alimentation approprié déjà torsadé, alors voici ce qu'il faut faire : Disposez une paire de fils d'alimentation le long du sol. Insérez un bâton entre les fils et torsadez-les ensemble. Tous les 30 pieds (10 m), alternez la direction. (C'est beaucoup plus facile que d'essayer de tordre toute la distance dans une direction.) Une perceuse électrique peut parfois être utilisée pour tordre le câblage également, en fonction de la taille du fil. Fixez simplement les extrémités du câblage dans le mandrin de la perceuse et laissez l'action de la perceuse tordre les câbles ensemble. Assurez-vous de faire fonctionner la perceuse à la vitesse la plus basse possible si vous essayez cette technique.
Il n'est pas nécessaire que le fil de terre soit tordu avec les fils d'alimentation. Pour les enterrements, utilisez du fil de cuivre nu ; si vous utilisez un conduit, faites passer le fil de terre à l'extérieur du conduit. Le contact de terre supplémentaire améliorera la mise à la terre du système.
Utilisez un câble à paire torsadée pour tous les câbles de communication ou de commande (par exemple, un câble d'interrupteur à flotteur pour l'arrêt du réservoir plein d'une pompe à eau solaire). Ce fil de plus petit calibre est facilement disponible sous forme de câbles pré-torsadés, multiples ou à paire unique. Vous pouvez également acheter un câble blindé à paire torsadée, doté d'une feuille métallique entourant les fils torsadés, ainsi que généralement d'un fil de « drain » séparé et nu. Mettez à la terre le blindage du câble et le fil de décharge à une seule extrémité, pour éliminer la possibilité de créer une boucle de terre (chemin moins direct vers la terre) dans le câblage.
Protection supplémentaire contre la foudre
En plus de nombreuses mesures de mise à la terre, des dispositifs spécialisés de protection contre les surtensions et (éventuellement) des paratonnerres sont recommandés pour les sites présentant l'une des conditions suivantes :
• Emplacement isolé sur un terrain élevé dans une zone de foudre sévère
• Sol sec, rocheux ou peu conducteur
• Le fil s'étend sur plus de 100 pieds (30 m).
Parafoudres
Les parafoudres (surtensions) sont conçus pour absorber les pics de tension provoqués par des orages électriques (ou une alimentation secteur non conforme aux spécifications) et permettent efficacement à la surtension de contourner le câblage électrique et votre équipement. Des parasurtenseurs doivent être installés aux deux extrémités de tout long câble connecté à n’importe quelle partie de votre système, y compris les lignes CA provenant d’un onduleur. Les parafoudres sont conçus pour différentes tensions AC et DC. Assurez-vous d'utiliser les parafoudres appropriés à votre application. De nombreux installateurs de systèmes utilisent régulièrement des parafoudres Delta, qui sont peu coûteux et offrent une certaine protection là où la menace de foudre est modérée, mais ces unités ne sont plus répertoriées UL.
Les parafoudres PolyPhaser et Transtector sont des produits de haute qualité pour les sites sujets à la foudre et les grandes installations. Ces unités durables offrent une protection robuste et une compatibilité avec une grande variété de tensions système. Certains appareils disposent d'indicateurs pour afficher les modes de défaillance.
Paratonnerres
Les « paratonnerres » sont des dispositifs à décharge statique placés au-dessus des bâtiments et des panneaux solaires électriques et connectés à la terre. Ils sont destinés à empêcher l’accumulation de charge statique et l’éventuelle ionisation de l’atmosphère environnante. Ils peuvent aider à prévenir une collision et peuvent fournir un chemin pour un courant très élevé vers la terre si une collision se produit. Les appareils modernes sont en forme de pointe, souvent comportant plusieurs pointes.
Les poteaux d’éclairage ne sont généralement utilisés que sur les sites soumis à des orages électriques extrêmes. Si vous pensez que votre site entre dans cette catégorie, engagez un entrepreneur expérimenté en protection contre la foudre. Si l'installateur de votre système n'est pas aussi qualifié, envisagez de consulter un spécialiste de la protection contre la foudre avant d'installer le système. Si possible, sélectionnez un installateur photovoltaïque certifié par le North American Board of Certified Energy Practitioners (NABCEP) (voir Accès). Bien que cette certification ne soit pas spécifique à la protection contre la foudre, elle peut être une indication du niveau de compétence global d'un installateur.
Hors de vue, pas hors de l'esprit
De nombreux travaux de protection contre la foudre sont enterrés et hors de vue. Pour vous assurer que cela est fait correctement, écrivez-le dans votre (vos) contrat(s) avec votre installateur de système, électricien, excavateur, plombier, foreur de puits ou toute personne effectuant des travaux de terrassement contenant votre système de mise à la terre.
Heure de publication : 10 août 2020