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Photovoltaikanlagen mit Blitz- und Überspannungsschutz

Bild 1. Schrägdach mit PV- und Blitzschutz-System

Bild 2. Überspannungsschutz-gerät (Typ 2) I n = 20 kA in fehlerresistenter Y-Schaltung

Tabelle 1. Auswahlhilfe der erforderlichen Schutzmaßnahmen

Wenn eine PV-Anlage durch Blitz- und Überspannungsimpulse oder aufgrund mangelhafter Leitungsführung ausfällt, kann hoher finanzieller Schaden entstehen. Die aktuelle Blitzschutznorm DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) Beiblatt 5 bietet in Kombination mit dem Protect-Plus-Programm von Obo Lösungen, um entsprechende Schäden fachgerecht zu minimieren. Davon profitiert auch die Elektrofachkraft, die die PV-Anlage an das öffentliche Stromversorgungsnetz anschließt, da sie die Verantwortung für die elektrische Sicherheit der gesamten PV-Anlage trägt.

Der Gesamtverband der deutschen Versicherungswirtschaft e. V. (GdV) nennt in der VdS-Richtlinie 2010 Maßnahmen zum Blitz- und Überspannungsschutz für Gebäude: „Gebäude mit PV-Anlagen mit mehr als 10 kWp Leistung“ müssen mit einer äußeren Blitzschutzanlage der Schutzklasse III und Maßnahmen zum inneren Überspannungsschutz geschützt werden.
Das Blitzschutzsystem und die PV-Anlage müssen aufeinander abgestimmt werden, um die Funktion der Blitzschutzanlage zu gewährleisten und Verschattungen der PV-Anlage zu vermeiden. Auch vorhandene Schutzmaßnahmen, zum Beispiel eine Einteilung in Brandabschnitte, müssen bei der Planung berücksichtigt werden. Wird eine PV-Anlage auf einem öffentlichen Gebäude errichtet, sind zusätzlich die Blitzschutzforderungen der Landesbauordnung (LBO) zu erfüllen. Die Installation der PV-Anlage darf den äußeren Blitzschutz als Teil des Personen- und Gebäudebrandschutzes nicht beeinträchtigen.

Planung einer Blitzschutzanlage
Die Blitzschutznorm DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) Beiblatt 5 beschreibt den Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Stromversorgungssysteme. Galvanisch oder magnetisch eingekoppelter Blitzstrom kann die PV-Anlage und die Gebäudeelektroinstallation beschädigen und im schlimmsten Fall Brände auslösen. Diese Einkopplung wird durch die -eingesetzten Blitzschutzmaßnahmen minimiert. Das Beiblatt beschreibt die Maßnahmen zur Erdung, zum Potentialausgleich und zur Schirmung. Nach Norm entspricht ein Blitzschutz-System der Schutzklasse III den normalen Anforderungen. Abhängig vom Gebäudetyp können aber auch höhere Schutzklassen für das Gebäude erforderlich sein.
Um die Einkopplung von Blitzteilströmen zu verhindern, muss sichergestellt werden, dass sich die PV-Module im Schutzbereich des Blitzschutzsystems befinden. Des Weiteren muss der Trennungsabstand zwischen PV- und Blitzschutz-Anlage eingehalten werden (Bild 1). Eine Detailplanung sollte nur durch eine Blitzschutz-Fachkraft erfolgen.

Wenn keine Blitzschutzanlage vorhanden ist oder der Trennungsabstand eingehalten wird, ist ein Potentialausgleich mit mindestens 6 mm² Kupfer auszuführen. Bei PV-Anlagen ohne Blitzschutzanlage wird der Einsatz eines Überspannungsschutzes (Typ 2) gegen induktive und leitungsgebundene Störimpulse empfohlen.
Der Blitzschutzpotentialausgleich muss am Gebäudeeintritt installiert und Energie- und Datenleitungen müssen mit Schutzgeräten eingebunden werden. Die AC-Leitungen des Energieversorgers und die DC-Leitungen der PV-Anlage sind mit Blitzstrom- oder Kombiableitern der Klasse Typ 1 oder Typ 1+2 zu beschalten. Wenn die Leitungslänge bis zum Wechselrichter mehr als 10 m beträgt, muss in der Nähe des Wechselrichters ein zusätzlicher Potentialausgleich mit Schutzgeräten installiert werden.

Auswahl der Schutzgeräte
Welche Blitz- und Überspannungsschutzgeräte für den Blitzschutzpotentialausgleich benötigt werden, hängt von der PV-Anlage ab (Tabelle 1). Die maximale DC-Spannung des PV-Generators spielt ebenso eine Rolle wie die Topologie des Wechselrichters. Die DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) Beiblatt 5 beschreibt ebenfalls die Auswahl der Schutzgeräte (Bild 2). Der auftretende Blitzteilstrom kann nach dem Beiblatt pro DC-Leitung berechnet werden. Steigt die Anzahl der Ableitungen bzw. die Anzahl der in das Gebäude eingeführten DC-Leitungen, wird der Blitzstrom weiter aufgeteilt und die Belastung pro Schutzpfad sinkt.
Eine Funkenbildung und Brandgefahr wird durch den konsequenten Blitzschutzpotentialausgleich der metallenen Teile und der elektrischen Einrichtungen mit dem Blitzschutzsystem sicher verhindert. Metallene Systeme müssen direkt, Energie- und Datenleitungen mit geeigneten Blitzstrom- und Überspannungsschutzgeräten indirekt geerdet werden. Bei den Montagegestellen sollte eine Erdung gemäß den Regeln der Technik und den VDE-Normen erfolgen.
Die Verbindung zum Potentialausgleich muss mit mindestens 6 mm² Kupfer parallel zu den DC-Leitungen geführt werden. Wenn Blitzteilströme auftreten, muss die Erdung mit mindestens 16 mm² Kupfer erfolgen. Bei der Auswahl der elektrischen Komponenten sind die DIN VDE 0100 und vor allem die DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712) für PV-Stromversorgungssysteme zu berücksichtigen.
Metallene Leitungsführungs- und Kabeltragsysteme reduzieren die magnetische Einkopplung auf ein Minimum. Die Leitungen des PV-Systems müssen stets eng und parallel geführt werden. Durch die Flächenreduktion zwischen den Leitungen sinkt die induktiv eingekoppelte Überspannung.

Fazit
Um die Schutzziele zu erreichen und einen problemlosen Betrieb zu gewährleisten, ist eine gewerkeübergreifende Abstimmung und Zusammenarbeit erforderlich. Bei der Planung müssen die geltenden Normen und Vorschriften beachtet werden, denn nur eine fachgerecht installierte PV-Anlage kann die prognostizierten Erträge erzielen.
Des Weiteren muss die Anlage dokumentiert und vor der Inbetriebnahme einer Prüfung unterzogen werden, gemäß DIN VDE 0100-600 (VDE 0100-600) und nach DIN EN 62446 (VDE 0126-23).

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Autor: Dipl.-Ing. Torsten Hoffmann ist als Produktmarktmanager Photovoltaik für die Obo Bettermann GmbH & Co. KG in Menden tätig.