1 Photovoltaik-Anlagen und die Gefährdung durch Blitzeinschlag

Transkript

1 Blitzschutz von Photovoltaik- Anlagen L. Block, Berlin Seit über zehn Jahren werden in Deutschland in größerem Umfang photovoltaische Anlagen errichtet. Bedingt durch vielfältige Förderprogramme gehören sie in einigen Gegenden schon fast zum alltäglichen Erscheinungsbild. Andererseits herrscht auch in Fachkreisen über einige Punkte bei der Installation Unsicherheit. Insbesondere beim Thema Blitzschutz existieren aufgrund fehlender Normen unterschiedliche Auffassungen zur Ausführung der Anlagen. Aufgrund der seltenen Schäden durch Gewitter wird der Normung zu diesem Thema keine vordringliche Bedeutung beigemessen. In der Praxis sind neben einer zu optimalen Erträgen führenden Anlagenkonfiguration Anforderungen bezüglich Blitzschutz, Potentialausgleich und Berührungsschutz zu beachten. Bei allen Schutzmaßnahmen ist dem Personenschutz die höchste Priorität einzuräumen. Der Artikel bezieht sich auf netzgekoppelten Photovoltaik-Anlagen. Bei Inselanlagen gelten die Aussagen genauso, mit Ausnahme des Schutzes in den Netzanschlussleitungen. Die genannten Praxiserfahrungen nehmen Bezug auf Dachanlagen im städtischen Bereich Berlin. Auf Gebiete mit höherer Gefährdung oder gar exponierte Standorte, z. B. im Gebirge, sind diese Erfahrungen nur bedingt übertragbar. Auch in Gebäuden mit Blitzschutzzonen, notwendig z. B. beim Vorhandensein empfindlicher elektronischer Einrichtungen, sind ggf. erweiterte Schutzmaßnahmen erforderlich. Bei derartigen Standorten empfielt es sich, bei der Planung einer Photovoltaik-Anlage einen Blitzschutzexperten heranzuziehen, um die korrekte Einbindung der Anlage in das geplante oder bestehende Blitzschutzkonzept des Gebäudes sicherzustellen. Die Entscheidung über die Umsetzung von Maßnahmen über das notwendige Minimum hinaus obliegt dem Planer in Abstimmung mit dem Bauherren. Der Umfang von Blitzschutzmaßnahmen orientiert sich in vielen Fällen nicht nur an Vorschriften und Normen (Tafel ➊), sondern auch am Sicherheitsbedürfnis des Bauherren und ist daher mit diesem abzuklären. Autor 1 Photovoltaik-Anlagen und die Gefährdung durch Blitzeinschlag Beim Einschlag eines Blitzes können im Zeitraum von tausendstel Sekunden Blitzströme von vielen tausend Ampere bei sehr hohen Spannungen fließen. Diese haben bekanntermaßen eine hohe Zerstörungskraft. Zum Schutz vor direkten und indirekten Blitzeinschlägen werden als äußerer Blitzschutz Auffang- und Ableitleitungen installiert. Diese führen Blitzströme sicher PEN PAS Verbindung mit Gestell, wenn außerhalb Schutzbereich GAK + Gleichstromhauptleitung, mit Potentialausgleich verdrillt, idealerweise geschirmt N PE AD DC zur Erde ab. Vornehmlich Überspannungsableiter schützen technische Einrichtungen im Gebäude (innerer Blitzschutz). Auch durch Ferneinschläge im Umkreis von mehreren 100 Metern können Anlagenteile zerstört werden. Im Zusammenhang mit Photovoltaik-Anlagen werden Blitzstromableiter (Funkenstrecken, Anforderungsklasse B) als Grobschutz und Überspannungsableiter (Varistoren, Anforderungsklasse C) als Feinschutz eingesetzt. Für die Gleichstromseite von Photovoltaik-Anlagen mit einem Spannungsbereich von ca. 50 bis 500 Volt DC sind Überspannungsableiter unterschiedlicher Bemessungsspannung erhältlich. Die DC-Betriebsspannung der Varistoren muss knapp über der maximalen Leerlaufspannung des Generators liegen. Für den Ableitstrom gilt ein Richtwert von 1 ka je kwp Generatorleistung. Eine gute Übersicht über den Einsatz der Produkte in unterschiedlichen Netzkonfigurationen (TN-/TT-Netz) liefern die Planungsmappen der einschlägigen Hersteller, z.b. [2]. Vollständiger Schutz? Bei Abwägung der Einschlagswahrscheinlichkeit ist ein vollständiger Schutz gegen direkte Blitzeinschläge aus wirtschaftlichen Gründen meist äußerer Blitzschutz Solargenerator mit metallischem Untergestell Erdung bzw. PA Stringleitungen Wechselrichter DC- Freischaltstelle Erder Dipl.