Neue Vorschrift zum Blitz- und Überspannungsschutz Teil 1

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1 Fotolia.com Gunnar Assmy KOMPONENTEN & PERIPHERIE Neue Vorschrift zum Blitz- und Überspannungsschutz Teil 1 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 DIN EN Dieses Beiblatt wurde aktuell überarbeitet und erscheint im Februar Dieser erste Teil des Fachartikels erläutert, wie der normgerechte Blitz- und Überspannungsschutz für PVDachanlagen danach auszusehen hat. Der zweite Teil, der in der etz S1 erscheint, befasst sich dann mit den Freiflächenanlagen. Text: Josef Birkl e e e beugenden Brand- und/oder Personenschutzes sowie um die technischen Einrichtungen der Gebäude und PV-Anlagen zu schützen, Blitz- und/oder Überspannungsschutzmaßnahmen notwendig und empfehlenswert. Da dabei einige Besonderheiten zu beachten sind, haben Experten bereits 2009 die zusätzlichen Informationen für den Blitzschutz von Gebäuden mit PV-Stromversorgungssystemen im Beiblatt 5 der DIN EN (VDE ) [1] e zusammengefasst [2]. Die darin beschriebenen Maßnahmen zum äußeren und inneren Blitzschutz, zur Auswahl des Überspannungsschutzes, zur Kabel- bzw. Leitungsverlegung und Schirmung sowie zu der Erdung und zum Blitzschutz haben sich bewährt. Das sich einige der für den Blitzschutz relevanten Normen geändert haben, wurden in der neuen Ausgabe des Beiblatts 5 verschiedene Schutzmaßnahmen weiterentwickelt und detaillierter formuliert /2014

2 01 6!"#$% $"# &$'%"!"''"( )" "" *+"#",-. /#01$"! s Fangstange Ableitung z. B. 50 mm 2 Cu 50 mm 2 Al (rd) 50 mm 2 St (rd) 6 mm 2 Cu 10 mm 2 Al 16 mm 2 St 02 6!"#$% $"# &$'%"!"''"( )" "" *+"#",-. /#01$" $ $"# Trennungsabstand eingehalten ist Fangstange Trennungsabstand nicht ok <s blitzstromfeste Verbindung nach DIN EN (VDE ) Ableitung nach DIN EN (VDE ) Tabelle 6 z. B. 50 mm 2 Cu 50 mm 2 Al (rd) 50 mm 2 St (rd) 6 mm 2 Cu 10 mm 2 Al 16 mm 2 St nach DIN EN (VDE ) Tabelle 8 16 mm 2 Cu 25 mm 2 Al 50 mm 2 St 03 6!"#$% $"# &$'%"!"''"( )" "" *+"#",-. /#01$" $ $"# Trennungsabstand nicht eingehalten ist Aktualisierte und neue Vorschriften D e e e e der Reihe DIN EN (VDE ) [3] wurden im Oktober 2011 veröffentlicht. Mit der 2. Ausgabe des Beiblatts 5 im Februar 2014 ist dann auch die Anpassung der verschiedenen Beiblätter abgeschlossen. Im Februar 2013 erschienen die letzten Teile der DIN EN (VDE ) für Blitzschutzsystembauteile, wobei für PV-Anlagen besonders der Teil 1 [4] von Interesse ist. Aufgrund der speziellen Quellencharakteristik von PV-Generatoren dürfen auf der DC-Seite von PV-Anlagen nur SPD eingesetzt werden, die diese spezifischen Anforderungen erfüllen [5]. Mit der DIN EN (VDE ) [6] existiert eine Norm, welche die Anforderungen und Prüfungen an Überspannungsschutzgeräten für den Einsatz in Photovoltaik-Installationen beschreibt. Im Beiblatt 5 der DIN EN (VDE ) wird nun für Überspannungsschutzeinrichtungen (SPD), die auf der Gleichstromseite des PV-Stromversorgungssystems installiert sind, gefordert, dass diese entsprechend der DIN EN (VDE ) geprüft sind. Zurzeit wird auch die ergänzende Vornorm DIN CLC/TS (VDE V ] [7] überarbeitet. Im aktuellen Beiblatt wurde auch der explizite Hinweis aufgenommen, dass die SPD auf der Wechselstromseite der Produktnorm DIN EN (VDE ) [8] und Ableiter für Daten- und Kommunikationskreise der DIN EN (VDE ) [9] entsprechen sollen. Äußerer Blitzschutz D e e Ausgabe von Beiblatt 5 enthaltenen Vorgaben zur Anordnung und Positionierung der Fangeinrichtungen, zur Berücksichtigung des Trennungsabstands sowie den möglichen Verschattungen von PV-Modulen durch Fangeinrichtungen wurden übernommen. Für Verbindungsbauteile wurden die Vorschriften für Blitzschutzsystembauteile aus den Teilen 1 bis 4 der DIN EN (VDE ) aufgenommen. Es gab Fragen, welche n Teile der PV-Anlage in den Potentialaus- 1-2/2014

