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Neue Vorschrift zum Blitz- und Überspannungsschutz – Teil 2

01 Prinzipielle Anbindung von Modultischen an die Erdungsanlage (links) sowie die Ausführung der Erdungsanlage bei Streifenfundamenten (rechts)

02 PV-Freiflächenanlage mit Zentralwechselrichter

03 Stromaufteilung bei PV-Freiflächenanlagen mit Zentralwechselrichter

04 PV-Freiflächenanlage mit Stringwechselrichter

Um Personen und die technischen Einrichtungen zu schützen, wird bei Photovoltaikanlagen ein Blitz- und/oder Überspannungsschutz empfohlen. Was dabei zu beachten ist, steht im Beiblatt 5 der DIN EN 62305-3. Dieses Beiblatt wurde aktuell überarbeitet und erschien im Februar 2014. Nachdem der erste Teil des Fachartikels in der etz 1-2/2014 erläuterte, wie der normgerechte Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Dachanlagen nach dem neuen Beiblatt auszusehen hat, befasst sich dieser zweite Teil mit den Freiflächenanlagen.

In der Edition 2 des Beiblatts 5 der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) wurde auch der Anhang D zum Blitz- und Überspannungsschutz von PV-Freiflächenanlagen überarbeitet. Er befasst sich nicht mehr ausschließlich mit deren Erdungssystem, sondern enthält auch Aussagen zur Blitzstromverteilung und damit einhergehend zur Blitzstrombelastung der Verkabelung in Freiflächenanlagen.

Erdungssysteme bei PV-Freiflächenanlagen
In dem neuen Beiblatt wurden zudem die Empfehlungen zur Errichtung des Erdungssystems bei Freiflächenanlagen präzisiert. Grundsätzlich gelten bei PV-Freiflächenanlagen die Aussagen in der allgemeinen Blitzschutznorm DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) zu Erdungsanlagen in ausgedehnten Flächen. Die Erdung derartiger baulicher Anlagen ist zum Schutz der elektrischen Anlagen sehr wichtig. Eine Erdungsanlage mit geringer lmpedanz verringert die Potentialdifferenz zwischen den baulichen Anlagen und damit die Störeinkopplung in die elektrischen Verbindungen. Dieses grundsätzliche Schutzziel ist auch bei der Überarbeitung des Beiblattes 5 beibehalten worden. Es wird deshalb weiterhin ein niedriger Erdungswiderstand von kleiner 10 Ω empfohlen. Um durch ein vermaschtes Erdungssystem möglichst eine ideale „Äquipotenzialfläche“ zu erhalten, sind die einzelnen Erdungsanlagen von Betriebsgebäude und PV- Modulfeld miteinander zu verbinden. Auch die Empfehlung einer Maschengröße von 20 m x 20 m bis 40 m x 40 m hat sich nicht geändert. Präzisiert wurden jedoch die Empfehlungen wie sich dieses vermaschte Erdungssystem bei PV-Flächenanlagen realisieren lasst. In der ersten Ausgabe des Beiblatts 5 von 2009 stand bereits, dass man Schraubfundamente als Erder verwenden kann, wenn die Wanddicke der Rohre den Vorgaben von der Tabelle 7 der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) entspricht. Diese fordert beispielsweise für Profile aus feuerverzinktem Stahl einen Querschnitt von mindestens 290 mm 2 und eine Mindestdicke von 3 mm.

05 Stromaufteilung bei PV-Freiflächenanlagen mit Stringwechselrichter

06 Mindestableitvermögen von Typ-1-SPD bei PV-Freiflächenanlagen

Die Ausgabe des Beiblatts 5 von 2009 legte auch fest, dass bei der Verwendung von Schraubfundamenten als Einzelfundament die Mindesterderlange l 1 nach Bild 3 der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) einzuhalten ist. Für die Schutzklasse III ergibt sich nach Abschnitt 5.4.2.1 der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) für Vertikalerder eine Mindestlänge von 2,5 m (0,5 . l 1 ). Diese Länge gilt für die Klasse III unabhängig vom spezifischen Erdungswiderstand. In das neue Beiblatt wurde nun der Hinweis aufgenommen, dass bei Modulgestellen mit Schraub- oder Rammfundamenten, die miteinander dauerhaft und blitzstromtragfähig verbunden sind, die im Erdreich wirksamen Einzellängen von <2,5 m addiert werden können, um die Vorgaben an die Mindesterderlänge l 1 nach DIN EN 62305-1 (VDE 0185-305-1) zu erfüllen (Bild 1 links). Die Blitzstromtragfähigkeit der Anbindung ist dabei durch eine Prüfung entsprechend DIN EN 62561-1 (VDE 0185-561-1) nachzuweisen. Neu eingefügt wurde in der Edition 2 des Beiblatts 5 auch der Hinweis, dass metallene Modultische mit Schraub- oder Rammfundamenten, die den oben beschriebenen Vorgaben entsprechen, als Teil der vermaschten Erdungsanlage genutzt werden können. Erweitert wurden auch die Aussagen zur Verwendung von Streifenfundamenten als Teil der Erdungsanlage. Streifenfundamente bei PV-Anlagen entsprechen in der Regel nicht den baulichen Eigenschaften von Streifenfundamenten bei Gebäuden. So kommen beispielsweise oft Bahnschwellen oder ähnliche Fertigteile als oberirdisch verlegte Streifenfundamente zum Einsatz. Solche Streifenfundamente haben im Vergleich zu Ramm- oder Schraubfundamenten eine deutlich reduzierte Erderwirkung. Deshalb empfiehlt die Norm eine zusätzliche Erdungsanlage. Die metallenen Modulgestelle sind blitzstromtragfähig an die Erdungsanlage anzubinden (Bild 1 rechts). Zudem enthält die zweite Ausgabe des Beiblatts 5 nun auch einen Abschnitt D.3 zur Blitzstromverteilung und Belastung der SPD bei PV-Freiflächenanlagen. Die dort getätigten Aussagen basieren auf Computersimulationen zur Blitzstromverteilung einer PV-Freiflächenanlage, wie sie in Beiblatt 1 der DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4) beschrieben sind.

Blitzstromverteilung
Das Beiblatt 5 wurde um einen Abschnitt erweitert, in dem auf die Blitzstromverteilung in PV-Freiflächenanlagen eingegangen wird. Dieser enthält die unterschiedlichen Faktoren, die die Blitzstrombelastung der elektrischen Verkabelung und der SPD beeinflussen. Dazu gehören:
・ die zugrunde gelegte Blitzschutzklasse – bei PV-Freiflächenanlage üblicherweise LPL III, ・ der spezifische Erdungswiderstand – für das in Beiblatt 5 zugrunde gelegte Beispiel wurde als höchster spezifischer Erdwiderstand 1.000 Ω verwendet,
・ die Ausführung der DC-Verkabelung – im Beiblatt 5 wird nur die energietechnische Verkabelung mit Zentralwechselrichtern betrachtet und
・ die Ausführung des Erdungssystems (Vermaschung und Maschenweite) – für die Beispiele in Beiblatt 5 wurde eine Maschenweiter von 20 m x 20 m angesetzt. Bei größeren Maschenweiten sind höhere Blitzteilströme über die SPD zu erwarten.

Zentralwechselrichter
Im Beiblatt 1 der DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4) wird zudem die Stromaufteilung einer PV-Anlage mit Zentralwechselrichter am Beispiel von Bild 2 analysiert. Dabei variieren die für die Blitzstromverteilung maßgeblichen Faktoren wie Erdungswiderstand und Einschlagort. Bild 3 zeigt die Blitzstromverteilung bei einem direkten Einschlag in das äußere Blitzschutzsystem im Abstand von etwa 10 m zum dargestellten SPD. Das in Beiblatt 1 beschriebene Beispiel zeigt, dass sowohl bei relativ niedrigem als auch bei einem hohen spezifischen Erdungswiderstand ein Großteil des Blitzstroms direkt in die Erdungsanlage abfließt. Es fließen jedoch auch Blitzteilströme in der DC-Verkabelung, da die theoretische Annahme, dass die gesamte Fläche der PV-Anlage als „Äquipotenzialfläche“ ausgeführt ist, in der Praxis bei großflächigen Anlagen nicht immer vollständig realisiert werden kann. Die energietechnische Verkabelung wirkt dabei quasi als Potentialausgleichsleiter zwischen der „lokalen“ Erde des Modulfelds, in dem der direkte Blitzeinschlag erfolgt, sowie der „fernen“ Äquipotenzialfläche des Zentralwechselrichters. Die Blitzteilströme fließen also bei einer PV-Freiflächenanlage mit Zentralwechselrichter auf den DC-Leitungen zwischen den Generatoranschaltkasten und dem DC-Eingang des Zentralwechselrichters. Dementsprechend empfiehlt die Norm in den Generatoranschaltkasten und dem DC-Eingang des Zentralwechselrichters den Einsatz von Typ-1-PV-SPD. Charakteristisch für die Blitzteilströme, die über die SPD in der Verkabelung der PV-Anlage fließen, ist die Verkürzung der Stromflussdauer. Um diese Belastung mit den normativ festgelegten Kenngrößen von SPD vergleichen zu können, ist eine Umrechnung in einen genormten 10/350 Blitzstromimpuls über die äquivalente Impulsladung notwendig.

Stringwechselrichter
Allerdings werden PV-Freiflächenanlagen häufig auch mit Stringwechselrichtern ausgeführt. Beiblatt 5 enthält nun den Hinweis, dass auch die Ausführung der energietechnischen Verkabelung, also die Ausführung mit Stringwechselrichter oder Zentralwechselrichter, die Blitzstromverteilung beeinflusst. Detailliert wird die Blitzstromverteilung bei Stringwechselrichtern in dem Beiblatt 5 jedoch nicht beschrieben. Die Blitzstromverteilung und die entsprechenden Stromverläufe in einer PV-Freiflächenanlage mit Stringwechselrichtern (Bild 4) zeigt Bild 5. Auch bei Stringwechselrichtern wirkt die energietechnische Verkabelung wieder als Potentialausgleichsleiter zwischen dem „lokalen“ Erdpotenzial des Modulfelds, in dem der direkte Blitzeinschlag erfolgte, und der „fernen“ Äquipotenzialfläche des Einspeisetransformators. Der Unterschied zur Anlage mit Zentralwechselrichter liegt nur darin, dass bei Anlagen mit Stringwechselrichtern die Blitzteilströme auf den AC-Leitungen fließen. Dementsprechend sind die SPD Typ 1 auf der AC-Seite der Stringwechselrichter und der Niederspannungsseite des Einspeisetransformators zu installieren. Die Blitzstromverlaufe weisen eine verkürzte Wellenform auf und entsprechen damit den Parametern bei Zentralwechselrichtern. Auf der DC-Seite der Stringwechselrichter sind Typ-2-SPD ausreichend. Die Stringwechselrichter und das damit verbundene Modulfeld bilden bei einem nach Beiblatt 5 ausgeführten Erdungssystem eine lokale Äquipotenzialfläche, sodass auf der DC-Verkabelung keine Blitzströme zu erwarten sind, sondern die Ableiter im Wesentlichen die induzierten Störimpulse begrenzen. Um dem Planer und dem Errichter von Blitz- und Überspannungsschutzsystemen die Auswahl der geeigneten SPD zu vereinfachten, beschreibt das neue Beiblatt 5 der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) das Mindestableitvermögen von Typ-1-SPD in Abhängigkeit von der SPD-Technologie (Tabelle in Bild 6). Dies betrifft jedoch nur die Ableiterwerte der Typ-1-PV-SPD auf der DC-Seite von Zentralwechselrichtern. Wie gezeigt, kann man bei Anlagen mit Stringwechselrichtern die gleichen Mindestableitwerte für die Typ-1-AC-SPD heranziehen. Bei einem LPL III wurde entsprechend dieser Betrachtung und in Übereinstimmung mit dem überarbeiteten Beiblatt 5 für den Schutz der DC-Seite einer PV-Freiflächenanlage mit Zentralwechselrichter und einem normgerechten Erdungssystem bei einem direkten Blitzeinschlag in die Anlage ein spannungsbegrenzender SPD Typ 1 mit I imp = 5 kA 10/350 pro Schutzpfad sowie zusätzlich geprüft nach Prüfklasse II mit I n =15 kA 8/20 pro Schutzpfad ausreichen.

Zusammenfassung
Ein Blitzschutz für PV-Systeme ist insbesondere unter den Gesichtspunkten des vorbeugenden Brandschutzes sowie der Anlagenverfügbarkeit und damit einhergehend der Wirtschaftlichkeit von großer Bedeutung für PV-Anlagen. In der Praxis haben sich daher die Inhalte des Beiblatts 5 schnell durchgesetzt. In der Edition 2 werden zusätzlich zu den bewährten Aussagen zum äußeren Blitzschutz vor allem Angaben und Präzisierungen zum inneren Blitzschutz bei PV-Anlagen ergänzt. (no)

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Autor:
Dipl.-Ing. (FH) Josef Birkl ist Prüffeldleiter bei der Dehn + Söhne GmbH + Co. KG in Neumarkt. josef.birkl@technik.dehn.de