Blitzschutz von PV-Anlagen. Dr.-Ing. Peter Zahlmann / DEHN + SÖHNE

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1 Blitzschutz von PV-Anlagen Dr.-Ing. Peter Zahlmann / DEHN + SÖHNE

2 Gemessene Blitze in Deutschland Anzahl der in der Bundesrepublik Deutschland registrierten Blitzereignisse von 1996 bis 2010 Gemessene Blitze Lit.: Gesamtverband der Deutschen Versicherungsgesellschaft e.v. + BLIDS Jahr

3 Bestimmung Erdblitzdichte Erfassungszeitraum Legende (Wolke-Erde-Blitze je km 2 und Jahr) Gemessene Werte - 2,01-2,59-3,12-3,62-5, Kilometer Lit.: Blitzdichtekarte VdS Meteo-Info

4 Schadenstatistik Photovoltaik Schadenursachen nach Stückzahlen Versagen technisch 6% Marderbiss 3% Sturm 9% Böswilligkeit 3% Versagen menschlich 3% Schneedruck 14% Diebstahl 2% Brand / Feuer 2% Sonstiges 32% Blitz- und Überspannung 26% Quelle: Mannheimer Versicherung 2010

5 Zerstörung einer PV-Anlage durch Blitzschlag

6 Äußerer Blitzschutz

7 Blitzschutznormung DIN EN (VDE ) "Blitzschutz" DIN EN / VDE Teil 1 Allgemeine Grundsätze Teil 2 Risikomanagement Beiblatt 1 Blitzgefährdung In Deutschland Beiblatt 2 Berechnungshilfe zur Abschätzung des Schaden-risikos für bauliche Anlagen. Teil 3 Schutz von baulichen Anlagen und Personen Beiblatt 1 Zusätzliche Informationen zur Anwendung der DIN EN Beiblatt 2 Zusätzliche Informationen für besondere bauliche Anlagen Beiblatt 3 Zusätzliche Informationen für die Prüfung und Wartung von Blitzschutzsystemen Beiblatt 4 Verwendung von Metalldächern in Blitzschutzsystemen Beiblatt 5 Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Stromversorgungssysteme Teil 4 Elektrische und elektronische Systeme in baulichen Anlagen

8 Schutzmaßnahmen der PV-Stromversorgung nach VDE Bbl 5 Äußerer Blitzschutz PV-Generator Gleichstrom-leitungen Leitungsverlegung und Schirmung Koordinierter Überspannungsschutz Erdungsleiter Ableitungen Erdung- und Blitzschutzpotenzialausgleich

9 Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Stromversorgungssystem DIN EN Bbl 5 (VDE Bbl 5): Im Sinne der Blitzschutznorm DIN EN sind PV-Stromversorgungssysteme als Dachaufbauten nach Möglichkeit mit getrennten Fangeinrichtungen gegen direkte Blitzeinschläge zu schützen. Das Blitzkugelverfahren stellt hierbei eine universelle Planungsmethode dar. Wenn möglich, sollte ein Blitzschutzsystem bevorzugt werden, dass unter Beibehaltung der erforderlichen Trennungsabstände keine direkte Verbindung zum PV-Stromversorgungssystem hat. Bei der Errichtung des äußeren Blitzschutzes sind mögliche Verschattungen der PV-Module durch Fangeinrichtungen zu beachten.

