Wechselwirkung zwischen Schutzkonzepten in PV-Anlagen

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1 Wechselwirkung zwischen Schutzkonzepten in PV-Anlagen Adrian Häring, Joachim Laschinski SMA Solar Technology AG Sonnenallee 1; Niestetal Tel.: , Fax: Internet: Hintergrund und Motivation In der PV-Branche sind Diskussionen über Sicherheitsthemen an der Tagesordnung. Aktuell werden auf jeder Messe neue Konzepte oder Produkte vorgestellt, welche die Sicherheit von PV-Anlagen erhöhen sollen. Parallel dazu werden normativ neue Anforderungen diskutiert und eingeführt. Die einzelnen Maßnahmen sind für sich gesehen in den meisten Fällen ein Fortschritt zur Erhöhung der Anlagensicherheit und qualität. Der Einsatz der einzelnen Konzepte an sich klingt vernünftig, doch leider sind die einzelnen Konzepte nicht beliebig kombinierbar. Manche Konzepte behindern sich gegenseitig oder schließen sich funktionell sogar aus. PV-Generatoren unterscheiden sich grundlegend von den meisten elektrischen Systemen. So werden in den meisten elektrischen Anlagen, Verteil- und Verbrauchstromkreisen fehlerhafte Bereiche durch Abschaltung abgekoppelt. Der PV-Generator ist ein Erzeugerstromkreis mit vielen Einzelgeneratoren. Durch Abschaltung können nur der Schalteinrichtung nachgelagerte Fehler, so wie einige in Richtung der PV-Module vorgelagerte Probleme beherrscht werden. Dazu können außerdem die Stränge als parallel geschaltete Erzeugerstromkreise Rückströme in einzelnen Strängen erzeugen. Die PV-Zelle hat als Stromquelle eine besondere elektrische Charakteristik. Dies ist zum einem Fluch, da die Quelle nicht den erforderlichen Überstrom für die Nutzung konventioneller Überstromschutzgeräte liefern kann. Zum anderen ist es aber auch ein Segen, weil durch einen Kurzschluss Spannungsfreiheit erzeugt werden kann, ohne dass Anlagenteile beschädigt werden können. Ein weiterer wesentlicher Unterschied gegenüber anderen Generatoren ist noch, dass die Energiezufuhr nicht beherrscht werden kann (z.b. im Vergleich zu Wasserturbinen und Dieselgeneratoren). 1

2 Darüber hinaus handelt es sich bei einer PV-Anlage um einen räumlich ausgedehnten Generator im Freien. Somit ist kein Wegsperren von nicht abschaltbaren Anlagenteilen möglich, wie bei Batterieanlagen durch abgesperrte Batterieräume. Durch die Aufstellung im Freien wird die Alterung der Anlage beschleunigt und somit auch die Fehlerwahrscheinlichkeit erhöht. Diese Besonderheiten machen tatsächlich neue Schutzkonzepte Gedanken notwendig. Dabei muss aber für jede Teillösung immer auch ihr Zusammenspiel im Gesamtsystem beachtet werden. Schutzkonzepte In PV-Anlagen gehören heute Schutzkonzepte wie Rückstromschutz und Überspannungsschutz zum Standard. Diese werden jetzt immer häufiger mit Maßnahmen zur Abschaltung von PV-Modulen oder zum Lichtbogenschutz kombiniert. Um die möglichen Wechselwirkungen dieser Komponenten zu erläutern werden nachfolgend die wichtigsten Schutzziele zunächst vorgestellt: Rückstromschutz: Bei der Parallelschaltung von PV-Strängen können durch einen Kurzschluss in einem Strang Rückströme aus den anderen Strängen erzeugt werden, welche PV-Module und Leitungen überlasten und schädigen können. Solche Rückströme können durch Strangdioden vermieden oder durch die Begrenzung der Stranganzahl oder Strangsicherungen begrenzt werden. Wenn nur wenige Stränge parallel geschaltet werden, kann bei ausreichender Rückstrombelastbarkeit des PV-Moduls sowie der Leitungen auf einen separaten Rückstromschutz verzichtet werden. Alternativ können auch Strangdioden eingesetzt werden, welche den Rückstrom verhindern. Dioden werden aber für diese Zwecke immer seltener eingesetzt und zukünftig in den meisten Ländern für diese Zwecke wohl nicht mehr zugelassen. Standardmäßig werden als Rückstromschutz Sicherungen eingesetzt und normativ akzeptiert. Funktionell ist dieser Schutz nicht optimal, das bis zum Auslösen der Sicherung ein hoher Rückstrom auftreten kann bzw. muss. Sowohl Strangdioden als auch Strangsicherung erzeugen im Betrieb Wärme und somit unerwünschte Verluste, die je nach Einbausituation auch zu einer erheblichen Erwärmung in Verteilergehäusen führen kann. 2

3 Überspannungsschutz: Je nach Lage und Art der Anlage muss diese gegen Überspannungen geschützt werden. Die zu schützenden Geräte und Bereiche können durch vorgeschaltete Überspannungsschutzgeräte geschützt werden. Die PV-Module und Strangleitungen bilden die Empfangsantenne für eingekoppelte (atmosphärische) Überspannungen und sind selbst nicht geschützt. Freischaltung von Anlagenteilen: Um ein sicheres Arbeiten, z.b. bei Lösch- und Rettungseinsätzen, in der Anlage oder in Teilbereichen zu ermöglichen, können zusätzliche Schaltgeräte eingesetzt werden. Mit Strang- oder Generatorabschaltern können Teile der Anlage, z.b. die Leitungen, spannungsfrei geschaltet werden. Um im PV-Generator selbst die Spannungen auf unkritische Werte zu begrenzen, können Modulfreischalter oder Modulwechselrichter eingesetzt werden. In beiden Fällen kann die Spannungsreduktion oder Abschaltung durch kurzschließende oder unterbrechende Schalteinrichtungen erreicht werden. Abb. 1: Strang-/Generatorabschaltung, unterbrechend und kurzschließend Abb. 2: Modulabschaltung, unterbrechend und kurzschließend Lichtbogenschutz: PV-Generatoren als Gleichstromquellen können Lichtbögen an Fehlerstellen treiben und somit eine Brandgefahr erzeugen. Solche Lichtbögen können, 3

4 z.b. mittels ihres HF-Spektrums, detektiert werden und Gegenmaßnahmen auslösen. Zur Bekämpfung von Serienlichtbögen reicht es aus, den betreffenden Stromkreis an einer Stelle zu unterbrechen. Parallele Lichtbögen können, sofern vorhanden, durch eine dem Fehler vorgelagerte Abschalteinrichtung gelöscht werden. Alternativ kann der Generator kurzgeschlossen werden, wodurch die Spannung so stark vermindert wird, dass die Spannung zum Betreiben des parallelen Lichtbogens nicht mehr ausreicht. Abb. 3: Serien- und Parallel-Lichtbogen Netzstützungs- und Netzersatzfunktionen Mittels Netzstützungsfunktion wird versucht ein instabiles Netz durch gezielte Einspeisung so lange wie möglich zu stabilisieren. Hierfür muss die DC-Seite in dieser Zeit aktiv bleiben. Diese Strategie steht allerdings im Widerspruch zu dem Wunsch, die gesamte PV-Anlage im Notfall möglichst schnell abzuschalten. Das System muss also z.b. beim Wegfall der AC-Spannung möglichst schnell und zutreffend zwischen einem Netzproblem und einer bewussten Notabschaltung unterscheiden können. Wechselwirkungen Wenn verschiedene Schutzkonzepte miteinander kombiniert werden, müssen diese Funktionen im Gesamtsystem betrachtet werden. Nachfolgend wird mittels Kombination verschiedener der vorher erläuterten Konzepte erläutert, welche Schwierigkeiten und Einschränkungen im Zusammenspiel entstehen können. 4

5 Modulkurzschließer und Rückstromschutz Das Ansprechen von Modulkurzschließern in einem Strang führt zu einem Rückstrom, der sich aus den Strangströmen der anderen parallel geschalteten Strängen und/oder dem Entladestrom des Wechselrichters (Eingangskapazität) zusammen setzt. Um diesen Rückstrom zu verhindern, werden meist Strangsicherungen verwendet. Die zum Kurzschluss des Moduls verwendeten Halbleiterschalter werden allerdings durch diese Sicherungen nicht ausreichend geschützt. Andererseits werden Strangdioden, die dieses Problem lösen könnten, als alleiniger Strangschutz meist nicht akzeptiert und müssen daher zusätzlich vorgesehen werden. Die Kombination von Dioden und Sicherungen ist zum einen teuer und aufwändig, zum anderen werden mehr Verluste und Abwärme erzeugt. Alternativ kann der Generator auf viele kleine Teilgeneratoren aufgeteilt werden, um die Notwendigkeit für einen separaten Rückstromschutz zu vermeiden. Dies ist aber nur für kleine Anlagen sowie Wechselrichter mit mehreren unabhängigen Eingängen attraktiv. Lichtbogenschutz und Freischaltung: Bei dieser Kombination stellt sich die Frage, ob ein Lichtbogen im Abschaltfall gelöscht werden kann, wenn dieser zwischen Quelle und Abschalteinrichtung liegt, z.b. im PV- Modul. Bei unterbrechenden Schaltkonzepten wird der Serienlichtbogen automatisch beherrscht, bei kurzschließenden Systemen der Parallellichtbogen. Modulabschalter haben hier den Vorteil, dass der jeweils ungeschützte Bereich kleiner ist. Es können aber auch hier nicht beide Lichtbogentypen im Modul beherrscht werden. Die Wahrscheinlichkeit für einen Lichtbogen im Modul ist aufgrund der niedrigen Spannung allerdings gering. Es ist aber auch möglich, dass ohne Zünden eines Lichtbogens an der Fehlerstelle hohe Temperaturen entstehen und dadurch ein Brand entsteht. In PV-Anlagen ohne Abschalteinrichtung könnte also ein Lichtbogenschutz durch alternatives Öffnen oder Kurzschließen jederzeit beide Lichtbogentypen beherrschen. Soll zusätzlich eine Abschaltung vorgesehen werden, kann nicht mehr jeder Lichtbogen detektiert werden. Bei normativen Anforderungen oder entsprechendem Kundenwunsch muss daher klar sein, welche der beiden Funktionen Vorrang hat. 5

6 Lichtbogenschutz und Rückstromschutz Wenn Strangsicherungen vorgesehen sind, kann dies die Funktion einer zentralen Löschung von Parallellichtbögen beeinträchtigen. Ein paralleler Lichtbogen innerhalb eines Strangs kann hohe Rückströme erzeugen, welche die Sicherung zur Auslösung bringen, bevor der Lichtbogenschutz den Generator kurzschließt. In diesem Fall wäre der Lichtbogen von dem Kurzschluss zur Löschung entkoppelt und würde weiterbrennen. Um dies zu verhindern wären zusätzlich Strangdioden notwendig, um das Auslösen der Sicherung zu verhindern. Je nach normativer Lage müssten die Sicherungen als anerkannter Schutz weiterhin vorgesehen werden. Abb. 4: Kurzschlußschalter und vorgelagerte Strangsicherung Überspannungsschutz und Abschaltung Werden bei einer Anlage Überspannungen erwartet, z.b. bei Vorhandensein eines äußeren Blitzschutzsystems, müssen natürlich auch die Abschalteinrichtungen geschützt werden, so dass diese im Bedarfsfall auch funktionsfähig sind. Strang- und Generatorschalter sind durch vorgeschaltete Überspannungsschutzgeräte entsprechend zu schützen. Modulschalter sind üblicherweise Halbleiterschalter, welche empfindlich gegen Überspannungen und gemessen an den zu erwartenden Impulsströmen vergleichsweise gering dimensioniert sind. Da die Einkopplung der Überspannung über den Strang als Empfangsantenne erfolgt, muss jeder Schalter am Modul geschützt werden. Der Schutz jedes einzelnen Schalters ist aufwändig, ebenso eine großzügigere Dimensionierung der Schalter selbst. Die Kombination dieser Funktionen erzeugt also hohen Mehraufwand. 6

7 Als Alternative könnten auch Modulwechselrichter eingesetzt werden. Aber auch hier muss geprüft werden, ob der wechselstromseitige Überspannungsschutz mit angemessenem Aufwand erreicht werden kann. Abb. 5: Einkopplung in Strang, bei Modulkurzschließer und Modulöffner Priorisierung der Schutzfunktionen Die verschiedenen Wechselwirkungen machen deutlich, dass man einzelne Schutzkonzepte nicht beliebig miteinander kombinieren kann. Durch die gegenseitige Beeinflussung ist eine Umsetzung aller Schutzfunktionen oft gar nicht möglich oder aber sehr aufwändig. Meist lässt sich das Schutzziel leichter mit kleinen PV-Generatoren realisieren, bei denen andererseits häufig auch ein höherer Schutzbedarf existiert (z.b. auf Wohngebäuden). Die verschiedenen Schutzfunktionen haben auch unterschiedliche Zielsetzungen. So dienen Überspannungsschutz und Lichtbogenschutz dem vorbeugendem Brandschutz, Modul- und Generatorabschalter hingegen dem Personenschutz bei Lösch- und Hilfeleistungsmaßnahmen. Je nach Situation (Anlagen- und Gebäudeart) sollten gezielt Schwerpunkte gesetzt werden und ein ganzheitliches Schutzkonzept erstellt werden. So kann zum einen eine Erhöhung der Anlagensicherheit erreicht werden, ohne zwingend die Kosten übermäßig zu erhöhen. Zum anderen kann sichergestellt werden, dass die wichtigsten Funktionen Vorrang haben und das Schutzziel zuverlässig erreicht wird. 7

8 Dies kann durch die nachfolgenden Beispiele gezeigt werden: Bürogebäude mit äußerer Blitzschutzanlage und Kundenwunsch nach zusätzlichen Abschalteinrichtungen Eine Modulabschaltung wird im Fall eines Blitzschlages durch eingekoppelte Überspannungen gefährdet. Es besteht die Gefahr, dass die Modulabschaltung dann nicht mehr gewährleistet ist. Hier würde es sich anbieten Strang- oder Generatorfreischalter einzusetzen oder die Wechselrichter auf dem Dach zu installieren. Diese können durch vorgeschaltete Überspannungsschutzgeräte gut geschützt werden. Würde sich die Anlage in einer Glasfassade des Gebäudes befinden, welche von innen berührt werden kann, könnte der Einsatz von Modulwechselrichtern geschickter sein. Freilandanlage mit Zentralwechselrichter Hier ist Überspannungsschutz obligatorisch und durch die Vielzahl der parallelen Stränge Rückstromschutz zwingend notwendig. Dies schränkt die Verwendung weiterer Schutzfunktionen stark ein. Der Einsatz eines Schutzes gegen Serienlichtbögen ist gut integrierbar, weil hier keine kritischen Wechselwirkungen zu erwarten sind. Soll ein Schutz gegen Parallellichtbögen realisiert werden, steigt der Aufwand stark an. Man kann zwar Detektions- und Kurzschlusseinheiten an einer oder wenigen Stellen vorsehen, die Anlage müsste dann aber um Strangdioden erweitert werden, um einem Auslösen von Sicherungen vorzubeugen, welche einen Parallellichtbogen entkoppeln würden. Dieser Aufwand würde nur betrieben werden, wenn ein besonderes Risiko für eine Brandausbreitung besteht, wie z.b. die Gefahr von Flächenbränden bei trockenem Gras. Anlage auf Scheune Handelt sich um ein freistehendes Gebäude ohne Bewohner, aber hoher Brandlast (Holz, Heu), sollte der Anlagenplaner sein Augenmerk auf die Vermeidung von Bränden legen. Eine Blitzschutzanlage kombiniert mit einem Überspannungsschutz würden die Brandgefahr im Falle eines Blitzschlages reduzieren. Der Einsatz eines Lichtbogenschutzes gegen Serien- und Parallellichtbögen würde die Gefahr minimieren, dass die PV-Anlage selbst Auslöser eines Brandes werden könnte. Zusätzliche Maßnahmen zur Abschaltung wären hier nachrangig. Das Gebäude könnte im Falle eines Brandes gut mit ausreichendem Abstand gelöscht werden. 8

9 Fazit Diese Beispiele zeigen, wie wichtig es ist, die Situation der einzelnen Anlage zu beurteilen, und dementsprechend Schutzkonzepte auszuwählen. Pauschale Einzelforderungen sind hier nicht zielführend, wie z.b. der generelle Einsatz von Lichtbogenschutz oder Modulabschaltung. Dadurch würden andere Schutzkonzepte eingeschränkt werden, deren Funktion aber je nach Anlage wichtiger wären. Besonders wichtig ist die Festlegung, welche Funktionen Vorrang haben, wenn sich diese gegenseitig einschränken. Dies gilt vor allem für normative Vorgaben. Das System ist als Ganzes zu betrachten und nicht als Sammlung einzelner Funktionen. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Zuverlässigkeit und der ungestörte Betrieb der PV- Anlage. PV-Anlagen gelten zu Recht als wartungsarm und wenig störanfällig. Diese positive Erfahrung darf nicht leichtfertig durch Schwierigkeiten und Zuverlässigkeitsprobleme mit gut gemeinten zusätzlichen Funktionen gefährdet werden. So dürfte z.b. Elektronik am Modul anfälliger gegen Überspannungen sein und somit das Risiko für Ausfälle steigern. Ein weiteres Beispiel kann der Einsatz von Strangdioden sein. Müssen Strangdioden zusätzlich eingesetzt werden, erhöhen deren Verluste die Erwärmung und beschleunigen so die Alterung von Komponenten. Im ungünstigsten Fall werden dadurch auch die Strangsicherungen so stark mit erwärmt, dass diese in einer regulären Betriebssituation auslösen. Diese Beispiele zeigen, dass bei der Integration von zusätzlichen Schutzfunktionen darauf geachtet werden muss, dass der Aufwand den Schutzzielen angemessen ist und die Zuverlässigkeit von PV-Anlagen auch weiterhin erhalten bleibt. 9