Kontrolle von Photovoltaikanlagen. VSEK Fachabend Kontrolle von Photovoltaikanlagen Martin Kenner

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1 Kontrolle von Photovoltaikanlagen 1

2 Inhaltsverzeichnis Normen / Vorschriften / Richtlinien Planvorlage / Installationsbewilligung / Kontrolle ESTI Gefahren von Photovoltaikanlagen / Äussere Einflüsse Beispiel einer PV-Anlage 20kW Montagesysteme / Modulbefestigungen Leitungsverlegung Blitzschutz und Schutz-Potenzialausgleich Einrichtungen zum Trennen und Schalten AC / DC Wechselrichter / Fehlerstromschutz Überspannungsschutz Messungen / Prüfungen / Dokumentation Zusammenfassung 2

4 Normen / Vorschriften / Richtlinien STI SN SEV 1000 EN Solar - Photovoltaik - Stromversorgungssysteme Niederspannungs-Installationsnormen NIN Teil 7.12 Photovoltaik Netzgekoppelte Photovoltaik-Systeme Mindestanforderungen an Systemdokumentation, Inbetriebnahmeprüfungen und Prüfanforderungen DIN V VDE Selbsttätige Schaltstelle zwischen einer netzparallelen Energieerzeugungsanlage und dem öffentlichen Niederspannungsnetz 4

5 Normen / Vorschriften / Richtlinien VKF - Merkblatt VKF - Brandschutzmerkblatt d Solaranlagen Merkblatt 5 SWISSOLAR Stand der Technik Papier 22001d zu VKF - Brandschutzmerkblatt September 2012 Technik Papier Stand der

6 Normen / Vorschriften / Richtlinien EN Netzgekoppelte Photovoltaik-Systeme Mindestanforderungen an Systemdokumentation, Inbetriebnahmeprüfungen und Prüfanforderungen Kapitel 4 Kapitel 5 Anforderungen an Systemdokumentation Auflistung über den Mindestumfang der Dokumentation. Detaillierte Anforderungen was für Aufschriften, Kennzeichnungen, Prinzipschemas, Stromlaufpläne, Datenblätter, Wartungsangaben, Prüfprotokolle vorhanden sein müssen. Prüfungen Anforderungen an Erst- und Wiederholungsprüfungen. Detaillierte Angaben über die geforderten Prüfungen und Prüfverfahren. 6

7 Normen / Vorschriften / Richtlinien DIN V VDE Selbsttätige Schaltstelle zwischen A einer netzparallelen Energieerzeugungsanlage und dem öffentlichen Niederspannungsnetz Anforderungen an die Schaltstelle Kennzeichnung der Wechselrichter Spannungs- und Frequenzüberwachung mit Grenzwerten Gleichstromeinspeisung ins Niederspannungsnetz Verhinderung vom unbeabsichtigten Inselbetrieb Fehlerstromüberwachung (RCMU) für trafolose Wechselrichter EMV-Anforderungen hinsichtlich Funkstörungen 7

9 Planvorlagen Nach der Verordnung über das Plangenehmigungsverfahren für elektrische Anlagen (VPeA) Art. 1 Abs. 1b sind Photovoltaikanlagen > 3 kva einphasig oder > 10 kva mehrphasig mit Verbindung zu einem Verteilnetz planvorlagepflichtig. ESTI - Mitteilung "Photovoltaikanlagen" 03/2010 Mit dem Bau der PV-Anlage darf erst begonnen werden, wenn die Plangenehmigungsverfügung rechtskräftig ist, d.h. nach Ablauf der Einsprachefrist. 9

10 Installationsbewilligung Bei Photovoltaikanlagen fallen die gesamten Installationsarbeiten ab den Anschlussklemmen der Panels (PV-Module) unter die Bewilligungspflicht nach NIV. Grundsätzlich ist eine allgemeine Installationsbewilligung (NIV Art. 7), eine Bewilligung für Betriebe (NIV Art. 9), oder eine eingeschränkte Bewilligung für Installationsarbeiten an besonderen Anlagen (NIV Art. 14) erforderlich. ESTI - Mitteilung "Photovoltaikanlagen" 03/