3 KOMPONENTEN & PERIPHERIE Situation Einbau von SPD in einer baulichen Anlage ohne äußere Blitzschutzanlage (LPS) Einbau von SPD in einer baulichen Anlage mit äußerer Blitzschutzanlage (LPS); Trennungsabstand s wird ein gehalten Einbau von SPD in einer baulichen Anlage mit äußerer Blitzschutzanlage (LPS); Trennungsabstand s wird nicht eingehalten SPD am Einbauort I SPD am Einbauort II SPD am Einbauort III und IV 6 mm 2 LBC F GHIJ KMNO LBC F GHIJ KMNO LBC F GHIJ KPN 6 mm 2 LBC R GHIJ KMN LBC F GHIJ KMN LBC F GHIJ KPN RP ]] 2 LBC R GHIJ KMN LBC R GHIJ KMNO LBC R GHIJ KPN 04 &5%'40" 781!1" 9:#.-; 8" ""# -<=;1401'1%" >? 781 /on SPD, wenn notwendig) L1 L2 L3 PEN Blitzschutzanlage DIN VDE (VDE ); DIN VDE (VDE ) SPD I HES PAS SPD 05 &5%'40" 781#e für SPD bei einer PV-Dachanlage e e ge e e 3e e Querschnitt diese anzuschließen sind. Das neue Beiblatt 5 stellt nun klar, dass die des PV-Generators in den einbezogen werden sollte. Aus Blitzschutzsicht ist es nicht zwingend notwendig, auch die Metallrahmen der PV-Module an den anzuschließen. Bei PV-Modulen, die funktionsbedingt eine Erdung des Modulrahmens erfordern, sind die Einbaubedingungen des Modulherstellers zu beachten. Die Querschnitte der sleiter hängen davon ab, ob ein äußeres Blitzschutzsystem vorhanden ist, und falls dies der Fall ist, ob der notwendige Trennungsabstand zwischen den Ableitungen der LPS und der n eingehalten wird. Um für den Anwender die Auswahl des notwendigen Anschlussquerschnitts zu erleichtern, wurden im Beiblatt die Bilder 1, 2, und 3 zur Ausführung der Funktionserdung und des s eingeführt. Bei allen Verbindungen, über die Blitzteilströme fließen können, muss eine blitzstromtragfähige Anbindung der n an das Blitzschutzsystem gewährleistet sein. Der Nachweis erfolgt durch eine Prüfung nach DIN EN (VDE ). Innerer Blitzschutz II DIN VDE (VDE ) L+ Wechselrichter Zähler kwh ~ Überstromschutzeinrichtung PV- Generator L = PV-SPD III PV-SPD IV *) Unter- PAS kostruk- tion *) wenn erforderlich E e ge ee ee ge PV-Anlagen dem inneren Blitzschutz zu. Bei der Auswahl und Errichtung der Überspannungsschutzmaßnahmen ist eine Reihe von Errichtungsvorschriften der VDE 0100 zu beachten. Während die DIN VDE (VDE ) [10] die Frage beantwortet, wann SPD in Niederspannungsanlagen zu installieren sind, beschreibt die DIN VDE (VDE ) [11], wie SPD auszuwählen und zu installieren sind. Die DIN VDE (VDE ) [12] enthält Anforderungen zur Errichtung der elektrischen Installation von PV-Systemen. Diese Installationsvorschriften werden momentan auf internationaler Ebene überarbeitet. Entsprechende deutsche Normenentwürfe wurden veröffentlicht [13], [14], [15]. Die Inhalte sind in das Beiblatt 5 eingeflossen. In Beiblatt 5 neu aufgenommen wurden auch konkrete Aussagen darüber, wann Überspannungsschutzgeräte zu installieren sind. Die Installationsnormen DIN VDE (VDE ) und DIN VDE (VDE ) geben vor, wann SPD in Niederspannungs-Wechselstromnetze einzubauen sind. Bei Gebäuden mit einer äußeren Blitzschutzanlage sind am Gebäudeeintritt der Elektroanlage immer Typ-1-SPD zu installieren. Nach DIN VDE (VDE ) sind bei Anlagen für Sicherheitszwecke, zum Beispiel medizinische Einrichtungen, bei öffentlichen Einrichtungen, zum Beispiel Telekommunikationszentren, sowie bei Gewerbe- und Industrieanlagen, dazu zählen auch landwirtschaftliche Betriebe, immer Typ-2-SPD zu installieren, auch wenn keine äußere Blitzschutzanlage vorhanden ist. Wenn auf solchen Gebäuden PV-Anlagen installiert werden, dann sind neben den Ableitern auf der AC-Seite auch SPD auf der DC-Seite der PV-Anlage einzubauen. Bei allen /2014

4 g e Gebäuden kann man die Notwendigkeit von SPD mit einer Risikoanalyse nach DIN VDE (VDE ) ermitteln. Erfahrungen zeigen, dass Überspannungsschäden besonders bei PV- Anlagen mit Daten- und Kommunikationsleitungen auftreten. Im Beiblatt 5 wird deshalb explizit darauf hingewiesen, dass auch diese Datenschnittstellen gegen Überspannungen zu schützen sind. Auswahl von Überspannungsschutzgeräten D e 3 e e e T D lage an verschiedenen Einbauorten zu installierenden Überspannungsschutzgeräte hängt hinsichtlich der Prüfklasse und des notwendigen Mindestquerschnitts des s von zwei Faktoren ab: dem Vorhandensein einer äußeren Blitzschutzanlage sowie der Einhaltung des notwendigen Trennungsabstands zwischen der äußeren Blitzschutzanlage und den Elementen des PV-Stromversorgungssystems. Um diese Auswahl für den Anwender übersichtlicher zu gestalten, wurden in das neue Beiblatt 5 der DIN EN (VDE ), basierend auf Vorarbeiten zur zukünftigen DIN VDE (VDE ), die Tabellen in Bild 4 sowie Bild 5 eingeführt. Für die möglichen unterschiedlichen Szenarien bei PV-Dachanlagen im Hinblick auf das Vorhandensein einer äußeren LPS und des notwendigen Trennungsabstands wurden die Begriffe Situation A, B und C neu definiert. So wird jetzt ein zusätzlicher PV- SPD für die DC-Leitung am Einbauort IV, in der Nähe des Wechselrichters, gefordert, wenn der Abstand zwischen dem SPD am Einbauort III, beispielsweise am Eintritt der DC- Leitung in die bauliche Anlage, und dem Wechselrichter mehr als 10 m beträgt. Gleich geblieben gegenüber der vorangegangenen Ausgabe des Beiblatts 5 sind die Auswahlkriterien hinsichtlich der notwendigen SPD-Prüfklasse bei den jeweiligen Einbausituationen A bis C. Neu aufgenommen wurde eine Darstellung des Überspannungsschutzkonzepts für die Situation C, wenn bei einer vorhandenen äußeren LPS der Trennungsabstand nicht eingehalten wird. In diesem Fall sind UV 1 UV 1 HV Modulfeld HES I gesamt DC AC DC- Leitung !1 UV &$"'' ""# -<=;1401'1%" $ "xterner LPS mit zwei Ableitungen L1 L2 L3 N Z DC DC/AC- Wandler SPD 4 7 Erdungsanlage des getroffenen Gebäudes SPD 1 SPD 3 SPD 2 SPD 1 SPD 3 SPD #!1W!401'8'$ $"# 781!1 1! X'$ Y Z PE I Gesamt Ableitung SPD 1 3 SPD 4 7 Fangeinrichtung Erdungsleiter Dachebene Metallene Ableitungen der äußeren Blitzschutzanlage Z AB Erdniveau PV-SPD AC-SPD 1-2/ S

5 KOMPONENTEN & PERIPHERIE I I 100 ka ka 5 Gesamtstrom Strom in SPD auf DC-Seite Strom in SPD auf AC-Seite 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 ms 1 t 08 X'W!tromverteilung der Einbausituation C nach Beiblatt 1 der DIN EN (VDE ) e n ge e [ e E - bauorten blitzstromtragfähige Typ-1- SPD zu installieren. Die Edition 2 des Beiblatts 5 weist darauf hin, dass man bei Situation C unter besonderen Bedingungen bei der Verwendung eines blitzstromtragfähigen Schirms auf den Einbau von Typ- 1-SPD verzichten kann. Im Einzelfall ist jedoch entsprechend der Vorgaben der DIN EN (VDE ) [16] die blitzstromtragfähige Anbindung des Kabelschirms an den Blitzschutzpotentialausgleich sowie die Qualität des Kabelschirms zu überprüfen. Blitzstromtragfähigkeit der SPD e \ ee e stromtragfähigkeit von SPD Typ 1 in PV-Dachanlagen bei der Einbausituation C wurden in dem Beiblatt 5 neu formuliert. Es enthält jetzt eine exaktere Abschätzung der Blitzstromverteilung basierend auf Computersimulationen, wie im Beiblatt 1 der DIN EN (VDE ) [17] beschrieben. Dazu sind die Ableitungen des Blitzschutzsystems, die Erdungsverbindung sowie die Gleichstromleitungen zu berücksichtigen. Die Amplitude der Blitzteilströme, die über die SPD in den DC-Leitungen fließen, hängt nicht nur von der Anzahl der Ableitungen, sondern auch von der Impedanz der SPD ab. Diese ist wiederum von der Bemessungsspannung, der SPD-Topologie und dem SPD- Typ abhängig. Charakteristisch für die Blitzteilströme auf der DC-Seite der PV-Anlage ist eine Verkürzung der Im- Blitzschutzklasse und maximaler Blitzstrom (10/350 μs) Anzahl der Ableitungen der äußeren Blitzschutzanlage <4 4 Werte für spannungsbegrenzende SPD Typ 1 oder kombinierte SPD Typ 1 (Reihenschaltung) basierend auf einer Auswahl I 8/20 (8/20 μs) und I 10/350 (10/350 μs) b cdfh unbekannt `SPD1 = `SPD2 `SPD3 = `SPD1 + `SPD1 = `total `SPD1 a `SPD1 `SPD3 = `SPD1 + `SPD1 = `total `8/20 /`10/350 `8/20 /`10/350 `8/20 /`10/350 `8/20 /`10/350 Fii ja RptRi outfi Ritk FitRi bb Rki ja RFmktp,5 FktRk pmktompk Rktp,5 bbb rgd bs Rii ja Mmktk RptRi ktfmk Ritk 09 _!)ahl des Mindestableitvermögens von spannungsbegrenzenden SPD Typ 1 (Varistoren) oder kombinierten SPD Typ 1 (Reihenschaltung von Varistoren und Funkenstrecken) Blitzschutzklasse und maximaler Blitzstrom (10/350 μs) Anzahl der Ableitungen der äußeren Blitzschutzanlage <4 4 Werte für spannungsschaltende SPD Typ 1 oder kombinierte SPD Typ 1 (Parallelschaltung) `SPD1 = `SPD2 `SPD3 = `SPD1 + `SPD1 = `total `SPD1 a `SPD1 `SPD3 = `SPD1 + `SPD1 = `total b cdfh unbekannt Fii ja Fk ki lrfmk Fk bb Rki ja RMmk opmk q RM bbb rgd bs Rii ja RFmk Fk PmFk RFmk 10 _!)ahl des Mindestableitvermögens von spannungsschaltenden SPD Typ 1 (Funkenstrecken) oder kombinierten SPD Typ 1 (Parallelschaltung von Varistoren und Funkenstrecken) Z 1-2/2014

6 w \ Bei der Auswahl geeigneter SPD muss man sowohl den maximal auftretenden Stoßstrom als auch die Impuls ladung berücksichtigen. Dabei ist eine Umrechnung in einen 10/350-Stromimpuls über die äquivalente Impulsladung notwendig. Eine PV-Dachanlage mit externer LPS und zwei Ableitungen nach Beiblatt 1 der DIN EN (VDE ) zeigt Bild 6; Bild 7 stellt das äquivalente Ersatzschaltbild dieses Modells dar. Computersimulationen liefern den zeitlichen Verlauf der Blitzteilströme (Bild 8). Die neu eingeführten Tabellen in Bild 9 und Bild 10 vereinfachen dem Anwender die Ableiterauswahl. Damit kann die notwendige Blitzstoßstromtragfähigkeit I imp der Typ-1- SPD in Abhängigkeit von der Blitzschutzklasse, der Anzahl der Ableitungen der äußeren Blitzschutzanlagen und des SPD-Typs (spannungsbegrenzende Varistorableiter oder spannungsschaltende Funkenstreckenableiter) ausgewählt werden. In diesen Tabellen werden für die SPD jeweils Impulsströme der Wellenform 8/20 angegeben. Mit dieser Angabe werden die maximal auftretenden Stoßströme berücksichtigt. Die beiden Tabellen fordern auch Mindestwerte für Blitzteilströme der Wellenform 10/350, damit die Typ-1- SPD die Impulsladung der Blitzströme ableiten können. Die Bezeichnungen SPD 1, SPD 2 und SPD 3 in den Tabellen beziehen sich auf ein SPD in der sogenannten Y- Konfiguration entsprechend Bild 7. Die Werte I SPD1 = I SPD2 gelten für einen einzelnen Schutzpfad gegen Erde. Der Stromwert I SPD3 = I total beschreibt den Gesamtableitstoßstrom des SPD, also die Belastung, die bei einem Blitzeinschlag auftritt, wenn durch die beiden Schutzpfade + und gegen Erde gleichzeitig ein Blitzstrom fließt. (no) Literatur xyz DIN EN (VDE ) Beiblatt 5: Blitzschutz Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen Beiblatt 5: Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Stromversorgungssysteme. [2] Schulz, B.; Wettingfeld, J.: DIN EN Beiblatt 5 Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Stromversorgungssysteme. 8. VDE/ABB-Blitzschutztagung 2009, Neu-Ulm [3] DIN EN bis -4 (VDE bis -4): Blitzschutz. [4] DIN EN (VDE ): Blitzschutzsystembauteile (LPSC) Teil 1: Anforderungen an Verbindungsbauteile. [5] Birkl, J.; Zahlmann, P.: Anforderungen an Überspannungsschutzgeräte in PV-Generatoren. etz Elektrotech. + Automation 131 (2010) H. 2, S [6] DIN EN (VDE ): Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung Überspannungsschutzgeräte für besondere Anwendungen einschließlich Gleichspannung Teil 11: Anforderungen und Prüfungen für Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Photovoltaik-Installationen. [7] DIN CLC/TS (VDE V ): Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung Überspannungsschutzgeräte für besondere Anwendungen einschließlich Gleichspannung Teil 12: Auswahl und Anwendungsgrundsätze Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz / -0/'1={!1''1" X"#' } ~99"8140V [8] DIN EN (VDE ): Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung Teil 11: Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Niederspannungsanlagen Anforderungen und Prüfungen. Berlin Offenbach: [9] DIN EN (VDE ): Überspannungsschutzgeräte für Niederspannung Teil 21: Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in Telekommunikations- und signalverarbeitenden Netzwerken Leistungsanforderungen und Prüfverfahren. [10] DIN VDE (VDE ): ; Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 4-44: Schutzmaßnahmen Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Störgrößen Abschnitt 443: Schutz bei Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse oder von Schaltvorgängen. [11] DIN VDE (VDE ): Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 5-53: Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel Trennen, Schalten und Steuern Abschnitt 534: Überspannung-Schutzeinrichtungen (ÜSE). [12] DIN VDE (VDE ): Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 7-712: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art Solar- Photovoltaik-(PV-)Stromversorgungssysteme. Berlin Offenbach: [13] E DIN IEC (VDE ): Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 4-44: Schutzmaßnahmen Schutz bei Störspannungen und elektromagnetischen Störgrößen Änderung 1: Abschnitt 443: Schutz bei Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse oder von Schaltvorgängen. [14] E DIN IEC (VDE ): Errichten von Niederspannungsanlagen Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel - Schaltgeräte und Steuergeräte Änderung 2: Abschnitt 534: Überspannungs-Schutzeinrichtungen. [15] E DIN IEC (VDE ): Errichten von Niederspannungsanlagen Teil 7-712: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art Solar- Photovoltaik-(PV-)Stromversorgungssysteme. Berlin Offenbach: [16] DIN EN (VDE ): Blitzschutz Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen. [17] DIN EN (VDE ) Beiblatt 1: Blitzschutz Teil 4: Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen Beiblatt 1: Verteilung des Blitzstroms. Autor Dipl.-Ing. (FH) Josef Birkl!t Prüffeldleiter bei der Dehn + Söhne GmbH + Co. KG in Neumarkt. josef.birkl@technik.dehn.de 1-2/ v