-Ing. L. Block ist Mitarbeiter des Berliner Energieversorgers Bewag und ist dort für Regenerative Energien zuständig. ➊ Prinzipielle Darstellung der möglichen Maßnahmen zum Blitzschutz von Photovoltaik- Anlagen. Der Umfang der notwendigen Maßnahmen ergibt sich aus der Gebäude- und Anlagenkonfiguration. 218 Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 3

2

3 nicht gerechtfertigt. Die Entscheidung zur Umsetzung der Vorschriften zum Schutz von Gebäuden und elektrischen Einrichtungen bei Blitzeinschlag (VDE V 0185 Teil 100 bzw. 103) beruht zumindest bei privaten Bauherren auf einer Risikoabschätzung unter Einbeziehung der Einschlagswahrscheinlichkeit und des Schadensumfanges (Bild ➊). 2 Maßnahmen bei Gebäuden mit äußerem Blitzschutz Photovoltaik-Anlagen auf Gebäuden mit Blitzschutzanlage sind zum Schutz des Gebäudes und der Anlage sowohl in den inneren wie den äußeren Blitzschutz einzubeziehen. Es ist anzuraten, den Generator im Schutz- bzw. Sicherheitsbereich der Fangeinrichtung aufzubauen. Die Funktion eines vorhandenen Blitzschutzsystemes darf durch die Installation einer Photovoltaik-Anlage nicht beeinträchtigt sein. Im Gegensatz zum privaten Bereich ist eine Blitzschutzanlage, z. B. bei öffentlichen Gebäuden (Bild ➋), zumeist vorgeschrieben. Zu unterscheiden sind bei diesen Anlagenkategorien zwei Fälle: 2.1 Fall a: Solargenerator im Schutzbereich der Fangeinrichtung Ein direkter Blitzeinschlag in ein Modul wird dieses zerstören. Ein Einschlag in den Rahmen führt in der Regel zu Schäden am Modul. Daher liegt der Solargenerator am besten vollständig im Schutzbereich der Fangeinrichtung. Zu den blitzstromführenden Ableitungen und den Fangeinrichtungen ist ein Sicherheitsabstand einzuhalten. Dieser Abstand lässt sich nach VDE V 0185 Teil 100 errechnen. Er rangiert meist in der Größenordnung von 0,5 bis 1 m. Eine direkte Verbindung mit der Blitzschutzanlage findet in diesem Fall nicht statt. Die Notwendigkeit eines Potentialausgleiches hängt von der Anlagenkonfiguration ab (s. u.). Die isolierte Aufstellung verringert im Falle eines Einschlages die Ausgleichsströme über die Generatorhauptleitung erheblich. Aufgrund des raschen Stromanstieges zu Beginn einer Blitzentladung werden in vorhandene Leiterschleifen hohe Spannungen induziert. Diese eingekoppelten Überspannungen können ebenfalls zu Schäden führen, obwohl durch die Komponenten selbst kein Blitzstrom fließt. Die durch die Modulverdrahtung aufgespannten Flächen sollten daher möglichst klein sein. Kleine Leiterschleifen weisen eine geringere Gegeninduktivität auf und reduzieren somit die eingekoppelte Spannung. Die verbleibenden Spannungen von einigen Kilovolt sind mit Varistoren gut beherrschbar. ➋ Photovoltaik-Anlage der Bewag mit 30 kwp auf dem Gebäude der Technischen Fachhochschule Berlin. Der Solargenerator ist in die vorhandene Blitzschutzanlage eingebunden. Zusätzliche Fangstange im Bereich der PV-Module Die