11 Kontrolle durch ESTI Bei vorlagepflichtigen Photovoltaikanlagen kontrolliert das ESTI nach der Fertigstellung ob die Anlage vorschriftsgemäss erstellt worden ist (Planvorlagenabnahme). Grundlage für diese Abnahmekontrolle bilden die Fertigstellungsanzeige gemäss Art. 12 VPeA und die Sicherheitsnachweise für den DC-Teil und den AC-Teil, welche gemäss der Planvorlagenverfügung gefordert sind. Bei vorlagepflichtigen Photovoltaikanlagen mit Kontrollperioden < 20 Jahre erledigt das ESTI im Rahmen der Planvorlagenabnahme auch die unabhängige Kontrolle gemäss NIV Art. 35. ESTI - Mitteilung "Photovoltaikanlagen" 03/

13 Gefahren von Photovoltaikanlagen Die Komponenten sind teilweise im Freien, d.h. der Witterung, der Flora und Fauna und der Korrosion ausgesetzt. Es sind hohe DC-Spannungen bis ca. 1000V vorhanden. Es ist dauernd Spannung vorhanden solange Tageslicht. Lichtbögen in DC-Stromkreisen löschen nicht von selbst. Die Komponenten werden oft mit Nennleistung betrieben. Die Kurzschlussströme sind nur unwesentlich grösser als der Nennstrom, d.h. Kurzschlussschutz mit konventionellen Überstromunterbrechern funktioniert nicht. Bei trafolosen WR können kapazitive Berührungsströme entstehen. Für die Erstellung sind verschiedene Handwerker involviert. Es gibt noch fast keine interdisziplinären Spezialisten (Solateure). 13

14 Gefahren von Photovoltaikanlagen Betriebsbedingungen und äussere Einflüsse Sämtliche Betriebsmittel müssen den besonderen Anforderungen durch äussere Einflüsse entsprechen. Insbesondere sind folgende besonderen Einflüsse zu beachten: - Feuer - UV- Strahlung - Feuchtigkeit, Nässe, Kondenswasserbildung - mechanische Beanspruchungen 14

15 Gefahren von Photovoltaikanlagen Die langjährige Schadenerfahrung der Versicherungen belegt deutlich: Der Grossteil der Schäden kann vermieden werden, wenn ein entsprechender Qualitätsanspruch bei der Auswahl der Komponenten, eine sorgfältige Planung und insbesondere die fachgerechte Ausführung gegeben ist. Nicht verpresste Aderendhülsen 15

16 Äussere Einflüsse Betriebsbedingungen und äussere Einflüsse Sämtliche Betriebsmittel müssen den besonderen Anforderungen durch äussere Einflüsse entsprechen. Insbesondere sind folgende besonderen Einflüsse zu beachten: - Feuer - UV- Strahlung - Feuchtigkeit, Nässe, Kondenswasserbildung - mechanische Beanspruchungen Die mechanische Festigkeit der Modulbefestigungen, Fundamente und dergleichen gegen Einwirkungen von Wind, Wasser, Schnee, Kälte, Wärme und Brand sind die SIA 260, 261 und 261/1 einzuhalten. 16

17 Äussere Einflüsse Ungeeignete Materialverbindungen führen innert kurzer Zeit zu Korrosionsproblemen! 17

19 Beispiel PV-Anlage 20kW Modulhalterungen "PVSTEIN" Module E in Metallrahmen Modulrahmen an Blitzschutz Strangverkabelung sonderisoliert 19

20 Beispiel PV-Anlage 20kW 88 Module "Conergy PowerPlus 230W" E in Metallrahmen 7 Stränge mit je 13 Modulen in Serie UMPP = 381V UOC = 474V 1 Strang mit 10 Modulen in Serie UMPP = 293V UOC = 365V Strangstrom IMPP = 7.85A Kurzschlussstrom ISC = 8.15A 3 Wechselrichter "Solarmax 6000C" mit Trafo 1 Wechselrichter "Solarmax 2000S" ohne Trafo DC-Verteiler AC-Verteiler Wechselrichter 20

