Neue Vorschrift zum Blitz- und Überspannungsschutz Teil 2

Transkript

1 Fotolia.com Gunnar Assmy ENERGY Neue Vorschrift zum Blitz- und Überspannungsschutz Teil 2 Um Personen und die technischen Einrichtungen zu schützen, wird bei Photovoltaikanlagen ein Blitz- und/oder Überspannungsschutz empfohlen. Was dabei zu beachten ist, steht im Beiblatt 5 der DN EN Dieses Beiblatt wurde aktuell überarbeitet und erschien im Februar 214. Nachdem der erste Teil des Fachartikels in der etz 1-2/214 erläuterte, wie der normgerechte Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Dachanlagen nach dem neuen Beiblatt auszusehen hat, befasst sich dieser zweite Teil mit den Freiflächenanlagen. Text: Josef Birkl n der Edition 2 des Beiblatts 5 der DN EN (VDE ) [1] wurde auch der Anhang D zum Blitzund Überspannungsschutz von PV-Freiflächenanlagen deren Erdungssystem, sondern enthält auch Aussagen zur Blitzstromverteilung und damit einhergehend zur Blitzstrombelastung der Verkabelung in Freiflächenanlagen. überarbeitet. Er befasst sich nicht mehr ausschließlich mit Erdungssysteme bei PV-Freiflächenanlagen Hannover Messe Dehn + Söhne: Halle 13, Stand C8 62 n dem neuen Beiblatt wurden zudem die Empfehlungen zur Errichtung des Erdungssystems bei Freiflächenanlagen präzisiert. Grundsätzlich gelten bei PV-Freiflächenanlagen die Aussagen in der allgemeinen Blitzschutznorm DN EN S1/214

2 1 Prinzipielle Anbindung von Modultischen an die Erdungsanlage (links) sowie die Ausführung der Erdungsanlage bei Streifenfundamenten (rechts) (VDE ) zu Erdungsanlagen in ausgedehnten Flächen. Die Erdung derartiger baulicher Anlagen ist zum Schutz der elektrischen Anlagen sehr wichtig. Eine Erdungsanlage mit geringer lmpedanz verringert die Potentialdifferenz zwischen den baulichen Anlagen und damit die Störeinkopplung in die elektrischen Verbindungen. Dieses grundsätzliche Schutzziel ist auch bei der Überarbeitung des Beiblattes 5 beibehalten worden. Es wird deshalb weiterhin ein niedriger Erdungswiderstand von kleiner 1 Ω empfohlen. Um durch ein vermaschtes Erdungssystem möglichst eine ideale Äquipotenzialfläche zu erhalten, sind die einzelnen Erdungsanlagen von Betriebsgebäude und PV- Besuchen Sie uns auf der HANNOVER MESSE April 214, Halle 11, Stand C3 AUTOMATON BRAUCHT NNOVATON. Wo immer mehr zesse automatisiert werden, muss auch die Technik dahinter automatisch gut sein. So wie die Verbindungslösungen von Lapp. Für Steuerungstechnik und industrielle Netzwerktechnik, Bustechnik und Lichtwellenleiter, vom Office-Bereich bis in die Sensor-/Aktor-Ebene: Lapp bietet heute schon komplette Lösungen für die intelligente Fabrik von morgen. S1/214 U.. Lapp GmbH Schulze-Delitzsch-Str. 25 D-7565 Stuttgart Tel.: Fax: info@lappkabel.de 63