Hauptleitung. Die Gleichstrom-Hauptleitung ist zur Begrenzung der Überspannungen beidseitig mit Überspannungsableitern zu versehen. Dies geschieht üblicherweise im Generator-Anschlusskasten und im Wechselrichter oder der DC-Freischaltstelle. Im Generator-Anschlusskasten sind hierzu die Plus- und Minusleitung über je einen Varistor mit der Erde verbunden. Durch einen zusätzlichen Varistor zwischen Plus- und Minusleitung kann die induzierte Spannung nochmals halbiert werden. Beim so genannten Stringkonzept schaltet man alle PV-Module in Reihe und verbindet sie ohne Generator-Anschlusskasten mit dem Wechselrichter. Lässt sich der Wechselrichter nicht in der Nähe der Dacheinführung montieren, ist es zweckmäßig, Varistoren in einem eigenen Gehäuse separat zu installieren. Eine Erhöhung des Schutzes wird durch Verdrillen der Gleichstomhauptleitung mit der Potentialausgleichsleitung erreicht. Die Verwendung geschirmter Leitungen oder die Verlegung in einem beidseitig angeschlossenen Metallrohr ist eine aufwendigere, jedoch noch wirkungsvollere Variante. Netzanschluss. Am Hausanschlusskasten entsteht beim Blitzeinschlag eine starke Potentialanhebung. Zum Schutz der Netzanschlussleitungen sind am Hausanschluss Blitzstromableiter entsprechend der Vorschriften des Netzbetreibers [3] und zusätzlich Überspannungsableiter notwendig ➌ Die Unterverteilung auf dem Dach enthält Überspannungsableiter Klasse C ➍ Blitzstromableiter Klasse B am Einspeisepunkt in das Netz (oben in der Mitte). Fotos: S. Wagner (Bilder ➌ und ➍). Zwischen beiden muss eine Entkopplungsinduktivität in der Größenordnung von 15 mh bestehen. Dies kann durch einige Meter Leitung (5 bis 15 m, je nach Führung des PE) geschehen oder durch eine separate Entkopplungsdrossel. 2.2 Fall b: Solargenerator nicht im Schutzbereich der Fangeinrichtung Hier liegt eine gegenüber Fall a schwierigere Situation vor, da zumindest ein Teil des Blitzstromes in unmittelbarer Nähe des Solargenerators fließt und dieser selbst dem Direkteinschlag ausgesetzt ist. Es sollte daher prinzipiell versucht werden, eine Aufstellung im Schutzbereich zu realisieren. Im Gegensatz zu Fall a erfolgt hier eine direkte Verbindung der Gestellkonstruktion einschließlich Modulrahmen mit der 220 Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 3

4

5 Blitzschutzanlage an den Stellen der größten Annäherung. Durch eine genügende Anzahl von Ableitungen ist auf eine möglichst gute Aufteilung des gesamten Blitzstromes zu achten (Bild ➎). Ein kleinerer Teilblitzstrom kann auch nur eine geringere Spannung in die Module und die Verkabelung induzieren als der durch eine Leitung fließende Gesamtblitzstrom. Ein Potentialausgleich zur Blitzschutzanlage mit einem Querschnitt von mindestens 16 mm 2 Cu ist an mindestens zwei Punkten des Generators herzustellen. Diese Punkte sollten sich an einer Seite des Generators befinden. Eine gut vermaschte Gestellkonstruktion und die Verwendung von gerahmten Modulen verbessern die Aufteilung des Blitzstromes. Zusätzliche Miniatur-Fangstangen, die äußerst kurz gehalten werden können, vervollständigen nach Untersuchungen der HTA Burgdorf (Schweiz) den Schutz des Solargenerators zumindest bei gerahmten Solarmodulen. Hauptleitung. Ein Teil des Blitzstromes fließt durch die Gleichstrom-Hauptleitung. Diese sollte idealerweise als geschirmte Leitung ausgeführt sein. Ist die Schirmung nicht blitzstromfähig, muss zur Entlastung parallel eine Ausgleichsleitung geführt