24.08.2011
FIT FÜR DIE ZUKUNFT

PV-Anlagen vor Blitz und Überspannungen schützen

PV (Photovoltaik)-Anlagen sind besonders durch Blitzeinschläge und Überspannungen gefährdet, da sie häufig in exponierter Lage installiert werden. Damit sich die Investitionskosten für die Betreiber schnell amortisieren, ist ein durchdachtes Schutzkonzept erforderlich.

Gefährdung durch Blitze

Eine PV-Anlage besteht im Wesentlichen aus:

  • PV-Modulen,
  • Gleichspannungsleitungen zum Wechselrichter,
  • Wechselrichter,
  • Wechselspannungsleitungen zum Elektrizitätszähler.

Um einen kontinuierlichen und gewinnbringenden Betrieb einer PV-Anlage zu ermöglichen, müssen besonders diejenigen Komponenten geschützt werden, die am empfindlichsten gegen Überspannungen sind. Höchste Priorität hat der Wechselrichter als teuerstes Einzelbauteil einer PV-Anlage, gefolgt von den einzelnen PV-Modulen.

Zukunftstechnologie wird fit für die Zukunft

Bild: Phoenix Contact  

PV-Module sind - vereinfacht - großflächige lichtempfindliche Halbleiter. Bei einem direkten Blitzeinschlag in die Module oder in die metallische Tragekonstruktion kommt es deshalb zu deren Zerstörung. In den Verbindungsleitungen zum Wechselrichter eingebaute Überspannungs­schutzgeräte können zwar den nachgelagerten Wechselrichter schützen, nicht aber die PV-Module.

 

Äußerer Blitzschutz

Bei der Anordnung von PV-Modulen muss der erforderliche Trennungsabstand „S“ zum äußeren Blitzschutz eingehalten werden

Bild: Phoenix Contact  

 

Beim Bau von PV-Anlagen muss darauf geachtet werden, dass die PV-Module und ihre Trage­konstruktionen nicht direkt von Blitzen getroffen werden können. Schutz davor bietet ein geeignetes äußeres Blitzschutzsystem.

PV-Anlagen stehen häufig auf öffentlich genutzten Gebäuden und unterliegen damit den Bauvorschrif­ten der Bundesländer. Darin wird äußerer Blitzschutz gefordert - für Hoch- und Krankenhäuser, Schulen, Verkaufs- und Versammlungsstätten. Der Gesamtverband der Versicherungswirtschaft fordert äußeren Blitzschutz auch für PV-Anlagen mit mehr als 10 kW (VdS 2010).

Bei der Anordnung von PV-Modulen muss darauf geachtet werden, dass der nach EN 62305-3 erforderliche Trennungsabstand „S“ zum äußeren Blitzschutz eingehalten wird. Dadurch wird sichergestellt, dass es bei einem Blitzeinschlag in den äußeren Blitzschutz nicht zu einem Lichtbogenüberschlag zur PV-Anlage kommt.

In der Praxis gibt es immer wieder Anwendungs­fälle, in denen die Trennungsabstände nicht eingehalten werden:

  • Installation von PV-Modulen in unmittelbarer räumlicher Nähe zum äußeren Blitzschutz,
  • Installation von PV-Modulen auf einem Blechdach.

Dabei müssen die Tragegestelle der PV-Module direkt mit dem äußeren Blitzschutz verbunden werden, wodurch sich das Gefährdungspotenzial für die PV-Anlage deutlich erhöht.

 

Überspannungsschutz

Nach EN 62305-3 muss ein innerer Blitzschutz (Überspannungsschutz) vorhanden sein, wenn eine bauliche Anlage ein äußeres Blitzschutzsystem hat und eine elektrische Anlage vorhanden ist. Eine PV-Anlage muss deshalb mit Überspannungsschutz ausgerüstet sein, wenn ein äußeres Blitzschutzsystem vorhanden ist. Überspannungsschutzgeräte für PV-Anlagen ermöglichen einen Schutz vor Überspannungen

  • durch Blitz­einschläge in das der PV-Anlage zugeordnete äußere Blitzschutzsystem,
  • durch Blitz­einschläge in der näheren Umgebung,
  • aus dem Stromversorgungssystem.

