IEC 61643-31 : exigences des parafoudres photovoltaïques DC

Les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) destinés au côté courant continu des systèmes photovoltaïques sont évalués selon un ensemble d’exigences spécifiques. Sur de nombreux marchés, le document de référence pour cette application est IEC 61643-31, qui traite des dispositifs de protection contre les surtensions basse tension pour les installations photovoltaïques. Pour les acheteurs et les prescripteurs, comprendre les exigences de cette norme relative aux SPD en courant continu permet de comparer les produits de manière plus cohérente et d’éviter des configurations inadaptées à l’application prévue. Cet article passe en revue les principaux paramètres d’essai définis dans l’IEC 61643-31, les compare à ceux de l’IEC 61643-11 orientée courant alternatif et présente des vérifications pratiques pour évaluer un parafoudre photovoltaïque.

1. Ce que couvre l’IEC 61643-31

L’IEC 61643-31 définit les exigences de performance et d’essai applicables aux SPD raccordés au côté courant continu des systèmes d’alimentation photovoltaïques. Elle fait partie de la série IEC 61643 : la partie 11 concerne les SPD raccordés aux réseaux basse tension en courant alternatif, tandis que la partie 31 concerne les SPD destinés aux circuits PV en courant continu. Cette distinction reflète le comportement électrique différent des circuits en courant continu, notamment l’absence de passage naturel du courant par zéro, qui influe sur la manière dont un SPD DC interrompt le courant de suite après une surtension.

Pour cette raison, un SPD PV en courant continu n’est pas simplement un appareil AC réétiqueté pour le solaire ; sa conception et sa base d’essai sont traitées par la norme dédiée aux SPD en courant continu. La norme s’applique aux dispositifs conçus pour limiter les surtensions transitoires et dériver les courants de surtension sur les chaînes et champs PV, généralement entre les modules, les coffrets de raccordement et l’entrée DC de l’onduleur. De nombreux fabricants, dont Cresin, proposent une gamme dédiée de parafoudres pour installations solaires PV déclarée conforme à l’IEC 61643-31 côté DC et à l’IEC 61643-11 côté AC.

2. Principaux paramètres d’essai : Uc, In, Imax, Up, TOV

2.1 Uc — Tension maximale de fonctionnement continu

La tension maximale de fonctionnement continu, Uc, correspond à la tension continue la plus élevée que le SPD PV DC peut supporter en permanence sans entrer en conduction. L’IEC 61643-31 exige que la valeur Uc déclarée soit marquée et vérifiée. Pour les applications photovoltaïques, le choix de Uc dépend de la tension à vide du champ, qui peut augmenter à basse température en raison du coefficient de température négatif des modules en silicium cristallin (généralement proche de −0,3 %/°C). Prévoir une marge sur Uc pour cet effet est une étape récurrente du dimensionnement d’un SPD PV DC.

Un appareil destiné à un système 1500 V est donc généralement déclaré avec une Uc supérieure à la tension de fonctionnement maximale attendue. Par exemple, une Uc de 1800 V DC est couramment utilisée lorsque la Voc du champ peut approcher ou dépasser 1500 V par temps froid. Le choix d’une Uc avec une marge suffisante est un point essentiel du dimensionnement d’un SPD PV DC et l’une des premières valeurs qu’un acheteur doit vérifier par rapport à la tension maximale du champ dans le pire cas.

2.2 In — Courant nominal de décharge

Le courant nominal de décharge, In, est la valeur de crête d’un courant impulsionnel 8/20 µs que le SPD peut supporter un nombre défini de fois (couramment 15 impulsions positives et 15 négatives) sans défaillance. Il représente la capacité nominale de décharge lors d’expositions répétées aux surtensions. L’IEC 61643-31 exige qu’In soit déclaré et testé. Pour un SPD PV DC tel que le CSMS-B40, une valeur In de 20 kA (8/20 µs) est une caractéristique déclarée typique.

In sert fréquemment de base pour comparer des appareils destinés à des applications similaires, mais il doit être examiné avec Imax et Up plutôt qu’isolément.

2.3 Imax — Courant maximal de décharge

Le courant maximal de décharge, Imax, est la valeur de crête du courant impulsionnel 8/20 µs que le SPD peut supporter une fois sans destruction. Elle est généralement supérieure à In et indique le niveau maximal de surtension que l’appareil peut supporter lors d’un événement unique. Pour les SPD PV DC, des valeurs Imax telles que 40 kA sont couramment déclarées. Le rapport et l’écart entre In et Imax, ainsi que la tension résiduelle à chaque niveau, donnent une indication de la marge de l’appareil lors d’événements sévères mais non répétitifs.

2.4 Up — Niveau de protection en tension

Le niveau de protection en tension, Up, est la tension maximale apparaissant aux bornes du SPD sous un courant de décharge spécifié. L’IEC 61643-31 exige que Up soit déclaré ; des valeurs plus faibles indiquent généralement une surtension moindre transmise à l’équipement protégé. Pour une coordination efficace, Up doit être évalué par rapport à la tenue aux chocs des composants situés en aval.

Le Up d’un SPD PV DC est généralement évalué à In, et les fabricants peuvent également fournir des valeurs à Imax. Lors de l’évaluation d’un parafoudre photovoltaïque, comparer Up au même courant de référence donne une image plus cohérente que la comparaison de valeurs mises en avant sans contexte. Ce point est particulièrement important lorsque le côté DC alimente l’électronique sensible de l’onduleur.

2.5 TOV — Tenue aux surtensions temporaires

La surtension temporaire (TOV) est une surtension à fréquence industrielle qui peut durer plus longtemps qu’une impulsion de surtension, par exemple à la suite d’un défaut sur un circuit adjacent ou d’un déplacement du neutre. L’IEC 61643-31 inclut des exigences de tenue TOV selon lesquelles le SPD doit soit résister sans dommage, soit se déconnecter en toute sécurité. Pour les SPD PV DC, les conditions TOV sont définies à la fois entre lignes et entre ligne et terre.

Un appareil qui ne gère pas correctement une TOV peut rester durablement conducteur ; c’est pourquoi la norme traite ce phénomène séparément des essais de courant impulsionnel. Lorsqu’ils examinent une déclaration selon une norme de SPD DC, les acheteurs doivent vérifier que les conditions et résultats des essais TOV sont bien indiqués et non omis.

2.6 Iimp — Évaluation des dispositifs combinés

Certains SPD PV DC sont classés Type 1+2, ce qui signifie qu’ils sont testés à la fois avec un courant impulsionnel 10/350 µs (Iimp, associé au courant direct de foudre) et avec un courant nominal 8/20 µs (In/Imax). L’IEC 61643-31 traite ces dispositifs combinés dans le contexte PV DC. Un SPD PV possède à la fois une valeur Iimp et une valeur In/Imax, ce qui permet à un seul appareil de prendre en charge une partie du courant de foudre à l’origine de l’installation ainsi que les surtensions induites en aval. 

3. IEC 61643-31 vs IEC 61643-11 : tableau comparatif

Le tableau ci-dessous résume les principales différences qu’un acheteur est susceptible de rencontrer lorsqu’il compare un appareil côté DC évalué selon l’IEC 61643-31 à un appareil côté AC évalué selon l’IEC 61643-11. Les deux normes concernent des types de circuits différents et un système photovoltaïque utilise généralement les deux : l’une côté DC et l’autre à la sortie AC de l’onduleur.

4. Pourquoi les deux normes diffèrent en pratique

Au-delà de la liste des paramètres, la différence pratique tient au type de circuit visé par chaque norme. L’IEC 61643-11 utilise des méthodes d’essai AC pour la distribution basse tension, tandis que l’IEC 61643-31 utilise des dispositions propres au DC qui tiennent compte de l’absence de passage par zéro et des tensions plus élevées dans les chaînes PV. Un SPD PV DC est testé pour l’interruption de l’arc en courant continu ; un SPD AC bénéficie des passages naturels par zéro.

Par conséquent, un appareil certifié uniquement selon l’IEC 61643-11 n’est pas, sur la seule base de cette certification, confirmé comme adapté au côté DC d’une installation photovoltaïque. Une spécification demandant simplement « un SPD IEC 61643 » sans indiquer la partie peut laisser cette distinction non résolue. Il est donc utile d’indiquer explicitement la partie applicable (IEC 61643-31 ou IEC 61643-11) dans un document d’achat.

5. Comment les acheteurs peuvent vérifier la conformité

Plusieurs contrôles sont couramment effectués avant de finaliser une spécification :

• Vérifier que le certificat fait référence à IEC 61643-31 (et pas uniquement à l’IEC 61643-11) pour les modèles côté DC.
• Faire correspondre la valeur déclarée Uc à la Voc du champ dans le pire cas, en tenant compte des basses températures.
• Vérifier que les valeurs In, Imax, Up et TOV sont toutes déclarées et cohérentes avec le rapport d’essai.
• Vérifier que la référence du modèle certifié correspond au produit proposé, y compris la classe de tension et la configuration des pôles.
• Demander le rapport d’essai d’un laboratoire accrédité lorsque le volume d’achat ou le niveau de risque du projet le justifie.
• Contrôler les marquages supplémentaires (tels que TÜV ou CB) éventuellement exigés sur le marché cible.

Pour les projets nécessitant une sélection coordonnée côté DC et côté AC, l’équipe technique Cresin peut examiner la tension du champ, l’interface de l’onduleur et le schéma de mise à la terre. Vous pouvez nous contacter pour discuter d’une installation spécifique.

6. Écarts de conformité courants à surveiller

Sur le terrain, on rencontre parfois des SPD DC proposés avec uniquement un marquage IEC 61643-11, des valeurs Uc choisies sans marge de température ou des valeurs Up annoncées sans courant de référence. Ces écarts ne sont pas toujours visibles sur une fiche technique courte ; il est donc recommandé d’examiner la déclaration complète et le certificat avant de spécifier le produit. La configuration des pôles est un autre point récurrent : un appareil déclaré pour une topologie DC donnée doit correspondre au câblage de l’installation, ce qui doit être vérifié à partir du schéma unifilaire.

7. Questions fréquentes

8. Résumé

L’IEC 61643-31 fournit le cadre d’essai des dispositifs de protection contre les surtensions installés sur le côté DC des systèmes photovoltaïques, Uc, In, Imax, Up et TOV étant les paramètres les plus importants pour la spécification. Sa base d’essai propre au courant continu la distingue de l’IEC 61643-11, qui concerne le côté AC. En confirmant la bonne partie de la norme et en examinant l’ensemble des paramètres déclarés, les acheteurs peuvent sélectionner un SPD PV en courant continu mieux adapté aux exigences de protection contre les surtensions solaires de leur installation.