Normen und Vorschriften Planvorlage / Installationsbewilligung / Kontrolle ESTI Gefahren von Photovoltaikanlagen / Äussere Einflüsse Anlagetypen

Kontrolle von Photovoltaikanlagen Martin Kenner Starkstrominspektor Electrosuisse 1

Inhaltsverzeichnis Normen und Vorschriften Planvorlage / Installationsbewilligung / Kontrolle ESTI Gefahren von Photovoltaikanlagen / Äussere Einflüsse Anlagetypen Zentral-Wechselrichter und String-Anlagen Beispiel einer PV-Anlage 20kW Wechselrichter Typen und Fehlerstromschutz Blitzschutz und Schutz-Potenzialausgleich Trennstellen AC / DC Leitungsverlegung Überspannungsschutz Elektromagnetische Verträglichkeit EMV Netzrückspeiseschutz Netzrückwirkungen Zusammenfassung 2

Normen und Vorschriften STI 233.1104 SN SEV 1000 STI 219.0201 SEV 4022 EN 50160 Solar - Photovoltaik - Stromversorgungssysteme Niederspannungs-Installationsnormen NIN Teil 7.12 Photovoltaik Parallelbetrieb von Energieerzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz Leitsätze Blitzschutzsysteme Spannungsqualität VSE 301-2007 Regeln zur Beurteilung der Netzrückwirkungen (VSE 2.72) 4

Normen und Vorschriften EN 61000-6-3 EN 61000-6-4 EN 61000-3-2 EN 61000-3-12 EN 61000-3-3 EN 61000-3-11 EN 55011 / 22 Störaussendung Wohnbereich und Gewerbe Störaussendung Industriebereich Grenzwerte Oberschwingungen < 16A Grenzwerte Oberschwingungen > 16A - 75A Grenzwerte Flicker < 16A Grenzwerte Flicker > 16A - 75A Grenzwerte Funkstörungen EN 50178 pren 62109-1 Ausrüstung von Starkstromanlagen mit elektronischen Betriebsmitteln Sicherheit von PV-Leistungsumrichtern 5

Planvorlagepflicht Nach der Verordnung über das Plangenehmigungsverfahren für elektrische Anlagen (VPeA) Art. 1 Abs. 1b sind Photovoltaikanlagen > 3 kva einphasig oder > 10 kva mehrphasig mit Verbindung zu einem Verteilnetz planvorlagepflichtig. ESTI - Mitteilung "Photovoltaikanlagen" 03/2010 7

Installationsbewilligung Bei Photovoltaikanlagen fallen die gesamten Installationsarbeiten ab den Anschlussklemmen der Panels (PV-Module) unter die Bewilligungspflicht nach NIV. Grundsätzlich ist eine allgemeine Installationsbewilligung (NIV Art. 7), eine Bewilligung für Betriebe (NIV Art. 9), oder eine eingeschränkte Bewilligung für Installationsarbeiten an besonderen Anlagen (NIV Art. 14) erforderlich. ESTI - Mitteilung "Photovoltaikanlagen" 03/2010 8

Kontrolle durch ESTI Bei vorlagepflichtigen Photovoltaikanlagen kontrolliert das ESTI nach der Fertigstellung ob die Anlage vorschriftsgemäss erstellt worden ist (Planvorlagenabnahme). Grundlage für diese Abnahmekontrolle bilden die Fertigstellungsanzeige gemäss Art. 12 VPeA und die Sicherheitsnachweise für den DC-Teil und den AC-Teil, welche gemäss der Planvorlagenverfügung gefordert sind. Bei vorlagepflichtigen Photovoltaikanlagen mit Kontrollperioden < 20 Jahre erledigt das ESTI im Rahmen der Planvorlagenabnahme auch die unabhängige Kontrolle gemäss NIV Art. 35. ESTI - Mitteilung "Photovoltaikanlagen" 03/2010 9

Gefahren von Photovoltaikanlagen Die Komponenten sind teilweise im Freien, d.h. der Witterung, der Flora und Fauna und der Korrosion ausgesetzt. Es sind hohe DC-Spannungen bis ca. 1000V vorhanden. Es ist dauernd Spannung vorhanden solange Tageslicht. Lichtbögen in DC-Stromkreisen löschen nicht von selbst. Die Kurzschlussströme sind nur unwesentlich grösser als der Nennstrom, d.h. Kurzschlussschutz mit konventionellen Überstromunterbrechern funktioniert nicht. Bei trafolosen WR können kapazitive Berührungsströme entstehen. 11

Gefahren von Photovoltaikanlagen Die langjährige Schadenerfahrung der Versicherungen belegt deutlich: Der Grossteil der Schäden kann vermieden werden, wenn ein entsprechender Qualitätsanspruch bei der Auswahl der Komponenten, eine sorgfältige Planung und insbesondere die fachgerechte Ausführung gegeben ist. 12

Äussere Einflüsse 7.12.5.1.2.4 Betriebsbedingungen und äussere Einflüsse Sämtliche Betriebsmittel müssen den besonderen Anforderungen durch äussere Einflüsse entsprechen. Insbesondere sind folgende besonderen Einflüsse zu beachten: - Feuer - UV- Strahlung - Feuchtigkeit, Nässe, Kondenswasserbildung - mechanische Beanspruchungen Die mechanische Festigkeit der Modulbefestigungen, Fundamente und dergleichen gegen Einwirkungen von Wind, Wasser, Schnee, Kälte, Wärme und Brand sind die SIA 260, 261 und 261/1 einzuhalten. 13

Äussere Einflüsse Beschädigungen durch Wind und Schnee 14

Anlagetypen Anlage mit Zentral-Wechselrichter PV-Array-Kasten DC-Feldverteilkasten 16

Anlagetypen Anlage mit Zentral-Wechselrichter DC-Freischaltkasten mit Überwachung Zentralwechselrichter 17

Anlagetypen Anlage mit String-Wechselrichtern 18

Anlagetypen Anlage mit zentral angeordneten String-Wechselrichtern 19

Beispiel PV-Anlage 20kW Modulhalterungen "PVSTEIN" Module E in Metallrahmen Modulrahmen an Blitzschutz Strangverkabelung sonderisoliert 21

Beispiel PV-Anlage 20kW 88 Module "Conergy PowerPlus 230W" E in Metallrahmen 6 Stränge mit je 13 Modulen in Serie UMPP = 381V UOC = 474V 1 Strang mit 10 Modulen in Serie UMPP = 293V UOC = 365V Strangstrom IMPP = 7.85A Kurzschlussstrom ISC = 8.15A 3 Wechselrichter "Solarmax 6000C" mit Trafo 1 Wechselrichter "Solarmax 2000S" ohne Trafo DC-Verteiler AC-Verteiler Wechselrichter 22

Beispiel PV-Anlage 20kW 23

Beispiel PV-Anlage 20kW WR 6000W DC-Verteiler / Feldverteiler DC-Trennstelle und Überspannungsschutz WR 6000W DC-Verteiler AC-Verteiler 24

Beispiel PV-Anlage 20kW Netzrückspeiseschutz nicht gemäss ESTI-Weisung eingestellt 1) Abstände WR gemäss Handbuch nicht eingehalten Temp = 86 C 2) AC-Anschlüsse mit Steckern nicht gemäss Handbuch 3) WR nicht an Potenzialausgleich 4) Absicherung WR nicht gemäss Handbuch und nicht selektiv 5) Eingänge und Ausgänge der Überspannungsableiter sind 2m parallelgeführt = SPD wirkungslos! 25

Beispiel PV-Anlage 20kW Netzrückspeiseschutz programmiert gemäss Voreinstellung CH Abstände WR gemäss Handbuch > 0.5m bei Anordnung übereinander AC-Anschlüsse mit Steckern und felxiblem Kabel WR-Gestell an Potenzialausgleich mit Verbindung zu Blitzschutz Absicherung WR mit LS C gemäss Handbuch und selektiv Eingänge und Ausgänge der Überspannungsableiter sind getrennt geführt 26

Wechselrichter Für die Kontrolle von PV-Anlagen müssen insbesondere die Unterlagen der Wechselrichter vorhanden sein und auch gelesen werden. Conergy IPG 4000 WR mit oder ohne Trafo Montageabstände / Montagelage / IP-Schutzgrad Umgebungsbedingungen / Umgebungstemperatur Vorsicherung vom WR Anschlüsse AC und DC Fehlerstromüberwachung Netzrückspeiseschutz Zusätzliche Erdung EMV-Kategorie 28

Wechselrichter Wechselrichter mit Netz-Transformator 29

Wechselrichter Wechselrichter mit HF-Transformator 30

Wechselrichter Wechselrichter ohne Transformator (trafolose WR) 31

Wechselrichter 7.12.4.1.1.3 Fehlerschutz (Schutz bei indirektem Berühren) Enthält der PV-Wechselrichter keine einfache Trennung, (trafoloser WR) muss AC-seitig eine Fehlerstromschutzeinrichtung (RCD) I n 30mA Typ B vorgeschaltet werden oder die DC-Seite in Schutzklasse II ausgeführt werden und eine andere gleichwertige Massnahme angewendet werden welche verhindert, dass Gleichfehlerströme in der elektrischen Anlage auftreten können. (WR-interne allstromsensitive Fehlerstromüberwachung) Kriterien für die Auswahl eines RCD 32

