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PV-Anlagen sicher trennen

Bild 1. Hybridschalterkonzept für PV-Anlagen (zweipolig)

Bild 2. Der Schaltschrank der PV-Testanlage ermöglicht es, je nach Anforderung verschiedene Stränge zu verschalten

Bild 3. Kurzschlussschalt-versuche an PV-Lasttrennschaltern mit 21 Panels an einem String und einer Leerlaufspannung von 725 V bis 774 V

Bild 4. Die DC-Lasttrennschalter auf Hybridbasis wurden speziell für PV-Anlagen konzipiert

Bei Photovoltaikanlagen kommen zum Trennen von Strömen und Spannungen zwischen dem Generator und dem Wechselrichter in der Regel DC-Lasttrennschalter zum Einsatz. Hybridsysteme, die durch die geschickte Kombination von Mechanik und elektronischem Schaltelement höhere Spannungen und Ströme schalten können, sind hier eine interessante Alternative. Zumal sie zusätzliche Sicherheitsaspekte berücksichtigen.

Dank dem Erneuerbare-Energien-Gesetz trug die Solarenergie 2010 im Jahresmittel bereits 2 % zur deutschen Stromproduktion bei. Das entspricht insgesamt rund 840 000 installierten Photovoltaik(PV) -Anlagen mit einer Spitzenleistung von 17 GW. Dementsprechend hat sich inzwischen fast jeder an den Anblick der zahlreichen PV-Anlagen auf Dächern und Freiflächen gewöhnt. Doch kaum jemand kennt die einzelnen Komponenten einer PV-Gesamtanlage und deren speziellen Anforderungen auch im Bezug auf die Sicherheit. Veranschaulicht wird dies anhand eines durch die DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712) geforderten DC-Lasttrennschalters (auch DC-Freischalter oder Feuerwehrschalter genannt).
Die Norm verlangt, dass eine Einrichtung zum sicheren Trennen von Strömen und Spannungen zwischen dem PV-Generator und dem Wechselrichter (also auf der Gleichstromseite) vorzusehen ist. Dieser Trenner kann entweder im Wechselrichter integriert und/oder separat, zum Beispiel in Generatoranschlusskästen, installiert werden.

Steigende Anforderungen an die Technik im PV-Markt
Je nach Verschaltung der einzelnen Solarmodule werden in PV-Anlagen Spannungen und Ströme gebündelt. Die Reihenschaltung einzelner Module zu einem Strang erhöht die Spannung. Dadurch treten in der Praxis auf der Gleichspannungsseite je nach Anlagengröße eingangseitig am Wechselrichter mehrere Hundert Volt auf. Im Fall eines Leerlaufs (abgeschalteter oder getrennter Wechselrichter) können im Allgemeinen DC 600 V bis 1 000 V erreicht werden, wobei die oberste Grenze laut Niederspannungsrichtlinie bei DC 1 500 V liegt. Der Strangstrom beträgt dabei typischerweise 5 A bis 10 A bei voller Einstrahlung. Weiterhin lassen sich mehrere Stränge parallel schalten – diese Ströme addieren sich entsprechend auf. Bei solchen Spannungen und Strömen ist das Auftrennen des Stromkreises wegen der Gefahr eines Lichtbogens im Kontaktsystem nicht unproblematisch. Dies gilt insbesondere beim Abschalten eines fehlerbedingten Kurzschlusses, aber auch für den Einspeisebetrieb bei bestimmten Wechselrichtertopologien.
Im Gegensatz zu den derzeit verwendeten DC-Lasttrennschaltern, welche das Trennen von hohen Gleichspannungen durch eine Serienschaltung von mehreren Löschkammern realisieren, trennt ein Hybridsystem zuverlässig durch die geschickte -Kombination von Mechanik und elektronischem Schaltelement. Dieses speziell für DC-Anwendungen entwickelte Konzept ermöglicht das Trennen von Spannungen bis DC 1 500 V und Strömen bis 30 A auf kleinem Raum mit nur einer Bauvariante. Sowohl die herkömmlichen als auch die Hybrid-Lasttrennschalter werden in der Regel nach der DIN EN 60947-3 (VDE 0660-107) und/oder UL 98B zertifiziert.

Funktion des Hybridschalterkonzepts
Das Funktionsprinzip des Hybridschaltsystems (Bild 1) basiert im positiven Pfad auf zwei in Reihe geschalteten mechanischen Kontaktsystemen (S1 und S2) mit einem elektronischen Schaltelement parallel zu einem mechanischen Schalter (S1). Das elektronische Schaltelement ist im Standardbetrieb spannungsfrei (S1 und S2 geschlossen) und wird nur während des Schaltens sowie im geöffneten Zustand mit der Nennspannung belastet. Die Elektronik verbraucht in dieser Stellung keine Energie. Beim Betätigen des Trenners öffnen S1, S2 und S3. Durch die Potentialdifferenz des an S1 entstehenden Lichtbogens (minimal 16 V) schaltet das elektronische Element durch, das heißt, der Strom von S1 wird übernommen und der Lichtbogen verlöscht. Dadurch ist für das gesamte Hybridsystem keine externe Spannungsversorgung erforderlich.
Nach der Kommutierung des Stroms auf das elektronische Schaltelement geht dieses verzögert in den Sperrzustand und unterbricht den Stromfluss. Somit kann der mechanische Kontakt S1 stromlos weiter öffnen. S2 und S3 stellen die zweipolige galvanische Trennung sicher, womit diese Technologie auch für ungeerdete Anlagen geeignet ist. Beim Wiedereinschalten des Trenners beziehungsweise im geschlossenen Zustand hat das elektronische Schaltelement keinen Einfluss. Die Hybrid-Funktion ermöglicht insbesondere auch ein sicheres Trennen bei Strömen weit unter der Nennstromstärke des Trenners. Diese niedrigen Ströme entstehen im Betrieb von PV-Anlagen bei geringer Einstrahlung beispielsweise in den frühen Morgen- bzw. späten Abendstunden. Beim Abschalten mit rein mechanischen Schaltern besteht hier die Möglichkeit, dass der Lichtbogen aufgrund der geringen Stromstärke nicht in die dafür vorgesehene Löschkammer wandert, sondern im Bereich des Kontaktsystems verharrt und diese übermäßig belastet.

