Qu´est-ce qu´un défaut de mise à la terre CC dans un système PV ?

Auteur : Will White, spécialiste des applications confirmé, DER

Dans tout système photovoltaïque (PV), la sécurité et le temps de fonctionnement dépendent d´une mise à la terre et d´une détection des défauts correctes. Mais lorsque l´isolement se rompt ou que les conducteurs entrent en contact avec des composants mis à la terre, des défauts de mise à la terre CC peuvent se produire, ce qui présente de graves risques pour le personnel, l´équipement et la productivité.

Un défaut de mise à la terre CC est l´une des défaillances les plus courantes, mais souvent mal comprises, affectant les installations solaires. Cet article vous explique ce qu´est un défaut de mise à la terre CC, comment il se produit, pourquoi il est important et que faire si vous en rencontrez un sur le terrain.

Qu´est-ce qu´un défaut de mise à la terre ?

Un défaut de mise à la terre est une connexion électrique non intentionnelle entre un conducteur porteur de courant (tel qu´un fil positif ou négatif CC) et une surface mise à la terre, généralement des pièces métalliques telles que des cadres de module, des racks ou des gaines.

Sur le côté CC d´un système PV, cela signifie généralement qu´un conducteur positif ou négatif est en contact avec le conducteur de mise à la terre de l´équipement (EGC) ou d´autres surfaces métalliques mises à la terre.

Dans les circuits CA, un défaut de mise à la terre peut se produire sur n´importe quel conducteur non mis à la terre (L1, L2, L3), mais les défauts de mise à la terre CC sont spécifiques au côté photovoltaïque (pré-onduleur) d´un réseau solaire.

Où se produisent les défauts de mise à la terre CC ?

Les défauts de mise à la terre CC sont plus susceptibles de se produire dans les zones suivantes :

• Au niveau du module : un câble endommagé ou pincé entre en contact avec le cadre du module.
• Dans le boîtier de jonction : rupture de l´isolement à l´intérieur des bornes ou des jonctions.
• Le long du conducteur autonome : les vibrations ou la dilatation thermique entraînent une usure à l´intérieur de la gaine ou du chemin de câbles.
• Pendant l´installation : bords de rack tranchants, mauvais acheminement ou fixations pinçant ou abrasant les conducteurs.
• Par temps humide : l´infiltration d´eau peut créer des connexions entre les conducteurs et les pièces mises à la terre.

Ces problèmes pouvant être difficiles à détecter immédiatement, la protection contre les défauts de mise à la terre est obligatoire pour tous les systèmes photovoltaïques en vertu des normes NEC (National Electrical Code) et IEC (International Electrotechnical Commission).

A quoi ressemble un défaut de mise à la terre CC électriquement ?

Electriquement, un défaut de mise à la terre modifie le profil de tension d´une chaîne ou d´un réseau PV. Normalement, la tension entre l´un des conducteurs et la terre doit être nulle. Mais en cas de défaut, une tension non nulle est mesurée entre un ou les deux conducteurs et la terre.

La tension de circuit ouvert (Voc) entre les conducteurs CC positif et négatif est toujours celle attendue. C´est ce qui rend les défauts d´isolement trompeurs : le réseau peut sembler fonctionner normalement, alors qu´un défaut potentiellement dangereux est présent.

Comment les défauts de mise à la terre se produisent-ils ?

Les défauts de mise à la terre CC sont généralement causés par :

• Des dommages mécaniques : conducteurs pincés lors de l´installation ou en cas mouvement
• Un stress environnemental : dégradation due aux UV, cycles de température, infiltration d´humidité
• Une détérioration de l´isolement : vieillissement, chaleur ou dénudage incorrect des fils
• Des dommages causés par des rongeurs : les animaux rongent le câblage dans les gaines ou les jonctions

Dans de nombreux systèmes, les défauts se développent lentement. Un contact intermittent peut passer inaperçu jusqu´à ce qu´il devienne un défaut de mise à la terre persistant qui déclenche l´onduleur ou provoque des dommages visibles.

Pourquoi les défauts de mise à la terre CC sont dangereux

Les défauts de mise à la terre CC ne sont pas seulement gênants : ils sont potentiellement dangereux. Les défauts à faible courant, notamment dans les grands systèmes PV, passent souvent inaperçus, ce qui laisse le temps aux conditions de s´aggraver.

