Pourquoi les défauts de mise à la terre CC sont dangereux

Auteur : Will White, spécialiste des applications confirmé, DER

Les défauts de mise à la terre sont l´un des problèmes les plus courants dans les systèmes photovoltaïques (PV) solaires, et ce sont souvent les plus dangereux. Lorsqu´un conducteur de courant continu (CC) d´un réseau PV entre en contact involontaire avec un métal mis à la terre, cela crée un défaut de mise à la terre CC qui peut avoir pour conséquences des incendies électriques, des arcs électriques, des équipements endommagés et de graves risques pour la sécurité du personnel.

Malgré leur fréquence, de nombreux défauts de mise à la terre CC ne sont pas détectés, en particulier dans les réseaux solaires à grande échelle ou vieillissants. Comprendre pourquoi ces défauts sont importants et comment les détecter rapidement peut vous aider à protéger votre personnel, à optimiser la disponibilité et à garantir la fiabilité du système.

Pourquoi les défauts de mise à la terre CC sont dangereux

Comment se produit un défaut de mise à la terre CC ?

Un défaut de mise à la terre CC se produit lorsqu´un conducteur porteur de courant (comme le positif ou le négatif CC) entre en contact avec une surface métallique mise à la terre, notamment un cadre de module PV, un rack, une gaine ou le conducteur de mise à la terre de l´équipement (EGC). Le courant circule alors en dehors du circuit électrique prévu.

Découvrez les principes de base dans l´article Qu´est-ce qu´un défaut de mise à la terre CC dans un système PV ?

Bien qu´un seul défaut n´arrête pas nécessairement le système immédiatement, il introduit un courant de fuite qui contourne les dispositifs de protection et augmente le risque au fil du temps.

Comment les défauts de mise à la terre CC créent des risques d´incendie

Le danger réel des défauts de mise à la terre CC survient lorsqu´un courant de fuite non détecté est associé à un deuxième défaut.

Dans un système correctement mis à la terre, le premier défaut de mise à la terre crée un chemin vers la terre, mais peut ne pas être suffisamment important pour déclencher le dispositif de protection contre les défauts de mise à la terre (GFP). En fait, de nombreux défauts sont inférieurs à 1 A, bien en dessous du seuil de détection des dispositifs de détection et d´interruption des défauts de mise à la terre (GFDI) existants.

Si un deuxième défaut se développe sur un conducteur différent, les deux défauts peuvent créer un chemin de courant parallèle, contournant ainsi la protection interne de l´onduleur et permettant à de grandes quantités de courant de circuler directement à travers les surfaces métalliques. Cela peut :

Provoquer un défaut d´arc CC, présentant un risque pour la sécurité du personnel ;
Faire fondre l´isolement et les conducteurs, et endommager l´équipement ;
Enflammer les matériaux environnants et provoquer un incendie.

Etude de cas : l´incendie de Bakersfield en 2009

L´un des incidents d´incendie photovoltaïque les plus fréquemment cités, provoqué par un défaut d´isolement à la terre, s´est produit à Bakersfield, en Californie, en 2009.

Un système photovoltaïque en toiture de 383 kW a subi un défaut d´isolement à la terre de 2,5 A sur un conducteur de section 12 AWG. Le système a continué à fonctionner, car le courant était insuffisant pour déclencher le GFDI.

Par la suite, un second défaut est survenu : une séparation au niveau d´un joint de dilatation sur un conducteur de 253 mm² a provoqué un défaut massif de 311 A. Au lieu d´interrompre le circuit en toute sécurité, le courant est revenu par le petit défaut initial, entraînant une surchauffe rapide du conducteur et déclenchant un incendie sur le toit.

Cette séquence tragique d´événements met en évidence deux points essentiels :

Les petits défauts n´en sont pas moins dangereux.
Les défauts de mise à la terre non détectés peuvent entraîner des événements catastrophiques.

Pourquoi les défauts de mise à la terre sont difficiles à détecter

La plupart des défauts de mise à la terre, en particulier les défauts intermittents ou de faible niveau, ne produisent pas suffisamment de courant pour déclencher la protection standard contre les défauts de mise à la terre, en particulier dans les anciens onduleurs à transformateur.

En voici la raison :

Plusieurs ampères sont souvent nécessaires pour faire fondre le fusible des protections par fusible GFDI dans les onduleurs à transformateur.
Les détecteurs de courant résiduel (RCD) dans les onduleurs sans transformateur sont plus sensibles, mais ont malgré tout des seuils de déclenchement (~300 mA ou plus).
Les conditions environnementales (par exemple, un temps sec) peuvent temporairement augmenter la résistance et masquer un défaut.
Les pannes d´isolement peuvent ne provoquer des fuites de courant que par intermittence (par exemple, en cas de pluie ou de mouvement du réseau de suivi).

C´est la raison pour laquelle il est essentiel de réaliser des tests de façon proactive. Un système peut continuer de fonctionner avec des défauts cachés.

Découvrez comment détecter les défauts persistants et intermittents :

Comment les défauts de mise à la terre peuvent entraîner des défauts d´arc

Un défaut de mise à la terre peut provoquer un défaut d´arc lorsque le câble endommagé crée un chemin de résistance élevée qui produit de la chaleur et des étincelles.

Les arcs CC sont particulièrement dangereux pour les raisons suivantes :

Ils peuvent persister indéfiniment jusqu´à ce que l´alimentation soit coupée.
Ils sont plus difficiles à éteindre que les arcs CA.
Ils peuvent enflammer les matériaux environnants (poussière, plastique, isolation, herbe, matériaux de toit).

