Kriterien für die Auswahl eines RCD

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1 Kriterien für die Auswahl eines RCD Einsatz von Fehlerstromschutzschaltern (RCD) bei SUNNY BOY, SUNNY MINI CENTRAL und SUNNY TRIPOWER Inhalt Bei der Installation von Wechselrichtern ergeben sich häufig Unsicherheiten beim Einsatz eines Fehlerstromschutzschalters (RCD). Bei PV-Anlagen kann dafür vor allem die DIN VDE (IEC :2005) und die DIN VDE (IEC :2002) herangezogen werden. Hier wird der RCD als Schutz gegen indirektes Berühren (Personenschutz) verwendet. RCD-UDE Version 2.0 1/11

2 Begriffsklärung 1 Begriffsklärung Schutzmaßnahmen nach DIN VDE (IEC :2005): Schutzmaßnahmen - Schutz gegen elektrischen Schlag Nach dieser Norm besteht eine Schutzmaßnahme aus zwei Schutzvorkehrungen: Basisschutz: Schutz gegen direktes Berühren. Fehlerschutz: Schutz bei Auftreten eines Fehlers (= Schutz beim indirekten Berühren), d. h. Schutz nach dem ersten Fehler, so dass keine körperlichen Schäden entstehen. Diese Schutzvorkehrung tritt in Kraft, wenn der Basisschutz nicht mehr wirkt. Als Schutzmaßnahme für die wechselstromseitige Installation einer PV-Anlage wird meist der Schutz durch automatische Abschaltung der Stromversorgung vorgesehen. Neben der Isolierung aktiver Teile als Basisschutz wird der Fehlerschutz durch Schutzpotenzialausgleich und durch eine Abschalteinrichtung hergestellt. Diese muss innerhalb der vorgeschriebenen Zeiten nach Auftreten des Fehlers abschalten (bei 230 V AC : 0,2 s in TT-Netzen bzw. 0,4 s in TN-Netzen). 1.1 Netzformen TT-Netz SMA Solar Technology AG 2/11

3 Begriffsklärung TN-Netze TN-C-Netz TN-S-Netz TN-C-S-Netz SMA Solar Technology AG 3/11

4 Begriffsklärung 1.2 Begriffsdefinitionen LS RCD RCMU I a I Δf R A U 0 Z s TT-Netz Leitungsschutzschalter Schaltzeichen für Leitungsschutzschalter Fehlerstromschutzschalter / Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (allstromsensitive) Fehlerstrom-Überwachungseinheit Strom, der das automatische Abschalten innerhalb der geforderten Zeit bewirkt (Kurzschlussschutz). Bei B-Charakteristik des Leitungsschutzschalters ist dies das 5-fache des Nennstroms (I nenn ) des LS. Bei C-Charakteristik ist dies das 10-fache; z. B. LS C16A => Ia = 160 A. Bemessungsdifferenzstrom des RCD. Summe der Widerstände des Erders und des Schutzleiters des (zu schützenden) Körpers. Nennwechselspannung Außenleiter gegen Erde. Schleifenimpedanz der Fehlerschleife (bestehend aus Stromquelle, Außenleiter bis zum Fehlerort und Schutzleiter zwischen Fehlerort und Stromquelle). TN-Netz SMA Solar Technology AG 4/11

5 Möglichkeiten der Abschaltung 2 Möglichkeiten der Abschaltung Die automatische Abschaltung kann durch den Schutzpotenzialausgleich und eine der folgenden Maßnahmen erreicht werden [nach DIN VDE (IEC :2005)]: a) Leitungsschutzschalter (LS) Ein Leitungsschutzschalter kann die automatische Abschaltung gewährleisten, wenn folgende Bedingungen eingehalten werden können: TN-Netz: Wenn TT-Netze:, kann der LS den Schutz durch automatische Abschaltung erfüllen. Als Fehlerschutz ist vorrangig ein RCD vorgesehen. Wenn, kann aber auch hier der LS den Schutz durch automatische Abschaltung erfüllen. Beispiel: Abschaltung durch Leitungsschutzschalter im Fehlerfall im TN-C-S-Netz SMA Solar Technology AG 5/11

