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Umfassendes Produktspektrum für sicheren Betrieb von PV-Anlagen

Ein umfassendes Produktspektrum, das alle in der DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712) geforderten Komponenten umfasst, gewährleistet einen zuverlässigen und sicheren Betrieb einer PV-Anlage

Gemäß EU-Richtlinie 2001/77/EG „Förderung der Elektrizität aus erneuerbaren Quellen“ soll der Anteil erneuerbarer Energien am gesamten Energiemix bis zum Jahr 2020 auf 20 % erhöht werden. Photovoltaik wird dazu einen Beitrag leisten. Wichtig sind dabei durchgängige Konzepte, die die sichere Stromversorgung und hohe Verfügbarkeit der Anlagen gewährleisten. Spezialisierte Hersteller bieten dafür ein umfassendes und normgerechtes Produktspektrum, das alle in der Norm DIN VDE 0100-712 [1] geforderten Komponenten umfasst und einen zuverlässigen Schutz bis zum Wechselrichter gewährleistet.
Zur Durchführung von Wartungsarbeiten an PV-Modulen oder Wechselrichtern müssen Einrichtungen zum Trennen der Wechsel- und Gleichspannungsseite vorhanden sein. Zudem muss der Gleichstromhauptschalter den Gleichspannungskreis unter Last sicher allpolig trennen. Hierfür sind Lasttrennschalter mit einem entsprechenden Schaltvermögen für Gleichströme einzusetzen. PV-Steckverbindungssysteme dürfen im Allgemeinen nicht unter Last getrennt werden – eine geeignete Abschalteinrichtung mit Lastschaltvermögen ist deshalb vorzusehen. Auf der Gleichstromseite müssen zudem die PV-Module und die Anschlussleitungen vor Fehlerströmen infolge von Kurzschlüssen im System oder Rückströmen von intakten Strängen in defekte oder verschattete Stränge geschützt werden.
Die Gefahr von Rückströmen besteht bei der Parallelschaltung mehrerer Stränge. Sie können beispielsweise durch Kurz- oder Erdschluss, aber auch durch Abschattung von Modulen entstehen. Dadurch kann es zu einem Spannungseinbruch in einem Strang kommen, der dazu führt, dass Module durch einen Stromdurchfluss in Rückwärtsrichtung thermisch zerstört werden. Um die Module dagegen zu schützen, werden Strangsicherungen eingesetzt, die bei unzulässig hohem Rückstrom abschalten. Neben der Zerstörung von Modulen können Fehlerströme auch zu Leitungsschäden und zur Brandentstehung führen. Zu beachten ist, dass nur Sicherungen mit der speziell für Photovoltaik entwickelten Auslösecharakteristik gPV entsprechend IEC 60269-6 (E VDE 0636-6) [2] eingesetzt werden.
Die PV-Module werden mit Modulanschlussleitungen untereinander elektrisch verschaltet und zu Strängen zusammengefasst. Die Topologie der Photovoltaikanlage wird vom Wechselrichtertyp und dessen Kenndaten vorgegeben. Durch den Eingangsspannungs- und Strombereich des Wechselrichters ergibt sich, wie viele Module in Reihe bzw. wie viele Stränge parallel geschaltet werden können.
Für das Zusammenschalten mehrerer Stränge eignen sich Generatoranschlusskästen. Mit diesen werden die einzelnen Stränge des PV-Felds parallel geschaltet und die Leistung über größere Leitungsquerschnitte zum Wechselrichter geführt. Neben den Anschlussklemmen für die PV-Strangleitungen kann der Generatoranschlusskasten je nach Konfiguration Strangsicherungen, Überspannungsschutzkomponenten und Trenneinrichtungen enthalten. Die Installation im Generatoranschlusskasten ist kurz- und erdschlusssicher auszuführen: So sind zum Beispiel die DC-Klemmen unterschiedlicher Polaritäten räumlich voneinander zu trennen oder anderweitig abzuschotten. Zum Schutz der Summenleitungen und weiterer Systemkomponenten in großflächigen Anlagen werden gPV-Sicherungen mit Bemessungsströmen bis zu einigen 100 A eingesetzt.
