Wenn man von einer Photovoltaikanlage spricht, denkt man oft nur an PV-Module, aber ein typisches Kraftwerk dieser Art ist viel komplexer. Es besteht außerdem aus Konvertern (Wechselrichtern), Messschalttafeln auf der Wechselstromseite, die an das Stromnetz angeschlossen sind, speziellen Solarkabeln, Verbindungselementen, Tragkonstruktionen sowie Schalttafeln mit Schutzvorrichtungen auf der Gleichstromseite – wie Überspannungsableitern und Überstromschutz. Ihnen und der Frage ihrer Auswahl widmen wir diesen Artikel.
Die DC-Seite der PV-Anlage
Typischerweise hat ein Prosumer-Photovoltaikkraftwerk ein sehr einfaches Schema. Auf dem Dach des Gebäudes sind PV-Module platziert, im Inneren befinden sich Schalttafeln und Konverter sowie eine Messschalttafel mit einem Zähler für die erzeugte Energie. Alle diese Elemente sind mit zwei- oder vieradrigen Kabeln verbunden.
DC-Schaltanlagen sind in der Regel mit Vorrichtungen zum Schutz der Anlage vor Überlast oder Kurzschluss, Überspannungsbegrenzern und einem DC-Trennschalter ausgestattet. Die Hauptzwecke dieser Schutzmaßnahmen 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 Blitzeinschläge oder Schaltüberspannungen, die in Schleifen von in Reihe geschalteten PV-Modulen induziert werden. Daher ist der Überspannungsschutz eine der wichtigsten Schutzarten für den Gleichstromteil einer Photovoltaikanlage.
Was ist ein Überspannungsableiter?
Es dient zur wiederholten Ableitung von Entladeströmen, die durch Überspannungen in der Photovoltaikanlage entstehen. Daher kann er viele Jahre lang betrieben werden, wenn er nicht beschädigt wird oder kein Stoß- oder Entladestrom auftritt, der die Kapazität eines bestimmten Ableiters überschreitet. Nach der Reaktion auf die Überspannung sollte das Gerät in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren.
Aufgrund ihrer Bauart werden Überspannungsableiter unterteilt in:
- Schneidableiter – hauptsächlich mit Gas- und Luftfunkenstrecken.
- Begrenzungsableiter – wird hauptsächlich mit Varistoren oder Spezialdioden verwendet.
- Kombinierter Begrenzer – Kombination der beiden oben genannten Typen, d. h. eine Kombination aus einem Varistor und einer Gasfunkenstrecke.
ETI-Überspannungsableiter
Überspannungsableiter Typ 1 oder Typ 2?
Derzeit gibt es drei Arten von Photovoltaikmodulen auf dem Markt: polykristalline, monokristalline und Dünnschichtmodule. Sie unterscheiden sich in der Höhe der Überspannungsfestigkeit, die der Hersteller in seinen Spezifikationen angeben sollte. Die Auswahl der Überspannungsableiter hängt maßgeblich von diesem Parameter ab. Sie sind typischerweise für Spannungen von 500 V bis 1500 V DC ausgelegt. Bei ordnungsgemäßer Installation und Erdung können sie einen Überspannungsschutz von 3 – 5 kV bieten.
Abhängig von der Größe des Photovoltaikkraftwerks kommen zwei Arten von Überspannungsableitern zum Einsatz: T1 oder T2. Ersteres dient dem Schutz der Anlage vor Überspannungen, die durch direkte Blitzentladungen in die Photovoltaikanlage oder in deren unmittelbare Nähe entstehen. Letzteres schützt das System jedoch vor Schaltüberspannungen oder solchen, die durch indirekte Blitzentladungen verursacht werden.
Da die Energie einer Direktentladung meist sehr hoch ist, verfügt der T1-Überspannungsableiter über eine Funkenstrecke oder einen Varistor mit höherer Lebensdauer. Dies macht Typ 1 zwangsläufig teurer. Typ 2 wird für den Einsatz in Anlagen ohne äußere Blitzschutzanlage empfohlen.
Manchmal kann in einer PV-Elektroanlage mit Blitzschutzsystem ein T2-Überspannungsableiter eingesetzt werden. Dies liegt daran, dass die Spannung auf der Gleichstromseite in der Regel viel höher ist als die Spannung auf der Wechselstromseite, bei der Überspannungsableiter vom Typ 1 verwendet werden. Daher reagiert der Überspannungsableiter auf der Wechselstromseite im Falle einer Direktentladung früher.
Allgemeines Diagramm eines PV-Photovoltaik-Modulsystems und Überspannungsschutzes
Aufgrund der Gefahr einer Beschädigung von Überspannungsableitern sollten Sie daran denken, regelmäßig deren Zustand – das Sichtfenster – zu überprüfen. Im Falle einer Störung des Begrenzers erscheint die Farbe des Sichtfensters des Begrenzers rot. Der Benutzer wird dann über die Notwendigkeit informiert, das austauschbare Begrenzungselement auszutauschen.
Wo soll ein Überspannungsableiter installiert werden?
Der Überspannungsableiter sollte in der Nähe der zu schützenden Anlage platziert werden. was sichert. Im Falle einer Photovoltaikanlage sind dies PV-Module und ein Wechselrichter. Wenn die Länge des Kabels, das die Module mit dem Wechselrichter verbindet, 10 Meter nicht überschreitet, reicht es aus, in jeder Kette einen Begrenzer zu installieren und ihn so nah wie möglich am Gerät mit dem geringsten Überspannungswiderstand zu platzieren. Typischerweise handelt es sich hierbei um einen DC/AC-Wechselrichter. Zur Sicherheit lohnt es sich jedoch, die technischen Daten von Photovoltaikmodulen zu prüfen.
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Wenn die Länge des Kabels zwischen den oben genannten Elementen 10 Meter überschreitet, sollte neben den Modulen ein Überspannungsschutzschalter T1+2 oder T2 installiert werden (je nachdem, ob ein externes Blitzschutzsystem vorhanden ist oder nicht), und in der Regel ein weiterer des gleichen Typs - neben dem Wechselrichter.
Warum Überspannungsableiter verwenden?
Beispiel eines isolierten Blitzschutzsystems
Aufgrund ihrer Struktur und Lage ist die Photovoltaikanlage direkten und nahegelegenen Blitzentladungen ausgesetzt. Im Durchschnitt gibt es in Polen 20 bis 30 Sturmtage. Das bedeutet, dass jedes Photovoltaik-Kraftwerk durch Blitzentladungen gravierenden Schäden ausgesetzt ist. Diese können vor allem teure Komponenten wie die Module selbst oder DC/AC-Wechselrichter zerstören. Dadurch kann es für den Eigentümer der Anlage innerhalb einer Sekunde zu Stromausfällen und kostspieligen Reparaturen der PV-Anlage kommen. Daran ändert auch die Versicherung des Kraftwerks nichts. Auch wenn die Installation versichert ist, prüft der Versicherer im Falle eines Ausfalls zunächst, ob alle formalen Voraussetzungen erfüllt sind – einschließlich geeigneter Sicherheitsmaßnahmen. Andernfalls wird die Zahlung einer Entschädigung wahrscheinlich verweigert. Um ein solches Risiko zu vermeiden, ist es notwendig, in jedem PV-Photovoltaik-Kraftwerk Überspannungsableiter zu installieren.
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