Überspannungsschutz für PV-Anlagen

Nach Angaben des wissenschaftlichen Beirates der Bundesregierung für globale Umweltveränderungen soll im Jahr 2050 knapp ein Viertel des globalen Energiemixes aus dem Licht der Sonne gewonnen werden. Die Photovoltaik (PV) stellt demzufolge eine Schlüsseltechnologie für unsere Zukunft dar. Allerdings muss sie für die Betreiber wirtschaftlich sein, das heißt langfristig störungsfrei arbeiten. Der Schutz vor Überspannungen, hervorgerufen durch direkte/indirekte Blitzeinschläge oder Schalthandlungen, ist deshalb ein nicht zu vernachlässigendes Thema.
Überspannungsschutzgeräte (Surge Protective Device, SPD) begrenzen Überspannungen auf Werte, die für Wechselrichter und andere PV-Komponenten verträglich sind. Das heißt, eine Zerstörung der Geräte und Anlagen sowie ein Ertragsausfall für den Betreiber können somit zuverlässig verhindert werden. Durch die neue CLC/TS 50539-12 ist die Auswahl der Überspannungsschutzgeräte für den Anwender relativ leicht, da diese detaillierte Hilfe für verschiedene Konstellationen (z.B. Abhängigkeiten von Leitungslängen der zu schützenden Komponenten, Vorhandensein eines Äußeren Blitzschutzes) bietet.

Auswahl von Überspannungsschutzgeräten

Bedingt durch die exponierte Lage von PV-Anlagen und die nur sehr eingeschränkte Möglichkeit, eine solche Anlage umfassend elektromagnetisch zu schirmen, ist der Einsatz überspannungsbegrenzender Schutzgeräte die einzig sinnvolle technische Maßnahme zum Schutz gegen gefährliche Überspannungen. Bei der Wahl der Einsatzorte und des Ableitvermögens der SPD ist die Kenntnis der realen Gegebenheiten vor Ort wichtig. So sind neben der räumlichen Ausdehnung des PV-Generators und der Lage des Wechselrichters folgende Punkte für die Auswahl entscheidend:
– Besitzt das Gebäude eine Blitzschutzanlage?
– Soll eine solche aufgebaut werden?
– Welche Blitzschutzklasse kommt zur Anwendung?

Die Tabelle auf der folgenden Seite beschreibt die richtige Auswahl des Überspannungsschutzes entsprechend CLC/TS 50539-12. Es sei darauf hingewiesen, dass die Bedingung l2<10m in der Praxis bereits bei sehr kleinen PV-Anlagen nicht umsetzbar ist. Wenn diese Leitungen mit der Länge l2, zwischen Wechselrichter und Modulen, eine Länge von 10m überschreitet, muss nach CLC/TS 50539-12 folgerichtig auf beiden Seiten ein Überspannungsschutzgerät platziert werden. Bei einem Gebäude mit äußerem Blitzschutzsystem, an dem auch die geforderten Trennungsabstände eingehalten werden, oder wenn kein äußeres Blitzschutzsystem zum Einsatz kommt, sind die Komponenten des PV-Stromversorgungssystems durch Überspannungsschutzgeräte Typ 2 zu schützen. Wichtig ist, das eingesetzte Überspannungsschutzgerät auf der Gleichstromseite des PV-Stromversorgungssystems so auszuwählen, dass dieses auch bei Überlast in einem sicheren Betriebszustand übergeht. Eine Brandgefährdung durch Überlastung und Lichtbogen darf nicht entstehen. Der Hersteller des Überspannungsschutzgerätes muss a) nachweisen, dass die interne Schaltvorrichtung das notwendige Schaltvermögen besitzt, um die am Einbauort auftretenden Parameter des PV-Stromversorgungssystems sicher zu beherrschen und b) er hat die Eignung dieser Geräte für die Gleichspannungsseite von PV-Stromversorgungssystemen auszuweisen. Ein eventuelles Brandrisiko kann so sicher vermieden werden. Überspannungsschutzgeräte Typ 2 sollten nach DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 ein Mindestableitvermögen von 5kA (8/20µs) besitzen. Hierfür wurde der Dehnguard M YPV SCI (FM) mit 3-stufiger DC-Schaltvorrichtung entwickelt. Dieser ist speziell für die Bedürfnisse und Anforderungen auf der Gleichspannungsseite von PV-Stromversorgungssystemen konzipiert. Die Technik der fehlerresistenten Y-Schutzbeschaltung und der kombinierten Abtrenn- und Kurzschließvorrichtung mit Thermo-Dynamik-Control wird beim Dehnguard M YPV SCI (FM) durch eine zusätzliche Sicherung ergänzt, um bei Überlast des Ableiters einen sicheren und stromlosen Wechsel der Schutzmodule zu ermöglichen. Die dabei geschaffene Synergie der Technologien vermindert das Risiko einer Schutzgeräteschädigung durch Installations- und Isolationsfehler im PV-Stromkreis, reduziert deutlich die Gefahr einer Brandentwicklung eines überlasteten Schutzgerätes und versetzt ein überlastetes Überspannungsschutzgerät in einen sicheren elektrischen Zustand ohne dabei das Betriebsverhalten der PV-Anlage zu beeinträchtigen. Kann bei einem Gebäude mit äußerem Blitzschutzsystem der erforderliche Trennungsabstand nicht eingehalten werden und beträgt der Abstand vom Wechselrichter zum Modul (l2 =>Tabelle) 10m oder mehr, so sind auf der Gleichspannungsseite SPDs Typ 1 einzusetzen. Nach DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3) wird die Blitzstromtragfähigkeit Iimp je Schutzpfad so ausgewählt, dass sie den zu erwartenden Beanspruchungen am Einbauort entspricht. Diese Geräte müssen demnach in der Lage sein, einen Blitzstrom mehrmals zerstörungsfrei abzuleiten und ebenso den DC-Folgestrom der PV-Anlage zu löschen. Das auf Basis von Funkenstreckentechnologie entwickelte Typ 1 Überspannungsschutzgerät Dehnlimit PV 1000 erfüllt diese normativen Anforderungen in vollem Umfang. Es ist bis 1.000VDC anwendbar und zudem leckstromfrei.

