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Sicherer und wirtschaftlicher Aufbau und Betrieb

Wo Strom erzeugt wird oder fließt, lauern potenzielle Gefahren für Personen und Anlagen. Dies gilt besonders auch für Photovoltaikanlagen. Entsprechende Schutzkonzepte sorgen für die nötige Sicherheit.

Photovoltaikanlage (Bild: Siemens AG)

Photovoltaikanlage (Bild: Siemens AG)


Aufgrund ihrer Lage auf Freiflächen und Dächern sind Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) besonderen Risiken ausgesetzt, etwa Blitzeinschlägen. Daneben gehen von den Anlagen selbst erhöhte Gefahren aus. Im Brandfall z.B. besteht für Feuerwehr und Rettungskräfte Lebensgefahr, wenn geeignete Schutzvorkehrungen fehlen. Ebenso müssen Stromunfälle bei Wartungsarbeiten, etwa durch elektrischen Schlag, vermieden werden. Ein umfassendes Schutzkonzept berücksichtigt die normenkonforme Absicherung der Anlage, den Schutz von Personen gegen elektrischen Schlag und im Brandfall sowie die sichere Einspeisung des erzeugten Stroms ins Netz.
Aufbau einer PV­Anlage mit fernbedienbarem DC­Freischalter zur sicheren Trennung einzelner PV­Strings (Bild: Siemens AG)

Aufbau einer PV­Anlage mit fernbedienbarem DC­Freischalter zur sicheren Trennung einzelner PV­Strings (Bild: Siemens AG)

Normenkonforme Absicherung

Abhängig von ihrer Größe weisen PV-Anlagen unterschiedliche Spannungen und Leistungen auf, die spezifische Anforderungen an die erforderlichen Schutzkomponenten stellen. Welche technischen Vorkehrungen für PV-Anlagen erforderlich sind, regelt die Richtlinie DIN VDE 0100-712. Zur Durchführung von Wartungsarbeiten an den PV-Modulen oder Wechselrichtern sind Einrichtungen zum Trennen der Wechsel- und Gleichspannungsseite erforderlich. Zudem muss der Gleichstromhauptschalter den Gleichspannungskreis unter Last sicher allpolig trennen können. Hierfür sind Lasttrennschalter mit einem entsprechenden Schaltvermögen für Gleichströme einzusetzen. PV-Steckverbindungssysteme dürfen nicht unter Last getrennt werden – eine geeignete Abschalteinrichtung mit Lastschaltvermögen ist deshalb unbedingt vorzusehen. Auf der Gleichstromseite müssen die Solarmodule und Anschlussleitungen vor Fehlerströmen geschützt werden, die als Folge von Kurzschlüssen im System oder Rückströmen von intakten Strängen in defekte oder verschattete Stränge auftreten können. Die Gefahr von Rückströmen besteht bei der Parallelschaltung mehrerer Stränge. Sie können durch Kurz- oder Erdschluss, aber auch durch Abschattung von Modulen entstehen. So kann es zu einem Spannungseinbruch in einem Strang kommen, der dazu führt, dass Module durch einen Stromdurchfluss in Rückwärtsrichtung thermisch zerstört werden. Um die Module zu schützen, werden Strangsicherungen eingesetzt. Diese schalten bei unzulässig hohem Rückstrom ab. Die PV-Module werden mit Modulanschlussleitungen untereinander elektrisch verschaltet und zu Strängen zusammengefasst. Der Wechselrichtertyp und dessen Kenndaten geben die Topologie der PV-Anlage vor. Aus dem Eingangsspannungs- und Strombereich des Wechselrichters ergibt sich, wie viele Module in Reihe bzw. wie viele Stränge parallel geschaltet werden können. Neben den Anschlussklemmen für die PV-Strangkabel und -leitungen kann der Generatoranschlusskasten je nach Konfiguration Strangsicherungen, Überspannungsschutzkomponenten und Trenneinrichtungen enthalten. Die Installation im Generatoranschlusskasten ist kurz- und erdschlusssicher auszuführen: So sind etwa die DC-Klemmen unterschiedlicher Polaritäten räumlich voneinander zu trennen oder anderweitig abzuschotten.

Generatoranschlussbox (Bild: Siemens AG)

Generatoranschlussbox (Bild: Siemens AG)

Schutz gegen elektrischen Schlag und im Brandfall

Statistisch besteht für eine PV-Anlage in Deutschland 14 bis 21 Mal pro Jahr die Gefahr eines direkten oder indirekten Blitzschlags. Als hochwertige elektronische Komponenten reagieren PV-Module und Wechselrichter sehr empfindlich auf Überspannungen, die netzseitig oder durch Blitzschlag entstehen. Überspannungsschutzgeräte begrenzen auftretende Spannungsspitzen und gewährleisten die Sicherheit und dauerhafte Verfügbarkeit der Anlage. Im Falle eines Brandes geht von einer Solaranlage ein erhöhtes Risiko aus: Auch nach Freischaltung des Wechselrichters liegt die volle Generatorspannung (bis 1.000VDC) an den Gleichstromleitungen an. Beim Löschen mit Wasser besteht für die Rettungskräfte somit Lebensgefahr, wenn sie gewisse Mindestabstände zu den unter Spannung stehenden Leitungen nicht einhalten können. Die Lösung ist ein so genannter DC-Freischalter, der in einem entsprechenden Gehäuse im PV-Strang in unmittelbarer Nähe der Solarmodule installiert wird. Mittels eines angebauten Unterspannungsauslösers kann dieser über einen entsprechenden ‚Not-Halt‘-Taster oder durch das Abschalten der Stromversorgung über den örtlichen Energieversorger fernabgeschaltet werden. Grundsätzlich muss eine Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag realisiert werden – z.B. mit automatischer Abschaltung der Stromversorgung im TN-System durch Überstromschutzeinrichtungen. Auch der Einsatz von Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen kann aufgrund des Netzsystems (TT-System) oder anderer Anforderungen (z.B. Brandschutz) notwendig sein. Bei transformatorlosen Wechselrichtern ist es möglich, dass aufgrund der fehlenden einfachen (galvanischen) Trennung zwischen der DC-Eingangs- und AC-Ausgangsseite glatte Gleichfehlerströme im Wechselstromnetz entstehen. Um diese erkennen und abschalten zu können, sind für den Personen- und Brandschutz Fehlerstromschutzschalter des Typs B oder B+ erforderlich.

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