Sicherheitsmaßnahmen von PV-Systemen: Schutz vor elektrischem Schlag, Feuergefahr und Überströmen

PV-Anlage: So gewährleisten Sie die Sicherheit im Normalbetrieb

PV-Generatoren haben zwei besondere Merkmale: ihre Gleichspannungshöhe und die Tatsache, dass sie solange aktiv sind, solange sie der Sonne ausgesetzt sind und nicht abgeschaltet werden können. Der Kurzschlussstrom, den das PV-Modul erzeugt, ist zu gering, um eine automatische Abschaltung der Stromversorgung auszulösen. Die gängigen Schutzmaßnahmen gelten daher nicht für PV-Anlagen. Da PV-Module jedoch im Freien installiert werden, sind sie den Witterungsverhältnissen ausgesetzt. Bei Installation auf Dächern sollte besonders auf die Brandsicherheit und den Schutz von Feuerwehrleuten und Rettungskräften geachtet werden.

Schutz von Personen vor Stromschlägen

Doppelte oder erweiterte Isolierung als Schutzmaßnahme

• Die Basisisolierung sorgt für den Grundschutz, während die Zusatzisolierung den Fehlerschutz gewährleistet.
• Die Kombination von Basis- und Fehlerschutz erfolgt durch eine verstärkte Isolierung zwischen den stromführenden Komponenten und den zugänglichen Teilen.

Bitte beachten Sie: Diese Schutzmaßnahme dient dazu, sicherzustellen, dass durch einen Fehler in der Basisisolierung keine gefährlichen Spannungen an den berührbaren Teilen elektrischer Geräte auftreten.

IEC 60364-7-712 schreibt vor, dass PV-Systeme mit einer maximalen UOC MAX (UOC = Leerlaufspannung) von über 120 V DC eine „doppelte oder verstärkte Isolierung“ verwenden müssen, um Schutz vor elektrischem Schlag zu gewährleisten.

Schaltgeräte wie Sicherungen oder Leistungsschalter auf der Gleichstromseite bieten keinen Schutz vor Stromschlägen, da sie keine automatische Trennung der Stromversorgung bewirken.

Die Verwendung eines Überstromschutzes schützt sowohl die PV-Zellen vor Rückstrom als auch die Kabel vor Überlastung.

Brandgefahr: Schutz vor thermischer Einwirkung

Im Allgemeinen gibt es drei Situationen, die zu ungewöhnlich hohen Temperaturen und Brandgefahr in einer PV-Anlage führen können: Isolationsfehler, Rückstrom in einem PV-Modul und Überlastung von Kabeln oder Geräten.

Erkennung von Isolationsfehlern:

Obwohl eine doppelte oder verstärkte Isolierung eine Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag darstellt, beseitigt sie nicht alle Risiken eines Isolationsfehlers. (Es wird davon ausgegangen, dass die Wahrscheinlichkeit eines Isolationsfehlers, bei dem gleichzeitig jemand einen spannungsführenden Teil der Anlage berührt, sehr gering ist. Isolationsfehler an sich treten jedoch häufiger auf.) DC-Isolationsfehler können gefährlicher sein als bei Wechselstrom, da ein Lichtbogen seltener von selbst erlischt.

Wenn ein Isolationsfehler erkannt wird, stoppt der Wechselrichter und trennt sich von der AC-Seite, aber der Fehler bleibt auf der DC-Seite bestehen und die Spannung zwischen den Polen entspricht der Leerlaufspannung des PV-Generators, solange die Sonne scheint.

Dieser Zustand darf nicht über längere Zeit toleriert werden, und der Fehler muss gefunden und behoben werden. Andernfalls kann es zu einem zweiten Fehler am anderen Pol kommen, der dazu führt, dass der Strom in den Erdungsleitern und Metallteilen der PV-Anlage zirkuliert, ohne dass die ordnungsgemäße Funktion der Schutzvorrichtungen gewährleistet ist. Siehe “Überstromschutz”.

Der PV-Generator sollte überprüft werden, um sicherzustellen, dass er von der Erde isoliert ist.

• Wenn zwischen der AC-Seite und der DC-Seite keine galvanische Trennung besteht:
  • Es ist nicht möglich, einen Pol zu erden.
  • AC-Schutz kann zur Erkennung von Isolationsfehlern eingesetzt werden.
• Wenn AC-Seite und DC-Seite galvanisch getrennt sind:
  • Ein Überstromschutzgerät (das auch Isolationsfehler erkennt) sollte im Fehlerfall zur Abschaltung des geerdeten Leiters eingesetzt werden, wenn die PV-Zellentechnologie (z. B. dünne Schichten aus amorphem Silizium) eine direkte Erdung eines der Leiter erfordert.
  • Ein Isolationsüberwachungsgerät sollte eingesetzt werden, wenn die PV-Zellentechnologie eine Widerstandserdung eines der Leiter erfordert.

• Ein Isolationsüberwachungsgerät sollte auch dann eingesetzt werden, wenn die PV-Zelltechnik keine Erdung eines der beiden Leiter erfordert.