Für einen wirkungsvollen Schutz gegen Überspannungen müssen die Gleichspannungs- und die Wechselspannungsseite von Wechselrichtern geschützt werden. Geeignete Überspannungsschutz­geräte werden in unmittelbarer Nähe des Wechselrichters angeordnet.

Anordnung von Überspannungsschutzgeräten in Anlagen mit unterschiedlichen Entfernungen zwischen Anlage und Wechselrichter

Bild: Phoenix Contact  

Je länger die Leitung zwischen den PV-Modulen und dem Wechselrichter ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass Überspannungen kapazitiv oder induktiv in die Leitungen eingekoppelt werden. Ist der Abstand zwischen PV-Modulen und Wechselrichter größer als 10 m, sollten auch in unmittelbarer Nähe der PV-Module Überspannungs­schutzgeräte installiert werden.

 

Schutz der Wechselspannungsseite

Auf der Wechselspannungsseite von Wechselrichtern werden Überspannungsschutzgeräte für Wechsel­spannung installiert. Ein Basis-Schutz wird mit Hilfe von Typ 2-Überspannungsschutzgeräten mit Varistoren erreicht. Ist ein äußeres Blitzschutzsystem vorhanden, werden Typ 1-Blitzstromableiter verwendet:

  • Fall 1 - ein Typ 1-Blitzstromableiter ist bereits am Speisepunkt der elektrischen Anlage eingebaut: Ein Typ 2-Überspannungsableiter sollte in unmittelbarer räumlicher Nähe zum Wechselrichter installiert werden.
  • Fall 2 - am Speisepunkt der elektrischen Anlage ist kein Typ 1-Blitzstromableiter eingebaut: Ein Typ 1-Blitzstromableiter sollte am Speise­punkt der elektrischen Anlage installiert werden, ein Typ 2-Überspannungs­ableiter in unmittelbarer räumlicher Nähe zum Wechsel­richter. Eine weitere Verbesserung der Schutzwirkung kann durch eine Kombination von Typ 1-Blitzstromableiter und Typ 2-Über­spannungsableiter – in einem Gerät – erreicht werden.

Typ 1-Blitzstromableiter und Typ 2-Überspannungsableiter für die Wechselspannungsseite: Flashtrab compact

Bild: Phoenix Contact  

 

Schutz der Gleichspannungsseite

Die Gleichspannungsseite von Wechselrichtern muss ebenfalls geschützt werden. Hier haben Überspannungsschutzgeräte folgende Aufgaben:

  • Durchleitung von Blitzströmen,
  • Ableiten und Ausgleichen von Überspannungen,
  • sicheres Betriebsverhalten auch im Überlastfall – unter Berücksichtigung des Betriebsverhaltens von PV-Modulen und Wechselrichtern.

Für die Auslegung von Überspannungsschutzgeräten für Stromversorgungssysteme mit Gleichspannungen gibt es zur Zeit noch keine ausreichenden Normen-Festlegungen. Aus diesem Grund findet man für die Gleichspannungsseite von PV-Anlagen auf dem Markt Überspannungsschutzgeräte, die sich in Funktion und Aufbau deutlich unterscheiden. Jeder Hersteller muss hier selbst Anforderungen und Bewertungskriterien für eine hinreichende Sicherheit festlegen. Das bedeutet in diesem Zusammenhang:

  • Sicheres Verhalten bei niederohmigen und hochohmigen Kurzschlüssen eines Überspannungs­schutzgeräts,
  • sicheres Verhalten bei Erdschluss von Gleichspannungsleitungen,
  • Verhinderung unzulässiger Erwärmung im Überlastfall,
  • Gleichspannungs-Eingangsschaltungen von marktüblichen Wechselrichtern sollen im Fehlerfall nicht geschädigt werden.

PV-Module und Gleichspannungs-Verkabelung von PV-Anlagen sind im Regelfall dauerkurzschlussfest. Fehlerfälle in Komponenten einer PV-Anlage können durch das Abschalten von Komponenten sowie durch das Herbeiführen eines dauerhaften niederohmigen Kurzschlusses der betroffenen Komponenten begegnet werden.

