White Paper Sicheres Trennen von Photovoltaikanlagen

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1 White Paper Sicheres Trennen von Photovoltaikanlagen Bei Photovoltaikanlagen kommen zum Trennen von Strömen und Spannungen zwischen dem Generator und dem Wechselrichter in der Regel DC-Lasttrennschalter zum Einsatz. Hybridsysteme, die durch die geschickte Kombination von Mechanik und elektronischem Schaltelement höhere Spannungen und Ströme schalten können, sind hier eine interessante Alternative. Zumal sie zusätzliche Sicherheitsaspekte berücksichtigen Klar ist, dass sich in der Zwischenzeit fast jeder an den Anblick der zahlreichen Photovoltaik (PV) Dach- und Freiflächenanlagen gewöhnt hat. Dank dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) trägt die Solarenergie Ende 2010 bereits im Jahresmittel 2% zur deutschen Stromproduktion bei, was insgesamt rund installierten PV-Anlagen mit einer Kapazität von 17 GWp entspricht [1]. Doch kaum jemand kennt die einzelnen Komponenten einer PV-Gesamtanlage und deren speziellen Anforderungen auch im Bezug auf die Sicherheit. Veranschaulicht wird dies vom Konzept bis zum Praxistest anhand eines DC-Lasttrennschalters (auch DC-Freischalter oder Feuerwehr-Schalter genannt), welcher durch die DIN VDE [2] normativ gefordert ist. Die Norm verlangt, dass eine Einrichtung zum sicheren Trennen von Strömen und Spannungen zwischen dem PV-Generator und dem Wechselrichter (also auf der Gleichstromseite) vorzusehen ist. Dieser Trenner kann entweder im Wechselrichter integriert und/oder separat, zum Beispiel in Generatoranschlusskästen, installiert werden. Steigende Anforderungen an die Technik im PV-Markt Je nach Verschaltung der einzelnen Solarmodule werden in PV-Anlagen Spannungen und Ströme gebündelt. Hierbei wird die Spannung durch die Reihenschaltung einzelner Module zu einem Strang erhöht. Dadurch treten in der Praxis auf der Gleichspannungsseite je nach Anlagengröße mehrere hundert Volt eingangseitig am Wechselrichter auf. Im Falle eines Leerlaufs (abgeschalteter oder getrennter Wechselrichter), können i.a. 600 bis V DC erreicht werden, wobei die Niederspannungsrichtlinie [3] die oberste Grenze bei V DC legt. Der Strangstrom beträgt dabei typischerweise 5 bis 10 A bei voller Einstrahlung. Weiterhin können mehrere Stränge parallel geschaltet werden - diese Ströme addieren sich entsprechend auf. Bei diesen Spannungen und Strömen ist das Auftrennen des Stromkreises wegen der Gefahr eines Lichtbogens im Kontaktsystem nicht unproblematisch. Dies gilt insbesondere beim Abschalten eines fehlerbedingten Kurzschlusses, aber auch für den Einspeisebetrieb bei bestimmten Wechselrichtertopologien. Im Gegensatz zu den derzeit verwendeten DC-Lasttrennschaltern, welche das Trennen von hohen Gleichspannungen durch eine Serienschaltung von mehreren Löschkammern realisieren, trennt ein Hybridsystem zuverlässig durch die geschickte Kombination von Mechanik und elektronischem Schaltelement. Dieses speziell für DC-Anwendungen entwickelte und optimierte Konzept ermöglicht das Trennen von Spannungen bis V DC und max. 30 A auf kleinstem Raum mit nur einer einzigen Bauvariante. Sowohl die herkömmlichen als auch die Hybrid-Lasttrennschalter werden hierbei i.d.r. nach der DIN EN [4] und/oder UL 98B [5] zertifiziert. E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH, Altdorf Mai 2011