Si un deuxième défaut de mise à la terre se développe sur un conducteur différent, cela peut créer un chemin parallèle pour le courant, ce qui peut avoir les conséquences suivantes :

• Défauts d´arcs
• Incendies électriques
• Arcs électriques à haute tension
• Dommages matériels importants

Un incendie de toiture de 2009 a eu lieu à Bakersfield, en Californie, en raison de ce scénario précis : un petit défaut de mise à la terre initial est devenu un chemin conducteur pour plus de 300 ampères de courant lors d´une seconde défaillance. Résultat : un conducteur fondu, un isolement soufflé et un incendie majeur.

Pour en savoir plus sur les risques, consultez l´article suivant : Pourquoi les défauts de mise à la terre CC sont dangereux

Comment les défauts de mise à la terre CC sont-ils détectés ?

Les onduleurs doivent inclure des dispositifs de détection et d´interruption de défaut à la terre (GFDI) ou de protection de défaut à la terre (GFP), qui détectent les défauts et mettent l´onduleur hors tension. Toutefois, leur efficacité dépend de la conception du système :

• Les onduleurs à transformateur utilisent souvent des GDFI à fusibles, qui peuvent ne pas détecter les défauts inférieurs à quelques ampères.
• Les onduleurs sans transformateur utilisent des détecteurs de courant résiduel (RCD) capables de détecter des courants de défaut aussi faibles que 300 mA.
• Les électroniques de puissance au niveau du module (MLPE, Module-Level Power Electronics), comme les optimiseurs et les micro-onduleurs, incluent souvent la détection de défaut de mise à la terre intégrée au niveau du module.

Que se passe-t-il lorsqu´un défaut de mise à la terre est détecté ou suspecté ?

Lorsqu´un défaut de mise à la terre est suspecté ou qu´un onduleur s´arrête en raison de l´activation du GFDI, l´étape suivante consiste à localiser la source et à effectuer la réparation en toute sécurité.

Pour savoir comment procéder, vous pouvez suivre ces guides détaillés :

• Comment tester les chaînes PV pour détecter les défauts de mise à la terre intermittents
• Comment tester les circuits PV hors tension à la recherche de défauts de mise à la terre
• Comment utiliser les relevés de tension pour localiser les défauts de mise à la terre dans les réseaux PV solaires
• Comment tester les systèmes PV pour détecter les défauts de la mise à la terre persistants
• Comment corriger les défauts de mise à la terre dans les systèmes PV

Le rôle de la mise à la terre dans la prévention des défauts

Une mise à la terre correcte du système est votre première ligne de défense. Voici les principaux composants définis par le NEC dans un système PV mis à la terre :

• Conducteur de mise à la terre de l´équipement (EGC) : relie toutes les pièces métalliques et fournit un chemin pour le courant de défaut
• Conducteur d´électrode de mise à la terre (GEC) : relie le système à la terre (généralement via une tige de terre)
• Conducteur fonctionnel mis à la terre : conducteur porteur de courant qui est intentionnellement mis à la terre dans un système, généralement le conducteur négatif

Lorsqu´un défaut de mise à la terre se produit, le courant fuit du circuit prévu et traverse le système EGC. C´est la raison pour laquelle une mise à la terre correcte, des connexions bien réalisées et une disposition rigoureuse des gaines sont essentielles à la pérennité du système.

Tous les défauts de mise à la terre sont-ils identiques ?

Non. Il existe deux principaux types de défauts de mise à la terre CC :

• Défauts de mise à la terre persistants : connexion continue à faible résistance.
• Défauts de mise à la terre intermittents : connexion à résistance élevée qui peut apparaître uniquement dans des conditions spécifiques (par exemple, pluie, changements de température, déplacement du réseau de suivi).

Vous souhaitez en savoir plus sur les différences ? Lisez l´article suivant : Quelle est la différence entre un défaut de mise à la terre persistant et intermittent ?

Technologies futures et prévention

Les nouvelles technologies contribuent à réduire la fréquence et la gravité des défauts de mise à la terre :

• Onduleurs sans transformateur qui détectent les fuites de bas niveau
• MLPE qui isolent les défauts au niveau du module
• Test de résistance d´isolement automatisé pendant le démarrage du système ou le fonctionnement quotidien

Résumé

Un défaut de mise à la terre CC est un problème critique dans les systèmes PV : un conducteur entre involontairement en contact avec une surface métallique mise à la terre. Cela peut entraîner une fuite de courant non détectée, des défauts d´arc dangereux, voire des incendies.

Il est essentiel pour chaque technicien en énergie solaire et concepteur de système de comprendre ce qu´est un défaut de mise à la terre, et comment l´identifier, l´isoler et le réparer. Heureusement, grâce à une approche structurée et à des outils adaptés, les défauts de mise à la terre peuvent être diagnostiqués efficacement et en toute sécurité.

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.

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