Les réseaux PV haute tension, tels que ceux fonctionnant à 1 000 VCC ou 1 500 VCC, sont particulièrement sensibles aux arcs continus une fois qu´un défaut de mise à la terre se forme.

Arcs électriques et sécurité du personnel

En plus de provoquer des incendies, les défauts de mise à la terre CC peuvent entraîner des arcs électriques qui présentent des risques mortels pour les techniciens.

Si un système contient un défaut de mise à la terre caché, l´ouverture d´un porte-fusible ou le retrait d´un conducteur d´une borne peut ouvrir un circuit dans lequel circule du courant et provoquer un embrasement. Dans le pire des cas, les conséquences sont les suivantes :

Brûlures graves
Perte auditive
Blessures causées par une explosion
Dommages aux équipements

C´est la raison pour laquelle il est essentiel de tester le courant avant d´ouvrir un sectionneur à coupure hors charge et d´utiliser un équipement de protection individuelle (EPI) lorsque vous travaillez sur des systèmes sous tension, même si ceux-ci semblent fonctionner normalement.

Pour garantir la sécurité des tests, les techniciens doivent :

Tester le courant dans le circuit à l´aide d´une pince multimètre sans contact avant d´ouvrir des sectionneurs à coupure hors charge tels que des porte-fusibles ou les interconnexions de module ;
Porter un équipement de protection adéquat :
- Gants isolés électriquement
- Vêtements ignifugés
- Masques ou combinaisons de protection contre les arcs électriques, selon la taille du système

Comment les défauts de mise à la terre endommagent l´équipement

Au-delà de la sécurité, les défauts de mise à la terre dégradent les performances et la fiabilité des équipements.

S´ils ne sont pas détectés et corrigés, ils peuvent :

Déclencher les onduleurs de manière répétée, ce qui réduit le temps de disponibilité ;
Générer de fausses données dans les systèmes de surveillance ;
Entraîner la corrosion ou une usure à long terme sur le site du défaut ;
Détruire les modules PV, les boîtiers de jonction ou les conducteurs autonomes.

En outre, les déclenchements répétés dus à des défauts non diagnostiqués peuvent masquer d´autres problèmes et augmenter les coûts d´entretien au fil du temps.

L´importance d´une détection proactive

La meilleure façon d´éviter que les défauts de mise à la terre deviennent dangereux est de les détecter et de les isoler rapidement. Des outils tels que le multimètre d´isolement Fluke 1587 FC, l´outil solaire multifonction SMFT-1000 et le localisateur de défaut de mise à la terre GFL-1500 permettent aux techniciens :

D´exécuter des tests de résistance d´isolement ;
D´identifier les conducteurs présentant une faible résistance à la terre ;
D´isoler les chaînes ou les circuits à l´origine du problème avant que des défaillances majeures ne se produisent ;
De localiser précisément le défaut de mise à la terre.

Découvrez comment localiser la source d´un défaut : Comment utiliser les relevés de tension pour localiser les défauts de mise à la terre dans les réseaux PV solaires

Et lorsque des réparations sont nécessaires : Comment corriger les défauts de mise à la terre dans les systèmes PV

Conception pour une détection plus sûre des défauts de mise à la terre

Les nouvelles architectures système permettent de réduire le risque de défauts cachés :

Les onduleurs sans transformateur utilisent la détection de courant résiduel (RCD) pour une meilleure sensibilité aux défauts.
Les électroniques de puissance au niveau du module (MLPE, Module-Level Power Electronics) limitent le défaut à un seul module.
Les systèmes non mis à la terre ou flottants réduisent la probabilité de chemins de retour accidentels vers la terre.

Malgré cela, ces technologies ne sont pas infaillibles. Des tests et une documentation réguliers doivent faire partie de chaque protocole de maintenance.

Conclusion

Les défauts de mise à la terre CC ne sont pas de simples désagréments : ils constituent une menace silencieuse pour les systèmes PV. Non détectés, ils peuvent entraîner des risques d´incendie, des arcs électriques ou des défaillances complètes du système.

Comprendre pourquoi les défauts de mise à la terre sont dangereux constitue la première étape vers le développement d´installations solaires plus sûres et plus fiables. L´étape suivante consiste à prendre des mesures en utilisant les procédures et les outils de test appropriés.

A propos de l´auteur

Will White a commencé à travailler dans l´énergie solaire en 2005 pour un petit intégrateur. Après avoir occupé un poste d´installateur, il a travaillé dans la vente, la conception et la gestion de projet, et a fini par devenir directeur des opérations. En 2016, il rejoint l´équipe de formation de Solar Energy International (SEI), où il se concentre sur le développement du contenu des cours et l´enseignement dans le domaine de l´énergie solaire. En 2022, il accepte un poste de spécialiste des applications solaires chez Fluke, où il prend en charge les équipements de test d´énergie renouvelable de l´entreprise, tels que les traceurs de courbe IV, les compteurs électriques et les caméras d´imagerie thermique.

Will a de l´expérience dans les domaines de l´énergie éolienne, le thermique solaire, le stockage d´énergie et les installations PV de toute taille. Il est passionné par la mise en œuvre de techniques d´installation de haute qualité et conformes au code. Will est un professionnel de l´installation PV certifié NABCEP depuis 2006 et a par le passé été installateur de chauffage solaire certifié NABCEP. Il est titulaire d´une licence en gestion d´entreprise du Columbia College Chicago et d´un MBA de l´Université du Nebraska-Lincoln. Pendant son temps libre, il travaille avec sa femme et sa fille sur leur propriété dans le centre du Vermont, où se trouve une maison en paille hors réseau.

Entrez en lien avec Will sur LinkedIn.

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