Wechselrichter 7.12.5.4.2 Schutz-Potenzialausgleich und Blitzschutz Anmerkung: Werden Wechselrichter ohne galvanische Trennung verwendet, können an den metallischen Rahmen von Solarmodulen durch Kapazitäten der Module unzulässig hohe Berührungsströme auftreten. 33

Blitzschutz und Schutz-Potenzialausgleich 7.12.5.4.2 Schutz-Potenzialausgleich und Blitzschutz Für das Erstellen von Blitzschutzanlagen gelten die Leitsätze des SEV 4022:2008 "Blitzschutzsysteme" Grundsätzlich wird ein Gebäude durch die Errichtung einer PV-Anlage nicht blitzschutzpflichtig. Bei Gebäuden welche eine äussere Blitzschutzanlage aufweisen sind die metallischen, betriebsmässig nicht stromführenden Teile der Anlage (z. B. Gestelle, Rahmen) in die äussere Blitzschutzanlage einzubeziehen. 35

Blitzschutz und Schutz-Potenzialausgleich 7.12.5.4.2 Schutz-Potenzialausgleich und Blitzschutz Sofern das Gebäude keine äussere Blitzschutzanlage aufweist, sind die metallischen, betriebsmässig nicht stromführenden Teile der Anlage (z. B. Gestelle, Rahmen) in den Schutz-Potenzialausgleich (4.1.3.1.2) einzubeziehen. Dies gilt auch für metallene Modulrahmen von Modulen mit Sonderisolation E. Der Querschnitt der Schutz-Potenzialausgleichsleitung beträgt 10 mm 2. 36

Blitzschutz und Schutz-Potenzialausgleich 7.12.5.4.2 Schutz-Potenzialausgleich und Blitzschutz Erfüllt die Anlage (gesamte DC-Seite) die Anforderungen der Schutzklasse II und ist der Wechselrichter mit einer einfachen galvanische Trennung z. B. mit Transformator ausgerüstet, kann auf den Schutz-Potenzialausgleich verzichtet werden. Bei Dünnschichtmodulen der Schutzklasse II kann ein Potenzialausgleich je nach Herstellerangaben trotzdem erforderlich sein (Statische Aufladung / TCO-Korrosion). 37

Blitzschutz und Schutz-Potenzialausgleich 7.12.5.4.4 Schutz-Potenzialausgleich und Blitzschutz Der Schutz-Potenzialausgleichsleiter muss einen minimalen Querschnitt von 10 mm 2 aufweisen. Muss mit einem Teilblitzstrom in der Hauptleitung gerechnet werden, wird idealerweise die PV-Gleichstromhauptleitung mit einem konzentrischen Schutzleiter verlegt. Kabel mit blitzstromtragfähiger Abschirmung z.b. Ceander XKT / GKT oder RADOX-Solar 38

Einrichtungen zum Trennen und Schalten 7.12.5.3.7.1 Geräte zum Trennen und Schalten Zum Durchführen von Wartungsarbeiten am PV-Wechselrichter müssen Einrichtungen zum Trennen des PV-Wechselrichters auf der Gleichspannungsseite und der Wechselspannungsseite vorgesehen werden. In Anlagen mit einem maximalen Betriebsstrom von 10 A und einer maximalen Leistung von 2.0 kw kann der Trennschalter auf der DC-Seite durch eine für diesen Zweck geeignete Steckverbindung ersetzt werden. Solche Steckverbindungen müssen für die DC-Anwendung geeignet sein und die spannungsführenden Teile Kontakte müssen gegen zufällige Berührung geschützt sein. 40

Einrichtungen zum Trennen und Schalten 3-phasiger AC-Anlageschalter DC-Lasttrennschalter ESS Electronic Solar Switch 41

Einrichtungen zum Trennen und Schalten DC-Lasttrennschalter DC-Stecker und AC-Stecker 42

Leitungsverlegung 7.12.5.2.2 Auswahl und Errichtung nach den Umgebungsbedingungen PV-Array, und PV-DC-Hauptkabel/-leitungen müssen in einer solchen Weise ausgewählt und errichtet werden, dass das Risiko eines Erdschlusses oder Kurzschlusses auf ein Minimum reduziert ist. Äussere Einflüsse die zu erwarten sind, wie Wind, Eisbildung, Temperaturen und Sonneneinstrahlung, Fauna und Flora müssen berücksichtigt werden. 44

Leitungsverlegung 7.12.5.2.1.2 PV-Gleichstromhauptleitung Die PV-Gleichstromhauptleitung ist ortsfest zu verlegen und es sind Isolationsmaterialien zu verwenden welche erhöhte Anforderungen an die Isolation (halogenfreie Isolationsmaterialien) erfüllen. PVC-Isolationen sind dazu nicht geeignet. Führen solche Leitungen über brennbare Gebäudeteile sind diese in nichtbrennbare oder schwerbrennbare Rohre oder Kanäle zu verlegen oder es sind Kabel mit einer metallischen Umhüllung oder einem konzentrischen Leiter zu verwenden (keine PVC-Isolation). PVC-Kanäle sind dazu nicht geeignet. 45