werden. Eine geschirmte Leitung, die wegen der erd- und kurzschlusssicheren Verlegung auch doppelt isoliert sein muss, ist schwer zu beschaffen. Es kann deshalb eine Verlegung der üblichen doppelt isolierten Leitungen in einem Metallrohr realisiert werden. Wichtig ist in jedem Fall der beidseitige Anschluss der Schirmung an die DC-Hauptleitung mittels Überspannungsableitern. Ferner ist die Schirmung generatorseitig mit dem Gestell sowie wechselrichterseitig mit dem häuslichen Potentialausgleich zu verbinden. Wichtig ist eine Verlegung, die an den Enden keine zusätzlichen Spannungen induziert. Theoretisch sollten als Ableiter Blitzstromableiter verwendet werden, die jedoch nur für Spannungen mit 50 Hz verfügbar sind. Daher müssen auch hier Überspannungsableiter der Klasse C eingesetzt werden, die im Falle eines direkten Blitzeinschlages allerdings zerstört werden. Der Einsatz thermisch überwachter Varistoren ist daher insbesondere an dieser Stelle unabdingbar. Die Überwachung trennt den defekten Ableiter ab, so dass dieser keine Störungen verursachen kann. Durch eine Defektanzeige ist der Status des Bauteiles ablesbar. Netzanschluss. Wie im Fall a sind zum Schutz der Netzanschlussleitungen Blitzstromableiter und über eine Entkopplungsinduktivität zusätzlich Überspannungsableiter einzubauen. Bei langer Zuleitung zum Wechselrichter können zur Erhöhung des Schutzes dort nochmals Überspannungsableiter angebracht werden, sofern herstellerseitig nicht bereits integriert. 3 Gebäude ohne äußeren Blitzschutz Der Aufbau einer Photovoltaik-Anlage erhöht in der Regel nicht die Blitzgefährdung des Gebäudes. Die Errichtung einer äußeren Blitzschutzanlage aufgrund der Photovoltaik-Anlage ist daher nicht erforderlich. Das geringe Risiko eines direkten Blitzeinschlages wird in Kauf genommen. Abgesichert werden lediglich die durch indirekte Blitzeinwirkungen hervorgerufenen Überspannungen. Nach E DIN VDE sollten die Außenleiter der Gleichstromhauptleitung vorzugsweise im Generator- Anschlusskasten durch Überspannungsableiter geschützt werden. Die Überspannungsableiter müssen über eine Leitung 4mm 2 Cu mit der Haupterdungsklemme verbunden sein. Überlegungen zu der in der Praxis auftretenden Stoßspannungsbeanspruchung in [4] führen zu der Empfehlung, in Anlagen bis ca. 3 kwp (bzw. 10 kwp bei potentialfreier Gleichspannung) ohne Erdung des Generatorgestells auf die Überspannungsableiter im Generator-Anschlusskasten zu verzichten. Dieser Aspekt wird bei der zunehmenden Verbreitung von Stringwechselrichtern interessant, bei denen es keinen Anschlusskasten mehr gibt. Elektronische Komponenten wie Wechselrichter müssen durch Überspannungsableiter gegen Ferneinschläge DC- und ACseitig geschützt werden. Dies ist bereits von einigen Herstellern erledigt, muss jedoch bei der Anlagenplanung überprüft werden. Überspannungsableiter lassen sich DCseitig ohne großen Aufwand in der DC- Freischaltstelle einbauen. Die klassische Ausführungsvariante orientiert sich an der Errichtung von Antennenanlagen. Das Generatorgestell wird auf direktem Weg möglichst an der Gebäudeaußenwand mit der Potentialausgleichsschiene und damit auch der Erdungsanlage verbunden. 