Lichtbogendetektor als externes Wechselrichter- Zusatzgerät zur Ferndetektion von gefährlichen Lichtbögen auf der DC-Seite von PV-Anlagen

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1 Lichtbogendetektor als externes Wechselrichter- Zusatzgerät zur Ferndetektion von gefährlichen Lichtbögen auf der Prof. Dr. Heinrich Häberlin Berner Fachhochschule (BFH), Technik und Informatik, Labor für Photovoltaik Jlcoweg, CH-3400 Burgdorf / SCHWEIZ Tel: , Fax: heinrich.haeberlin@bfh.ch Internet: Einführung Gleichstrom-Lichtbögen in PV-Anlagen mit hoher Betriebsspannung sind wegen des fehlenden Stromnulldurchgangs wesentlich gefährlicher als Wechselstromlichtbögen. In der Schweiz ereigneten sich schon Anfang der 90-er Jahre Brände im Schaltschrank der 560kW-Anlage auf dem Mont Soleil und auf einem mit einer PV-Anlage ausgerüsteten Bauernhaus, die von der PV-Anlage ausgingen []. Weitere Brände sind in [2] dokumentiert ist das Thema wieder aktuell geworden, denn sowohl in Deutschland als auch in der Schweiz traten an einzelnen Solarmodulen (siehe Photon 8/2006) als auch an zwei über Jahre im Betrieb stehenden PV-Anlagen Schwelbrände auf, die glücklicherweise noch entdeckt wurden, bevor grössere Schäden auftraten ereigneten sich in den USA und Deutschland sogar grössere Brände an Teilen ganzer Solargeneratoren (siehe Photon 8/2009). Diese Ereignisse haben das Interesse an Schutzmassnahmen gegen die latente Lichtbogengefahr in PV-Anlagen weiter verstärkt. 2. Entwicklung von Lichtbogendetektoren In einem Beitrag in Staffelstein 2007 [3] wurde gezeigt, dass bereits in den neunziger Jahren im Rahmen zweier Projekte am Photovoltaiklabor der BFH in Zusammenarbeit mit der damaligen Firma Alpha Real AG einige auf Distanzen von m wirksame, autonome Lichtbogendetektoren (LBD) entwickelt wurden, die an PV-Anlagen in verschiedenen Ländern erfolgreich getestet wurden. Der Lichtbogendetektor wurde nach dem Ende der Projekte noch etwas verbessert und mit einer intelligenten Detektionseinheit (IDE) ausgerüstet. Die ursprünglich entwickelten Lichtbogendetektoren benötigten keine zusätzliche Speisung, sondern versorgten sich selbst ab dem PV-Generator. Das teuerste Element in einem autonomen LBD ist der notwendige DC-taugliche Schalter, der im Störfall den PV-Kreis auf Grund eines Steuersignals der Elektronik unterbrechen muss (siehe Bild ). Eine wichtige Konsequenz war die Erkenntnis, dass es deshalb zweckmässig wäre, einen solchen LBD nicht als separates Gerät, sondern als Teil des Wechselrichters einzusetzen, der sich bei Bedarf einfach abschalten kann. Dort ist auch bereits eine Speisung für die Elektronik vorhanden, was weitere Kosten spart. Allerdings fehlte damals mangels entsprechender Schadenfälle der Markt für ein solches Zusatzgerät oder eine entsprechende Wechselrichter-Option.

