Foudre et panneaux solaires : un second point de mise à la terre divise presque par deux les surtensions

Doubler les points de mise à la terre d’un champ photovoltaïque fait baisser d’environ 43 à 55 % les surtensions provoquées par un coup de foudre direct, selon une simulation menée par des chercheurs indonésiens. Leur travail montre surtout que l’endroit où l’on raccorde la terre et le nombre de raccordements comptent davantage que le choix de la pièce reliée (cadre du module ou support).

Pourquoi s’intéresser à la foudre qui touche directement les modules

La protection classique d’une centrale ou d’une toiture repose sur un paratonnerre, du type Franklin, relié au sol par des conducteurs de descente. Les auteurs partent d’une hypothèse moins confortable : malgré ce dispositif, l’éclair peut frapper un panneau ou sa structure. Comme ils l’écrivent, « le courant circule alors à travers les panneaux solaires jusqu’au point de mise à la terre ». Tout l’enjeu devient donc le chemin que suit ce courant avant de se dissiper dans le sol.

Comment l’étude a été menée

L’équipe a construit un circuit électrique équivalent d’un petit champ de dix modules de 200 W, censé représenter une portion d’installation plus vaste. Sous le logiciel ATPDraw 7.2, chaque élément métallique (cadres, supports, conducteurs de terre, électrodes) a été décrit par sa résistance, son inductance, sa capacité et ses couplages mutuels.

Le coup de foudre a été reproduit par une source de courant de type Heidler : 50 kA en crête, avec une onde normalisée 1,2/50 μs. Deux montages ont été comparés, l’un avec la terre prise sur les cadres des modules, l’autre sur la structure porteuse. Les chercheurs ont ensuite fait varier trois paramètres : la résistivité du sol, la position du point de terre et le nombre de connexions (une ou deux).

Le modèle a ses limites, que les auteurs annoncent : il considère des cadres métalliques tous reliés entre eux, mesure les écarts de tension par rapport à un potentiel de référence, et laisse de côté les dégâts matériels ainsi que les tensions qui apparaissent dans le câblage et les onduleurs.

Ce que montrent les résultats

Le sol change tout

Quand la résistivité du terrain passe de 30 à 3 000 Ωm, les surtensions augmentent fortement, quel que soit le montage. Sur un sol peu résistif, le pic de tension se situe près de l’endroit où frappe l’éclair. Sur un sol très résistif, il migre vers la connexion de terre.

Le support fait mieux que le cadre

Prendre la terre sur la structure de montage donne le plus souvent des tensions maximales plus faibles, parce que ce chemin oppose moins de résistance électrique au courant.

Deux points de terre plutôt qu’un

C’est le résultat le plus parlant. Avec une deuxième connexion, la baisse des tensions transitoires atteint 47,5 à 54,8 % lorsque la terre est prise sur le cadre, et 43,2 à 50,7 % lorsqu’elle passe par le support. Les chercheurs l’expliquent par une impédance de terre plus basse et un courant de foudre mieux réparti dans le sol. Le courant de crête simulé, 48,78 kA, reste selon eux dans les limites de sécurité de la norme IEEE Std 80, consacrée à la mise à la terre des postes électriques.

Ce qu’il faut en retenir pour une installation

Le message pratique tient en trois idées : raccourcir le trajet du courant jusqu’à la terre, viser une prise de terre peu résistante et multiplier les connexions. La position de ces points pèse plus lourd que la question de savoir s’ils se font sur le cadre ou sur le support. Pour un particulier, c’est un point à aborder avec l’installateur au moment du devis : une mise à la terre soignée a un coût, qui fait partie du prix d’une installation solaire sérieuse. Un devis qui reste muet sur ce poste mérite d’être questionné, comme l’expliquent nos conseils pour repérer les offres douteuses.

L’étude, intitulée « Study of the selection of an individual grounding location point against direct lightning strikes on solar panel systems », a paru dans la revue Results in Engineering. Elle est signée par des scientifiques de l’Institut Teknologi Sepuluh Nopember et de l’Universitas Hasanuddin. Ses résultats ont été rapportés par pv magazine international.

Questions fréquentes

Un paratonnerre suffit-il à protéger des panneaux solaires de la foudre ?

Pas forcément. Les chercheurs indonésiens partent du principe qu’un éclair peut toucher un module ou sa structure même quand un paratonnerre est en place. Dans ce cas, c’est la mise à la terre du champ photovoltaïque qui évacue le courant.

De combien un second point de mise à la terre réduit-il les surtensions ?

Dans la simulation publiée, un deuxième point de terre fait baisser les tensions transitoires de 47,5 à 54,8 % quand la terre est prise sur le cadre des modules, et de 43,2 à 50,7 % quand elle passe par la structure de montage.

Vaut-il mieux relier la terre au cadre ou au support des panneaux ?

Le raccordement par la structure de montage donne en général des pics de tension plus bas, car sa résistance électrique est plus faible. Mais l’étude conclut que l’emplacement et le nombre de points de terre comptent davantage que ce choix.

Le type de sol influence-t-il le risque lié à la foudre ?

Oui. Dans la simulation, passer d’un sol de 30 Ωm à un sol de 3 000 Ωm augmente nettement les surtensions. Un terrain très résistif rend une prise de terre de qualité encore plus importante.