La foudre est une cause fréquente de pannes dans les systèmes photovoltaïques (PV) et éoliens. Une surtension dommageable peut survenir si la foudre frappe à grande distance du système, voire entre les nuages. Cependant, la plupart des dommages causés par la foudre sont évitables. Voici quelques-unes des techniques les plus rentables, généralement acceptées par les installateurs de systèmes électriques, basées sur des décennies d'expérience. Suivez ces conseils et vous aurez de fortes chances d'éviter les dommages causés par la foudre à votre système d'énergie renouvelable (ENR).
Soyez ancré
La mise à la terre est la technique la plus fondamentale pour se protéger des dommages causés par la foudre. On ne peut pas arrêter une surtension due à la foudre, mais on peut lui donner un chemin direct vers la terre qui contourne vos précieux équipements et la décharge en toute sécurité dans la terre. Un chemin électrique vers la terre déchargera en permanence l'électricité statique accumulée dans une structure aérienne. Souvent, cela empêche l'attraction de la foudre.
Les parafoudres et les parasurtenseurs sont conçus pour protéger les équipements électroniques en absorbant les surtensions. Cependant, ces dispositifs ne remplacent pas une bonne mise à la terre. Ils ne fonctionnent qu'en association avec une mise à la terre efficace. Le système de mise à la terre est un élément important de votre infrastructure de câblage. Installez-le avant ou pendant l'installation du câblage électrique. Sinon, une fois le système opérationnel, cet élément important risque de ne jamais être coché sur la liste des tâches à effectuer.
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 châssis des modules photovoltaïques, les supports de montage et les tours des éoliennes. Les articles 250 et 690.41 à 690.47 du Code national de l'électricité (NEC) spécifient les sections, les matériaux et les techniques de câblage conformes à la réglementation. Évitez les courbures trop prononcées des câbles de terre : les surtensions élevées n'aiment pas les virages serrés et peuvent facilement se propager aux câbles voisins. Portez une attention particulière aux fixations des fils de cuivre aux éléments structurels en aluminium (en particulier les châssis des modules photovoltaïques). Utilisez des connecteurs étiquetés « AL/CU » et des fixations en acier inoxydable, qui réduisent le risque de corrosion. Les câbles de terre des circuits CC et CA seront également connectés à ce système de mise à la terre. (Consultez les articles du Code Corner sur la mise à la terre des panneaux photovoltaïques dans les sections HP102 et HP103 pour plus de conseils.)
piquets de terre
Le point faible de nombreuses installations est la connexion à la terre elle-même. Après tout, on ne peut pas simplement fixer un fil à la terre ! Il faut donc enterrer ou marteler une tige de métal conducteur et non corrosif (généralement du cuivre) dans le sol, et s'assurer que la majeure partie de sa surface est en contact avec un sol conducteur (c'est-à-dire humide). Ainsi, en cas d'électricité statique ou de surtension, les électrons peuvent s'infiltrer 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 une canalisation d'évacuation ne s'écoule pas correctement dans le sol, des refoulements se produisent. Lorsque les électrons refluent, ils franchissent la distance (formant un arc électrique) jusqu'à votre câblage électrique, à travers vos équipements, et seulement ensuite jusqu'à la terre.
Pour éviter cela, installez une ou plusieurs piquets de terre cuivrés de 2,4 m (8 pieds) de long et de 16 mm (5/8 po), de préférence dans un sol humide. Un seul piquet est généralement insuffisant, surtout en terrain sec. Dans les zones où le sol est extrêmement sec, installez plusieurs piquets, espacés d'au moins 3 m (6 pieds) et reliés entre eux par un fil de cuivre nu enterré. Une autre approche consiste à enterrer un fil de cuivre nu de 13 mm² (6 pieds), double de 8 mm² (8 mm²) ou plus dans une tranchée d'au moins 30 m (100 pieds) de long. (Le fil de terre en cuivre nu peut également être posé au fond d'une tranchée traversant des conduites d'eau, d'égout ou d'autres câbles électriques.) Vous pouvez également couper le fil de terre en deux et le répartir 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 les drains de toit ou les zones d'arrosage des plantes. Si un tubage de puits en acier est présent à proximité, vous pouvez l'utiliser comme piquet de terre (fixez-le solidement et boulonnez-le).
Dans les climats humides, les semelles en béton d'un parc d'éoliennes, d'un mât d'éolienne ou d'un poteau, ou encore les piquets de terre encastrés dans le béton ne garantissent pas une mise à la terre idéale. Dans ces endroits, le béton est généralement moins conducteur que le sol humide entourant les semelles. Dans ce cas, installez un piquet de terre dans le sol, à côté du béton, à la base du parc, ou à la base de votre mât d'éolienne, et à chaque ancrage de hauban, puis reliez le tout avec du fil nu enterré.
Dans les climats secs ou arides, l'inverse est souvent vrai : les semelles en béton peuvent avoir un taux d'humidité plus élevé que le sol environnant et offrent une solution économique pour la mise à la terre. Si des barres d'armature de 6 mètres (ou plus) doivent être encastrées dans le béton, elles peuvent servir de piquet de terre. (Remarque : cette étape doit être planifiée avant le coulage du béton.) Cette méthode de mise à la terre est courante dans les endroits secs et est décrite dans le Code national de l'électricité, article 250.52 (A3), « Électrode enrobée de béton ».
Si vous hésitez sur la méthode de mise à la terre la plus adaptée à votre situation, consultez votre inspecteur en électricité dès la conception de votre système. Il ne faut jamais avoir trop de mise à la terre. Dans un endroit sec, profitez de chaque occasion pour installer des piquets de terre redondants, des câbles enterrés, etc. Pour éviter la corrosion, utilisez uniquement du matériel approuvé pour les connexions aux piquets de terre. Utilisez des boulons fendus en cuivre pour raccorder les fils de terre de manière fiable.