Schaltlichtbögen sind zu vermeiden
Hauptschwierigkeit bei Anwendungen im PV-Bereich ist, dass sich PV-Quellen anders als übliche DC-Spannungsquellen verhalten und über weite Bereiche der Kennlinie eher einer Konstantstromquelle gleichen. Beim Ausschalten eines Kurzschlusses wird der Strom, während des bestehenden Lichtbogens im Schaltvorgang, trotz ansteigender Lichtbogenspannung nahezu konstant weiter getrieben, bis er ungefähr ab dem Punkt maximaler Leistung (MPP) einbricht. Somit wird die gesamte Schalteinrichtung bei PV-Anwendungen im Gegensatz zu herkömmlichen DC-Anwendungen thermisch erheblich belastet.
Daraus lässt sich ableiten, dass der Einsatz von schnellen Schaltgeräten mit weitgehender Vermeidung eines Schaltlichtbogens und somit niedrigen Schaltenergien von Vorteil ist. Zudem kann man nicht einfach vorhandene AC-Systeme für DC-Anwendungen adaptieren. Sogar Schaltgeräte, welche für normale DC-Kreise ausgewiesen sind, müssen nicht zwingend für PV-Generatoren geeignet sein. Für höhere Leistungsklassen gibt es am Markt bisher nur wenige praxisgerechte und realitätsnahe Nachbildungen der Strom- und Spannungscharakteristik von PV-Quellen für Laboranwendungen. Deswegen ist es fast unvermeidbar, nach der Entwicklung und ersten (kleineren) Prüfungen im Labor, Tests beziehungsweise Schaltversuche an realen PV-Testanlagen durchzuführen, um die Praxistauglichkeit nachzuweisen.
Die PV-Testanlage von E-T-A hat insgesamt elf Stränge mit unterschiedlich vielen Modulen, welche zudem mit verschiedenen Wechselrichtertypen betrieben werden können (Bild 2). Durch den zentralen Schaltschrank besteht die Möglichkeit, diese Stränge je nach Anforderungsprofil zu verschalten. Die hierdurch entstehenden Testszenarien ergeben ein breites Portfolio zur Beurteilung von PV-Komponenten. Vergleichend wurden hier herkömmliche Schaltgeräte sowie Hybridsysteme, wie oben beschrieben, getestet. Insbesondere die problematischen kleinen Ströme waren hierbei von Interesse. Die Ergebnisse (Bild 3) verdeutlichen die großen Unterschiede der Trenner in Bezug auf die zu schaltende Energie. Vor allem im Hybridsystem ist die Schaltenergie niedrig, was ein langlebiges und verschleißarmes Kontaktsystem ermöglicht. Die rein mechanischen Systeme werden hingegen deutlich mehr belastet, da der Lichtbogen bei kleineren Strömen länger im Kontaktsystem verharrt.

Zusätzliche Sicherheitsaspekte
Neben der normativen Forderung nach einem Lasttrennschalter auf der Gleichstromseite treten die Sicherheitsaspekte bezüglich brandschutzgerechter Planung von PV-Anlagen, getrieben durch Feuerwehren und Verbände (BSW, BSFB, DGS, ZVEH, usw.), immer mehr in den Vordergrund. Durchdachte Konzepte ermöglichen es, den Lasttrennschalter auch gezielt als „Feuerwehrschalter“ zu betreiben. Wichtig ist neben den Mindestanforderungen sowie den Zusatzfunktionen auch der richtige Einbauort. So sollte ein solches System beispielsweise
• ein Fail-Safe-Verhalten aufweisen,
• einen Auslöser am Hausanschluss (Remote Off) haben,
• den Schaltzustand klar ersichtlich machen,
• eine Sicherung gegen Wiedereinschalten enthalten und
• direkt am Gebäudeeintritt auf dem Dach in unmittelbarer Nähe zu den Modulen angebracht werden – statt wie üblich im Keller des Gebäudes.
Durch diese Maßnahmen kann das Gebäudeinnere im Brandfall frei von berührbaren Spannungen gehalten werden, was den Feuerwehren ein sichereres Arbeiten ermöglicht.

Fazit
Mit den speziell für den PV-Markt entwickelten und abgestimmten Schaltgeräten von E-T-A (Bild 4) lässt sich der Sicherheitsstandard von PV-Anlagen optimieren. Zusätzliche und integrierte Funktionen ergeben hierbei einen Mehrwert, der schon bei der Planung einer PV-Anlage mit in Betracht gezogen werden sollte.

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Autor: Markus Wiersch ist Geschäftsfeldmanager für Energie & Umwelttechnik bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdort.