Überspannungsschutz für Photovoltaikanlagen

Indirekte Blitzeinschläge sind zerstörerisch. Anekdotische Beobachtungen zur Blitzaktivität sind in der Regel ein schlechter Indikator für das Ausmaß der durch Blitze verursachten Überspannung in PV-Anlagen. Durch indirekte Blitzeinschläge können die empfindlichen Komponenten in PV-Geräten leicht beschädigt werden, was oft mit hohen Kosten für die Reparatur oder den Austausch der beschädigten Komponenten verbunden ist und die Zuverlässigkeit des PV-Systems beeinträchtigt. Die Überspannung hängt von den Aufbaubedingungen der jeweiligen PV-Anlage und der Verkabelung ab.

PV-Anlagen werden auf großen Freiflächen freigelegt, typischerweise auf Feldern oder auf Gebäudedächern. Geladene Regenwolken, die sich über solchen offenen Feldern ansammeln, neigen dazu, die Ladung in Form von Blitzen freizusetzen. In diesem Fall kann es zu einem Spannungsstoß kommen. Je ausgedehnter das Feld ist, desto wahrscheinlicher ist eine Zerstörung.

Wenn eine PV-Anlage auf einem Industriegelände steht, sind auch der Geschäftsbetrieb und die Anlagen gefährdet. Wechselrichter sind teuer, aber bei industriellen Anwendungen sind Ausfallzeiten ein noch teurerer Ausfall.

Wenn ein Blitz in ein Solar-PV-System einschlägt, verursacht er einen induzierten Übergangsstrom und eine vorübergehende Spannung in den Kabelschleifen des Solar-PV-Systems. Diese transienten Ströme und Spannungen treten an den Geräteklemmen auf und verursachen wahrscheinlich Isolations- und dielektrische Ausfälle in den elektrischen und elektronischen Komponenten der Solar-PV, wie z. B. den PV-Modulen, dem Wechselrichter, der Steuerungs- und Kommunikationsausrüstung sowie den Geräten in der Gebäudeinstallation. Die Array-Box, der Wechselrichter und der MPPT (maximale Leistung).Point-Tracker-Geräte weisen die meisten Fehlerquellen auf.

Um zu verhindern, dass hohe Energie durch die Elektronik gelangt und Hochspannungsschäden an der PV-Anlage verursachen, müssen Spannungsspitzen einen Weg zur Erde haben. Zu diesem Zweck sollten alle leitenden Oberflächen direkt geerdet werden und alle Kabel, die in das System ein- und ausgehen (z. B. Ethernet-Kabel und Wechselstromnetze), über ein SPD mit der Erde verbunden sein.

Für jede Gruppe von Strings innerhalb der Array-Box, der Rekombinationsbox und des DC-Trennschalters ist ein Überspannungsschutzgerät erforderlich.

Auswahl und Installation von Überspannungsschutzgeräten für PV-Systeme

PV-Systeme weisen einzigartige Eigenschaften auf, die daher den Einsatz von SPDs erfordern, die speziell für PV-Systeme entwickelt wurden.

PV-Anlagen haben hohe DC-Systemspannungen bis zu 1500 Volt. Ihr maximaler Leistungspunkt liegt nur wenige Perzentile unter dem Kurzschlussstrom des Systems.

Um das richtige SPD-Modul für die PV-Anlage und deren Installation zu bestimmen, müssen Sie Folgendes wissen:

l Die blitzrunde Blitzdichte;

l Die Betriebstemperatur des Systems;

l Die Spannung des Systems;

l Der Kurzschlussstromwert des Systems;

l Der Grad der Wellenform, vor der geschützt werden soll (indirekter oder direkter Blitz);

l Der Nennentladestrom.

Die SPD-Anforderungen für eine Anlage, die durch ein äußeres Blitzschutzsystem (LPS) geschützt ist, hängen von der gewählten Klasse des LPS ab und davon, ob der Trennungsabstand zwischen dem LPS und der PV-Anlage isoliert oder nicht isoliert ist. IEC 62305-3 beschreibt die Anforderungen an den Trennungsabstand für ein externes LPS.

Um eine Schutzwirkung zu erzielen, sollte der Spannungsschutzpegel (Up) eines SPD 20 % niedriger sein als die Spannungsfestigkeit der Endgeräte des Systems.