21 Beispiel PV-Anlage 20kW 21

22 Beispiel PV-Anlage 20kW DC-Verteiler / Feldverteiler DC-Trennstelle und Überspannungsschutz WR 6000W WR 2000W DC-Verteiler AC-Verteiler 22

23 Beispiel PV-Anlage 20kW Netzrückspeiseschutz nicht eingestellt 1) Abstände WR gemäss Handbuch nicht eingehalten Temp = 86 C 2) AC-Anschlüsse mit Steckern nicht gemäss Handbuch 3) WR nicht an Potenzialausgleich 4) Absicherung WR nicht gemäss Handbuch und nicht selektiv 5) Eingänge und Ausgänge der Überspannungsableiter sind 2m parallelgeführt = SPD wirkungslos! 23

24 Beispiel PV-Anlage 20kW Netzrückspeiseschutz programmiert gemäss Voreinstellung CH Abstände WR gemäss Handbuch > 0.8m bei Anordnung übereinander AC-Anschlüsse mit Steckern und felxiblem Kabel WR-Gestell an Potenzialausgleich mit Verbindung zu Blitzschutz Absicherung WR mit LS C gemäss Handbuch und selektiv Eingänge und Ausgänge der Überspannungsableiter sind getrennt geführt 24

26 Montagesysteme / Modulbefestigungen Montagesysteme für PV-Module Aufdach Dachintegration Flachdach Fassaden Für die mechanische Festigkeit der Modulbefestigungen, Fundamente und dergleichen gegen Einwirkungen von Wind, Wasser, Schnee, Kälte, Wärme und Brand sind die SIA 260, 261 und 261/1 einzuhalten. Beim Einbau der Module sind die Angaben der Hersteller zu beachten. 26

27 Montagesysteme / Modulbefestigungen Beschädigungen durch Wind und Schnee 27

28 Montagesysteme / Modulbefestigungen Montage gemäss Querverstrebungen in jedem Herstellerangaben zweiten Feld fehlen 28

29 Montagesysteme / Modulbefestigungen Abstände gemäss Herstellerangaben Diverse Herstellerangaben nicht eingehalten 2cm 54cm Befestigungsabstände 15cm - 30cm Befestigungsabstände zwischen 2-54cm Abrutschsicherungund Schneefang fehlt 29

31 Leitungsverlegung Auswahl und Errichtung nach den Umgebungsbedingungen PV-Array, und PV-DC-Hauptkabel/-leitungen müssen in einer solchen Weise ausgewählt und errichtet werden, dass das Risiko eines Erdschlusses oder Kurzschlusses auf ein Minimum reduziert ist. Äussere Einflüsse die zu erwarten sind, wie Wind, Eisbildung, Temperaturen und Sonneneinstrahlung, Fauna und Flora müssen berücksichtigt werden. 31

32 Leitungsverlegung PV-Gleichstromhauptleitung Die PV-Gleichstromhauptleitung ist ortsfest zu verlegen und es sind Isolationsmaterialien zu verwenden welche erhöhte Anforderungen an die Isolation (halogenfreie Isolationsmaterialien) erfüllen. PVC-Isolationen sind dazu nicht geeignet. Führen solche Leitungen über brennbare Gebäudeteile sind diese in nichtbrennbare oder schwerbrennbare Rohre oder Kanäle zu verlegen oder es sind Kabel mit einer metallischen Umhüllung oder einem konzentrischen Leiter zu verwenden (keine PVC-Isolation). PVC-Kanäle sind dazu nicht geeignet. 32

33 Leitungsverlegung VKF DC - Leitungen Die DC-Leitungen zwischen dem Solarzellenfeld und dem Wechselrichter sollen auch im Störungsfall einen erhöhten Schutz gegen Berührung, mechanische Einwirkung und Nagetierfrass aufweisen. DC-Leitungen durch feuergefährdete Betriebsstätten sind nicht gestattet, ausser sie sind in allseitig geschlossene nicht- oder schwerbrenn-bare Rohre oder Kanäle (BKZ 5.2) verlegt und mit einer Fehlerstromschutzeinrichtung (RCD) oder gleichwertigen Schutzeinrichtung (Isolations- oder Erdschlussüberwachung) mit Abschaltung versehen. 33

