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Blitz- und Überspannungsschutz-Konzept für PV-Anlagen

PV-Anlagen sind besonders durch Blitzeinschläge und Überspannungen gefährdet, da sie häufig in exponierter Lage installiert werden. Damit sich die Investitionskosten solarer Energieerzeugungsanlagen für die Betreiber schnell amortisieren, ist ein durchdachtes Schutzkonzept erforderlich. Dabei ist ein eventuell vorhandener äußerer Blitzschutz sowie ein Überspannungsschutz für die Wechsel- und Gleichspannungsseite der Wechselrichter zu berücksichtigen.

Eine PV-Anlage besteht im Wesentlichen aus den PV-Modulen, den Gleichspannungsleitungen zum Wechselrichter, dem Wechselrichter und den 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. PV-Module sind vereinfacht betrachtet 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
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 (Bild 1).
PV-Anlagen stehen häufig auf öffentlich genutzten Gebäuden und unterliegen damit den Bauvorschriften der Bundesländer. Darin wird äußerer Blitzschutz für Hoch- und Krankenhäuser, Schulen, Verkaufs- und Versammlungsstätten gefordert. 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 DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) 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, zum Beispiel bei der Installation von PV-Modulen in unmittelbarer räumlicher Nähe zum äußeren Blitzschutz oder auf einem Blechdach. Dabei müssen die Tragegestelle der PV-Module direkt mit dem äußeren Blitzschutz verbunden werden, wodurch sich das Gefährdungspotential für die PV-Anlage erhöht.
Überspannungsschutz für die PV-Komponenten
Ein innerer Blitzschutz (Überspannungsschutz) sollte nach DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) installiert werden, 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.
Die Geräte ermöglichen einen Schutz vor Überspannungen bei Blitzeinschlägen in das der PV-Anlage zugeordnete äußere Blitzschutzsystem, bei Blitzeinschlägen in der näheren Umgebung und aus dem Stromversorgungssystem.
Für einen wirkungsvollen Schutz müssen Überspannungsschutzgeräte auf der Gleich- und Wechselspannungsseite in unmittelbarer Nähe des Wechselrichters angeordnet werden (Bild 2).
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: Ist ein Typ-1-Blitzstromableiter bereits am Speisepunkt der elektrischen Anlage eingebaut sollte ein Typ-2-Überspannungsableiter in unmittelbarer räumlicher Nähe zum Wechselrichter installiert werden.
• Fall 2: Am Speisepunkt der elektrischen Anlage ist kein Typ-1-Blitzstrom¬ableiter eingebaut. In diesem Fall sollte ein Typ-1-Blitzstromableiter am Speisepunkt der elektrischen Anlage installiert werden und 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 (Bild 3).
Schutz der Gleichspannungsseite
Die Gleichspannungsseite von Wechselrichtern muss ebenfalls geschützt werden. Hier haben Überspannungsschutzgeräte die Aufgaben, Blitzströmen durchzuleiten, Überspannungen abzuleiten und auszugleichen sowie einen sicheren Betrieb auch im Überlastfall unter Berücksichtigung des Verhaltens von PV-Modulen und Wechselrichtern zu gewährleisten.
Für die Auslegung von Überspannungsschutzgeräten für Stromversorgungssysteme mit Gleichspannungen gibt es zurzeit noch keine ausreichenden Festlegungen in Normen. 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 selber Anforderungen und Bewertungskriterien für eine hinreichende Sicherheit festlegen. Das bedeutet in diesem Zusammenhang:
• ein sicheres Verhalten bei niederohmigen und hochohmigen Kurzschlüssen eines Überspannungsschutzgeräts,
• ein sicheres Verhalten bei Erdschluss von Gleichspannungsleitungen,
• die Verhinderung unzulässiger Erwärmung im Überlastfall und
• Gleichspannungs-Eingangsschaltungen von marktüblichen Wechselrichtern sollen im Fehlerfall nicht geschädigt werden.
PV-Module und Gleichspannungsleitungen von PV-Anlagen sind im Regelfall dauerkurzschlussfest. Auf Fehlerfälle in Komponenten einer PV-Anlage kann durch das Abschalten sowie durch das Herbeiführen eines dauerhaften niederohmigen Kurzschlusses der betroffenen Bauteile reagiert werden.
Überspannungsschutzgeräte, die im Fehlerfall kurzschließen, verringern automatisch die Verfügbarkeit einer PV-Anlage. Die Erfahrung 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 (Bild 4).
Y-Schaltung von Überspannungsschutzgeräten
In aufwendigen Untersuchungen wurden alle wichtigen Schaltungsvarianten für Überspannungsschutzgeräte im Labor, an einem PV-Simulator sowie an realen PV-Anlagen geprüft. Der Normalbetrieb sowie 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 (Bild 5). Bei der Y-Schaltung sind immer zwei Überspan-nungsschutzgeräte in Reihe geschaltet zwischen L1 und L2, L1 und Erde sowie 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, die pro Schutzpfad mit zwei Überspannungsschutzgeräten ausgestattet ist, bietet doppelte Sicherheit und hohe Verfügbarkeit sowie einen guten Schutz gegen Überspannungen.

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Bild 1. Bei der Anordnung von PV-Modulen muss der erforderliche Trennungsabstand „S“ zum äußeren Blitzschutz eingehalten werden

Bild 2. Anordnung von Überspannungsschutzgeräten in Anlagen mit unterschiedlichen Entfernungen zwischen Anlage und Wechselrichter

Bild 3. Typ-1-Blitzstromableiter und Typ-2-Überspannungsableiter für die Wechselspannungsseite: Flashtrab Compact

Bild 4. Überspannungsschutz für die Gleichspannungsseite – Das PV-Set von Phoenix Contact

Bild 5. PV-Anlagen im Normalbetrieb (oben), mit Isolationsfehler Erdschluss (mitte) sowie mit Kurzschluss (unten)

Normen und Richtlinien
Die DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) Beiblatt 2 enthält zusätzliche Informationen für den Blitzschutz von besonderen baulichen Anlagen:

• PV-Anlagen auf Gebäuden dürfen die vorhandenen Blitzschutzmaßnahmen nicht beeinträchtigen.
• PV-Anlagen werden durch getrennte Fangeinrichtungen nach 5.2 und 6.3 in DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3):2006-10 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-Potentialausgleich mit den energie- und informationstechnischen Systemen nach Abschnitt 6 in DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3): 2006-10 erstellt.

Nach der Richtlinie VdS 2010 des Gesamtverbands der Deutschen Versicherungswirtschaft „Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz, Festlegungen für Gebäude mit PV-Anlagen mit mehr als 10 kW“ ist ein äußerer Blitzschutz und innerer Blitzschutz erforderlich.

Autor: Dr.-Ing. Gernot Finis ist als Leiter Entwicklung für die Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg tätig.

Autor: Dipl.-Ing. Holger Heckler ist in der Abteilung Technischer Support der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg tätig.

Autor: Dipl.-Ing. Joachim Wosgien ist Fachreferent in der Business Unit Überspannungsschutz der Phoenix Contact GmbH & Co. KG in Blomberg.