Types de câbles solaires : explication des câbles PV, USE-2 et AC

La distinction déterminante entre les types de câbles solaires est de savoir s'ils sont conçus pour être enterrés directement dans le champ photovoltaïque CC ou pour l'interconnexion CA entre l'onduleur et le réseau électrique public. Le fil photovoltaïque (UL4703) est le seul type de câble homologué pour un enfouissement direct et une exposition continue à la lumière du soleil dans le champ CC, avec une température humide de 90 °C et une température sèche de 150 °C, ce qui le rend obligatoire pour les systèmes d'onduleurs sans transformateur sans mise à la terre fonctionnant à 1 000 ou 1 500 volts CC. Le câble UTILISER-2, bien qu'il soit toujours répertorié pour un enfouissement direct, n'a pas l'indice de résistance complet à la lumière du soleil et la marge de température plus élevée qu'exigent les réseaux haute tension modernes.

Les quatre principales catégories de câbles solaires

Un système photovoltaïque contient des zones électriques distinctes, chacune régie par un type de câble spécifique et un ensemble correspondant d'exigences d'installation en vertu de l'article 690 du Code national de l'électricité (NEC). Les quatre types de câbles qui apparaissent dans un système correctement conçu depuis le réseau jusqu'au point d'interconnexion sont les suivants.

Le fil PV, répertorié selon UL 4703 et la norme en question UL 4703, est un câble monoconducteur avec Isolation en polyéthylène réticulé (XLPE) et une gaine extérieure résistante au soleil. Il est évalué pour 600 V, 1 000 V ou 2 000 V en fonction de l'épaisseur de l'isolation, la variante 2 000 V étant spécifiée pour les panneaux à grande échelle de 1 500 V CC. L'isolation XLPE offre une stabilité thermodurcissable, ce qui signifie que le câble conserve sa rigidité diélectrique et ses propriétés mécaniques même après une exposition prolongée à la température de fonctionnement maximale du conducteur de 90 °C humide et 150 °C sec. Le conducteur en cuivre étamé, toronné selon la norme ASTM B174 classe B ou C, résiste aux effets corrosifs de l'humidité qui imprègne l'isolation pendant des décennies de service. Le fil PV est le seul câble de l'industrie solaire qui transporte un Indice de flamme VW-1 et indice d'enfouissement direct simultanément, satisfaisant à la fois les exigences de sécurité incendie dans les installations sur les toits et les exigences de passage souterrain dans les systèmes de collecte de courant continu au sol.

Le câble USE-2, construit selon UL854 et reconnu par l'article 338 du NEC, est un câble monoconducteur conçu pour les entrées de service souterraines. Il utilise Isolation XLPE identique en termes de chimie au fil photovoltaïque, mais applique une gaine plus épaisse et plus robuste conçue pour résister à l'abrasion mécanique liée au tirage à travers un conduit souterrain et au contact direct avec la terre. Sa tension nominale est limitée à 600 V et sa température maximale de conducteur est 90°C humide et 90°C sec , une limitation critique par rapport au fil photovoltaïque. L'absence d'une température sèche de 150 °C signifie que USE-2 ne peut pas être utilisé à l'air libre dans un réseau de toit où les températures de la feuille arrière des modules atteignent régulièrement 75 °C à 85 °C et où l'augmentation de la température du conducteur à pleine charge pousse l'isolation dans une zone de surcharge thermique.

Le câble TC-ER, câble de chemin de fer exposé, sert de liaison de collecte CC entre le boîtier de combinaison et l'entrée de l'onduleur, ou entre plusieurs onduleurs de chaîne dans une configuration en guirlande. TC-ER est un assemblage multiconducteur, généralement trois conducteurs plus terre, avec une isolation intérieure en PVC et une gaine extérieure en nylon ou en PVC. Il est évalué pour 600 V et 90°C sec , et sa liste permet le routage dans un chemin de câbles sans conduit pour le parcours exposé. La construction multiconducteur simplifie le câblage par rapport au tirage de câbles individuels à un seul conducteur, mais la gaine en PVC se dégrade sous l'effet des rayons ultraviolets, le TC-ER doit donc être enfermé lorsqu'il est installé à l'extérieur en plein soleil.

Le fil de bâtiment THHN/THWN-2, bien qu'il ne s'agisse pas d'un câble solaire dédié, apparaît du côté CA de la sortie de l'onduleur jusqu'au panneau de service principal ou au point d'interconnexion du service public. Nonnnnnté 600 V et 90°C sec, 75°C wet , avec une gaine en nylon sur une isolation en PVC, il est rentable, largement disponible et conforme au code pour tout le câblage CA intérieur en aval de l'onduleur. Sa résistance à la lumière du soleil est nulle et il n'a pas de liste d'enterrement direct, son utilisation est donc strictement limitée aux canalisations intérieures, aux conduits et aux panneaux combinateurs AC fermés.

Tableau de spécifications comparatif pour les types de câbles solaires

Sélection de la classe de tension et transition 1 500 V

Le passage des architectures de système de 1 000 V CC à 1 500 V CC dans les centrales photovoltaïques à grande échelle réduit le courant de collecte CC d'environ un tiers pour le même débit de puissance, réduisant ainsi le nombre de boîtiers de combinaison, d'alimentations CC et de tranchées associées dans une proportion similaire. Cependant, la tension plus élevée impose des exigences d’isolation plus strictes. Un réseau de 1 500 V CC nécessite un câble PV conçu pour 2 000 VCC , pas 1 000 VCC. L'épaisseur d'isolation d'un fil photovoltaïque de 2 000 V est d'environ 2,4 mm pour les conducteurs 10 AWG, contre 1,14 mm pour la variante 1 000 V . Cette épaisseur de paroi accrue réduit la flexibilité du câble et augmente le rayon de courbure minimum, un facteur qui complique la gestion des câbles dans les boîtes de jonction des modules et les boîtiers DC des onduleurs.

La norme CEI 62930, appliquée mondialement en dehors de l'Amérique du Nord, harmonise les exigences de performance des câbles PV de 1 500 V. Il spécifie une résistance d'isolement minimale de 10 MΩ·km à 20°C , un chiffre vérifié lors des tests de production en usine sur chaque bobine avant expédition. Les tests sur le terrain du fil PV de 1 500 V installé avec un mégohmmètre de 5 000 V doivent donner des valeurs de résistance d'isolement d'au moins 4 MΩ par corde avant que la chaîne ne soit connectée à l'onduleur, une porte de mise en service qui identifie les dommages d'installation sur la gaine ou les joints du connecteur MC4 mal sertis.

Déclassement de température et correction de l'intensité admissible

Les tableaux d'intensité admissible de l'article 310.15 du NEC supposent une température ambiante de 30 °C et pas plus de trois conducteurs porteurs de courant dans un chemin de câbles. Un système de collecte solaire à courant continu viole régulièrement ces deux hypothèses. Sur un toit à Phoenix, en Arizona, où la température de l'air ambiant à 12 pouces au-dessus de la surface du toit atteint 65°C un après-midi d'été, le facteur de correction de température pour un fil photovoltaïque évalué à 90°C est 0.58 selon le tableau NEC 310.15(B)(1)(1). Un fil PV 10 AWG avec une intensité admissible de 40 ampères à 30°C est ainsi déclassé à 23,2 ampères à 65°C. Si ce même fil est regroupé avec trois autres chaînes porteuses de courant dans un conduit sur une distance supérieure à 24 pouces, un facteur d'ajustement supplémentaire de 0.80 s'applique, réduisant encore davantage l'intensité admissible à 18,6 ampères.

Le résultat est qu'un conducteur de 10 AWG, qui semble à première vue généreusement surdimensionné pour un courant de chaîne de 9 ampères, fonctionne à près de 50 % de sa capacité déclassée après corrections de température et de regroupement . Les pratiques d'ingénierie pour les systèmes de toit spécifient 10 AWG comme taille minimale de fil photovoltaïque pour les interconnexions de modules, avec 8 AWG requis pour les conducteurs domestiques desservant plus de deux chaînes, une règle empirique dérivée des données de température de toit les plus défavorables plutôt que d'une norme fixe.

Chimie de l'isolation et avantage XLPE

Le matériau isolant différencie un câble solaire du fil de construction à usage général plus que tout autre attribut. Le XLPE, le polyéthylène réticulé utilisé dans les fils photovoltaïques et USE-2, est un matériau thermodurci, ce qui signifie que les chaînes polymères sont chimiquement réticulées pendant le processus de durcissement. Une fois réticulé, le matériau ne peut ni fondre ni couler lorsqu’il est chauffé. Un fil PV exposé à une température de conducteur de 150 °C conserve sa forme physique et sa rigidité diélectrique, alors qu'un fil THHN isolé en PVC à la même température se ramollirait, coulerait et créerait un court-circuit interne.

Le processus de réticulation, obtenu par un durcissement à l'humidité à base de silane ou par une irradiation par faisceau d'électrons, améliore également la résistance de l'isolation à l'écoulement à froid sous compression. Lorsqu'un fil PV est pincé entre le cadre du module et le rail de montage, l'isolation XLPE résiste à la déformation qui aurait pour effet d'amincir la paroi isolante en PVC au fil du temps. L'épaisseur de paroi retenue après 1 000 heures de charge de compression à 90 °C représentent généralement 85 % à 90 % de l'épaisseur d'origine pour le XLPE, contre 60 % ou moins pour le PVC . Cette propriété est essentielle dans un champ photovoltaïque où les pinces de module et les serre-fils appliquent des points de pression localisés qui persistent pendant la durée de vie nominale du système, soit 25 ans.