4 Notwendigkeit des Potentialausgleiches am Solargenerator Seit einiger Zeit wird die Notwendigkeit eines Potentialausgleiches des Generators in Fachkreisen z. T. kontrovers diskutiert. Dies hat bei ausführenden Firmen für zusätzliche Unsicherheit bei der Thematik gesorgt. Befindet sich der Solargenerator auf einem Gebäude ohne Blitzschutzeinrichtungen, dann kann der Potentialausgleich entfallen, wenn entweder die Generatorspannung im Bereich der Schutzkleinspannung, d. h. bis max. 120 V DC liegt, oder bei Anlagen bis 5 kwp Module der Schutzklasse II eingesetzt werden. ➎ Viele Ableitungen reduzieren die Blitzströme durch einzelne Anlagenteile Bei Verwendung eines trafolosen Wechselrichters sollte allerdings immer ein Potentialausgleich vorgesehen werden, da hier keine galvanische Trennung vom Netz vorhanden ist. Durch kapazitive Kopplung entsteht eine Spannung am Modulrahmen. Diese ist zwar bei Anlagen bis ca. 5 kwp nicht lebensbedrohlich, der Schreckmoment beim Berühren kann auf einem Dach jedoch gefährliche Folgen haben. Sobald aufgrund der Generatorgröße eine kapazitiv eingekoppelte Spannung von mehr als 60 V AC am Modulrahmen ansteht, muss als Berührungsschutz ein Potentialausgleich ausgeführt werden. Dieser Potentialausgleich ist kein Blitzschutz! Ein Querschnitt von 4 mm 2 wird nach IEC hierfür als ausreichend angesehen. Bei geschützter Verlegung reichen sogar 2,5 mm 2 aus. Ein gewisser Widerspruch zu dieser Aussage ergibt sich allerdings durch die E DIN VDE Sofern ein Potentialausgleich notwendig ist, müssen leitfähige Konstruktionsteile hiernach mit der Haupterdungsschiene über Potentialausgleichsleitungen mit mindestens 16 mm 2 Cu verbunden sein. Diese Verbindungsleitung sollte vorzugsweise an der Gebäudeaußenseite geführt werden. Darüber hinaus wird das Vorhandensein einer örtlichen Erdungsanlage vorausgesetzt. Kann der Generator bei Vorhandensein einer Blitzschutzanlage nicht im Schutz-bzw. Sicherheitsbereich nach VDE V 0185 Teil 100 errichtet werden, ist das Generatorgestell wie beschrieben mit der Blitzschutzanlage zu verbinden. Liegt der Generator im Schutzbereich, kann entsprechend der obigen Bedingungen der Potentialausgleich auch bei Vorhandensein einer Blitzschutzanlage entfallen bzw. als Berührungsschutz mit mindestens 4mm 2 Cu zum Potentialausgleich des Gebäudes geführt werden. Erder. Eine Erdungsanlage (Fundament-, Ring- oder Staberder) im Gebäude ist zum Schutz des Versorgungsnetzes generell wünschenswert. Eine Blitzschutzanlage beinhaltet diese, so dass die Photovoltaik-Anlage ohne Aufwand hier mit angeschlossen werden kann. Besteht keine Blitzschutzan- 222 Elektropraktiker, Berlin 54 (2000) 3

6 Tafel ➊ Übersicht der Maßnahmen zum Blitzschutz und Potentialausgleich von Photovoltaik-Anlagen Maßnahmen zum Blitzschutz und Potentialausgleich Gebäudeart Anlagenkonfiguration Anschluss des Anschluss Überspannungs- Überspannungs- Verlegung der Schutz der Generator- an Erdungs- ableiter an der ableiter an der GS-Haupt- Netzanschlussgestells an anlage Gleichstrom- Gleichstrom- leitung und leitungen mit Potential- hauptleitung hauptleitung Potential- Blitzstromausgleich im Generator- im WR bzw. ausgleichs- ableitern und anschlusskasten Freischalt- leitung Überspannungsstelle ableitern Gebäude ohne Module Schutzklasse II Unter 3 kw p Blitzschutz oder Schutzkleinspannung, nicht nicht zwingend X galv. Trennung im WR erforderlich (Stringkonzept) in allen anderen Fällen 16mm 2 Cu (4mm 2 Cu) X X X (verdrillen) Gebäude mit Generator Module Blitzschutz innerhalb Schutzklasse II Schutz-/ oder Schutz- nicht Sicherheits- kleinspan- erforderlich X X X verdrillen X bereich nung, galv. in allen ande- 16mm 2 Cu ren Fällen (4mm 2 Cu) Trennung X X X verdrillen X Generator nicht 16mm 2 Cu im Schutzbereich mind. an 2 Stellen X X X schirmen X WR = Wechselrichter lage, ist eine Erdungsanlage ggf. hierfür neu zu errichten. 