6 Möglichkeiten der Abschaltung b) Fehlerstromschutzschalter (RCD) Ein Fehlerstromschutzschalter kann automatische Abschaltung gewährleisten, wenn folgende Bedingungen eingehalten werden können: TN-Netz: Im TN-Netz sind die Fehlerströme wesentlich höher als der Bemessungsdifferenzstrom (I Δf ) des RCD. Somit werden die Abschaltzeiten mit dem RCD immer eingehalten. In TN-C-Netzen ist der Einsatz eines RCD nicht zulässig! TT-Netze: Als Fehlerschutz ist vorrangig ein RCD vorgesehen. Wenn, kann der RCD den Schutz durch automatische Abschaltung erfüllen. Zusammenfassung Folgende Vorgehensweise lässt sich ableiten: Beispiel: Abschaltung durch RCD im Fehlerfall im TT-Netz Es ist zu prüfen, ob der zum Leitungsschutz vorgesehene Leitungsschutzschalter zur automatischen Abschaltung nach obigem Kriterium ausreicht. Ist dies gegeben, fließt über die Fehlerschleife ein Strom (abhängig von der Höhe der Schleifenimpedanz), der höher als der Auslösestrom I a (des Kurzschlussschutzes) ist. Der LS kann somit innerhalb der geforderten Zeiten abschalten. Ist die Schleifenimpedanz zu hoch, muss zusätzlich ein RCD eingesetzt werden (außer im TN-C-Netz). SMA Solar Technology AG 6/11

7 Weitere Gründe für den Einsatz eines RCD 3 Weitere Gründe für den Einsatz eines RCD Neben dem Schutz durch automatische Abschaltung als Fehlerschutz kann ein RCD als Zusatzschutz vorgesehen werden. a) Installationen im Außenbereich Häufig wird die Meinung vertreten, dass für Installationen im Außenbereich immer ein RCD eingesetzt werden muss. Nach DIN VDE (IEC :2005) trifft dies allerdings nur auf Endstromkreise für im Außenbereich tragbare Betriebsmittel mit einem Bemessungsstrom bis 32 A zu. b) Forderungen des Netzbetreibers Einzelne Netzbetreiber passen die allgemeingültigen technischen Anschlussbedingungen (TAB) für deren Netz an und weichen somit von den Standards ab. In diesen spezifischen technischen Anschlussbedingungen kann somit der Einsatz eines RCD gefordert sein. Falls seitens des Netzbetreibers ein RCD gefordert werden sollte, sind Art und Einsatzbedingungen in deren spezifischen technischen Anschlussbedingungen (TAB) geregelt. Häufig gibt es aber seitens des Netzbetreibers keine spezielle Forderung nach einem RCD, sondern nur nach einer normgerechten Installation. c) Notwendigkeit aufgrund anderer Normen Je nach Installationsort bzw. den örtlichen Bedingungen, kann ein RCD aufgrund anderer Normen oder Vorschriften nötig sein. Wird die Installation z. B. in einer Scheune oder in Holzhäusern ausgeführt, gilt auch die DIN VDE (IEC : ). Dann ist ein RCD mit einem Bemessungsdifferenzstrom von maximal 300 ma aus Brandschutzgründen erforderlich. Die verschiedenen Einflüsse sind aber nur vom Installateur vor Ort zu beurteilen. Im nächsten Kapitel werden die Standardinstallationen und die Eigenheiten von PV-Anlagen näher erläutert. d) Zusatzschutz SMA Solar Technology empfiehlt, immer einen RCD als zusätzlichen Schutz zu installieren, um ein höchstmögliches Maß an Sicherheit zu erreichen. Dieser kann dann auch die Funktion eines allpoligen Trennschalters bieten, der häufig aus anderen Gründen oder Vorschriften nötig ist. SMA Solar Technology AG 7/11

8 PV-spezifische Einflüsse für die Auswahl des RCD 4 PV-spezifische Einflüsse für die Auswahl des RCD Neben den vorgenannten Kriterien gibt es bei PV-Anlagen weitere Kriterien zur Auswahl des RCD: a) Forderung aus DIN VDE (IEC :2002) Falls als Fehlerschutz vorgesehen (vgl. 2 b, Seite 6), wird in dieser Norm ein RCD Typ B für transformatorlose Wechselrichter gefordert. Diese Forderung gilt auch für Wechselrichter mit Hochfrequenztransformator, weil keine galvanische Trennung zwischen Wechselstromseite und der Gleichspannungsseite (Zwischenkreis im Wechselrichter) vorhanden ist. Für Wechselrichter mit Transformator (Niederfrequenz-Transformator) gilt diese Forderung nicht. Eine Ausnahme von dieser Forderung besteht, wenn der Hersteller des Wechselrichters ausschließen kann, dass Gleichfehlerströme in der Anlage auftreten können. Dann kann der RCD, falls notwendig, Typ A sein. Alle SMA-Wechselrichter mit Transformator und die nachfolgend aufgeführten transformatorlosen SMA Wechselrichter können konstruktiv bedingt keine Gleichfehlerströme einspeisen. Sie erfüllen diese Anforderung gemäß DIN VDE (IEC :2002). SUNNY BOY: SB 2100TL, SB 3300TL HC, SB 4200TL HC, SB 5000TL HC, SB 3000TL-20, SB 4000TL-20, SB 5000TL-20 SUNNY MINI CENTRAL: SMC 6000TL, SMC 7000TL, SMC 8000TL, SMC 9000TL-10, SMC 10000TL-10, SMC 11000TL-10 SUNNY TRIPOWER: STP 10000TL-10, STP 12000TL-10, STP 15000TL-10, STP 17000TL-10 Unabhängig von der integrierten Fehlerstromüberwachungseinheit (RCMU) wurden die Fehlermöglichkeiten geprüft. Bei Betrachtung dieser Fehler nach den gültigen Installationsnormen kann keine Gefährdung in Kombination mit einem vorgeschalteten Fehlerstromschutzschalter (RCD) Typ A entstehen. Danach können Fehler ausgeschlossen werden, die den Einsatz eines RCD Typ B aufgrund des Wechselrichters erfordern würden. Die integrierte, allstromsensitive Fehlerstromüberwachungseinheit (RCMU) bietet darüber hinaus ein zusätzliches Maß an Sicherheit. Für die oben genannten transformatorlosen Wechselrichter und alle Wechselrichter mit Transformator von SMA Solar Technology können RCDs Typ A eingesetzt werden. SMA Solar Technology AG 8/11

9 PV-spezifische Einflüsse für die Auswahl des RCD b) Betriebsbedingte Differenzströme Bei Betrieb eines transformatorlosen Wechselrichters entstehen betriebsbedingt Gleichdifferenzströme (bedingt durch den Isolationswiderstand und durch Kapazitäten des PV-Generators). Um ein ungewolltes Auslösen während des Betriebs zu vermeiden, muss der Bemessungsdifferenzstrom des RCD mindestens 100 ma betragen. Für jeden angeschlossenen Wechselrichter muss ein Bemessungsdifferenzstrom von 100 ma vorgesehen werden. Der Bemessungsdifferenzstrom des RCD muss mindestens der Summe der Bemessungsdifferenzströme der angeschlossenen Wechselrichter entsprechen. Das bedeutet, wenn z. B. 3 transformatorlose Wechselrichter angeschlossen sind, muss der Bemessungsdifferenzstrom des RCD mindestens 300 ma betragen. Bei Einhaltung dieser Forderung sind folgende Fehlerstromschutzschalter freigegeben: RCD Typ A der Fa. ABB vom Typ F202A-xx/0,x oder F204A-xx/0,x RCD Typ A der Fa. Siemens vom Typ 5SM1. oder 5SM3. Weitere Fehlerstromschutzschalter anderer Hersteller befinden sich noch in Prüfung. Hier ist zu berücksichtigen, dass die Auslöseströme durch die betriebsbedingten Gleichdifferenzströme geringfügig (0-30 %) über den Bemessungsdifferenzstrom des verwendeten RCD liegen können. Daher ändert sich die Bedingung von 2 b (vgl. Seite 6): Wenn, kann der RCD den Schutz durch automatische Abschaltung erfüllen. Bei Berücksichtigung der vorgenannten Kriterien können PV-Anlagen normgerecht und gleichzeitig kostenoptimiert errichtet werden. Insbesondere die Eignung der genannten transformatorlosen Wechselrichter für RCD vom Typ A ermöglicht eine kostengünstige Installation. SMA Solar Technology AG 9/11

10 Anhang 5 Anhang Nachfolgend wird anhand von 2 Beispielen die Auswahl eines geeigneten Betriebsmittels als Fehlerschutz durch automatische Abschaltung dargestellt. Dabei wird immer davon ausgegangen, dass gleichzeitig der dafür notwendige Schutzpotenzialausgleich ausgeführt wird. 5.1 Berechnungsbeispiel 1: 1 Sunny Boy SB 2100TL; Absicherung mit einem LS B16A; TN-Netz; Schleifenimpedanz Zs = 1,5 Ohm; landwirtschaftliches Anwesen (Scheune): Der LS B16A hat einen Kurzschlussauslösestrom von 80 A (B-Charakteristik: Faktor 5; I nenn des LS = 16 A => 5 x 16 A = 80 A). Bei 230 V können über die Fehlerschleife 153 A fließen ( ). Die 153 A sind höher als die notwendigen 80 A Auslösestrom des LS. Damit schaltet der LS sicher innerhalb der vorgeschriebenen Zeit ab. Der LS B16A reicht als Fehlerschutz gegen indirektes Berühren aus. Da es sich aber um eine Scheune handelt, müsste in diesem Fall noch zusätzlich ein RCD Typ A mit einem Bemessungsdifferenzstrom von höchstens 300 ma installiert werden. Dies wäre aus Brandschutzgründen nach der DIN VDE (IEC : ) notwendig. SMA Solar Technology AG 10/11

11 Anhang 5.2 Berechnungsbeispiel 2: 3 Sunny Mini Centrals SMC 8000TL; Absicherung mit je einem LS C50A; TT-Netz; Schleifenimpedanz Zs = 0,5 Ohm; R A = 5 Ohm: Der LS C50A hat einen Kurzschlussauslösestrom von 500 A (C-Charakteristik: Faktor 10; I nenn des LS = 50 A => 10 x 50 A= 500 A) Bei 230 V können über die Fehlerschleife 460 A fließen ( ) Die 460 A sind niedriger als die notwendigen 500 A Auslösestrom des LS. Damit schaltet der LS nicht sicher innerhalb der vorgeschriebenen Zeit ab. Der LS C50A reicht als Fehlerschutz gegen indirektes Berühren nicht aus! 1. Möglichkeit: Einsatz eines anderen LS (sofern möglich) Bei Einsatz eines LS B50A würde der Kurzschlussauslösestrom bei 250 A liegen (B-Charakteristik: Faktor 5; I nenn des LS = 50 A => 5 x 50 A = 250 A). Bei Auswahl eines LS C40A würde der Kurzschlussauslösestrom 400 A betragen (C-Charakteristik: Faktor 10; I nenn des LS = 40 A => 10 x 40 A = 400 A). Der Auslösestrom beider LS Varianten (B50A, C40A) würde unter den 460 A liegen, die im Fehlerfall zum Fließen kommen würden. Damit würden diese Leitungsschutzschalter innerhalb der vorgeschriebenen Zeit abschalten. Der LS B50A oder der LS C40A reichen als Fehlerschutz gegen indirektes Berühren aus. 2. Möglichkeit: Einsatz eines RCD Falls kein anderer Leitungsschutzschalter eingesetzt werden kann, muss für den Fehlerschutz ein RCD verwendet werden. Da 3 transformatorlose Wechselrichter eingesetzt werden, muss der Bemessungsdifferenzstrom nach 4 b (vgl. Seite 9) mindestens 300 ma betragen. Es wird ein RCD mit I Δf von 500 ma ausgewählt. Darüber hinaus ist nach der Bedingung aus 4 b (vgl. Seite 9) zu prüfen, ob die Schutzwirkung ausreicht:, also Ein RCD Typ A mit einem Bemessungsdifferenzstrom von 500 ma erfüllt den Fehlerschutz gegen indirektes Berühren. SMA Solar Technology AG 11/11