2 Funktion des Hybridschalterkonzepts Das Funktionsprinzip (siehe Abbildung 1) des Hybridschaltsystems basiert im positiven Pfad auf zwei in Reihe geschaltete mechanische Kontaktsystemen (S1 und S2) mit einem elektronischen Schaltelement parallel zu einem mechanischen Schalter (S1). Das elektronische Schaltelement ist im Standardbetrieb spannungsfrei (S1 und S2 geschlossen) und wird nur während des Schaltens und im geöffneten Zustand mit der Nennspannung belastet. Die Elektronik verbraucht in dieser Stellung keine Energie. Beim Betätigen des Trenners werden S1, S2 und S3 geöffnet. Durch die Potentialdifferenz (minimal 16 V) des an S1 entstehenden Lichtbogens schaltet das elektronische Element durch, d.h. der Strom von S1 wird übernommen und der Lichtbogen verlöscht. Dies hat zur Folge, dass für das gesamte Hybridsystem keine externe Spannungsversorgung benötigt wird. Nach der Kommutierung des Stroms auf das elektronische Schaltelement geht dieses verzögert in den Sperrzustand und unterbricht den Stromfluss. Somit kann der mechanische Kontakt S1 stromlos weiter öffnen. S2 und S3 stellen die zweipolige galvanische Trennung sicher, womit diese Technologie auch für ungeerdete Anlagen geeignet ist. Beim Wiedereinschalten des Trenners bzw. im geschlossenen Zustand hat das elektronische Schaltelement keinerlei Einfluss [6]. Die Hybrid-Funktion ermöglicht insbesondere auch ein sicheres Trennen bei Strömen weit unter der Nennstromstärke des Trenners. Diese niedrigen Ströme entstehen im Betrieb von PV-Anlagen bei geringer Einstrahlung beispielsweise in den frühen Morgen- bzw. späten Abendstunden. Beim Abschalten mit rein mechanischen Schaltern besteht hier die Möglichkeit, dass der Lichtbogen auf Grund der geringen Stromstärke nicht in die dafür vorgesehene Löschkammer wandert, sondern im Bereich des Kontaktsystems verharrt und diese übermäßig belastet. Abbildung 1: Hybridschalter-Konzept für PV-Anlagen (2-polig) Schaltlichtbögen sind zu vermeiden Hauptschwierigkeit bei Anwendungen im Bereich PV ist, dass sich PV-Quellen anders als übliche DC- Spannungsquellen verhalten und über weite Bereiche der Kennlinie eher einer Konstantstromquelle gleichen. Beim Ausschalten eines Kurzschlusses wird der Strom während des bestehenden Lichtbogens im Schaltvorgang trotz ansteigender Lichtbogenspannung nahezu konstant weiter getrieben, bis er dann ungefähr ab dem Punkt maximaler Leistung (MPP) einbricht. Somit wird die gesamte Schalteinrichtung bei PV-Anwendungen im Gegensatz zu herkömmlichen DC-Anwendungen E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH, Altdorf Mai 2011

3 thermisch erheblich belastet. Daraus lässt sich ableiten, dass der Einsatz von schnellen Schaltgeräten mit weitgehender Vermeidung eines Schaltlichtbogens und somit sehr niedrigen Schaltenergien von Vorteil ist. Zudem können nicht einfach vorhandene AC-Systeme für DC-Anwendungen adaptiert werden. Sogar Schaltgeräte, welche für normale DC-Kreise ausgewiesen sind, müssen nicht zwingend für PV-Generatoren geeignet sein [7]. Da es bisher für höhere Leistungsklassen am Markt nur wenige praxisgerechte und realitätsnahe Nachbildungen der Strom- und Spannungscharakteristik von PV-Quellen für Laboranwendungen gibt, ist es fast unvermeidbar, nach der Entwicklung und ersten (kleineren) Prüfungen im Labor, Tests bzw. Schaltversuche an realen PV-Testanlagen durchzuführen um die Praxistauglichkeit nachzuweisen. Abbildung 2: Der Schaltschrank der PV-Testanlage ermöglicht es, je nach Anforderungen verschiedene Stränge zu verschalten Die PV-Testanlage von E-T-A (siehe Abbildung 2) verfügt über insgesamt elf Stränge mit unterschiedlicher Anzahl von Modulen, welche zudem mit unterschiedlichen Wechselrichtertypen betrieben werden können. Durch den zentralen Schaltschrank besteht die Möglichkeit, diese Stränge E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH, Altdorf Mai 2011