Die Auswahl des Isolationsüberwachungsgeräts muss unter Berücksichtigung von UOC MAX und der Kapazität zwischen den Polen und der Erde erfolgen, die einen Leckstrom verursacht. Darüber hinaus sollten auch Kabel und Wechselrichterkapazität berücksichtigt werden. Für PV-Systeme eignet sich ein Isolationsüberwachungsgerät, das Kapazitäten von bis zu 500 μF verarbeiten kann.

Aus der Literatur der Hersteller von Photovoltaikmodulen gehen folgende Zahlen hervor:

Einige in europäischen Anlagen durchgeführte Messungen ergeben folgende Werte:

Abb. P11  –  Beispiel für Ableitkapazitäten in verschiedenen PV-Systemen

Schutz von PV-Modulen vor Rückstrom

Ein Kurzschluss in einem PV-Modul, eine fehlerhafte Verkabelung oder ein damit zusammenhängender Fehler kann zu Rückstrom in PV-Strings führen. Dies tritt auf, wenn die Leerlaufspannung eines Strings erheblich von der Leerlaufspannung paralleler Strings abweicht, die an denselben Wechselrichter angeschlossen sind. Der Strom fließt von den funktionierenden Strings zu den fehlerhaften Strings, anstatt zum Wechselrichter zu gelangen und das Wechselstromnetz mit Strom zu versorgen. Rückstrom kann zu gefährlichen Temperaturerhöhungen und Bränden im PV-Modul führen. Daher sollte die Widerstandsfähigkeit des PV-Moduls gemäß der Norm IEC 61730-2 getestet werden, und der Hersteller des PV-Moduls muss den maximalen Rückstromwert (IRM) angeben.

Rückstrom in den fehlerhaften String = Gesamtstrom der verbleibenden Strings

Der String-Überstromschutz muss verwendet werden, wenn die Gesamtzahl der Strings, die einen fehlerhaften String speisen könnten, hoch genug ist, um einen gefährlichen Rückstrom zu liefern:

1,35 I RM < (Ns – 1) I SC MAX

Wo:

• I RM ist die maximale Rückstromcharakteristik von PV-Zellen, wie in IEC 61730 definiert.
• Ns ist die Gesamtzahl der Strings.

Wenn nur ein einzelner String vorhanden ist, besteht keine Gefahr eines Rückstroms. Wenn jedoch zwei Strings mit derselben Anzahl an PV-Modulen parallel geschaltet sind, ist der Rückstrom immer niedriger als der maximale Rückstrom. Daher ist kein Rückstromschutz erforderlich, wenn der PV-Generator nur aus einem oder zwei Strings besteht.

Schutz vor Überstrom

Wie bei jeder Installation muss ein Schutz gegen die thermische Wirkung eines Überstroms vorhanden sein, der eine Gefahr darstellen könnte.

Der Kurzschlussstrom hängt von der Sonneneinstrahlung ab und kann niedriger sein als der Auslösewert des Überstromschutzes. Obwohl dies bei Kabeln kein Problem darstellt, da der Strom innerhalb der Strombelastbarkeit liegt, erkennt der Wechselrichter einen Spannungsabfall und stoppt die Stromerzeugung. Daher wird empfohlen, im Falle eines Kurzschlusses fehlerhafte Stromkreise abzuschalten.

String-Schutz (IEC 60364-7-712 2017 712.433.1.101.2)

Wenn ein String-Überstromschutz erforderlich ist, muss jeder PV-String mit einem Überstromschutzgerät abgesichert werden.

Der Nennwert des Überstromschutzes (Sicherung oder Leistungsschalter) des String-Überstromschutzgeräts muss größer als das 1,5-fache des String-Kurzschlussstroms I SC_MOD und kleiner als 2,4 I SC_MOD sein.

Sub-Array-Schutz (IEC 60364-7-712 2017 712.433.1.101.3)

Der Nennauslösestrom (ITRIP) von Überstromschutzgeräten für PV-Unterfelder (Sicherungen oder Leistungsschalter) muss größer als das 1,25-fache des Unterfeld-Kurzschlussstroms I SC_STC_SUB-ARRAY und kleiner als 2,4 I SC_STC_SUB-ARRAY sein.

Die Auswahl des Überstromschutzwerts muss unter Berücksichtigung der Temperatur erfolgen, um unerwartete Auslösungen im Normalbetrieb zu vermeiden.

Leistungsschalter oder Sicherungen

Um Überstrom zu verhindern, können Leistungsschalter oder Sicherungen eingesetzt werden. Sicherungen sind in der Regel am Sicherungshalter oder direkt an Schienen oder Kabeln angeschlossen und bieten keine Lasttrennschalterfunktion. Wenn Sicherungen verwendet werden, sollten zusätzlich Lasttrennschalter eingesetzt werden, um die Sicherungen vom Wechselrichter zu trennen und den Austausch der Sicherungen zu ermöglichen. Zum Beispiel sollte eine Array-Box mit Sicherungen, die auch als Strangschutz fungieren, über einen Hauptschalter verfügen.

