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Neue Vorschrift zum Blitz- und Überspannungsschutz – Teil 1

01 Funktionserdung der Modulgestelle, wenn keine äußere LPS vorhanden ist

02 Funktionserdung der Modulgestelle, wenn eine äußere LPS vorhanden und der Trennungsabstand eingehalten ist

03 Funktionserdung der Modulgestelle, wenn eine äußere LPS vorhanden und der Trennungsabstand nicht eingehalten ist

04 Mögliche Einbausituationen für SPD bei einer PV-Dachanlage (* Einbau von SPD, wenn notwendig)

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 erscheint im Februar 2014. Dieser erste Teil des Fachartikels erläutert, wie der normgerechte Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Dachanlagen danach auszusehen hat. Der zweite Teil, der in der etz S1 erscheint, befasst sich dann mit den Freiflächenanlagen.

Bei Photovoltaik-Anlagen sind aus Gründen des vorbeugenden Brand- und/oder Personenschutzes sowie um die technischen Einrichtungen der Gebäude und PV-Anlagen zu schützen, Blitz- und/oder Überspannungsschutzmaßnahmen notwendig und empfehlenswert. Da dabei einige Besonderheiten zu beachten sind, haben Experten bereits 2009 die zusätzlichen Informationen für den Blitzschutz von Gebäuden mit PV-Stromversorgungssystemen im Beiblatt 5 der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) zusammengefasst. Die darin beschriebenen Maßnahmen zum äußeren und inneren Blitzschutz, zur Auswahl des Überspannungsschutzes, zur Kabel- bzw. Leitungsverlegung und Schirmung sowie zu der Erdung und zum Blitzschutz- Potentialausgleich haben sich bewährt. Das sich einige der für den Blitzschutz relevanten Normen geändert haben, wurden in der neuen Ausgabe des Beiblatts 5 verschiedene Schutzmaßnahmen weiterentwickelt und detaillierter formuliert.

Aktualisierte und neue Vorschriften
Die aktualisierten Blitzschutznormen der Reihe DIN EN 62305 (VDE 0185-305) wurden im Oktober 2011 veröffentlicht. Mit der 2. Ausgabe des Beiblatts 5 im Februar 2014 ist dann auch die Anpassung der verschiedenen Beiblätter abgeschlossen. Im Februar 2013 erschienen die letzten Teile der DIN EN 62561 (VDE 0185- 561) für Blitzschutzsystembauteile, wobei für PV-Anlagen besonders der Teil 1 von Interesse ist. Aufgrund der speziellen Quellencharakteristik von PV-Generatoren dürfen auf der DC-Seite von PV-Anlagen nur SPD eingesetzt werden, die diese spezifischen Anforderungen erfüllen. Mit der DIN EN 50539-11 (VDE 0675-39-11) existiert eine Norm, welche die Anforderungen und Prüfungen an Überspannungsschutzgeräten für den Einsatz in Photovoltaik- Installationen beschreibt.

05 Mögliche Einbauorte für SPD bei einer PV-Dachanlage

06 Einbausituation C: Modell einer PV-Dachanlage und externer LPS mit zwei Ableitungen

07 Ersatzschaltbild der Einbausituation aus Bild 6

08 Blitzstromverteilung der Einbausituation C nach Beiblatt 1 der DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4)

Im Beiblatt 5 der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) wird nun für Überspannungsschutzeinrichtungen (SPD), die auf der Gleichstromseite des PV-Stromversorgungssystems installiert sind, gefordert, dass diese entsprechend der DIN EN 50539-11 (VDE 0675-39-11) geprüft sind. Zurzeit wird auch die ergänzende Vornorm DIN CLC/TS 50539-12 (VDE V 0675-39-12) überarbeitet. Im aktuellen Beiblatt wurde auch der explizite Hinweis aufgenommen, dass die SPD auf der Wechselstromseite der Produktnorm DIN EN 61643-11 (VDE 0675-6-11) und Ableiter für Daten- und Kommunikationskreise der DIN EN 61643-21 (VDE 0845-3-1) entsprechen sollen.

Äusserer Blitzschutz
Die in der 1. Ausgabe von Beiblatt 5 enthaltenen Vorgaben zur Anordnung und Positionierung der Fangeinrichtungen, zur Berücksichtigung des Trennungsabstands sowie den möglichen Verschattungen von PV-Modulen durch Fangeinrichtungen wurden übernommen. Für Verbindungsbauteile wurden die Vorschriften für Blitzschutzsystembauteile aus den Teilen 1 bis 4 der DIN EN 62561 (VDE 0185-561) aufgenommen. Es gab Fragen, welche metallenen Teile der PV-Anlage in den Potentialausgleich einzubeziehen und mit welchem Querschnitt diese anzuschließen sind. Das neue Beiblatt 5 stellt nun klar, dass die metallene Unterkonstruktion des PV-Generators in den Potentialausgleich einbezogen werden sollte. Aus Blitzschutzsicht ist es nicht zwingend notwendig, auch die Metallrahmen der PV-Module an den Potentialausgleich anzuschließen. Bei PV-Modulen, die funktionsbedingt eine Erdung des Modulrahmens erfordern, sind die Einbaubedingungen des Modulherstellers zu beachten. Die Querschnitte der Potentialausgleichsleiter hängen davon ab, ob ein äußeres Blitzschutzsystem vorhanden ist, und falls dies der Fall ist, ob der notwendige Trennungsabstand zwischen den Ableitungen der LPS und der metallenen Unterkonstruktion eingehalten wird. Um für den Anwender die Auswahl des notwendigen Anschlussquerschnitts zu erleichtern, wurden im Beiblatt die Bilder 1, 2, und 3 zur Ausführung der Funktionserdung und des Potentialausgleichs eingeführt. Bei allen Verbindungen, über die Blitzteilströme fließen können, muss eine blitzstromtragfähige Anbindung der metallenen Unterkonstruktion an das Blitzschutzsystem gewährleistet sein. Der Nachweis erfolgt durch eine Prüfung nach DIN EN 62561-1 (VDE 0185-561-1).

09 Auswahl des Mindestableitvermögens von spannungsbegrenzenden SPD Typ 1 (Varistoren) oder kombinierten SPD Typ 1 (Reihenschaltung von Varistoren und Funkenstrecken)

10 Auswahl des Mindestableitvermögens von spannungsschaltenden SPD Typ 1 (Funkenstrecken) oder kombinierten SPD Typ 1 (Parallelschaltung von Varistoren und Funkenstrecken)

Innerer Blitzschutz
Eine besondere Bedeutung kommt bei PV-Anlagen dem inneren Blitzschutz zu. Bei der Auswahl und Errichtung der Überspannungsschutzmaßnahmen ist eine Reihe von Errichtungsvorschriften der VDE 0100 zu beachten. Während die DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443) die Frage beantwortet, wann SPD in Niederspannungsanlagen zu installieren sind, beschreibt die DIN VDE 0100-534 (VDE 0100-534), wie SPD auszuwählen und zu installieren sind. Die DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712) enthält Anforderungen zur Errichtung der elektrischen Installation von PV-Systemen. Diese Installationsvorschriften werden momentan auf internationaler Ebene überarbeitet. Entsprechende deutsche Normenentwürfe wurden veröffentlicht. Die Inhalte sind in das Beiblatt 5 eingeflossen. In Beiblatt 5 neu aufgenommen wurden auch konkrete Aussagen darüber, wann Überspannungsschutzgeräte zu installieren sind. Die Installationsnormen DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443) und DIN VDE 0100-534 (VDE 0100-534) geben vor, wann SPD in Niederspannungs-Wechselstromnetze einzubauen sind. Bei Gebäuden mit einer äußeren Blitzschutzanlage sind am Gebäudeeintritt der Elektroanlage immer Typ-1-SPD zu installieren. Nach DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443) sind bei Anlagen für Sicherheitszwecke, zum Beispiel medizinische Einrichtungen, bei öffentlichen Einrichtungen, zum Beispiel Telekommunikationszentren, sowie bei Gewerbe- und Industrieanlagen, dazu zählen auch landwirtschaftliche Betriebe, immer Typ-2-SPD zu installieren, auch wenn keine äußere Blitzschutzanlage vorhanden ist. Wenn auf solchen Gebäuden PV-Anlagen installiert werden, dann sind neben den Ableitern auf der AC-Seite auch SPD auf der DC-Seite der PV-Anlage einzubauen. Bei allen übrigen Gebäuden kann man die Notwendigkeit von SPD mit einer Risikoanalyse nach DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443) ermitteln. Erfahrungen zeigen, dass Überspannungsschäden besonders bei PV-Anlagen mit Daten- und Kommunikationsleitungen auftreten. Im Beiblatt 5 wird deshalb explizit darauf hingewiesen, dass auch diese Datenschnittstellen gegen Überspannungen zu schützen sind.

Auswahl von Überspannungsschutzgeräten
Die Auswahl der in einer PV-Dachanlage an verschiedenen Einbauorten zu installierenden Überspannungsschutzgeräte hängt hinsichtlich der Prüfklasse und des notwendigen Mindestquerschnitts des Potentialausgleichs von zwei Faktoren ab: dem Vorhandensein einer äußeren Blitzschutzanlage sowie der Einhaltung des notwendigen Trennungsabstands zwischen der äußeren Blitzschutzanlage und den Elementen des PV-Stromversorgungssystems. Um diese Auswahl für den Anwender übersichtlicher zu gestalten, wurden in das neue Beiblatt 5 der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3), basierend auf Vorarbeiten zur zukünftigen DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712), die Tabellen in Bild 4 sowie Bild 5 eingeführt. Für die möglichen unterschiedlichen Szenarien bei PV-Dachanlagen im Hinblick auf das Vorhandensein einer äußeren LPS und des notwendigen Trennungsabstands wurden die Begriffe Situation A, B und C neu definiert. So wird jetzt ein zusätzlicher PVSPD für die DC-Leitung am Einbauort IV, in der Nähe des Wechselrichters, gefordert, wenn der Abstand zwischen dem SPD am Einbauort III, beispielsweise am Eintritt der DC-Leitung in die bauliche Anlage, und dem Wechselrichter mehr als 10 m beträgt. Gleich geblieben gegenüber der vorangegangenen Ausgabe des Beiblatts 5 sind die Auswahlkriterien hinsichtlich der notwendigen SPD-Prüfklasse bei den jeweiligen Einbausituationen A bis C. Neu aufgenommen wurde eine Darstellung des Überspannungsschutzkonzepts für die Situation C, wenn bei einer vorhandenen äußeren LPS der Trennungsabstand nicht eingehalten wird. In diesem Fall sind nach der Tabelle in Bild 4 an allen Einbauorten blitzstromtragfähige Typ-1- SPD zu installieren. Die Edition 2 des Beiblatts 5 weist darauf hin, dass man bei Situation C unter besonderen Bedingungen bei der Verwendung eines blitzstromtragfähigen Schirms auf den Einbau von Typ- 1-SPD verzichten kann. Im Einzelfall ist jedoch entsprechend der Vorgaben der DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4) die blitzstromtragfähige Anbindung des Kabelschirms an den Blitzschutzpotentialausgleich sowie die Qualität des Kabelschirms zu überprüfen.

Blitzstromtragfähigkeit der SPD
Auch die Anforderungen an die Blitzstromtragfähigkeit von SPD Typ 1 in PV-Dachanlagen bei der Einbausituation C wurden in dem Beiblatt 5 neu formuliert. Es enthält jetzt eine exaktere Abschätzung der Blitzstromverteilung basierend auf Computersimulationen, wie im Beiblatt 1 der DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4) beschrieben. Dazu sind die Ableitungen des Blitzschutzsystems, die Erdungsverbindung sowie die Gleichstromleitungen zu berücksichtigen. Die Amplitude der Blitzteilströme, die über die SPD in den DC-Leitungen fließen, hängt nicht nur von der Anzahl der Ableitungen, sondern auch von der Impedanz der SPD ab. Diese ist wiederum von der Bemessungsspannung, der SPD-Topologie und dem SPD-Typ abhängig. Charakteristisch für die Blitzteilströme auf der DC-Seite der PV-Anlage ist eine Verkürzung der Impulsform. Bei der Auswahl geeigneter SPD muss man sowohl den maximal auftretenden Stoßstrom als auch die Impulsladung berücksichtigen. Dabei ist eine Umrechnung in einen 10/350-Stromimpuls über die äquivalente Impulsladung notwendig. Eine PV-Dachanlage mit externer LPS und zwei Ableitungen nach Beiblatt 1 der DIN EN 62305-4 (VDE 0185-305-4) zeigt Bild 6; Bild 7 stellt das äquivalente Ersatzschaltbild dieses Modells dar. Computersimulationen liefern den zeitlichen Verlauf der Blitzteilströme (Bild 8). Die neu eingeführten Tabellen in Bild 9 und Bild 10 vereinfachen dem Anwender die Ableiterauswahl. Damit kann die notwendige Blitzstoßstromtragfähigkeit I imp der Typ-1- SPD in Abhängigkeit von der Blitzschutzklasse, der Anzahl der Ableitungen der äußeren Blitzschutzanlagen und des SPD-Typs (spannungsbegrenzende Varistorableiter oder spannungsschaltende Funkenstreckenableiter) ausgewählt werden. In diesen Tabellen werden für die SPD jeweils Impulsströme der Wellenform 8/20 angegeben. Mit dieser Angabe werden die maximal auftretenden Stoßströme berücksichtigt. Die beiden Tabellen fordern auch Mindestwerte für Blitzteilströme der Wellenform 10/350, damit die Typ-1- SPD die Impulsladung der Blitzströme ableiten können. Die Bezeichnungen SPD 1, SPD 2 und SPD 3 in den Tabellen beziehen sich auf ein SPD in der sogenannten „Y-Konfiguration“ entsprechend Bild 7. Die Werte I SPD1 = I SPD2 gelten für einen einzelnen Schutzpfad ± gegen Erde. Der Stromwert I SPD3 = I total beschreibt den Gesamtableitstoßstrom des SPD, also die Belastung, die bei einem Blitzeinschlag auftritt, wenn durch die beiden Schutzpfade + und – gegen Erde gleichzeitig ein Blitzstrom fließt. (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