Überspannungsschutzgeräte auf der AC-Seite von PV-Anlagen

Überspannungsschutzgeräte auf der AC-Seite von PV-Anlagen können nach den bekannten Kriterien für Niederspannungssysteme 230/400V ausgewählt werden. Die Geräte der Familie DG M…CI mit bereits integrierter Vorsicherung sind für diesen Zweck gut geeignet, da kein Platz für eine Vorsicherung benötigt wird, diese nicht extra dimensioniert werden muss und der nach DIN VDE 0100-534 geforderte Vorrang der Versorgungssicherheit einfach und praxisnah umgesetzt werden kann. Durch den Wegfall der zusätzlichen Vorsicherung entfällt ebenso der dafür notwendige Verdrahtungsaufwand, sodass die Anschlusslänge des SPDs reduziert wird, wie in DIN VDE 0100-534 empfohlen. Dies und der Einsatz unmittelbar neben dem zu schützenden Gerät vermeiden einen zusätzlichen Spannungsfall durch zu lange Anschlussleitungen. Die Überspannungsschutzgeräte Typ 2 sollten deshalb für eine optimale Schutzwirkung in unmittelbarer Nähe am zu schützenden Gerät eingesetzt werden. Da besonders bei größeren PV-Anlagen zusätzliche Sensorik- und Kommunikationsbaugruppen zur Steuerung und Überwachung der PV-Anlage zum Einsatz kommen, sei darauf hinzuweisen, dass ein umfassendes Überspannungsschutzkonzept auch den Überspannungsschutz dieser Komponenten berücksichtigen muss.

Fazit

Nur durch eine umfangreiche Kenntnis der Besonderheiten von Photovoltaikanlagen ist es möglich, die notwendigen Blitz- und Überspannungsschutzmaßnahmen fachgerecht auszuwählen und zu installieren, um einen langfristigen Schutz der getroffenen Investition sicherzustellen. Denn anders als bei der klassischen Elektroinstallation ist bei Photovoltaikanlagen, durch die häufig exponierte Position der Anlage und durch die spezielle Quellencharakteristik eines PV-Generators, beim Einsatz und bei der Auswahl von Überspannungsschutzgeräten besondere Sorgfalt und Fachkenntnis nötig. Insbesondere auch dem Brandschutz gilt es hierbei durch die Auswahl von für diesen Anwendungsfall geeigneten Schutzgeräten Rechnung zu tragen.