34 Leitungsverlegung Gefahr von Kurz- und Erdschlüssen, Brandgefahr! 34

35 Leitungsverlegung Gefahr von Kurz- und Erdschlüssen, Brandgefahr! 35

36 Leitungsverlegung Gefahr von Kurz- und Erdschlüssen, Brandgefahr! 36 VSEK Fachabend Kontrolle von Photovoltaikanlagen Martin Kenner

37 Leitungsverlegung Gefahr von Kurz- und Erdschlüssen, Stolpergefahr! 37

38 Leitungsverlegung Gute Beispiele von DC - Verkabelungen 38

39 Leitungsverlegung Gute Beispiele von DC - Verkabelungen 39

41 Blitzschutz und Schutz-Potenzialausgleich Schutz-Potenzialausgleich und Blitzschutz Für das Erstellen von Blitzschutzanlagen gelten die Leitsätze des SEV 4022:2008 "Blitzschutzsysteme" Grundsätzlich wird ein Gebäude durch die Errichtung einer PV-Anlage nicht blitzschutzpflichtig. Bei Gebäuden welche eine äussere Blitzschutzanlage aufweisen sind die metallischen, betriebsmässig nicht stromführenden Teile der Anlage (z. B. Gestelle, Rahmen) in die äussere Blitzschutzanlage einzubeziehen. 41

42 Blitzschutz und Schutz-Potenzialausgleich Schutz-Potenzialausgleich und Blitzschutz Sofern das Gebäude keine äussere Blitzschutzanlage aufweist, sind die metallischen, betriebsmässig nicht stromführenden Teile der Anlage (z. B. Gestelle, Rahmen) in den Schutz-Potenzialausgleich ( ) einzubeziehen. Dies gilt auch für metallene Modulrahmen von Modulen mit Sonderisolation Der Querschnitt der Schutz-Potenzialausgleichsleitung beträgt 10 mm 2. 42

43 Blitzschutz und Schutz-Potenzialausgleich Schutz-Potenzialausgleich und Blitzschutz Erfüllt die Anlage (gesamte DC-Seite) die Anforderungen der Schutzklasse II und ist der Wechselrichter mit einer einfachen galvanische Trennung z. B. mit Transformator ausgerüstet, kann auf den Schutz-Potenzialausgleich verzichtet werden. Bei Dünnschichtmodulen der Schutzklasse II kann ein Potenzialausgleich je nach Herstellerangaben trotzdem erforderlich sein (Statische Aufladung / TCO-Korrosion). 43

44 Blitzschutz und Schutz-Potenzialausgleich Schutz-Potenzialausgleich und Blitzschutz Anmerkung: Werden Wechselrichter ohne galvanische Trennung verwendet, können an den metallischen Rahmen von Solarmodulen durch Kapazitäten der Module unzulässig hohe Berührungsströme auftreten. 44

45 Blitzschutz und Schutz-Potenzialausgleich Schutz-Potenzialausgleich und Blitzschutz Der Schutz-Potenzialausgleichsleiter muss einen minimalen Querschnitt von 10 mm 2 aufweisen. Muss mit einem Teilblitzstrom in der Hauptleitung gerechnet werden, wird idealerweise die PV-Gleichstromhauptleitung mit einem konzentrischen Schutzleiter verlegt. Kabel mit blitzstromtragfähiger Abschirmung z.b. Ceander XKT / GKT oder RADOX-Solar 45