2 Ohne einschlägige zwingende Vorschrift baut kaum jemand ein Element in einen Wechselrichter oder eine PV-Anlage ein, das in einem selten vorkommenden Störfall nützlich sein mag, aber zunächst nur zusätzliche Kosten verursacht. Zwar haben sich in der Zwischenzeit zwei Wechselrichterhersteller in die am PV-Labor entwickelte Technologie einführen lassen, sie konnten sich jedoch bisher noch nicht entschliessen, einen Lichtbogendetektor in ihre Wechselrichter einzubauen, da sie den dazu noch notwendigen Entwicklungsaufwand für die Integration in ihre Geräte scheuen, denn ein derartiger Detektor wird noch von keiner Norm verlangt. Die internationale PV- Normenkommission TC82 wäre aber bereit, in einer neuen Norm einen Lichtbogendetektor zu fordern, sobald er auf dem Markt wäre und seine Praxistauglichkeit bewiesen hätte. 3. Funktionsprinzip eines Lichtbogendetektors Bild zeigt ein Blockschema eines Lichtbogendetektors (LBD). Der Lichtbogendetektor dient primär zum Schutz des Solargenerators und der DC-Verkabelung einer PV-Anlage () vor gefährlichen Serielichtbögen in Modulen und Verkabelung und vor dadurch ausgelösten Bränden von benachbarten Objekten (z.b. Gebäudedach). Einige mögliche Orte für derartige Lichtbögen sind in Bild eingezeichnet. 5 Bild : Prinzip des Lichtbogendetektors (LBD). DC-Speisung 4a 4 Lichtbogen-Detektor ED INT 2 IDE 3a 3 3b DC-Trennschalter L Speisungen 4a, 4b (blau) 4b + = _ ~ 6 Netz bis > 00m 5 Beim Auftreten eines Serie-Lichtbogens entsteht im LBD in einer Kombination von zwei Resonanzkreisen ein HF-Signal, das - nach gewissen Kontrollen zur Vermeidung von Fehlauslösungen - die DC-Seite des Wechselrichters frei schaltet. Bei einem autonomen LBD muss sich dieser selbst von der PV-Anlage speisen und einen teuren, elektrisch auslösbaren DC-Schalter enthalten. Beim Einbau in einen Wechselrichter entfallen die rot bezeichneten Elemente (4) und (5). Der LBD kann auch die viel selteneren Parallel- Lichtbögen zwischen + und erkennen. Der LBD reagiert nicht nur auf Lichtbögen in der DC-Hauptleitung, sondern auch auf solche in einzelnen Strängen. Der eigentliche Lichtbogendetektor (2) detektiert mit Resonanzkreisen die vom Lichtbogen erzeugten hochfrequenten Schwingungen in der Anlage. Gegenüber früheren Schaltungen ist die intelligente Detektionseinheit IDE (3) neu. Sie analysiert die vom Lichtbogendetektor erzeugten Signale weiter und erzeugt 2

3 nur dann ein Ausgangssignal, wenn auf der DC-Seite wirklich ein gefährlicher Lichtbogen vorhanden ist und kann zwischen Serie- und Parallellichtbögen unterscheiden. Nur bei einem autonomen LBD sind zusätzlich eine DC-Speisung (4) und zur Löschung eines Serielichtbogens ein Schalter (5) erforderlich. Von den in Bild gezeigten Elementen sind bei Integration des LBD in einen Wechselrichter (6) nur die grünen Elemente (2) und (3) erforderlich, die Elemente (4) und (5) entfallen. Auch die Detektion von Parallellichtbögen zwischen + und (langer Blitz) ist möglich. Um ihn zu löschen wäre zusätzlich ein (in Bild nicht gezeigter) Kurzschlussschalter erforderlich. Serielichtbögen sind wegen der viel höheren Zahl von seriellen Kontakten viel häufiger als Parallellichtbögen, die wegen der Erd- und Kurzschluss sicheren Verlegung der DC- Anschlüsse sehr selten auftreten dürften. Wird nach dem Abschalten der DC-Seite weiterhin ein Lichtbogen detektiert, dürfte ein Parallellichtbogen anstehen und es kann als letzte Massnahme versucht werden, im Wechselrichter die Eingangsbrücke auf der DC-Seite kurzzuschliessen und so diesen Parallellichtbogen zu löschen, was aber nur bei Lichtbögen direkt zwischen + und sicher funktioniert. Damit die hochfrequenten Störspannungen von Lichtbögen sicher erkannt werden können, sind im LBD Induktivitäten L von einigen 0 μh erforderlich, um einen HF- Kurzschluss durch DC-Eingangsfilter im Wechselrichter bei allen möglichen Geräten sicher zu vermeiden. 4. Externer Lichtbogendetektor als Alternative oder für Retrofit-Zwecke Als Alternative zum Einbau in den Wechselrichter besteht die Möglichkeit, einen externen Lichtbogendetektor in unmittelbarer Nähe des Wechselrichters zu betreiben, der mit wenigen Steuersignalen mit diesem kommuniziert und wenn möglich auch die Speisespannung der Elektronik von diesem bezieht. Dadurch könnte mindestens der teure DC-taugliche Trennschalter und eventuell auch die eigene Speisespannungsversorgung des LBD eingespart werden. Es müsste dann nicht mehr ein Lichtbogendetektor in den Wechselrichter selbst integriert werden, ein kleiner Stecker mit wenigen Steuersignalen neben der Speisung würde genügen. Dadurch könnte auf Seiten der Wechselrichterhersteller ein Grossteil des eigenen Entwicklungsaufwandes eingespart werden, ein externer LBD würde aber ein Gehäuse und eine eigene Intelligenz (z.b. einen Mikrokontroller) brauchen und wäre in der Serie vermutlich etwas teurer. 4. Notwendige Steuersignale zwischen externem LBD und Wechselrichter Bei den Feldtests mit autonomen LBDs traten gelegentlich auch Fehldetektionen beim Ein- und Ausschalten der Wechselrichter auf, die manchmal zu unerwünschten Abschaltungen führten. Die intelligente Detektionseinheit (IDE) unterdrückt diese Fehldetektionen zwar weitgehend, eine weitere Verbesserung der Sicherheit gegen solche Fehldetektionen kann aber erreicht werden, wenn bei allen vom Wechselrichter vorgenommenen Schaltvorgängen der Lichtbogendetektor vorgängig blockiert wird, indem das LBD-Freigabe-Signal EN (Enable), das normalerweise = ist, kurz = 0 gesetzt wird (siehe Bild 2). 3

4 Bild 2: Erforderliche Signale für Speisung und Kommunikation zwischen Lichtbogendetektor (LBD) und Wechselrichter. Kommunikation Wechselrichter externe Lichtbogendetektoren (LBD) +V S LBD LBD2 EN ( im Normalbetrieb, 0 bei Start/Schalten) NA ( wenn kein LB, 0 wenn LB erkannt) (GND) Wechselrichter (läuft, wenn NA = ) Ein weiteres Signal ist erforderlich, damit der Lichtbogendetektor dem Wechselrichter mitteilen kann, dass ein Lichtbogen detektiert wurde. Das Signal (NA = No Arc = kein Lichtbogen) ist normalerweise =. Wenn ein Lichtbogen detektiert worden ist, gibt der Lichtbogendetektor mit einem Open-Kollektor-Ausgang NA = 0 aus, das den Wechselrichter veranlasst, seine DC-Seite abzuschalten, so dass Serielichtbögen gelöscht werden (siehe Bild 2). Der Pull-Up-Widerstand bei NA befindet sich im Wechselrichter, so dass mehrere LBDs parallel angeschlossen werden können. 4.2 Externer LBD mit Speisung direkt ab PV-Generator Bild 3 zeigt einen solchen externen Lichtbogendetektor mit Speisung direkt ab PV- Generator. Wichtig ist, dass diese Speisung auf der DC-Seite keine HF-Störspannungen erzeugt, welche die Funktion des LBD gefährden. Entweder auf der Seite der Speisung oder bei den Signalen ist eine galvanische Trennung (z.b. mit Optokopplern) erforderlich. Wie bereits erwähnt wird die IDE nach dem aktuellen Stand der Technik heute zweckmässigerweise mit einem Mikrokontroller mit einer gewissen Intelligenz realisiert. Beim Aufstarten des Wechselrichters oder bei internen Schaltvorgängen gibt der Wechselrichter EN = 0 aus, so dass der LBD in dieser Zeit ein allfällig entstehendes Lichtbogensignal ignoriert und seine internen Speicher löscht. Im Normalfall bei ordnungsgemäss laufendem Wechselrichter ist das Signal auf hohem Pegel. Bild 3: Externer Lichtbogendetektor mit DC- Speisung direkt ab PV-Generator. DC-Speisung +V S (GND) Lichtbogen-Detektor ED (GND) IDE INT NA EN L + = _ ~ Netz bis > 00m Externer Lichtbogendetektor beim Wechselrichter Das Signal NA wird normalerweise durch den Pull-Up-Widerstand im Wechselrichter auf hohen Pegel gezogen (siehe Bild 2), wird jedoch ein Lichtbogen erkannt (nur bei EN = möglich), zieht der LBD an seinem Open-Kollektor-Ausgang NA auf 0. Dies funktioniert 4

5 auch bei mehreren parallelen externen LBDs, z.b. bei mehreren MPP-Tracker-Eingängen (ein LBD pro MPPT-Eingang erforderlich) oder bei LBDs, die im Feld in Teilgeneratoranschlusskästen verteilt sind (z.b. bei einer grösseren PV-Anlagen, bei denen ein LBD allein wegen der Reichweite und Empfindlichkeit nicht mehr funktionieren sollte). 4.3 Externer LBD mit Speisung direkt ab Wechselrichter Bild 4 zeigt einen solchen externen Lichtbogendetektor mit Speisung direkt ab Wechselrichter. Diese Lösung ist etwas kostengünstiger, da hier der Aufwand für eine eigene Speisung ab dem PV-Generator entfällt, was die Kosten des LBD weiter reduziert und eine galvanische Trennung zwischen der LBD-Elektronik und dem Wechselrichter nicht mehr unbedingt notwendig macht. Der Wechselrichterhersteller müsste aber eine entsprechende Speisespannung mit einer gewissen Belastbarkeit zur Verfügung stellen (z.b. 5 V bis 30 V, 0 50 ma). Das Funktionsprinzip und die Signale sind analog zum oben diskutierten Fall mit Speisung direkt ab PV-Generator. Bild 4: Externer Lichtbogendetektor mit DC- Speisung ab Wechselrichter (geringerer Aufwand als bei Bild 3). Lichtbogen-Detektor +V S ED (GND) IDE INT NA L + = _ DC-Speisung von WR ~ Netz EN bis > 00m Externer Lichtbogendetektor beim Wechselrichter 5. Mehr Sicherheit in künftigen PV-Anlagen dank Lichtbogendetektoren Der beschriebene, im Prinzip bereits entwickelte und im Feld getestete Lichtbogendetektor könnte dazu dienen, künftige PV-Anlagen noch sicherer zu machen. Er ist imstande, Lichtbögen bereits in der Entstehungsphase zu detektieren und die Anlage frei zu schalten. Ein externer LBD ist zwar etwas teurer als ein in den Wechselrichter integrierter LBD, dafür könnte er in grösseren Stückzahlen realisiert werden, wenn die Wechselrichterhersteller die notwendige Schnittstelle vorsehen würden. Dieser Beitrag soll die Hersteller dazu anregen, sich darüber Gedanken zu machen. In den kommenden Jahren werden allein in Deutschland hunderttausende vom PV- Anlagen mit > 00 Millionen externen und > 0 Milliarden modulinternen Kontakten im Betrieb sein, von denen auch bei höchster Fertigungs- und Installationsqualität im Laufe der Jahre sicher ab und zu einige Verbindungen unter Bildung (brand-)gefährlicher Lichtbögen defekt gehen werden. Es wäre im Interesse der ganzen PV-Branche, wenn dieses Problem gelöst werden könnte, bevor noch schlimmere Brände an PV-Anlagen auftreten. 5

6 Literatur [] Eidg. Starkstrominspektorat: "Grossbrand durch Photovoltaikanlage". SEV/VSE- Bulletin 9/94, S. 79. [2] M. Real und H. Häberlin: "Improved Safety of PV against Fire using a novel Arc Detector". Proc. 3th EU PV Conf., Nice, France, 995. [3] H. Häberlin und M. Real: "Lichtbogendetektor (LBD) zur Ferndetektion von gefährlichen Lichtbögen in PV-Anlagen". 22. Symposium PV Solarenergie, Staffelstein, [4] H. Häberlin: "Photovoltaik", 2., aktualisierte und wesentlich erweiterte Auflage 200, ISBN (Electrosuisse-Verlag) ISBN (VDE-Verlag). Informationen über weitere Aktivitäten des Photovoltaik-Labors der BFH in Burgdorf und viele weitere Publikationen (teilweise direkt herunterladbar) sind unter zu finden. 6