Es ist wichtig, ein SPD mit einem Kurzschlussstrom zu verwenden, der größer ist als der Kurzschlussstrom des Solaranlagenstrangs, an den das SPD angeschlossen ist. Das SPD, das am Gleichstromausgang bereitgestellt wird, muss einen Gleichstrom-MCOV haben, der gleich oder größer als die maximale Photovoltaiksystemspannung des Moduls ist.

SPDs für die Gleichstromseite von Photovoltaikanlagen

PV-Quellen haben ganz andere Strom- und Spannungseigenschaften als herkömmliche Gleichstromquellen: Sie haben eine nichtlineare Charakteristik und verursachen ein langfristiges Anhalten gezündeter Lichtbögen. Daher erfordern PV-Stromquellen nicht nur größere PV-Schalter und PV-Sicherungen, sondern auch einen Trennschalter für das Überspannungsschutzgerät, der an diese Besonderheit angepasst ist und PV-Ströme bewältigen kann.

Auf der Gleichstromseite installierte SPDs müssen immer speziell für Gleichstromanwendungen ausgelegt sein. Die Verwendung eines SPDs auf der falschen AC- oder DC-Seite ist unter Fehlerbedingungen gefährlich.

Installation

SPDs sollten immer vor den Geräten installiert werden, die sie schützen sollen. NFPA 780 12.4.2.1 besagt, dass ein Überspannungsschutz am Gleichstromausgang des Solarmoduls von Plus zu Erde und von Minus zu Erde, am Combiner und Rekombinationskasten für mehrere Solarmodule und am Wechselstromausgang des Wechselrichters bereitgestellt werden muss.

Die ordnungsgemäße Installation einer SPD hängt von drei Werten ab:

l Maximale Dauerbetriebsspannung: Die Spannung, die das SPD aktiviert.

l Spannungsschutzpegel: Die Überspannungskategorie des Geräts muss höher sein als der Spannungsschutzpegel des SPD.

l Nomineller Entladestrom: Der Spitzenwert der Wellenform (8/20 μs für SPDs vom Typ 2), dem das SPD nach wiederholten Überspannungen standhalten kann.

So kombinieren Sie SPDs mit Wechselrichtern

PV-Parks bestehen aus sehr empfindlicher Ausrüstung, die umfassenden Schutz benötigt. Da PV-Parks Gleichstrom (DC) erzeugen, sind Wechselrichter (die erforderlich sind, um diesen Strom von Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln) ein wesentlicher Bestandteil ihrer Stromerzeugung. Leider sind Wechselrichter nicht nur sehr anfällig für Blitzeinschläge, sondern auch unglaublich teuer.

NFPA 780 12.4.2.3 erfordert zusätzliche SPDs am Gleichstromeingang des Wechselrichters, wenn der Systemwechselrichter mehr als 30 Meter vom nächsten Combiner oder Rekombinationskasten entfernt ist.

Installieren Sie das SPD zwischen den Sicherungen und dem Wechselrichter, wenn Strangschutzvorrichtungen (z. B. Sicherungen, Gleichstromunterbrecher oder Strangdioden) vorhanden sind.

Um ein SPD anzuschließen, wenn ein Wechselrichter mit integriertem Sicherungskasten vorhanden ist, stellen Sie sicher, dass die internen Sicherungen überbrückt und die externen Stringsicherungen angeschlossen sind.

Stringwechselrichter sollten möglichst nah an den Strings installiert werden. SPD-Kabel, die an das L+/L--Netzwerk und zwischen dem Klemmenblock des SPD und der Erdungssammelschiene angeschlossen werden, dürfen weniger als 2,5 Meter lang sein. Je kürzer die Anschlusskabel sind, desto effizienter und kostengünstiger ist der Schutz.

Bei Wechselrichtern mit nur einem MPP-Tracker bündeln Sie die Strings vor dem Wechselrichter und verbinden diese am Übergabepunkt mit dem SPD.

Wenn der Wechselrichter über mehrere MPP-Tracker verfügt, sollten für jeden Eingang SPD-Kombinationen geplant werden. Für jeden Eingang muss ein SPD verwendet werden, das mit einer Strangdiode abgesichert ist.

Referenzen

[1] Leitfaden Blitzschutz, DIN EN Norm 62305 – 3, 2014.

[2] Standard für Überspannungsschutzgeräte, UL 1449, 2014.

[3] Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung – Teil 32: Überspannungsschutzgeräte für den Gleichstromanschluss Seite von Photovoltaikanlagen – Auswahl- und Anwendungsgrundsätze, IEC-Norm 61643-32, 2 017.