3 ENERGY 2 PV-Freiflächenanlage mit Zentralwechselrichter Modulfeld miteinander zu verbinden. Auch die Empfehlung einer Maschengröße von 2 m 2 m bis 4 m 4 m hat sich nicht geändert. Präzisiert wurden jedoch die Empfehlungen wie sich dieses vermaschte Erdungssystem bei PV-Flächenanlagen realisieren lässt. n der ersten Ausgabe des Beiblatts 5 von 29 stand bereits, dass man Schraubfundamente als Erder verwenden kann, wenn die Wand dicke der Rohre den Vorgaben von der Tabelle 7 der DN EN (VDE ) entspricht. Diese fordert Typ-1-PV-SPD Typ-1- oder Typ-2-AC-SPD Blitzteilströme Gesamtstrom,1,2,3 Strom Erdungsnetzwerk R ST = 1 Ω Strom SPD (+) PE R ST = 1 Ω R ST = 1 Ω R ST = 1 Ω,4,5,6 t 3 Stromaufteilung bei PV-Freiflächenanlagen mit Zentralwechselrichter,7,8 ms 1 beispielsweise für file aus feuerverzinktem Stahl einen Querschnitt von mindestens 29 mm 2 und eine Mindestdicke von 3 mm. Die Ausgabe des Beiblatts 5 von 29 legte auch fest, dass bei der Verwendung von Schraubfundamenten als Einzelfundament die Mindesterderlänge l 1 nach Bild 3 der DN EN (VDE ) einzuhalten ist. Für die Schutzklasse ergibt sich nach Abschnitt der DN EN (VDE ) für Vertikalerder eine Mindestlänge von 2,5 m (,5 l 1 ). Diese Länge gilt für die Klasse unabhängig vom spezifischen Erdungswiderstand. n das neue Beiblatt wurde nun der Hinweis aufgenommen, dass bei Modulgestellen mit Schraub- oder Rammfundamenten, die miteinander dauerhaft und blitzstromtragfähig verbunden sind, die im Erdreich wirksamen Einzellängen von <2,5 m addiert werden können, um die Vorgaben an die Mindesterderlänge l 1 nach DN EN (VDE ) [2] zu erfüllen (Bild 1 links). Die Blitzstromtragfähigkeit der Anbindung ist dabei durch eine Prüfung entsprechend DN EN (VDE ) [3] nachzuweisen. Neu eingefügt wurde in der Edition 2 des Beiblatts 5 auch der Hinweis, dass metallene Modultische mit Schrauboder Rammfundamenten, die den oben beschriebenen Vorgaben entsprechen, als Teil der vermaschten Erdungsanlage genutzt werden können. Erweitert wurden auch die Aussagen zur Verwendung von Streifenfundamenten als Teil der Erdungsanlage. Streifenfundamente bei PV-Anlagen entsprechen in der Regel nicht den baulichen Eigenschaften von Streifenfundamenten bei Gebäuden. So kommen beispielsweise oft Bahnschwellen oder ähnliche Fertigteile als oberirdisch verlegte Streifenfundamente zum Einsatz. Solche Streifenfundamente haben im Vergleich zu Rammoder Schraubfundamenten eine deutlich reduzierte Erderwirkung. Deshalb empfiehlt die Norm eine zusätzliche Erdungsanlage. Die metallenen Modulgestelle sind blitzstromtragfähig an die Erdungsanlage anzubinden (Bild 1 rechts). Zudem enthält die zweite Ausgabe des Beiblatts 5 nun auch einen Abschnitt D.3 zur Blitzstromverteilung und Belastung der SPD bei PV-Freiflächenanlagen. Die dort getätigten Aussagen basieren auf Computersimulationen zur Blitzstromverteilung einer PV-Freiflächenanlage, wie sie in Beiblatt 1 der DN EN (VDE ) [4] beschrieben sind. Blitzstromverteilung Das Beiblatt 5 wurde um einen Abschnitt erweitert, in dem auf die Blitzstromverteilung in PV-Freiflächenanlagen eingegangen wird. Dieser enthält 64 S1/214

4 AC-SPD Typ 1 PV-SPD Typ 2 Blitzteilströme 4 PV-Freiflächenanlage mit Stringwechselrichter kv 1 U 1,1,2,3 die unterschiedlichen Faktoren, die die Blitzstrombelastung der elektrischen Verkabelung und der SPD beeinflussen. Dazu gehören: die zugrunde gelegte Blitzschutzklasse bei PV-Freiflächenanlage üblicherweise LPL, Gesamtstrom Strom SPD Transformator R ST = 1 R ST = 1 Spannung SPD String DC-Seite R ST = 1 R ST = 1,4,5,6 t 5 Stromaufteilung bei PV-Freiflächenanlagen mit Stringwechselrichter Zentralwechselrichter m Beiblatt 1 der DN