Compatibilité des connecteurs et norme MC4

Le câble solaire lui-même n’est que le conducteur ; la terminaison du connecteur est le point de défaillance au niveau du système. La norme industrielle est le connecteur MC4, initialement développé par Multi-Contact et désormais fabriqué sous licence par plus d'une douzaine de fournisseurs mondiaux. Le MC4 est conçu pour Courant continu de 1 500 V CC et 30 A avec fil PV de 4 mm² ou 6 mm² (12 AWG à 10 AWG) , et il maintient un indice de protection IP68 une fois accouplé, ce qui signifie qu'il résiste à une immersion continue dans 1 mètre d'eau.

La règle critique pour la fiabilité est l’homogénéité des connecteurs : les connecteurs mâles et femelles d’une même chaîne doivent provenir du même fabricant. L'accouplement d'un connecteur Amphénol H4 avec un véritable Staubli MC4, malgré leur compatibilité physique et leur homologation UL, introduit un risque de corrosion galvanique au niveau de l'interface de contact car les métaux de base et les épaisseurs de placage diffèrent. La résistance de contact résultante, mesurée par un milliohmmètre à quatre fils, peut commencer à un niveau acceptable. 0,5 milliohm mais peut atteindre 5 milliohms ou plus dans les trois ans de cycle thermique, auquel point le chauffage I²R au niveau du connecteur dépasse la température environnante du câble et accélère l'oxydation. Les pannes sur le terrain imputables à des connecteurs incompatibles constituent la réclamation d'assurance la plus courante sur les systèmes de toiture résidentiels.

Exigences relatives aux conducteurs de mise à la terre et de liaison des équipements

Le conducteur de mise à la terre de l'équipement (EGC) dans un panneau solaire sert de chemin de retour du courant de défaut et doit être dimensionné pour transporter la totalité du courant de court-circuit du panneau solaire sans dépasser sa température nominale. Le tableau NEC 250.122 régit le dimensionnement de l'EGC en fonction de la valeur nominale du dispositif de protection contre les surintensités, mais pour les onduleurs sans transformateur dans lesquels la détection des défauts à la terre CC est intégrée, un EGC non plus petit que le plus grand conducteur du circuit CC est recommandé par les meilleures pratiques d'ingénierie, même lorsqu'une taille plus petite est autorisée par le code. Un fil PV de 10 AWG utilisé comme conducteur positif CC non mis à la terre doit être accompagné d'un minimum 10 AWG EGC , dimensionné selon 690,45 du NEC.

Pour le côté CA, l'EGC entre l'onduleur et le panneau de service principal est généralement un conducteur THHN/THWN-2 avec isolation verte, dimensionné selon le tableau 250.122 en fonction de l'indice de protection contre les surintensités de sortie CA de l'onduleur. Un disjoncteur de sortie d'onduleur de 40 A nécessite un minimum 10 AWG cuivre EGC . L'EGC n'est pas un conducteur porteur de courant en fonctionnement normal, mais doit être capable de conduire l'intégralité du courant de défaut à la terre pendant le temps nécessaire au dispositif de surintensité pour éliminer le défaut, une durée généralement inférieure à 0,1 seconde pour les disjoncteurs limiteurs de courant modernes.

Gestion des câbles et protection contre l'exposition aux UV

Même les câbles photovoltaïques résistants à la lumière du soleil nécessitent une protection physique contre les arêtes vives, les dommages causés par la faune et la dégradation concentrée des UV aux points de contrainte. Les câbles d'un réseau monté au sol sont acheminés à travers un chemin de câbles métallique ou en polyéthylène haute densité (PEHD), fixés avec des serre-câbles en acier inoxydable à des intervalles n'excédant pas 1,5 mètres . Les serre-câbles ne doivent pas trop comprimer l'isolant ; une tension d'attache dépassant les spécifications du fabricant peut couler à froid l'isolation XLPE et réduire l'épaisseur de la paroi au point d'attache de 50 % au cours d'un seul cycle thermique.

Dans les installations sur le toit, les câbles photovoltaïques doivent être soutenus par des serre-câbles ou des canaux de gestion des câbles intégrés au cadre du module. Le contact direct entre la gaine du câble et les bardeaux d'asphalte transfère la chaleur de la surface du toit au câble, élevant ainsi la température du conducteur d'une valeur estimée 5°C à 10°C au-dessus de la température de l'air ambiant , une marge qui peut pousser la température du conducteur au-delà de sa valeur nominale humide de 90 °C lorsqu'elle est combinée avec un courant à pleine charge et un rayonnement élevé de la feuille arrière du module. Le câble doit également être acheminé de manière à éviter l'eau stagnante dans les points bas du toit, où les cycles de gel-dégel sollicitent la gaine en raison de l'expansion et de la contraction répétées des formations de glace.