47 Einrichtungen zum Trennen und Schalten Geräte zum Trennen und Schalten Zum Durchführen von Wartungsarbeiten am PV-Wechselrichter müssen Einrichtungen zum Trennen des PV-Wechselrichters auf der Gleichspannungsseite und der Wechselspannungsseite vorgesehen werden. In Anlagen mit einem maximalen Betriebsstrom von 10 A und einer maximalen Leistung von 2.0 kw kann der Trennschalter auf der DC-Seite durch eine für diesen Zweck geeignete Steckverbindung ersetzt werden. Solche Steckverbindungen müssen für die DC-Anwendung geeignet sein und die spannungsführenden Teile Kontakte müssen gegen zufällige Berührung geschützt sein. 47

48 Einrichtungen zum Trennen und Schalten 3-phasiger AC-Anlageschalter DC-Lasttrennschalter ESS Electronic Solar Switch 48

49 Einrichtungen zum Trennen und Schalten DC / AC Schalter DC / AC Stecker 49

50 Einrichtungen zum Trennen und Schalten AC-Schalter extern / 3 DC-Schalter im WR integriert 50

51 Einrichtungen zum Trennen und Schalten DC - Schalter in WR integriert AC - Schalter in unmittelbarer Nähe der WR 51

52 Einrichtungen zum Trennen und Schalten Gemäss STI muss die gesamte EEA mit einer Schalteinrichtung getrennt werden können. 52

53 Einrichtungen zum Trennen und Schalten Beim Aneinanderreihen von LS muss unbedingt ein Abstand zwischen den LS eingehalten werden. 53

54 Einrichtungen zum Trennen und Schalten Schalteinrichtungen sind nicht zugänglich! 54

55 Einrichtungen zum Trennen und Schalten 3 Wechselrichter 100kW an Fassadenanbau! Die WR und die Wartungsschalter sind nicht zugänglich. 55

57 Wechselrichter Die Herstellerangaben / Installationsanweisungen der Wechselrichter müssen unbedingt beachtet werden WR mit oder ohne Trafo Montageabstände / Montagelage / IP-Schutzgrad Umgebungsbedingungen / Umgebungstemperatur Vorsicherung vom WR Anschlüsse AC und DC / Trennstellen Fehlerstromüberwachung RCMU Netzrückspeiseschutz Zusätzliche Erdung EMV-Kategorie 57

58 Wechselrichter Fehlerschutz (Schutz bei indirektem Berühren) Enthält der PV-Wechselrichter keine einfache Trennung, (trafoloser WR) muss AC-seitig eine Fehlerstromschutzeinrichtung (RCD) I n 30mA Typ B vorgeschaltet werden oder die DC-Seite in Schutzklasse II ausgeführt werden und eine andere gleichwertige Massnahme angewendet werden welche verhindert, dass Gleichfehlerströme in der elektrischen Anlage auftreten können. WR-interne Fehlerstromüberwachung RCMU Konformitätserklärung überprüfen 6) 58

59 Wechselrichter Entsprechen die WR der Norm VDE / A1 (2006) ist eine RCMU und eine Einrichtung für den Netzrückspeiseschutz integriert. 59

60 Wechselrichter Vorsicht bei geänderten Aufschriften oder speziellem Setup! 60

61 Wechselrichter Freischaltstellen gemäss VDE V / A Netzüberwachung Spannung 80% U N bis 115% U N 0.2s Spannung 110% U N 10Min Frequenz 47.5Hz bis 51.5Hz 0.2s Gleichstrom 1.0A DC in AC-Stromkreis 0.2s RCMU Fehlerströme 30mA in DC-Stromkreis 0.2s 61

63 Überspannungsschutz Schutz gegen atmosphärische Überspannung Um einen optimalen Schutz der Anlage zu erreichen und die Brandgefahr zu minimieren, wird empfohlen, an den Enden der DC- und der AC-Leitungen zum Schutz der Leitungen und des Wechselrichters, Überspannungs- Schutzeinrichtungen (SPDs) anzuordnen. Auf der DC-Seite sind die Überspannungs-Schutzeinrichtungen möglichst nahe bei der Kabeleinführung in das Gebäudeinnere anzuordnen. Je nach Schutzziel sind weitere Überspannungsableiter anzubringen. 45% der Schäden an PV-Anlagen sind auf Überspannungen zurückzuführen. (Quelle Mannheimer Versicherung / Statistik ) 63

64 Überspannungsschutz Beherrschung von Überspannungen abgestützt auf eine Risikoanalyse Bezüglich der Schutzniveaus werden die folgenden Auswirkungen unterschieden: a) Auswirkungen in Bezug auf das menschliche Leben z. B. Anlagen für Sicherheitszwecke, medizinische Betriebsmittel in Krankenhäusern b) Auswirkungen in Bezug auf öffentliche Einrichtungen z. B. Ausfall von öffentlichen Diensten, Telekommzentren, Museen c) Auswirkungen in Bezug auf Gewerbe- oder Industrieaktivitäten z. B. Hotels, Banken, Industriebetriebe, Gewerbemärkte, Bauernhöfe Sind Auswirkungen entsprechend den Fällen a) bis c) zu erwarten, so muss der Schutz bei Überspannung vorgesehen werden. 64

65 Überspannungsschutz Vermehrt werden Dachflächen von den Eigentümern der Liegenschaften sogenannten "Solar Contractoren" (Investor und Betreiber der PV-Anlage) zur Verfügung gestellt. Die Eigentümer sind sich meist nicht bewusst, welche Risiken mit einer PV-Anlage verbunden sind. Stringkabel mit grosser Schlaufenfläche wurden ohne Überspannungsschutz von der Dacheinführung bis in den Keller (ca. 30m) auf einem gemeinsamen Trasse mit der Gebäudeverkabelung geführt! Bei einer Blitzeinkopplung muss mit einem totalen Ausfall der Gebäude- und Informationstechnik gerechnet werden! 65

66 Überspannungsschutz Schutz gegen elektromagnetische Beeinflussung Um durch Blitzschläge induzierte Spannungen zu verringern, muss die Fläche aller Leiterschleifen so gering wie möglich sein. 66

67 Überspannungsschutz Gute Anordnung der Überspannungsableiter (SPD) 67

68 Überspannungsschutz Überspannungsableiter fehlen oder unwirksam! SPD Einsätze fehlen parallel 8m PE 15m 68

70 Messungen / Prüfungen / Dokumentation Gemäss EN (5.4.1) müssen nach den Prüfungen der AC-Stromkreise folgende Prüfungen an den DC-Stromkreisen durchgeführt und dokumentiert werden: Durchgängigkeit der Schutz- und Potenzialausgleichsleiter Polaritätsprüfung 70 Prüfung der Leerlaufspannung U 0 Prüfung des Kurzschlussstroms I

71 Messungen / Prüfungen / Dokumentation Für die Messungen und Prüfungen gibt es spezielle Messgeräte, (PV-Tester) die Messungen können aber auch mit normalen Multimetern und Installationstestern durchgeführt werden. 71

72 Messungen / Prüfungen / Dokumentation Messungen mit PV-Tester Messungen mit Multimetern und Installationstestern 72

73 Messungen / Prüfungen / Dokumentation In der EN / Kapitel 4 sind die Mindestanforderungen an die Systemdokumentation und Aufschriften detailliert beschrieben. Aufschriften Prinzipschemas Mechanische Konstruktion Erdungskonzept Überspannungsschutz Stromlaufpläne Stringpläne Datenblätter Wartungsangaben Prüfprotokolle 7) 73

75 Zusammenfassung Die Kontrolle von Photovoltaikanlagen benötigt spezielle Kenntnisse und Erfahrung. Man muss sich umfassend mit der Materie auseinandersetzen. Das Kapitel 7.12 der NIN oder die ESTI-Weisung STI sind nicht allein massgebend. Es müssen auch die EN-Normen und die VKF-Richtlinien berücksichtigt werden. Die Herstellerangeben / Instruktionsanweisungen von den Herstellern der Wechselrichter, PV-Module usw. müssen zwingend beachtet werden. Eine Checkliste für die Kontrolle ist hilfreich und als Arbeitsgrundlage vorhanden. 8) Swissolar wird demnächst ein DC-Messprotokoll veröffentlichen 75

76 Danke für f r die Aufmerksamkeit 76