PV Forschungsprojekt Firebreaker Zwischenstand: 3. April 2014 Ralf Martin Müller, TÜV Rheinland LGA Products GmbH

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1 PV Forschungsprojekt Firebreaker Zwischenstand: 3. April 2014 Ralf Martin Müller, TÜV Rheinland LGA Products GmbH

2 Agenda Einführung Anwendungsbereich Was existiert bereits an Anforderungen in Normen? Risiko- und Fehlerszenarienbetrachtung i.r. des Projektes Anforderungen an PV Schaltsysteme (erste Zusammenfassung) Quelle: 1: BSW; 2: Forschproj. FKZ: A : Präsentation TÜV Rheinland

3 PV Firebreaker Motivation 2013: > 1,4 Mio. PV-Anlagen in Deutschland installiert *1 Sicherheit: Entscheidende Rolle bei der Akzeptanz, ergo weiteren Verbreitung der PV-Technologie Berichte in Medien über Brandgefahren und Unfälle infolge eines elekrischen Schlages Diverse Schalterlösungen im deutschen Markt verfügbar*², jedoch mit teilweise fragwürdigem Einsatzzweck und Design Technische Anforderungen an Schaltgeräte für PV Systeme sind bislang in Normen nicht hinreichend spezifiziert Ziel: Erstellung einer Prüfmethode (Spezifikation ), um sichere und zuverlässige Schalter und Trenner zu konstruieren und in den Verkehr zu bringen Quelle: 1: BSW; 2: Forschproj. FKZ: A : Präsentation TÜV Rheinland

4 PV- Firebreaker Projekt :50% ige Förderung durch das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU),FKZ: A Projektträger: ptj Jülich Projektpartner: SMA AG; Eaton Industries AG; Q3 Elektronik; E-T-A GmbH; TR Energie und Umwelt GmbH; TRLP GmbH (Projektltg.) Zeitrahmen: Juli 2013 Juli 2015

5 PV Firebreaker Meilensteine AP 1 Definition und Literaturrecherche AP 2 Potentielle Risiken und Einflüsse durch Schaltvorgänge AP 3 Mindesanforderungen zur Reduzierung von Personenschäden durch elektrischen Schlag AP 4 Laborversuche AP 5 Festlegung technischer Anforderungen AP 6 Verbreitung der Ergebnisse 5

6 PV Firebreaker typische Schaltertopologie einer DC Anlage Kollektorfläche echselrichter = ~ Anschluss an dass öffentliche Versorgungsnetz Präsentation TÜV Rheinland

7 Existierende Anforderungen aus bestehenden Normen VDE AR E u.a. Anforderungen für Schalter /Trenner Anforderungen für Erder/Kurzschließer Forschungsprojekt Firebreaker Anforderungen für Schalter /Trenner Anforderungen für Erder/Kurzschließer PV Research at TÜV Rheinland Cologne

8 Existierende Anforderungen aus bestehenden Normen VDE AR E u.a. Anforderungen an Schalter /Trenner Anforderungen an Erder/Kurzschließer Forschungsprojekt Firebreaker Anforderungen an Schalter /Trenner Anforderungen an Erder/Kurzschließer PV Research at TÜV Rheinland Cologne

9 PV Firebreaker - Normen > 65 Schaltersysteme auf dem dt. Markt verfügbar *² Normenwerke, die PV Schaltgeräte behandeln: Quelle 2: TRLP - VDE-AR-E (Massnahmen für den DC Bereich einer PV Anlage zum Einhalten der elektrischen Sicherheit im Falle einer Brandbekämpfung oder einer technischen Hilfeleistung); - ÖVE RL R 11-1: PV Anlagen (Zusätzliche Sicherheitsanforderungen: Teil 1 Anforderungen zum Schutz von Einsatzkräften) - E DIN IEC (VDE ) : (Low voltage electrical installations PV Power systems) - IEC (Installation and safety requirements for PV generators) - 9

10 Grundfunktionen I: VDE AR u.a. auszugsweise Zum Schalten, Trennen oder Kurzschließen ist eine Einrichtung oder die Kombination mehrerer Einrichtungen geeignet, wenn durch ihr Ansprechen ausgangsseitig - Spannung (zwischen einem aktiven Teil und Erde)< 120 V DC (oberschwingungsfrei) oder - die Summe aller ausgangsseitigen Kurzschlussströme im gleichen ausgangsseitigem DC-System < 12 ma DC oder - die Energie innerhalb des gleichen ausgangsseitigem DC-Systems < 350 mj wird - ÖVE RL R 11-1: kleiner als 120 V Gleichspannung (nur) (5.1.2) - E DIN IEC : kleiner 120 V (nur) ( ) Dauerstrombelastbarkeit mind. für den 1,25-fachen Wert von I SC STC an der Anschlussstelle ausgelegt sein. E IEC : Ausreichende Dimensionierung bzgl. Vollast und Fehlerströmen ( ) Die Einrichtung zum Schalten oder Kurzschließen muss bei Auftreten eines internen Fehlers in einen sicheren Zustand fallen (fail-safe-prinzip), z. B. Kurzschluss im Fehlerfall bei einer Kurzschlusseinrichtung. Ist dies nicht sicherzustellen, dann muss die Funktion der Einrichtung täglich überwacht werden. (ÖVE RL R 11-1: ebenso (5.1.4)) 10