10 VdS Merkblatt 2010 Forderungen für PV-Anlagen Gebäude mit alternativen regenerativen Energieversorgungsanlagen Photovoltaik (> 10 kw) Photovoltaikanlage Freilandanlage Blitzschutzsystem notwendig, bestehend aus Äußeren und Inneren Blitzschutz Mindestanforderung: Schutzklasse III Überspannungsschutz, Potentialausgleich erforderlich Überspannungsschutz, Potentialausgleich erforderlich Lit.: VdS 2010: Anhang A Tabelle A.03 Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz für Objekte

11 Äußerer Blitzschutz Blitzkugelverfahren zur Auslegung der Fangeinrichtung 230 / 400 V

12 Blitzkugelradius, Maschenweite und Schutzwinkel zugeordnet zu den Blitz-Schutzklassen Blitz- Schutz klasse der LPS Radius der Blitzkugel r (m) α Maschenweite W (m) I 20 5 x II x Schutzverfahren Schutzwinkel α I II III IV III x H(m) IV x 20 H : r : α : Höhe der Fangeinrichtung über Erdboden Radius der "Blitzkugel" Schutzwinkel H α r geschützter Raum Lit.: DIN EN (VDE ): , Abs Tab.2

13 VDE Bbl 5 Planung der Fangeinrichtung

14 PV-Module im Schutzbereich von Fangstangen Projekt Rathaus Freiburg

15 Berechnung des Trennungsabstandes s 1, s 2 und s 3 Detail PV-Modul s 2 s 2 l 1 s 3 s 2 : k m = 1 (Luft) s 3 : k m = 0,5 (fester Stoff) s 3 s 1 Attika c h = l 2 c

16 Näherung Blitzschutzdraht mit PV-Modulgestell Montagefehler PV-Gestell über Blitzschutz-Masche installiert! Trennungsabstand nicht eingehalten!

17 Blitz- und Überspannungsschutz für PV-Stromversorgungssystem DIN EN Bbl 5 (VDE Bbl 5): Anhang A: Beschattung Das Auftreten eines Kernschattens auf der Solarzelle bzw. dem PV-Modul sollte in jedem Fall vermieden werden. Als Kernschatten wird dabei der Bereich bezeichnet, der keinerlei Sonneneinstrahlung erfährt, also vollständig dunkel bleibt. Der weitere Bereich, Halbschatten oder diffuser Schatten genannt, unterliegt einer geringeren Sonneneinstrahlung, da hier die Sonne durch die Fangstange bzw. Fangleitung nur teilweise verdeckt wird. In Abhängigkeit von den Abmessungen der Fangstange bzw. Fangleitung lässt sich aus der Beziehung für ähnliche Dreiecke eine Mindestentfernung berechnen, damit gerade kein Kernschatten mehr auftritt.

18 PV-Anlagen Verschattungstheorie Mindestentfernung zwischen Fangstange bzw. Fangleitung und PV-Modul zur Vermeidung eines Kernschattens PV-Modul a F a F [m] = 108 d F [m] Fangstange d F Teilschatten Kernschatten Beispielrechnung Fangstange 16 mm Ø: 1,73 m = 108 0,016 m Beispielrechnung Fangstange 10 mm Ø: 1,08 m = 108 0,010 m Legende: a F = Abstand Fangstange - PV-Modul = Durchmesser Fangstange d F

19 Anwendung HVI -Leitung light Fangeinrichtung Produktionsgebäude mit PV-Anlage Fangmast mit Fangstange h = 3900 mm Art.-Nr Gesamtansicht Detailansicht Quelle: HAPEA GmbH Blitzschutzanlagen, Aschaffenburg

20 Innerer Blitzschutz

21 Normen für Überspannungsschutzgeräte Errichtungsvorschriften: VDE und VDE Niederspannungsschutzgeräte für Niederspannung VDE Teile 11 und 12 Auswahl und Errichtung von Überspannungsschutzgeräten für PV Blitzschutzvorschriften: Beiblatt 5 zu VDE

22 Anforderungen an Überspannungsschutzgeräte aus DIN EN Beiblatt 5 DIN EN Bbl 5 (VDE Bbl 5): Auswahl von Überspannungsschutzgeräten Allgemeines... Die Überspannungsschutzgeräte auf der Gleichstromseite sind so auszuwählen, dass diese auch bei Kurzschluss in einen sicheren Zustand übergehen, ohne eine Brandgefährdung durch Überlastung und Lichtbogenbildung zu verursachen. Der Hersteller der Überspannungsschutzgeräte weist nach, dass die interne Schaltvorrichtung im Überspannungsschutzgerät das notwendige Schaltvermögen entsprechend den Bedingungen am Einbauort aufweist.

23 DIN EN (VDE )

24 Überspannungsschutz in Gleichstrom- Anlagen Existierende Errichtungsvorschriften

25 Überarbeitung der Errichtungsvorschrift für PV-Systeme E DIN VDE 0100 Teil 712

26 Installationsvorschrift VDE 0100 Teil 712 L+ L- Mögliche Installation von SPDs auf der DC-Seite von PV-Anlagen L+ PV-Generator Anschlusskasten PV-Gleichstromhauptkabel/-leitung PV-Wechselrichter DC AC L- PV-Teilgenerator PV-Teilgenerator Anschlusskasten Fehlende Vorgaben zum Schutz der AC-Seite und möglicher Datenleitungen Verweis auf VDE 0100-Teil 534

27 Schäden am Wechselrichter

28 Induktive Kopplung 230 / 400 V

29 Induktiven Einkopplung von Blitzströmen in PV - Module in Abhängigkeit vom Abstand z. Modul Abstand ka Abstand 0,5 m Abstand 1 m Abstand 2 m Induzierte Stoßströme bei unterschiedlichen Abständen 0.0 ka Primäre eingespeister Blitzstrom bei unterschiedlichen Abständen ms

30 Induzierte Spannung in Schleife durch Steilheit des Blitzstroms (VDE Bbl 5) Magnetisches Feld H Blitzableitung Abstand s PV-Generator Blitz Verkabelung des PV-Generators SPD U OC? I N?

31 Schäden an PV-Modulen durch Blitzschlag Quelle: Solarzentrum Oberland GmbH

32 PV-Stromversorgungssystem mit getrennten Blitzschutz-Fangeinrichtungen Wechselrichter am Gebäudeeintritt der Stringleitungen mit GAK (Generator-Anschluss-Kasten) Überspannungs-Ableiter Typ 2 DC Überspannungs-Ableiter Typ 2 AC 3 Kombi-Ableiter Typ 1 AC 2 1

33 Anforderungen an Überspannungsschutzgeräte aus DIN EN Beiblatt 5 DIN EN Bbl 5 (VDE Bbl 5): Auswahl von Überspannungsschutzgeräten Überspannungsschutzgerät Typ 1, Blitzstromtragfähigkeit I imp Der Einsatz von Überspannungsschutzgeräten vom Typ 1 auf der Gleichspannungsseite von PV-Stromversorgungssystemen wird empfohlen, wenn ein äußerer Blitzschutz vorhanden ist und der notwendige Trennungsabstand zu den Elementen des PV-Stromversorgungssystems nicht eingehalten wird.

34 PV-Stromversorgungssystem mit direktem Anschluss an die Blitzschutz-Fangeinrichtung Wechselrichter in der Nähe der Messeinrichtung und GAK am Eintritt der Stringleitungen Fangspitzen Blitzstrom-Ableiter Typ 1 DEHNlimit PV 1000 Überspannungs-Ableiter Typ 2 DEHNguard Y PV SCI... 3 Kombi-Ableiter Typ 1 z. B. DEHNventil ZP TNC

35 VDE Bbl 5 Blitzstromaufteilung bei einer PV-Dachanlage Vereinfachter Ansatz I I total imp ~ n n Gesamtzahl der parallelen Ableitungspfade 10kA 10/350µs 25kA 10/350µs Blitzstromaufteilung in einer PV-Dachanlage Ersatzschaltbild

36 Anforderungen an SPDs in PV-Anlagen

37 Spannung / Strom beim Schalten in DC-Kreisen U = U N - i R - U LB U = L di/dt U Lösch = U OC + U (i = o)

38 Vergleich der Quellenkennlinie einer konventionellen DC-Quelle zur Kennlinie eines PV-Generators U [V] U OC x U OC PV-Generator MPP Konventionelle DC-Quelle Lichtbogenkennlinie Arbeitspunkt x I SC I [A] / Blitzschutztagung, Olten

39 Schaltverhalten in DC-Kreisen Ausschaltverhalten in DC-Kreisen mit linearer Quelle und PV-Quelle verschieden Solargenerator: Konstantstromquelle hohe Lichtbogenstabilität Nichtlineare Spannungs-Strom-Kennlinie konstanter Strom bis U B > U MPP lange Lichtbogendauer t B hohe Schaltarbeit im Schaltgerät hohe thermische Beanspruchung erhöhter Abbrand (Alterung) Keine hohen Kurzschlussströme bis 1,25I SC-STC max. 1,4I SC-STC Großer Betriebsstrombereich

40 Strom- und Spannungsverlauf Ausschalten eines realen PV-Generators und einer konventionellen DC-Quelle Ausschalten mit mechanischem Schaltgerät an realem PV-Generator (100 m Anschlussleitung) und an 2-Pol-Quelle in Kreis mit τ 20 µs Ausschalten mit mechanischem Schaltgerät an realem PV-Generator (100 m Anschlussleitung) und an 2-Pol-Quelle in Kreis mit τ 1 ms

41 Überspannungsableiter Typ 2 PV Fehlerresistente Y-Schaltung DC + DC - SCI SCI fehlerresistente Y - Schaltung Vermeidet Überlastung der Module im Isolationsfehlerfall 3 Module 2 verschiedene Komponenten einsetzbar in erdfreien und funktionsgeerdeten Systemen

42 Überspannungsableiter DEHNguard M YPV SCI Abtrennverhalten ohne SCI mit SCI

43 Schaden eines Wechselrichters durch Brand der Ableiter Lit.: R. Schüngel, München

44 Koordination Schutzpegel des SPDs und Wechselrichter Blitzstromtest und Betriebsbedingungen DC-AC-Wechselrichter 400 kva Impulsstromgenerator 150 ka 8/20 µs 200 ka 10/350 µs DC-Versorgung > 600 V Oszilloskop Impulsstrom/ Schutzpegel Externer Typ 1 Blitzstromableiter AC- Einspeise- Transformator 230 / 400 V

45 Schutzkonzept für die Anlagenüberwachung

46 Prüfanlage für DC-SPDs Gleichstromquelle mit PV-Charakteristik nach pren Gleichstromquelle nach VDE Phasen- Transformator B6 Gleichrichter Sicherung Schalter R-L Netzwerk PV-Nachbildung Impulsstromgeneratoren 8/20 µs 10/350 µs U prim = 20 kv U sek = V Induktivität Kapazität S P D Stromregelung B C E Diodenkette PV-Nachbildung pren : Prüfspannungen bis 1500 V Prüfströme bis 100 A

47 Solarpark Mühlhausen Solarpark Mühlhausen Leistung 6,3 MWp Baujahr 2004 Fläche m² Modulanzahl

48 Äußerer Blitzschutz Schutzkonzept für ein Solarstromkraftwerk Blitzkugel Fangspitzen Erdungsanlage

49 Blitzstromverteilung im PV-Kraftwerk

50 Ausführung und Modellierung des PV- Modultisches

51 Blitzstromverteilung im PV-Kraftwerk - Computersimulation Blitzteilstrom indirekt in Erdungsanlage I [ka] Gesamtstrom 60 R ST = niedrig (10 Ω) R ST = hoch (1000 Ω) Blitzteilstrom SPD (+) PE R ST = niedrig (10 Ω) R ST = hoch (2000 Ω) t [ms] Kürzere Stromflussdauer Umwandlung in eine äquivalente 10/350 Blitzstrombelastung für Typ I SPD 10/350-Blitzstromtragfähigkeit: 1,1kA 1,5kA

52 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT