Fachbeitrag Gegen den Blitz gefeit

Photovoltaik-Anlagen sind durch ihre exponierte Lage meist schwierigen Witterungsbedingungen ausgesetzt, so dass Systeme für den Blitz- und Überspannungsschutz empfehlenswert sind. Künftig beschreibt die Norm prEN 50539-11, wie die Überspannungsschutzgeräte für PV-Installationen zu prüfen sind. Teil 11 der Norm beschreibt die Anforderungen und Prüfungen an ein Überspannungsschutzgerät für PV-Anwendungen. Bislang wurden in der Regel Prüfverfahren aus bestehenden Normen zurate gezogen, die aber nicht die besonderen Eigenschaften einer PV-Anlage berücksichtigen. Die Module eines PV-Generators liefern unter nahezu allen Betriebsbedingungen einen annähernd konstanten Strom, der gleichzeitig auch nah am Kurzschlussstrom der Anlage liegt. Erst wenn die maximale Spannung erreicht ist, bricht der Strom schlagartig ein.

Dem gegenüber stehen die herkömmlichen Gleichstromquellen mit einem linearen Verhalten in der Strom-Spannungs-Kennlinie. Vergleicht man diese Kennlinien, wird deutlich, dass die Abschaltleistung des Überspannungsschutzes in einer PV-Anlage weitaus höhere Leistungen schalten können muss als in anderen Gleichstrom-Anwendungen (siehe Grafik oben). In diesem Fall entspricht die Leistung (Produkt aus Spannung und Strom) der Fläche unterhalb der Kennlinie. So gilt in etwa, dass die Abschaltleistung des Überspannungsschutzes in einer PV-Anlage doppelt so hoch sein muss wie in einer anderen Gleichstrom-Applikation.

Für das Ausfallverhalten des Überspannungsschutzes im Fehlerfall sieht die Norm zwei Szenarien vor. Die erste Möglichkeit des Ausfallverhaltens ist, dass die Schutzkomponente den Strompfad (OCM - open circuit mode) unterbricht. Die zweite Möglichkeit sieht vor, dass in einen Kurzschluss gegangen wird (SCM - short circuit mode). Da jedoch einige Wechselrichter nicht mit einem Kurzschluss an den Eingängen umgehen können, empfiehlt sich hier der Einsatz eines Schutzbausteins mit OCM-Verhalten.

Auswahl der technischen Daten

Ergänzend zu Teil 11 der Norm existiert die Anwendungsnorm CLC/TS 50539-12. Diese definiert die technischen Parameter sowie die Auswahl der geeigneten Schutzkomponenten. Die für den Anwender maßgeblichen Parameter sind hierbei die höchste Dauerspannung U _CPV, der Schutzpegel U _Pund das Ableitvermögen des Typ-1-oder Typ-2-Ableiters, sowie das Ausfallverhalten der Schutzkomponenten im Fehlerfall. Die höchste Dauerspannung richtet sich nach der für den Ableiter geplanten Anwendung. Hier bieten sich 1000 V und 600 V an, also die gängigen Werte der Wechselrichter-Hersteller. Daraus lässt sich - per Definition der Norm - die Leerlaufspannung U _OCSTC(OC - open circuit; STC - standard test conditions) bestimmen, aus welcher der Schutzpegel hervorgeht.

Die Leerlaufspannung liegt um den Faktor 1,2 unter der höchsten Dauerspannung. Grund dafür ist die Schwankung der Leerlaufspannung des Generators, die durch Temperaturschwankungen und sich ändernde Einstrahlungsverhältnisse hervorgerufen wird. So wird mit dem Faktor 1,2 ein ausreichendes Sicherheitsfenster gegeben. Der Schutzpegel sollte für einen sicheren Schutz um 20 Prozent unter der Stoßspannungsfestigkeit der zu schützenden Geräte liegen. Wenn nichts anderes bekannt ist, wird diese Stoßspannungsfestigkeit als die fünffache Leerlaufspannung angenommen. Ein Beispiel: U _CPV= 1000 V bedeutet U _OCSTC= 833 V. Daraus resultiert der Schutzpegel von UP = 5 * U _OCSTC- 20 % = 3,33 kV.

Eine PV-Anlage auf einem öffentlichen Gebäude muss nach VDE 0100-443 und VDE 0185-305 sowie den Landesbauverordnungen mit äußerem Blitzschutz versehen sein. Der Gesamtverband der Versicherungswirtschaft fordert gemäß VdS 2012 (VdS Schadenverhütung) auch bei Anlagen über 10 kW äußeren Blitzschutz. Für eine hohe Anlagenverfügbarkeit sollte immer innerer und äußerer Blitzschutz kombiniert werden.

Bei der Planung des äußeren Blitzschutzsystems, das die Module gegen direkte Einschläge schützt, ist der Trennungsabstand s zwischen dem Modulrahmen und der Fangstangen einzuhalten. Jedoch wird dieser Abstand bei Aufdach-Anlagen auf Grund der räumlichen Begrenzung meist nicht eingehalten. In diesem Fall ist der Modulrahmen mit einem 16 mm ^²starken Kabel mit dem äußeren Blitzschutz zu verbinden, um einen Lichtbogenüberschlag zwischen dem äußeren Blitzschutz zu den PV-Modulen zu vermeiden. Diese Verbindung zieht im Umkehrschluss jedoch ein deutlich erhöhtes Gefährdungspotenzial für die PV-Anlage nach sich, da Blitzteilströme über den Modulrahmen fließen können (Abbildung oben).

Für die verschiedenen Umgebungsbedingungen einer PV-Anlage gibt die Anwendungsnorm CLC/TS 50539-12 Hinweise zur Auswahl des richtigen Überspannungsschutzes und dem dazugehörigen Installationsort:

Fall 1: Gebäude ist nicht mit äußerem Blitzschutz versehen. Fall 2: Der äußere Blitzschutz ist installiert und der Trennungsabstand s wird eingehalten. Fall 3: Das Gebäude besitzt einen äußeren Blitzschutz, aber der Trennungsabstand s wird nicht eingehalten. Die Leitungslänge L zwischen den Modulen und dem Wechselrichter liegt unter 10 m. Fall 4: Wie Fall 3 - jedoch mit Leitungslänge L > 10m.

In den ersten beiden Fällen reicht der Einsatz eines Typ-2-Überspannungsschutzes aus, da nicht mit Blitzimpulsen auf den PV-Leitungen gerechnet werden muss. Auch im dritten Fall genügt ein Typ 2. Im vierten Fall empfiehlt sich ein Typ-1-Blitzschutz, da die Gleichstrom-Leitungen über lange Strecken parallel zur Potenzialausgleichsleitung verlaufen und daher mit Einkopplungen zu rechnen ist. Zusätzlich gilt in jedem Fall, dass bei einer Leitungslänge L von mehr als 10 m an beiden Seiten der Leitung - am Gebäudeeintritt und vor dem Wechselrichter - Schutzkomponenten zu installieren sind. Andernfalls erhöht sich die Gefahr von Einkopplungen einer Überspannung deutlich.

In Zukunft mehr Sicherheit

Die bevorstehende Norm für Überspannungsschutzgeräte der Photovoltaik bringt dem Anwender mehr Transparenz und Hilfestellung bei Auswahl und Installation des für die Applikation benötigten Blitz- und Überspannungsschutzes. Auch definiert sie Prüfungen für die Schutzkomponenten, die der Praxis deutlich näher kommen, da nun die Charakteristik einer PV-Quelle berücksichtigt wird. Sie tritt voraussichtlich Ende 2012 in Kraft.