11 Grundfunktionen II (VDE AR u.a. auszugsweise) Bei Ansprechen einer Einrichtung zum Schalten, Trennen oder Kurzschließen am Strangende muss gegebenenfalls eine Einrichtung z.b. Strangdiode, Strangsicherung im selbigen Strang verhindern, dass Rückströme aus den Wechselrichtern oder Rückströme paralleler Stränge auftreten, die die Einrichtung zum Schalten, Trennen oder Kurzschließen in ihrer Funktion beeinträchtigen. (ÖVE RL R 11-1: ebenso (5.1.4)) (nur) OVE RL R 11-1: Messtechnische Prüfungen dürfen nicht beeinflusst werden (5.1.2); I max muss wiederholt störungsfrei schaltbar sein (5.1.4) (nur) E DIN IEC : allpolig ( ); IP54 (bei E IEC /am2: IP2x (innen) / IP33 (außen)), UV- Resistent ( ); zugänglich ( ); keine berührbaren Metallteile ( auch in E IEC )) Doppelte / verstärkte Isolierung (E DIN IEC , ), (E IEC / am2, D.7.2.3) Anforderungen an Dioden (E DIN IEC , ) (IEC 62548, 6.2.8) 11

12 Funktion des Freigabesignals (VDE AR u.a.) Ohne Freigabesignal ist an den ausgangseitigen Anschlüssen der Einrichtung zum Schalten, Trennen oder Kurzschließen eine Spannungs- bzw. Strom- oder Energiebegrenzung (gemäß oben genannter Kriterien) herzustellen. Die Freigabe erfolgt durch ein externes Freigabesignal, z.b. von einem Steuergerät oder einem Wechselrichter, das dauerhaft anstehen muss (fail-safe-prinzip). Wenn innerhalb einer Zeit von max. 15 s das Freigabesignal nicht mehr ansteht, muss die Einrichtung zum Schalten, Trennen oder Kurzschließen ansprechen. Das externe Freigabesignal kann nur erteilt werden, wenn die Netzspannung an der PV-Anlage ansteht. Bei Wegfall der Netzspannung muss das externe Freigabesignal unterbrochen werden. Das Freigabesignal kann zusätzlich durch andere Schalt- und Überwachungseinrichtungen (z. B. Brandmeldeanlage) sowie manuell geschaltet werden, solange vorgenannte Anforderung erfüllt bleibt (ÖVE RL R 11-1: Aktivierung bei Netzausfall oder Abschaltung des WR) Bei Anlagen ohne Netzkopplung oder temporärem Inselbetrieb muss das externe Freigabesignal unterbrochen werden, wenn das Inselnetz bildende System abgeschaltet wird. Bei Wiederkehr des Freigabesignals darf die Einrichtung zum Schalten, Trennen oder Kurzschließen automatisch wiederzuschalten. 12

13 Einrichtungen zum Trennen des Strangs o. Generators (VDE AR 7.2 u.a.) Es muss eine Einrichtung zum Trennen am Strangende bzw. Generatorende oder am Gebäudeeintritt vorhanden sein, die sich durch ein externes Freigabesignal ansteuern lässt. Diese Einrichtung zum Trennen muss am: - Strangende, Generatorende oder Gebäudeeintritt eine definierte dauerhafte Freischaltung sicherstellen. E IEC /am2: Elektronische Schalter müssen zusätzlich galvanisch Trennen (E.7.1.7) Die Einrichtung zum Trennen muss die Anforderungen an ein Schaltgerät nach DIN EN (VDE ) oder nach DIN EN (VDE ) erfüllen IEC 62548: Stromtragfähigkeit ausreichend dimensioniert entsprechend des Stromkreises oder der Sicherung ( ) Zum Durchführen von Wartungsarbeiten am Eingang einer Einrichtung zum Trennen muss eine Möglichkeit zum Trennen von der Gleichspannungsseite vorgesehen werden. ANMERKUNG Anforderungen an Einrichtungen zum Trennen des Strangs oder des PV-Generators müssen noch in einer Produktnorm festgelegt werden. IEC 62548: Polaritätsunabhängig, Anforderungen an integrierte Überstromschutzeinrichtungen ( ) 13

14 Einrichtungen zum Kurzschließen des Strangs o. Generators Ein dauerhaftes Kurzschließen eines Stranges oder eines PV-Generators ist nicht zulässig. Dies ist begründet in dem Auftreten der Strangspannungen an einer ungewollten Unterbrechung oder einer erhöhten Lichtbogengefahr innerhalb des kurzgeschlossenen Stranges. Ein definiertes, kurzzeitiges Kurzschließen (15 s) zum Löschen von Parallel-Lichtbögen im Strang oder im PV- Generator ist zulässig. 14