Überspannungsschutzgeräte, die im Fehlerfall kurzschließen, verringern automatisch die Verfügbarkeit einer PV-Anlage. Die Praxis­erfahrung der letzten Jahre hat gezeigt, dass einige marktgängige Wechselrichter nicht für einen dauerhaften Kurzschluss auf der Eingangsseite ausgelegt sind. Deshalb sollten Überspannungsschutzgeräte verwendet werden, die im Fehlerfall abschalten.

Überspannungsschutz für die Gleichspannungsseite – das PV-Set von Phoenix Contact

Bild: Phoenix Contact  

 

Y-Schaltung von Überspannungsschutzgeräten

In aufwändigen Untersuchungen wurden alle wichtigen Schaltungsvarianten für Überspannungs­schutzgeräte im Labor, an einem PV-Simulator sowie an realen PV-Anlagen geprüft, Normalbetrieb und typische Fehlerfälle auf der Gleichspannungs­seite von PV- Anlagen wurden dabei nachgestellt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass sich eine Y-Schaltung (2+1-Schaltung) von Überspannungs­schutzgeräten am besten für den Schutz der Gleichspannungsseite von PV-Anlagen eignet.

PV-Anlagen im Normalbetrieb (l.), mit Isolationsfehler Erdschluss (Mitte) sowie mit Kurzschluss (r.)

Bild: Phoenix Contact  

Bei der Y-Schaltung sind immer zwei Überspan­nungsschutzgeräte in Reihe geschaltet zwischen:

  • L1(+) und L2(-),
  • L1(+) und Erde,
  • L2(-) und Erde.

Durch die Y-Schaltung und die Auswahl geeigneter Überspannungsschutzgeräte werden alle Anforde­rungen an die Sicherheit erfüllt. Auch bei einem niederohmigen Kurzschluss eines Überspannungs­schutzgeräts ist immer ein weiteres Gerät in Reihe geschaltet. Die Überspannungsschutzgeräte in Y-Schaltung sind so ausgelegt, dass sie den maximalen Spannungen dauerhaft widerstehen können, oder dass die integrierten thermischen Abtrennvorrichtungen die Überspannungs­schutzgeräte sicher von der Gleichspannung trennen können – ohne dass es zu einer unzulässigen Erwärmung der Geräte kommt. Auch bei einem Erdschluss der Plus- oder Minusleitung von PV-Modulen sind stets zwei Überspannungs­schutzgeräte in Reihe geschaltet. Sie sind in der Lage der Spannungsbelastung bei Erdschlüssen dauerhaft zu widerstehen.

Eine Y-Schaltung von Überspannungsschutzgeräten – die pro Schutzpfad mit zwei Überspannungsschutz­geräten ausgestattet ist – bietet doppelte Sicherheit und hohe Verfügbarkeit sowie einen guten Schutz gegen Überspannungen.

 

Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Anlagen in Normen und Richtlinien

VDE 0185-305-3 Beiblatt 2: Blitzschutz – Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen – Beiblatt 2, Kap 17: PV-Anlagen

  • PV-Anlagen auf Gebäuden dürfen die vorhandenen Blitzschutzmaßnahmen nicht beeinträchtigen.
  • PV-Anlagen werden durch getrennte Fangeinrichtungen nach 5.2 und 6.3 in EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) vor direkten Blitzeinschlägen geschützt.
  • Ist ein direkter Anschluss nicht zu vermeiden, dann ist die Auswirkung des in das Innere der baulichen Anlage eingekoppelten Blitzteilstroms zu beachten.
  • Innerhalb der baulichen Anlage wird der Blitzschutz-Potenzialausgleich mit den energie- und informationstechnischen Systemen, nach Abschnitt 6 in EN 62305-3 (VDE 0185-305-3), erstellt.

Richtlinie VdS 2010 des Gesamtverbandes der Deutschen Versicherungswirtschaft: Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz, Festlegungen für Gebäude mit PV-Anlagen mit mehr als 10 kW:

  • Äußerer Blitzschutz: erforderlich,
  • innerer Blitzschutz: erforderlich.

www.phoenixcontact.at