Les défauts à la terre font partie des pannes électriques les plus dangereuses dans les systèmes photovoltaïques. Un générateur photovoltaïque alimenté par la lumière du soleil se comporte comme une source de courant : contrairement à un circuit électrique conventionnel, l'ouverture d'un disjoncteur ne met pas hors tension le côté CC. Lorsqu'un défaut à la terre se produit, un courant de défaut peut circuler en continu, déclenchant des incendies qui ont détruit des toits, des bâtiments et des réseaux à l'échelle des services publics. La conception et les tests corrects des équipements d'interruption de détection de défaut à la terre (GFDI) et d'interruption de circuit en cas de défaut d'arc (AFCI) ne sont pas facultatifs.
Qu'est-ce qu'un défaut à la terre PV ?
Un défaut à la terre dans un système photovoltaïque se produit lorsqu'un conducteur porteur de courant (généralement un conducteur de chaîne CC) entre en contact avec l'enceinte, le conduit ou la structure métallique mis à la terre, créant ainsi un chemin de courant involontaire vers la terre. Les défauts à la terre se produisent en raison de :
- Isolation des câbles endommagée (dégradation par les UV, dommages causés par les rongeurs, abrasion mécanique dans le conduit)
- Pénétration d'eau dans les boîtes de jonction ou les conduits
- Terminaisons desserrées ou mal réalisées qui permettent le contact entre le conducteur et le boîtier
- Dommages physiques aux modules - feuilles de fond fissurées exposant les conducteurs
Un défaut à la terre sur le conducteur négatif d'un système PV négatif mis à la terre (conception traditionnelle) crée un deuxième moyen — connu sous le nom de « faille boulonnée ». La caractéristique dangereuse des défauts à la terre photovoltaïques est que l'amplitude du courant de défaut dépend du nombre de chaînes en parallèle : un grand réseau peut supporter indéfiniment plus de 100 ampères de courant de défaut tant que la lumière du soleil est présente.
NEC 690.5 : Exigences en matière de protection contre les défauts à la terre
L'article 690.5 du National Electrical Code (États-Unis) exige une protection contre les défauts à la terre pour les systèmes photovoltaïques installés sur ou à proximité des bâtiments. Les exigences diffèrent selon le type de système :
| Type de système | Exigence NEC 690.5 |
|---|---|
| Systèmes photovoltaïques mis à la terre sur les bâtiments | Dispositif GFDI requis ; doit détecter un courant de défaut ≥1 A |
| Systèmes photovoltaïques non mis à la terre (flottants) | Détection de défaut à la terre ET isolation requise (les deux pôles) |
| PV au sol (pas sur le bâtiment) | GFDI requis si les conducteurs sont accessibles à des personnes non qualifiées |
| PV intégré au bâtiment (BIPV) | GFDI requis ; des exigences supplémentaires en matière d'isolation contre le feu s'appliquent |
Le dispositif GFDI surveille le déséquilibre de courant entre les conducteurs porteurs de courant et le conducteur de mise à la terre de l'équipement. Lorsqu'un défaut à la terre est détecté, l'appareil doit : (1) indiquer la condition de défaut ; et (2) désactiver le réseau (ouvrir le circuit défectueux ou réduire la tension en dessous du seuil qui entretiendrait un arc).
Le paradoxe des « déclenchements intempestifs » et du risque incendie
Les premiers systèmes photovoltaïques (avant 2010) utilisaient des fusibles GFDI évalués à 1 A. Une analyse réalisée en 2012 par les laboratoires nationaux Sandia a révélé un mode de défaillance inquiétant : dans certaines conditions de défaut à la terre dans de grands réseaux, le fusible GFDI pouvait sauter sans interrompre le courant de défaut - et le signal du fusible grillé était interprété comme "aucun défaut détecté", laissant le système fonctionner avec un défaut de risque d'incendie actif. Cela a conduit aux révisions NEC de 2014 exigeant que les dispositifs GFDI non seulement détectent mais interrompent positivement le défaut.
Les onduleurs string et les onduleurs centraux modernes intègrent la détection GFDI dans l'onduleur ; l'onduleur s'arrête en cas de détection d'un défaut. C'est plus fiable que les fusibles GFDI externes pour les systèmes résidentiels et petits commerciaux. Pour les systèmes à grande échelle dotés de plusieurs boîtiers de combinaison, une surveillance supplémentaire des défauts à la terre au niveau du combineur permet une localisation plus rapide des défauts.
NEC 690.11 : Exigences relatives aux interrupteurs de circuit contre les défauts d'arc
Les défauts d'arc (arcs involontaires entre conducteurs ou entre un conducteur et la terre) génèrent des températures supérieures à 5 000 °C et sont la principale cause d'incendies des systèmes photovoltaïques. NEC 690.11 exige une protection AFCI pour les systèmes photovoltaïques avec source CC ou conducteurs de circuit de sortie fonctionnant à 80 V ou plus et à l'intérieur ou sur les bâtiments :
- Le dispositif AFCI doit détecter un arc aussi faible que 500 mA
- Doit s'interrompre dans les 30 cycles suivant l'initiation de l'arc
- Doit être homologué UL 1699B (norme PV AFCI)
- De nombreux onduleurs string modernes (série Sungrow SG, SMA Sunny Boy) intègrent l'AFCI en standard ; Des appareils AFCI autonomes sont également disponibles pour les mises à niveau
Test de la protection contre les défauts à la terre
La protection contre les défauts à la terre doit être testée lors de la mise en service et périodiquement pendant l'O&M :
- Essai de mise en service : avec un système à faible éclairement (ou utilisant un dispositif d'ombrage), introduire un défaut connu de faible résistance à l'aide d'une résistance de test entre un conducteur de chaîne et le conducteur de mise à la terre de l'équipement ; vérifier que le dispositif GFDI se déclenche et indique un défaut
- Test fonctionnel annuel : déclencher la fonction de test GFDI (intégrée aux onduleurs modernes) et vérifier l'alarme et l'arrêt
- Test de résistance d'isolement (IR) : Test Megger annuel (500 V DC, minimum 1 MΩ entre les conducteurs et la terre) pour détecter la dégradation de l'isolation avant qu'elle ne provoque un défaut à la terre
- Imagerie thermique : Balayage infrarouge annuel des boîtiers de mixage, des onduleurs et des boîtes de jonction : les points chauds indiquent des connexions à haute résistance qui peuvent évoluer vers des arcs.