15 7.4 VDE AR Einrichtungen zum Abschalten des PV Moduls Es muss eine Einrichtung zum Abschalten in oder an der Anschlussdose des Moduls vorhanden sein, die sich durch ein externes Freigabesignal ansteuern lässt. Diese Einrichtung zum Abschalten muss am - Modulausgang, - Ausgang der Anschlussdose des Moduls oder - Ausgang einer externen Anschlussdose - eine definierte dauerhafte Freischaltung sicherstellen. (auch OVE RL R 11-1) Anforderungen an Temperaturprüfungen für Einrichtungen zum Abschalten sind DIN EN (VDE ) oder DIN EN (VDE ) für Anforderungen von Bypass-Dioden zu entnehmen. Die Einrichtung zum Abschalten kann ein Halbleiterschalter ohne Trennfunktion sein, wenn die typischen Ausfallmechanismen eine Abschaltung sicherstellen. ANMERKUNG Anforderungen an Einrichtungen zum Abschalten des PV-Moduls müssen in einer Produktnorm noch festgelegt werden. 15

16 7.5. VDE AR Einrichtungen zum Kurzschließen eines Modules ANMERKUNG Anforderungen an Einrichtungen zum Kurzschließen des PV-Moduls müssen noch in einer Produktnorm festgelegt werden. ÖVE RL R 11-1, 5.1.3): - Kurzschluss definiert, dauerhaft, vernachlässigbare Impedanz - Spannung über ALLE Kurzschließer < 120 V DC - Dauerstrombelastbarkeit mindestens 1,25 * I SC STC - fail safe - keine Gefahr durch Rückströme - Wiedereinschalten erst nach Fehlerbehebung 16

17 Erdung VDE-AR-E /OVE RL R 11-1: sagen nichts dazu aus E DIN IEC : E IEC , : - auf DC-Seite nicht erlaubt, wenn zw. AC- und DC-Seite keine einfache Trennung vorhanden ist ( ) auch IEC ( ) - Bei fehlender Funktionserdung muss Einrichtung zur Erdfehlererkennung DC-seitig errichtet werden ( ) - Bei vorhandener Funktionserdung ist eine Erdfehlerschutzeinrichtung erforderlich ( ) - erfordert galvanische Trennung zwischen DC- u. AC-Seite - DC-seitig nur an einer Stelle des PV-Generators - So nah wie möglich am WR-Freischalter - Bei direkter Erdung automatischer Schalter zur Vermeidung von Fehlerstrom gegen Erde notwendig - Bei Erdung über Widerstand (zur Spannungsbegrenzung) ist Isolationsüberwachung notwendig 17

18 Zusätzliche Anforderungen? VDE AR E u.a. Anforderungen für Schalter /Trenner Anforderungen für Erder/Kurzschließer Forschungsprojekt Firebreaker Anforderungen für Schalter /Trenner Anforderungen für Erder/Kurzschließer PV Research at TÜV Rheinland Cologne

19 Fehlerfallszenarien - Auftrittswahrscheinlichkeit (Auszug aus Bewertungsmatrix) Präsentation TÜV Rheinland

20 Fehlerfreier Betrieb PV (DC) spezifische Anforderungen Fehlerfreier Betrieb: - Kapazitive Entladeströme durch Eingangskapazität des WR - Trennen/Freischalten: - Schalthäufigkeit: selten - Modulfreischalter (Gleichzeitigkeitsfaktor beachten) - Ansprech- und Abschaltzeiten - Kurzschliessen (Rückströme, wenn nur ein Strang kurzgeschlossen wird ) - Umweltanforderungen: Feuchte, Temperatur, Druck, UV Strahlung, Ammoniak- und Salznebelexposition - Elektromagnetische Verträglichkeit / ESD - Atmosphärische Überspannung/Impulsströme - Eigenverbrauch/Ausfall von Mess-und /Sicherheitsgliedern Präsentation TÜV Rheinland

21 Fehlerhafter Betrieb PV (DC) spezifische Anforderungen Fehlerhafter Betrieb: Kurzschluss - Lichtbögen - Nichtlöschung serieller Lichtbögen (AFD)? - Erhöhte Strombelastung durch Rückspeisung paralleler Stränge - Eingangskapazität des WR (bis 1kA) Erdschluss - 1 poliger Erdschluss in geerdeten Anlagen, - Doppelerdschluss (Erdimpedanz!) 21

22 PV Firebreaker Meilensteine AP 1 Definition und Literaturrecherche AP 2 Potentielle Risiken und Einflüsse durch Schaltvorgänge AP 3 Mindesanforderungen zur Reduzierung von Personenschäden durch elektrischen Schlag AP 4 Laborversuche (Start: Sommer 2014) AP 5 Festlegung technischer Anforderungen AP 6 Verbreitung der Ergebnisse 22

23 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ralf Martin Müller, TÜV Rheinland LGA Products GmbH Tel Präsentation TÜV Rheinland