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Prüftechnische Qualifizierung nach neuer Norm:
Überspannungsschutzlösungen für PV-Anlagen

PV-Anlagen lassen sich wirkungsvoll gegen Schäden durch Blitzentladungen und Überspannungen schützen. Für einen effektiven DC-seitigen Anlagenschutz sind individuelle Lösungen mit Überspannungsschutzgeräten erforderlich. Deren Leistungsfähigkeit sollte gemäß des Entwurfs der Norm prEN50539-11 nachgewiesen sein.
Ein durchdachtes Blitz- und Überspannungsschutz-Konzept für PV-Anlagen trägt in hohem Maße zur Erhöhung der Verfügbarkeit bei. Schutz vor direkten eingekoppelten Blitzströmen bietet der Aufbau einer Blitzschutzanlage gemäß DIN/EN62305. Zudem sind Maßnahmen zum Schutz des Generatorkreises vor Überspannungen zu treffen, die durch das elektromagnetische Feld eingekoppelt werden, das mit Blitzströmen verbunden ist. Zu diesem Zweck wird gemäß der Errichtungsbestimmungen für PV-Anlagen – siehe IEC60364-7-712 – der Einbau von Überspannungsschutz-Geräten (ÜSG) zwischen PV-Generator und Wechselrichter empfohlen. ÜSG an der Schnittstelle zum Wechselspannungsnetz sowie in möglichen Signalleitungen, die mit dem Wechselrichter verbunden sind, vervollständigen die Schutzmaßnahmen. PV-Generatoren bestehen aus einer Vielzahl von Solarzellen, die je nach den zu erzielenden Generatorparametern verschaltet werden. Die resultierenden Quelleneigenschaften, die auf den physikalischen Eigenschaften der Solarzelle beruhen, entsprechen denen einer hochdynamischen DC-Stromquelle und unterscheiden sich damit grundlegend von den in herkömmlichen Energieversorgungsnetzen anzutreffenden Bedingungen. Bedeutsame Kennwerte von PV-Modulen sind der Kurzschlussstrom ISC, die Leerlaufspannung UOC sowie der Punkt maximaler Leistung. Der Kurzschlussstrom einer Solarzelle liegt typischerweise 5 bis 15% über dem Strom im Punkt der maximalen Leistung, er hängt linear von der Einstrahlung ab. Neben der Abhängigkeit der Leerlaufspannung von der Einstrahlung ist der Einfluss der Temperatur auf die Modulspannung bedeutsam.

Anforderungen an den DC-seitigen Anlagenschutz

Aus den beschriebenen elektrischen Eigenschaften des Generatorkreises sowie der Systemtopologie von PV-Anlagen leiten sich Anforderungen an die Auslegung des DC-seitigen Anlagenschutzes gegen Blitzteilströme und Überspannungen ab. Grundlegend sind thermisch bedingte Änderungen der Systemspannung des PV-Generators sowie die einstrahlungsabhängige Höhe des Kurzschlussstromes bei der Auslegung von Schutzlösungen für den DC-Generatorkreis zu berücksichtigen. Zudem hat die besondere Quellencharakteristik von PV-Anlagen einen entscheidenden Einfluss auf die Möglichkeiten der Fehlerbehandlung. Fehler im Generatorkreis oder Schäden am ÜSG selbst dürfen nicht zum Eintreten gefährlicher Betriebszustände führen. So ist z.B. bei einem Isolationsfehler die Abschaltung von Fehlerströmen im PV-Generatorkreis durch Überstromschutzeinrichtungen in Form von Schmelzsicherungen – wie es in Energieversorgungsnetzen üblich ist – nicht möglich. Grund hierfür ist die einstrahlungsabhängige Höhe des Kurzschlussstromes sowie dessen geringer Unterschied zum Betriebsstrom. Hier ist eine sinnvolle Koordination mit einer Überstrom-Schutzeinrichtung nicht möglich. Aus diesem Grund wurden für diese besonderen Bedingungen verschiedene Schutzkonzepte entwickelt. Eine hohe Sicherheit wird durch eine Schutzschaltung aus drei baugleichen Varistor-Ableitern ermöglicht. Die Ableiter sind jeweils mit einer integrierten thermischen Abtrennvorrichtung ausgestattet und in einer sogenannten Y-Schaltung zwischen den stromführenden Leitern und dem Erdpotential verschaltet. Tritt ein Isolationsfehler auf, sind immer zwei Varistoren in Serie geschaltet. Damit erfüllt diese Schaltung die Forderung, Erdschlüssen dauerhaft zu widerstehen. Mit geeigneten Komponenten wird sogar für den Fall eines niederohmigen Kurzschlusses bei einem der beiden in Serie geschalteten Ableiter bei Anliegen der gesamten Systemspannung ein sicherer Betriebszustand erreicht. Prüfungen zum Nachweis der Beherrschung dieses Fehlerszenarios sind beispielsweise im aktuell vorliegenden Entwurf für die Norm zur Qualifizierung von ÜSG für den DC-seitigen Einsatz in PV-Systemen, der prEN50539-11:2011 beschrieben.