5 Realisierungsvarianten in der Praxis Für Gebäude ohne Blitzschutzanlage kann die Empfehlung gegeben werden, bei Einhaltung der genannten Randbedingungen auf einen Potentialausgleich des Generatorgestells zu verzichten. Die strittigen Fragestellungen über Querschnitte und Erdungsanlage lassen sich damit umgehen. Zusätzlich ergibt sich eine Vereinfachung und damit Kostenersparnis. Bei Notwendigkeit eines Potentialausgleichs ist der Errichter mit einem Querschnitt von 16 mm 2 immer auf der sicheren Seite. Der Anschluss an eine Erdungsanlage ist jedoch hierbei mindestens wünschenswert. Entscheidend ist dabei, ob diese Maßnahme als ausschließlicher Potentialausgleich definiert wird oder ob in gewissem Umfange hiermit auch Blitzschutzaufgaben erfüllt werden sollen. Dies ist mit dem Bauherren abzuklären. Bei Gebäuden mit Blitzschutzanlage sollte der Generator möglichst im Schutzbereich der Fangeinrichtungen errichtet werden, da hierbei die notwendigen Schutzmaßnahmen in der Photovoltaik- Anlage reduziert werden. Ist dies nicht möglich, so sind eine Vielzahl von Einzelmaßnahmen durchzuführen, um im Falle eines Einschlages die Schäden gering zu halten. Generell ist bei der Planung auf möglichst eng beieinander liegende Stringleitungen zu achten, um eingekoppelte Spannungen zu minimieren. Tafel ➊ enthält Vorschläge, die als Richtschnur für die erforderlichen Maßnahmen bei der Errichtung einer Photovoltaik-Anlage dienen können. Als Orientierung sind die möglichen Maßnahmen zusammenfassend in Bild ➊ dargestellt. Einfach, aber sicher? Der Kostendruck bei der Angebotsabgabe und der Wunsch nach Kostenreduzierung der teuren Photovoltaik führen in der Praxis meist zu einer Minimierung zusätzlicher Maßnahmen wie des Blitzschutzes. Ein Schutz der Netzanschlussleitungen mit Blitzstrom- und Überspannungsableitern oder die Verwendung von geschirmten Leitungen sind dem Autor bei privaten Wohngebäuden nur in Ausnahmefällen bekannt. Bei der zunehmenden Verbreitung des Stringkonzeptes entfallen meist die Überspannungsableiter auf der Generatorseite und die DC-Leitungen werden ungeschützt in das Gebäude geführt. Schäden durch Blitzeinwirkungen stellen dennoch weiterhin die Ausnahme dar. Der Trend zu einer Vereinfachung der Anlagentechnik ist daher im Sinne einer weiteren Verbreitung der Photovoltaik sehr zu begrüßen. Besteht jedoch eine erhöhte Gefährdung durch Blitzeinschlag, sollte der Mehraufwand für die Umsetzung eines geeigneten Schutzkonzeptes im Hinblick auf die möglichen Schäden auf keinen Fall gescheut werden. Literatur [1] Fachseminar EMV und Blitzschutz in Photovoltaik-Anlagen, , Tagungsband, OTTI Technologie-Kolleg, Regensburg [2] Planungsunterlagen der Firma Dehn + Söhne GmbH + Co. KG, Neumarkt [3] VDEW (Herausgeber): Überspannungs- Schutzeinrichtungen der Anforderungsklasse B Richtlinie für den Einsatz in Hauptstromversorgungssystemen. 1. Auflage. Frankfurt am Main: Verlags- und Wirtschaftsgesellschaft der Elektrizitätswerke mbh (VWEW) 1998 [4] Hotopp, R.: Blitzschutz von Photovoltaik-Anlagen: Stand der Technik und Entwicklungsbeitrag durch die Photovoltaik-Siedlung Essen, VDE/ABB-Blitzschutztagung , VDE, Frankfurt [5] Hering, E.: Blitzschutz-Potentialausgleich, Trennfunkenstrecken, Blitzstromableiter. Elektropraktiker 53 (1999) 2, S