EN (VDE ) wird zudem die Stromaufteilung einer PV-Anlage mit Zentralwechselrichter am Beispiel von Bild 2 analysiert. Dabei variieren die für die Blitzstromverteilung maßgeblichen Faktoren wie Erdungswiderstand und Einschlagort. Bild 3 zeigt die Blitzstromverteilung bei einem direkten Einschlag in das äußere Blitzschutzsystem im Abstand von etwa 1 m zum dargestellten SPD. Das in Beiblatt 1 beschriebene Beispiel zeigt, dass sowohl bei relativ niedrigem als auch bei einem hohen spezifischen Erdungswiderstand ein Großteil des Blitzstroms direkt in die Erdungsanlage abfließt. Es fließen jedoch auch Blitzteilströme in der DC-Verkabelung, da die theoretische Annahme, dass die gesamte Fläche der PV-Anlage als Äquipotenzialfläche ausgeführt ist, in der Praxis bei großflächigen Anlagen nicht immer vollständig realisiert werden kann. Die energietechnische Verkabelung wirkt dabei quasi als Potentialausgleichsleiter zwischen der lokalen Erde des Modulfelds, in dem der direkte Blitzeinschlag erfolgt, sowie der fernen Äquipotenzialfläche des Zentralwechselrichters. Die Blitzteilströme fließen also bei einer PV-Freiflächenanlage mit Zentralwechselrichter auf den DC- Leitungen zwischen den Generatoranschaltkästen und dem DC-Eingang des Zentralwechselrichters. Dementsprechend empfiehlt die Norm in den Generatoranschaltkästen und dem DC- Eingang des Zentralwechselrichters den Einsatz von Typ-1-PV-SPD. Charakteristisch für die Blitzteilströme, die über die SPD in der Verkabelung der PV- Anlage fließen, ist die Verkürzung der Stromflussdauer. Um diese Belastung mit den normativ festgelegten Kenn- Strom SPD String AC-Seite R ST = 1 R ST = 1,7,8 ms 1 der spezifische Erdungswiderstand für das in Beiblatt 5 zugrunde gelegte Beispiel wurde als höchster spezifischer Erdwiderstand 1 Ω verwendet, die Ausführung der DC-Verkabelung im Beiblatt 5 wird nur die energietechnische Verkabelung mit Zentralwechselrichtern betrachtet und die Ausführung des Erdungssystems (Vermaschung und Maschenweite) für die Beispiele in Beiblatt 5 wurde eine Maschenweiter von 2 m 2 m angesetzt. Bei größeren Maschenweiten sind höhere Blitzteilströme über die SPD zu erwarten. S1/

5 ENERGY Blitzschutzklasse und maximaler Blitzstrom (1/35 μs) Werte für spannungsbegrenzende oder kombinierte (Reihenschaltung) SPD Typ 1 1/35 () und V 1 Spannungsschaltende oder Parallelschaltung SPD Typ 1 8/2 () 1/35 () total total total Mindestableitvermögen von Typ-1-SPD bei PV-Freiflächenanlagen größen von SPD vergleichen zu können, ist eine Umrechnung in einen genormten 1/35 Blitzstromimpuls über die äquivalente mpulsladung notwendig. Stringwechselrichter Allerdings werden PV-Freiflächenanlagen häufig auch mit Stringwechselrichtern ausgeführt. Beiblatt 5 enthält nun den Hinweis, dass auch die Ausführung der energietechnischen Verkabelung, also die Ausführung mit Stringwechselrichter oder Zentralwechselrichter, die Blitzstromverteilung beeinflusst. Detailliert wird die Blitzstromverteilung bei Stringwechselrichtern in dem Beiblatt 5 jedoch nicht beschrieben. Die Blitzstromverteilung und die entsprechenden Stromverläufe in einer PV-Freiflächenanlage mit Stringwechselrichtern (Bild ) zeigt Bild. Auch bei Stringwechselrichtern wirkt die energietechnische Verkabelung wieder als Potentialausgleichsleiter zwischen dem lokalen Erdpotenzial des Modulfelds, in dem der direkte Blitzeinschlag erfolgte, und der fernen Äquipotenzialfläche des Einspeisetransformators. Der Unterschied zur Anlage mit Zentralwechselrichter liegt nur darin, dass bei Anlagen mit Stringwechselrichtern die Blitzteilströme auf den AC-Leitungen fließen. Dementsprechend sind die SPD Typ 1 auf der ACSeite der Stringwechselrichter und der Niederspannungsseite des Einspeisetransformators zu installieren. Die Blitzstromverläufe weisen eine verkürzte Wellenform auf und entsprechen damit den Parametern bei Zentralwechselrichtern. Auf der DC-Seite der Stringwechselrichter sind Typ-2-SPD ausreichend. Die Stringwechselrichter und das damit verbundene Modulfeld bilden bei einem nach Beiblatt 5 ausgeführten Erdungssystem eine lokale Äquipotenzialfläche, sodass auf der DC-Verkabelung keine Blitzströme zu erwarten sind, sondern die Ableiter im Wesentlichen die induzierten Störimpulse begrenzen. Um dem Planer und dem Errichter von Blitz- und Überspannungsschutzsystemen die Auswahl der geeigneten SPD zu vereinfachten, beschreibt das neue Beiblatt 5 der DN EN (VDE ) das Mindestableitvermögen von Typ-1-SPD in Abhängigkeit von der SPDTechnologie (Tabelle in Bild ). Dies betrifft jedoch nur die Ableiterwerte der Typ-1-PV-SPD auf der DC-Seite von Zentralwechselrichtern. Wie gezeigt, kann man bei Anlagen mit Stringwechselrichtern die gleichen Mindestableitwerte für die Typ-1-AC-SPD heranziehen. 66 Bei einem LPL würde entsprechend dieser Betrachtung und in Übereinstimmung mit dem überarbeiteten Beiblatt 5 für den Schutz der DC-Seite einer PV-Freiflächenanlage mit Zentralwechselrichter und einem normgerechten Erdungssystem bei einem direkten Blitzeinschlag in die Anlage ein spannungsbegrenzender SPD Typ 1 mit imp = 5 1/35 pro sowie zusätzlich geprüft nach Prüfklasse mit n =15 8/2 pro ausreichen. Zusammenfassung Ein Blitzschutz für PV-Systeme ist insbesondere unter den Gesichtspunkten des vorbeugenden Brandschutzes sowie der Anlagenverfügbarkeit und damit einhergehend der Wirtschaftlichkeit von großer Bedeutung für PV-Anlagen. n der Praxis haben sich daher die nhalte des Beiblattes 5 schnell durchgesetzt. n der Edition 2 werden zusätzlich zu den bewährten Aussagen zum äußeren Blitzschutz vor allem Angaben und Präzisierungen zum inneren Blitzschutz bei PV-Anlagen ergänzt. (no) Literatur [1] DN EN (VDE ) Beiblatt 5:29-7 Blitzschutz Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen Beiblatt 5: Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Stromversorgungssysteme. Berlin Offenbach: VDE VERLAG [2] DN EN (VDE ):211-1 Blitzschutz Teil 1: Allgemeine Grundsätze. Berlin Offenbach: VDE VERLAG [3] DN EN (VDE ):213-2 Blitzschutzsystembauteile (LPSC) Teil 1: Anforderungen an Verbindungsbauteile. Berlin Offenbach: VDE VERLAG [4] DN EN (VDE ) Beiblatt 1:212-1 Blitzschutz Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen Beiblatt 1: Verteilung des Blitzstroms. Berlin Offenbach: VDE VERLAG Autor Dipl.-ng. (FH) Josef Birkl ist Prüffeldleiter bei der Dehn + Söhne GmbH + Co. KG in Neumarkt. josef.birkl@technik.dehn.de S1/214