Prüfungen im Herstellerlabor

Die dargestellte Quellencharakteristik von PV-Generatoren bestimmt wesentlich die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der im Ableiter integrierten thermisch aktivierten Abtrennvorrichtung, die im Fall einer Überlastung des Ableiters dessen Trennung vom DC-Generatorkreis herbeiführen muss. Zudem werden die Anforderungen an das Folgestrom-Löschvermögen schaltender ÜSG, wie sie beispielsweise ÜSG auf Basis von Funkenstrecken darstellen, wesentlich durch die Quellencharakteristik bestimmt. Daher ist die besondere Quellencharakteristik von der PV-Anlage bei Qualifikationsprüfungen vom ÜSG im Labor zu berücksichtigen. Im Labor muss die Charakteristik realer PV-Anlagen mittels geeigneter Methoden nachgebildet werden. Anforderungen an die dafür zu verwendenden Prüfquellen sowie geeignete Prüfverfahren sind im Entwurfsstand der prEN50539-11:2011 beschrieben. Ein ÜSG kann aus drei einzelnen steckbaren Ableitern bestehen, die in einer sogenannten Y-Schaltung in einem gemeinsamen Basiselement angeordnet sind. Ein derartiges ÜSG, das sowohl die Ableitung von Blitzströmen als auch Überspannungen gemäß prEN50539-11, Abschn. 7.5.3 beherrscht, kann Stoßströme der Kurvenform 8/20µs von In= 15kA sowie Blitzstoßströme der Kurvenform 10/350µs von Iimp = 5kA ableiten. Dabei werden die in CLC/TS 50539-12 (Application Guide) definierten Schutzpegelanforderungen sicher erfüllt. Prüfungen zum Ausfallverhalten des ÜSG gemäß prEN50539-11:2011, Kapitel 7.3.7, die das Schaltvermögen der im Ableiter integrierten thermisch aktivierten Abtrennvorrichtung beurteilen, bestätigen eine Einsatzmöglichkeit des Ableiters in PV-Anlagen mit einem höchsten unbeeinflussten Kurzschlussstrom ISCPV von bis zu 300A. Wesentliches Merkmal der speziell dafür zugeschnittenen Abtrennvorrichtung ist die schnelle und effektive Unterbrechung der degradationsbedingten Fehlerströme, die sich unter Überlastbedingungen einstellen.

Schutzlösungen

Neben den ÜSG selbst sollten auch vorkonfektionierte Schutzlösungen im Installationsgehäuse für den Schutz von PV-Anlagen prüftechnisch qualifiziert werden. Derartige Produkte können DC- und AC-seitig wirksame ÜSG, einen Freischalter für den DC-Kreis, die Verdrahtung der Komponenten untereinander sowie die Anschlusstechnik umfassen. Bewertungsgrundlage sollte eine Baumusterprüfung gemäß EN61439-2 sein. Insbesondere Erwärmungsprüfungen bei eingeprägtem Maximalstrom sowie die Prüfung der Isolationsfestigkeit sind dabei hervorzuheben. Darüber hinaus sind Nachweise hinsichtlich der Stoßspannungsfestigkeit der Verdrahtung sowie der Schutzwirkung der Gesamtlösung bedeutsame Qualitätsmerkmale. Bei Schutzlösungen, die Schaltgeräte beinhalten, ist die Koordination zwischen diesem und dem ÜSG ein Qualitätsmerkmal – auch hinsichtlich Anlagenverfügbarkeit. Ein Schaltgerät, das aus Sicht der Störquelle dem ÜSG vorgeschaltet ist, sollte den ausgewiesenen Stoßstrom der Schutzlösung tragen, ohne dabei selbst auszulösen.

Fertigung

Eine Produktqualität und -sicherheit von Überspannungsableitern und vorkonfektionierten Schutzlösungen erfordert herstellungsbegleitende, qualitätssichernde Maßnahmen, die standardmäßig als Stückprüfungen ausgeführt werden sollten. Dazu gehören auch Isolationsprüfungen. Bei elektrischen Schraubverbindungen sind Leiterauszugsprüfungen mit Drehmomentbewertung sowie Hochstromprüfungen mit Durchgangswiderstandsbestimmung sinnvoll. Die konsequente Umsetzung all dieser Maßnahmen ist Voraussetzung für Produkte mit hohem Qualitäts- und Sicherheitsniveau.

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