4 je nach Anforderungsprofil zu verschalten. Die hierdurch entstehenden Testszenarien ergeben ein breites Portfolio zur Beurteilung von PV-Komponenten. Vergleichend wurden hier herkömmliche Schaltgeräte sowie Hybridsysteme (wie oben beschrieben) getestet. Insbesondere die problematischen kleinen Ströme waren hierbei von Interesse. Die Ergebnisse (siehe Abbildung 3) verdeutlichen die großen Unterschiede der Trenner in Bezug auf die zu schaltende Energie. Vor allem im Hybridsystem ist die Schaltenergie sehr niedrig und ermöglicht somit ein langlebiges und verschleißarmes Kontaktsystem. Die rein mechanischen Systeme werden hingegen deutlich mehr belastet, da der Lichtbogen bei kleineren Strömen länger im Kontaktsystem verharrt. Abbildung 3: PV-Lasttrennschalter Kurzschlussschaltversuche Zusätzliche Sicherheitsaspekte Neben der normativen Forderung nach einem Lasttrennschalter auf der Gleichstromseite werden insbesondere die Sicherheitsaspekte bezüglich brandschutzgerechter Planung von PV-Anlagen, getrieben durch Feuerwehren und Verbände (BSW, BSFB, DGS, ZVEH, etc.), immer mehr in den Vordergrund gestellt. Durch durchdachte Konzepte kann hier der Lasttrennschalter auch gezielt als E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH, Altdorf Mai 2011

5 "Feuerwehrschalter" betrieben werden. Wichtig ist neben den Mindestanforderungen sowie Zusatzfunktionen auch der richtige Einbauort. So sollte ein solches System beispielsweise - ein Fail Safe Verhalten aufweisen, - einen Auslöser am Hausanschluss (Remote Off) besitzen, - den Schaltzustand klar ersichtlich machen, - eine Sicherung gegen Wiedereinschalten enthalten und direkt am Gebäudeeintritt auf dem Dach in unmittelbarer Nähe zu den Modulen angebracht werden, und nicht wie meist üblich im Keller des Gebäudes. Durch diese Maßnahmen kann das Gebäudeinnere im Brandfall frei von berührbaren Spannungen gehalten werden, wodurch ein sichereres Arbeiten der Feuerwehren ermöglicht wird [8] [9]. Fazit Der Fokus liegt zukünftig klar auf speziell für den PV-Markt entwickelten und abgestimmten Schaltgeräten (siehe Abbildung 4) [10], welchen den Sicherheitsstandard von PV-Anlagen optimieren. Zusätzliche und integrierte Funktionen ergeben hierbei einen Mehrwert, der schon bei der Planung einer PV-Anlage mit in Betracht gezogen werden sollte. Abbildung 4: DC-Lasttrennschalter auf Hybridbasis speziell für PV-Anlagen E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH, Altdorf Mai 2011

6 Literatur [1] Statistikpapier "Photovoltaik" Fassung 01/11: [2] DIN VDE (VDE ): Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 7-712: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume und Anlagen besonderer Art - Solar-Photovoltaik-(PV)-Stromversorgungssysteme. Berlin, Offenbach: VDE Verlag [3] Richtlinie 2006/95/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 12. Dezember 2006 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten betreffend elektrische Betriebsmittel zur Verwendung innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen. Amtsblatt Nr. L 374 vom S Luxemburg: Amt für amtl. Veröffentlichungen [4] DIN EN (VDE ): Niederspannungsschaltgeräte - Teil 3: Lastschalter, Trennschalter, Lasttrennschalter und Schalter-Sicherungs-Einheiten. Berlin, Offenbach: VDE Verlag [5] UL 98B: Enclosed and dead-front switches for use in photovoltaic systems. Camas/WA/USA: Uderwriter Laboratories [6] Gerdinand, F; Meckler, P.: Hybridschalter für den Einsatz in PV-Anlagen. In: ep Photovoltaik - 1/ (ISSN ); sowie Meckler, P.: Mechatronische Sicherheit. In: EL-Info Extra, [7] Zahlmann, P; Birkl, J.: Prüfung von Schaltgeräten für Photovoltaik-Generatoren. In: etz - Elektrotechnik + Automation 130 (2009) Heft 8, S (ISSN ) [8] Broschüre "Brandschutzgerechte Planung, Errichtung und Instandhaltung von PV-Anlagen" der Expertenkommission Brandschutzgerechte Planung, Installation und Betrieb von PV-Anlagen. Berlin 2011: [9] Schulz, W.: Gefahren für die Feuerwehr durch Solarstromanlagen. In: VDI Nachrichten (2011), Heft Nr. 10 (ISSN ) [10] E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH: Markus Wiersch ist Geschäftsfeldmanager für Energie & Umwelttechnik bei der E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH in Altdorf. markus.wiersch@e-t-a.de E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH, Altdorf Mai 2011