Wenn wir von einer Photovoltaikanlage sprechen, denken wir oft nur an PV-Module, aber ein typisches Kraftwerk dieser Art ist viel komplexer. Es besteht außerdem aus Wechselrichtern, Messschalttafeln auf der Wechselstromseite, die an das Stromnetz angeschlossen sind, speziellen Solarkabeln, Verbindungselementen, Tragkonstruktionen sowie Schalttafeln mit Schutz auf der Gleichstromseite – wie Überspannungsableitern und Überstromschutz. Diesen Komponenten und ihrer Auswahl widmen wir uns in diesem Artikel.
DC-Seite der PV-Anlage
Typischerweise ist das Schema eines Prosumer-Photovoltaikkraftwerks sehr einfach. PV-Module werden auf dem Dach des Gebäudes platziert, im Inneren befinden sich Schaltanlagen und Konverter sowie eine Messzentrale mit einem Zähler für die erzeugte Energie. Alle diese Elemente sind mit zwei- oder vieradrigen Kabeln verbunden.
In Gleichstromschaltanlagen werden üblicherweise Geräte zum Schutz der Anlage vor Überlastung oder Kurzschluss, Überspannungsableiter und ein Gleichstrom-Leistungsschalter installiert. Die Hauptzwecke dieser Schutzvorrichtungen sind:
- Schutz von Photovoltaikmodulen vor Kurzschlüssen, Überlastungen und Rückkurzschlussströmen,
- Schutz vor Schaltüberspannungen,
- Schutz vor Überspannungen durch Blitzentladungen.
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Gefährliche Überspannungen in empfindlichen Photovoltaikanlagen entstehen durch Blitzentladungen oder Schaltüberspannungen in den Schleifen seriell geschalteter PV-Module. Daher ist der Überspannungsschutz eine der wichtigsten Schutzmaßnahmen für den Gleichstromteil der Photovoltaikanlage.
Was ist ein Überspannungsableiter?
Er ist für die wiederholte Ableitung von Entladeströmen infolge von Überspannungen in einer Photovoltaikanlage ausgelegt. Er kann daher viele Jahre lang betrieben werden, sofern er nicht beschädigt ist oder kein Stoß- oder Entladestrom die Leistungsfähigkeit des jeweiligen Ableiters übersteigt. Nach der Reaktion auf die Überspannung sollte das Gerät in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren.
Aufgrund ihrer Konstruktion werden Überspannungsableiter unterteilt in:
- Abschaltbegrenzer – hauptsächlich unter Verwendung von Gas- und Luftfunkenstrecken.
- Begrenzungsableiter – dabei kommen überwiegend Varistoren oder spezielle Dioden zum Einsatz.
- Kombinierter Ableiter – Kombination der beiden oben genannten Typen, also eine Kombination aus Varistor und Gasfunkenstrecke.
ETI-Überspannungsableiter
Überspannungsableiter Typ 1 oder Typ 2 ?
Derzeit sind drei Arten von Photovoltaikmodulen auf dem Markt: polykristalline, monokristalline und Dünnschichtmodule. Sie unterscheiden sich in der Überspannungsfestigkeit, die der Hersteller in seinen Spezifikationen angeben sollte. Die Auswahl der Überspannungsableiter hängt maßgeblich von diesem Parameter ab. Sie sind üblicherweise für Nennspannungen von 500 V bis 1500 V DC ausgelegt. Bei ordnungsgemäßer Installation und Erdung bieten sie Überspannungsschutz von 3 bis 5 kV.
Je nach Größe der Photovoltaikanlage kommen zwei Typen von Überspannungsableitern zum Einsatz: T1 und T2. Der erste dient dem Schutz der Anlage vor Überspannungen, die durch direkte Blitzeinschläge in die Photovoltaikanlage oder in deren Nähe entstehen. Der zweite schützt die Anlage vor Schaltüberspannungen oder Überspannungen, die durch indirekte Blitzeinschläge entstehen.
Da die Energie einer direkten Entladung meist sehr groß ist, verfügt der Überspannungsableiter T1 über eine Funkenstrecke oder einen Varistor mit höherer Festigkeit. Dies macht Typ 1 zwangsläufig teurer. Typ 2 wird für den Einsatz in Anlagen ohne äußeren Blitzschutz empfohlen.
Manchmal kann in einer PV-Anlage mit Blitzschutzsystem ein Überspannungsableiter T2 eingesetzt werden. Dies liegt daran, dass die Spannung auf der Gleichstromseite in der Regel deutlich höher ist als die Spannung auf der Wechselstromseite, wo Überspannungsableiter vom Typ 1 verwendet werden. Im Falle einer direkten Entladung reagiert der Überspannungsableiter auf der Wechselstromseite daher früher.
Übersichtsdiagramm des PV-Modulsystems und des Überspannungsschutzes
Aufgrund der Gefahr einer Beschädigung von Überspannungsableitern sollten Sie deren Zustand – das Sichtfenster – regelmäßig überprüfen. Im Falle eines Ausfalls des Überspannungsableiters erscheint die rote Farbe im Sichtfenster. Der Benutzer wird dann über die Notwendigkeit informiert, das austauschbare Element des Ableiters auszutauschen.
Wo wird ein Überspannungsableiter installiert?
Der Überspannungsableiter sollte in der Nähe des zu schützenden Objekts platziert werden. Bei einer Photovoltaikanlage sind dies PV-Module und ein Wechselrichter. Beträgt die Kabellänge zwischen Modul und Wechselrichter nicht mehr als 10 Meter, genügt es, in jedem Strang einen Ableiter zu installieren und ihn möglichst nahe am Gerät mit der geringsten Überspannungsfestigkeit zu platzieren. In der Regel handelt es sich dabei um einen DC/AC-Wechselrichter. Zur Sicherheit lohnt es sich jedoch, die technischen Daten der Photovoltaikmodule zu prüfen.
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Wenn die Kabellänge zwischen den oben genannten Elementen 10 Meter überschreitet, sollte ein Überspannungsableiter T1+2 oder T2 (je nachdem, ob ein äußerer Blitzschutz vorhanden ist oder nicht) an den Modulen und ein zweiter - meist vom gleichen Typ - am Wechselrichter installiert werden.
Warum Überspannungsableiter verwenden?
Beispiel eines isolierten Blitzschutzsystems
Aufgrund ihrer Bauweise und ihres Standorts ist eine Photovoltaikanlage direkten und nahen Blitzeinschlägen ausgesetzt. In Polen gibt es durchschnittlich 20 bis 30 Gewittertage. Das bedeutet, dass jedes Photovoltaikkraftwerk durch Blitzeinschläge schweren Schäden ausgesetzt ist. Diese können vor allem teure Komponenten wie die Module selbst oder DC/AC-Wechselrichter zerstören. Dadurch kann der Anlagenbesitzer innerhalb einer Sekunde mit Stromausfällen und teuren Reparaturen der PV-Anlage konfrontiert sein. Daran ändert auch die Versicherung des Kraftwerks nichts. Selbst wenn die Anlage versichert ist, prüft der Versicherer im Falle eines Ausfalls zunächst, ob alle formalen Voraussetzungen – einschließlich der entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen – erfüllt sind. Deren Fehlen führt wahrscheinlich zu einer Ablehnung der Entschädigungszahlung. Um dieses Risiko zu vermeiden, ist es unerlässlich, sicherzustellen, dass in jedem Photovoltaik-Kraftwerk Überspannungsableiter installiert sind.
Überspannungsschutz von ETI Polam
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