Schutz gegen Brand und elektrischen Schlag
Aufgrund ihrer exponierten Anordnung auf Dächern oder Freiflächen sind PV-Anlagen besonders durch direkte oder indirekte Blitzeinschläge gefährdet. PV-Module und Wechselrichter sind hochwertige elektronische Komponenten, die in der Regel empfindlich auf Überspannungen reagieren, die durch Blitzschlag oder netzseitige Überspannungen entstehen. Überspannungsschutzgeräte begrenzen auftretende Spannungsspitzen und gewährleisten damit die Sicherheit und dauerhafte Verfügbarkeit der Anlage.
Im Falle eines Brands geht von einer PV-Anlage ein erhöhtes Risiko aus. Auch nach Freischaltung des Wechselrichters liegt die volle Generatorspannung bis DC 1.000 V an den Gleichstromleitungen an. Beim Löschen mit Wasser besteht für die Rettungskräfte somit Lebensgefahr, wenn sie gewisse Mindestabstände zu den unter Spannung stehenden Leitungen unterschreiten. Die Lösung ist ein sogenannter DC-Freischalter, der in einem entsprechenden Gehäuse im PV-Strang in unmittelbarer Nähe der Module installiert wird. Mittels eines angebauten Unterspannungsauslösers kann dieser über einen entsprechenden Not-Aus-Taster oder durch das Abschalten der Stromversorgung über den örtlichen Energieversorger fernabgeschaltet werden.
Grundsätzlich ist eine Maßnahme zum Schutz gegen elektrischen Schlag zu realisieren. Dies kann mit automatischer Abschaltung der Stromversorgung im TN-System durch Überstromschutzeinrichtungen erfolgen. Auch der Einsatz von Fehlerstromschutzeinrichtungen kann aufgrund des Netzsystems (TT-System) oder anderer Anforderungen (z. B. Brandschutz) notwendig sein.
Bei transformatorlosen Wechselrichtern können aufgrund der fehlenden galvanischen Trennung zwischen der DC-Eingangs- und AC-Ausgangsseite Gleichfehlerströme im Wechselstromnetz entstehen. Um diese zu erkennen und abzuschalten, sind für den Personen- und Brandschutz Fehlerstromschutzschalter des Typs B oder B+ erforderlich. Fehlerstromschutzschalter vom Typ B+ bieten zudem einen gehobenen, vorbeugenden Brandschutz durch Begrenzung des Auslösewerts bei höheren Frequenzen auf maximal 420 mA.
Für Wartungsarbeiten an den Wechselrichtern ist eine Schalt- oder Schutzeinrichtung für die allpolige Trennung auch auf der AC-Seite vorzusehen oder im Wechselrichter zu integrieren. Die komplette PV-Anlage kann durch einen selektiven Hauptleitungsschutzschalter oder einen Sicherungs-Lasttrennschalter am Zählerplatz schnell und sicher vom Netz getrennt und wieder zugeschaltet werden.
Literatur
[1] DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712):2006-06 Errichten von Niederspannungsanlagen – Teil 7-712: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art – Solar-Photovoltaik-(PV)-Stromversorgungssysteme. Berlin ∙ Offenbach: VDE VERLAG
[2] DIN IEC 60269-6 (E VDE 0636-6):2009-10 Niederspannungssicherungen – Teil 6: Zusätzliche Anforderungen an Sicherungseinsätze für den Schutz von solaren photovoltaischen Energieerzeugungssystemen. Berlin ∙ Offenbach: VDE VERLAG
www.buildingtechnologies.siemens.de

Autor:
Dipl.-Kfm. Michael Ernst ist als Marketing Manager für Applikationen und Branchen für die Siemens-Division Building Technologies, Business Unit Low Voltage Distribution, tätig.

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