Circuits d'alimentation de mise à la terre
Pour le câblage des bâtiments, le NEC exige qu'un côté d'un système d'alimentation CC soit relié à la terre. La partie CA d'un tel système doit également être mise à la terre, comme c'est le cas pour tout système connecté au réseau. (Cela est vrai aux États-Unis. Dans d'autres pays, les circuits électriques sans mise à la terre sont la norme.) La mise à la terre du système électrique est obligatoire 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 leur système respectif, et tous deux au même point du système de mise à la terre. Cette opération s'effectue au niveau du tableau électrique 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. Consultez les instructions du fabricant pour des recommandations spécifiques.
Câblage en réseau et technique de la « paire torsadée »
Le câblage du réseau doit utiliser des longueurs de fil minimales, encastrées dans la structure métallique. Les fils positifs et négatifs doivent être de longueur égale et, autant que possible, être reliés ensemble. Cela minimisera l'induction de surtensions entre les conducteurs. Un conduit métallique (mis à la terre) ajoute également une couche de protection. Enterrez les longs câbles extérieurs plutôt que de les faire passer en hauteur. Un câble de 30 m ou plus est comparable à une antenne : il reçoit des surtensions même en cas de foudre dans les nuages. Des surtensions similaires peuvent se produire même si les câbles sont enterrés, mais la plupart des installateurs s'accordent à dire que l'enfouissement des câbles de transmission limite encore davantage les risques de dommages causés par la foudre.
Une stratégie simple pour réduire la sensibilité aux surtensions est la technique de la « paire torsadée », qui permet d'égaliser et d'annuler les tensions induites entre deux conducteurs ou plus. Il peut être difficile de trouver un câble d'alimentation adapté déjà torsadé. Voici donc la marche à suivre : disposez deux câbles d'alimentation au sol. Insérez un bâton entre les câbles et torsadez-les ensemble. Tous les 10 mètres, alternez le sens. (C'est beaucoup plus facile que d'essayer de torsader toute la distance dans le même sens.) Une perceuse électrique peut également être utilisée pour torsader les câbles, selon la taille du fil. Fixez simplement les extrémités du câble dans le mandrin de la perceuse et laissez-la torsader 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 de torsader le fil de terre avec les fils d'alimentation. Pour les installations enterrées, 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 paires torsadées pour tous les câbles de communication ou de commande (par exemple, un câble d'interrupteur à flotteur pour l'arrêt d'une pompe à eau solaire en cas de réservoir plein). Ce câble de plus petit calibre est facilement disponible en câbles pré-torsadés, à paires multiples ou à paires simples. Vous pouvez également acheter un câble à paires torsadées blindé, dont les fils torsadés sont entourés d'une feuille métallique et généralement d'un fil de drain nu séparé. Reliez le blindage du câble et le fil de drain à la terre à une seule extrémité afin d'éviter toute boucle de terre (chemin de terre moins direct) dans le câblage.
Protection supplémentaire contre la foudre
En plus des mesures de mise à la terre étendues, des dispositifs de protection contre les surtensions spécialisés 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 intense
• Sol sec, rocheux ou autrement peu conducteur
• Le fil s'étend sur plus de 100 pieds (30 m)
Parafoudres
Les parafoudres sont conçus pour absorber les pics de tension causés par les orages (ou une alimentation électrique hors spécifications) et permettre à la surtension de contourner efficacement le câblage électrique et vos équipements. Des parasurtenseurs doivent être installés aux deux extrémités de tout long câble connecté à votre système, y compris les lignes CA d'un onduleur. Les parafoudres sont conçus pour différentes tensions CA et CC. Assurez-vous d'utiliser les parafoudres adaptés à votre application. De nombreux installateurs de systèmes utilisent couramment des parafoudres Delta, peu coûteux et offrant une certaine protection en cas de risque de foudre modéré, mais ces appareils ne sont plus homologués UL.
Les parafoudres PolyPhaser et Transtector sont des produits de haute qualité destinés aux sites exposés à la foudre et aux grandes installations. Ces unités durables offrent une protection robuste et sont compatibles avec une grande variété de tensions réseau. Certains appareils sont dotés d'indicateurs indiquant les modes de défaillance.
Paratonnerres
Les paratonnerres sont des dispositifs antistatiques placés au-dessus des bâtiments et des panneaux solaires, et reliés à la terre. Ils sont destinés à empêcher l'accumulation de charges statiques et l'ionisation de l'atmosphère environnante. Ils peuvent contribuer à prévenir un impact et, en cas d'impact, permettre à un courant très élevé de se propager vers la terre. Les dispositifs modernes ont la forme d'une pointe, souvent à plusieurs pointes.
Les paratonnerres ne sont généralement utilisés que sur les sites exposés à des orages violents. Si vous pensez que votre site entre dans cette catégorie, faites appel à un entrepreneur expérimenté en protection contre la foudre. Si l'installateur de votre système n'est pas qualifié, envisagez de consulter un spécialiste de la protection contre la foudre avant l'installation du système. Si possible, choisissez 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 un indicateur du niveau de compétence globale d'un installateur.
Loin des yeux, loin du cœur
De nombreux travaux de protection contre la foudre sont enterrés et hors de vue. Pour garantir une exécution correcte, incluez-le dans votre contrat avec l'installateur de votre système, votre électricien, votre excavateur, votre plombier, votre foreur de puits ou toute autre personne effectuant des travaux de terrassement qui comprendront votre système de mise à la terre.
Date de publication : 10 août 2020