Leistungsschalter bieten eine präzisere Einstellung und eine höhere Genauigkeit als Sicherungen. Dadurch können dünnere Kabel verwendet werden, insbesondere für Sub-Array-Kabel, die kleiner sind als Sicherungen.

Doppelte Erdungsschlüsse

PV-Anlagen sind entweder von der Erde isoliert oder ein Pol ist durch einen Überstromschutz geerdet. In beiden Fällen kann es zu einem Erdungsschluss kommen, bei dem Strom in die Erde abfließt. Wenn dieser Fehler nicht behoben wird, kann er sich auf den gesunden Pol ausbreiten und zu einer gefährlichen Situation führen, in der ein Brand ausbrechen könnte. Selbst wenn eine doppelte Isolierung eine solche Möglichkeit unwahrscheinlich macht, sollte sie dennoch sorgfältig beachtet werden.

Es ist von entscheidender Bedeutung, die Entstehung von Doppelerdschlüssen aus zwei wichtigen Gründen unbedingt zu verhindern: In geerdeten Systemen müssen Isolationsüberwachungsgeräte oder Überstromschutzgeräte den ersten Fehler erkennen. Das Personal muss sich umgehend um den ersten Fehler kümmern und ihn sofort beheben:

• Der Fehlerpegel kann niedrig sein, zum Beispiel bei zwei Isolationsfehlern oder einer geringen Kurzschlussfähigkeit des Generators bei schwacher Sonneneinstrahlung. Dieser Fehlerpegel könnte unterhalb des Auslösewerts des Überstromschutzes (Leistungsschalter oder Sicherungen) liegen. Dennoch erlischt ein DC-Störlichtbogen nicht, selbst wenn der Strom niedrig ist. Dies könnte insbesondere für PV-Module auf Gebäuden eine ernsthafte Gefahr darstellen.

• Die in PV-Anlagen verwendeten Leistungsschalter und Schalter sind darauf ausgelegt, den Nennstrom bzw. Fehlerstrom bei maximaler Leerlaufspannung (U OC MAX ) allpolig zu unterbrechen. Um den Strom bei voller Spannung zu unterbrechen, zum Beispiel wenn U OC MAX 1000 V beträgt, sind normalerweise vier Pole in Reihe (zwei Pole in Reihe für jede Polarität) erforderlich. In Situationen mit doppeltem Erdschluss müssen jedoch der oder die Leistungsschalter den Strom bei voller Spannung mit nur zwei in Reihe geschalteten Polen unterbrechen. Solche Schaltanlagen sind nicht für diesen Zweck ausgelegt und könnten irreparable Schäden erleiden, wenn sie zur Unterbrechung des Stroms im Falle eines Doppelerdschlusses verwendet werden.

Die optimale Lösung besteht darin, die Entstehung von Doppelerdschlüssen zu verhindern. Isolationsüberwachungsgeräte oder Überstromschutzgeräte in geerdeten Netzen erkennen den ersten Fehler. Obwohl die Isolationsfehlerüberwachung normalerweise den Wechselrichter stoppt, bleibt der Fehler bestehen. Das Personal muss ihn sofort lokalisieren und beseitigen. Bei großen Generatoren mit Teilfeldern, die durch Leistungsschalter geschützt sind, wird dringend empfohlen, jedes Feld abzuschalten, wenn der erste Fehler erkannt wird, jedoch nicht innerhalb der nächsten Stunden behoben werden kann.

Auswahl von Schaltanlagen und Gehäusen

Double insulation

Housings on the DC side must ensure double insulation.

Thermal challenges

The thermal behavior of switchgear and enclosures requires careful monitoring. PV generator boxes and array boxes are usually installed outdoors and are exposed to environmental influences. In high ambient temperatures, high IP values can restrict airflow and reduce heat dissipation. Additionally, switchgear on the DC side, particularly when using poles in series, may experience temperatures that could affect their functionality. Therefore, special attention should be paid to the temperature of switchgear inside external enclosures on the DC side.

Cable protection should meet the requirements of IEC 60364. Part 7-712 of the standard requires that all DC side enclosures meet the requirements of IEC 61439. This standard applies to low voltage switchgear and control device assemblies and specifies requirements to ensure that the risk of temperature rise has been taken into account in the safe design of DC boxes (generator and array boxes).

Verschmutzungsgrad der Schaltanlage und Gehäuseauswahl

Zusätzlich zu den Standardkriterien für die Auswahl von Gehäusen in PV-Systemen mit einer maximalen offenen Spannung (U OC MAX) von 1000 V können einige Geräte möglicherweise den Verschmutzungsgrad 2 nach IEC 60947-1 anstelle des Verschmutzungsgrades 3 aufweisen. Wenn die Schaltanlage den Verschmutzungsgrad 2 aufweist, muss der IP-Schutzgrad des Gehäuses gemäß IEC 60529 mindestens IP5x betragen.

Wenn Sie Unterstützung im Zusammenhang mit dem Photovoltaik Großhandel benötigen, können Sie sich gerne an uns wenden.