Relais Reed pour la surveillance de l’efficacité du Photovoltaïque et la détection des défauts
Kevin Mallett, spécialiste technique chez Pickering Electronics, explique le circuit de détection de courant ainsi que les technologies de commutation haute tension qui doivent être prises en compte lors de la surveillance de l’efficacité d’une ferme solaire photovoltaïque et comment détecter les défauts afin d’éviter une perte de puissance, de dommages permanents ou même d’incendie.
La production à grande échelle d’électricité par le biais de cellules photovoltaïques (PV/solaires) est extrêmement populaire dans le secteur des énergies renouvelables et continue de réduire notre dépendance aux combustibles fossiles. Cependant, un rapport de 2022 de l’Agence internationale de l’énergie (AIE) indique que le coût des nouvelles installations renouvelables (Photovoltaïque et parcs éoliens) a augmenté, inversant, selon les termes de l’organisation, « … une tendance à la réduction des coûts qui dure depuis une décennie ».
L’efficacité de la ferme solaire doit être élevée pour produire un acceptable retour sur investissement, et la menace la plus courante pour cette efficacité est la fuite de courant électrique vers la terre. Les fuites peuvent être le résultat d’une mauvaise installation mais, plus communément, elles se développent au fil du temps dans les panneaux photovoltaïques et dans les câbles transportant la tension continue vers les onduleurs pour la conversion en courant alternatif pour la connexion au réseau.
La surveillance des fuites à la terre est essentielle pour assurer la sécurité, une productivité efficace et pour planifier la maintenance. De plus, les réglementations de l’industrie exigent que les installations photovoltaïques disposent de mécanismes de détection et d’isolement des défauts à la terre.
La fuite est essentiellement une partie de la puissance générée par les cellules Photovoltaïque trouvant un chemin vers la terre lorsque la résistance d’isolement (RISO) entre l’équipement et la terre est réduite à moins de 40 MΩ. Entre 20 et 40MΩ, le RISO peut encore être considéré comme sain. Moins de 20MΩ et il y a lieu de s’inquiéter, car l’isolation se dégrade. Un RISO inférieur à 1 MΩ entraînera presque certainement une perte de puissance et éventuellement des dommages permanents, voire un incendie.
De plus, certains défauts sont intermittents. Par exemple, l’accumulation d’humidité/condensation dans un panneau pendant la nuit peut faire en sorte que le RISO soit faible pendant les premières heures de fonctionnement à la lumière du soleil.
Les fuites de courant vers la terre peuvent être détectées en plaçant temporairement un circuit de détection de courant entre les bornes des cellules Photovoltaïques et la terre, comme indiqué sur le schéma 1.
Schéma 1 : Le circuit de détection de courant comprend une résistance d’une valeur connue (généralement une impédance élevée). Lorsque le circuit est activé, la résistance connue sera effectivement placée en parallèle avec le RISO. Le courant qui circule dans le circuit de détection peut être utilisé pour calculer le RISO.
Pour engager le circuit de détection de courant, il est nécessaire de se connecter à une haute tension. Par rapport à la terre, les sorties négatives et positives du panneau solaire seront généralement d’environ 600 V en plein soleil.
Terminologie des relais Reed
Voici les éléments les plus importants à prendre en compte lors de la commutation d’une haute tension en vue de déterminer une fuite de courant :
- Tension de commutation maximale.La tension CC ou CA (crête) la plus élevée pouvant être commutée.
- Tension de sécurité minimale.Les appareils supporteront une tension plus élevée car, dans le cas des relais haute tension de Pickering Electronics, ils sont testés à 500 V au-dessus de la distance déclarée. Pour vos besoins de conception, nous vous recommandons de ne pas dépasser la tension de sécurité indiquée sur la fiche technique.
- La resistance d’isolement. Il s’agit de la résistance entre l’une des broches de l’appareil. Celui-ci doit être très élevé (idéalement supérieur à 1TΩ (Tera Ohms, donc 1 x 1012 Ohms). Par conséquent, pour 600V, le courant ne serait que de 0,6nA. Ou, pour le dire autrement, si vous essayez de mesurer un faible courant, la dernière chose que vous souhaitez est que votre circuit de commutation introduise une fuite de courant, c’est pourquoi les relais à semi-conducteurs sont considérés comme inadaptés.
- Dégagement du bouclier externe.Certains appareils (généralement à faible coût) ont un blindage métallique externe pour se protéger contre les interférences EM des relais voisins. Si l’écran s’étend jusqu’à la base du relais, ou est trop proche de la base, cela peut causer des problèmes lorsqu’il est placé sur un PCB transportant des tensions élevées. Cependant, le jeu peut même ne pas être indiqué sur la fiche technique. Vous devrez peut-être vous référer aux dessins techniques ou mesurer le jeu sur un échantillon d’appareil. Remarque : les relais que nous recommandons ci-dessous ont un blindage interne – des écrans en mu-métal autour de leurs bobines.
Schéma 2 : Les tensions maximales de commutation et minimales de sécurité sont élevées dans un relais Reed grâce à l’écart entre les lames (représenté dans l’encart) et au fait qu’elles sont dans le vide. La résistance d’isolement est élevée grâce à l’espacement des broches et au matériau de base du relais. En ce qui concerne le dégagement du blindage externe, ce n’est pas un problème lorsque le blindage EMI se trouve à l’intérieur du dispositif.
Notez que Pickering ne considère pas le courant de commutation maximal comme un paramètre essentiel pour les applications de détection de fuite de courant Photovoltaïque. La plupart des appareils haute tension seront évalués jusqu’à 1 A, mais vous ne commuterez probablement que quelques μA.
D’autres informations dont vous devrez tenir compte lors de la conception de votre circuit de surveillance incluent :
- Tension de bobine. La tension continue nécessaire pour alimenter la bobine et fermer les contacts normalement ouverts dans le Reed.
- Résistance de la bobine. Si vous alimentez la bobine à l’aide d’un transistor, vous devez connaître la résistance de la bobine pour calculer le courant que le transistor doit supporter.
- Température de fonctionnement. L’équipement de surveillance des fermes solaires est susceptible d’être exposé à des températures extrêmes et à des cycles thermiques réguliers.
Plus d’infos sur la note d’application de Pickering
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