Leitungsverlegung Schlechte Beispiele von String-Verkabelungen Gefahr von Kurz- und Erdschlüssen, Brandgefahr! 46

Leitungsverlegung Gute Beispiele von String-Verkabelungen 47

Leitungsverlegung 7.12.5.2.1.3 PV-Strangkabel Innerhalb eines Gebäudes entsprechen die Anforderungen an das Verlegen von Leitungen jenen der PV-Gleichstromhauptleitung. PVC-Isolationen sind dazu nicht geeignet. Im Dachbereich, ausserhalb des Gebäudeeintrittes gelten die Anforderungen an das Isolationsmaterial. 48

Überspannungsschutz 7.12.4.4.3.1 Schutz gegen atmosphärische Überspannung Um einen optimalen Schutz der Anlage zu erreichen und die Brandgefahr zu minimieren, wird empfohlen, an den Enden der DC- und der AC-Leitungen zum Schutz der Leitungen und des Wechselrichters, Überspannungs- Schutzeinrichtungen (SPDs) anzuordnen. Auf der DC-Seite sind die Überspannungs-Schutzeinrichtungen möglichst nahe bei der Kabeleinführung in das Gebäudeinnere anzuordnen. Je nach Schutzziel sind weitere Überspannungsableiter anzubringen. 45% der Schäden an PV-Anlagen sind auf Überspannungen zurückzuführen. (Quelle Mannheimer Versicherung / Statistik 2003-2008) 50

Überspannungsschutz In Deutschland wird für PV-Anlagen > 10kW vom VdS ein Überspannungs-Schutzkonzept verlangt. Unter Fachleuten ist unbestritten, dass grössere PV-Anlagen auf einem Dach mit Blitzschutzanlage mit Überspannungsableitern geschützt werden müssen. ABB-Merkblatt ZVEH-Merkblatt Vermehrt werden Dachflächen von den Eigentümern der Liegenschaften sogenannten "Solar Contractoren" (Investor und Betreiber der PV-Anlage) zur Verfügung gestellt. Merkblatt AHB Zürich Die Eigentümer sind sich meist nicht bewusst, welche Risiken mit einer PV-Anlage verbunden sind. 51

Überspannungsschutz Stringkabel mit grosser Schlaufenfläche sind in einem hohen Gebäude ohne Überspannungsschutz von der Dacheinführung bis in den Keller (ca. 30m) auf einem gemeinsamen Trasse mit Gebäudeverkabelung geführt! Bei einer Blitzeinkopplung muss mit einem totalen Ausfall der Gebäude- und Informationstechnik gerechnet werden! 52

Überspannungsschutz 7.12.4.4.1 Schutz gegen elektromagnetische Beeinflussung Um durch Blitzschläge induzierte Spannungen zu verringern, muss die Fläche aller Leiterschleifen so gering wie möglich sein. 53

Überspannungsschutz Überspannungsableiter (SPD) mit Abtrenn- und Kurzschlussvorrichtung 54

Überspannungsschutz Überspannungsableiter (SPD) in Y-Schaltung 55

Elektromagnetische Verträglichkeit Dachintegrierte PV-Anlage auf Stall mit 2 WR SolarMax 25C 57

Elektromagnetische Verträglichkeit EN 61000-6-3 Wohn- / Gewerbebereich (öffentliches NS-Netz) EN 61000-6-4 Industriebereich (eigene Trafostation) 58

Netzrückspeiseschutz In der Schweiz wird der Netzrückspeiseschutz zur Vermeidung der Inselnetzbildung sehr "locker" gehandhabt. Gemäss ESTI 219.0201 "Parallelbetrieb von EEA" genügt in Anlagen mit Wechselrichtern die Erfüllung folgender Schutzfunktion: Spannungsrelais U N +10% / -20% Im Deutschland wurde gemäss DIN VDE 0126 eine "Einrichtungen zur Netzüberwachung mit zugeordneten allpoligen Schaltern in Reihe" (ENS = Impedanzmessung) gefordert. Diese wird in den nächsten Jahren durch die "Bidirektionale Sicherheitsschnittstelle" (BISI) abgelöst. Dann sind auch Schwingkreisverfahren, allpolige Spannungsüberwachung und Frequenzüberwachung möglich. 60

Netzrückspeiseschutz In sämtlichen Wechselrichtern von namhaften Herstellern sind die Überwachungseinrichtungen für den Netzrückspeiseschutz integriert. z.b. ENS-Überwachung / VDE 0126 / GridGuard usw. Anlässlich der Kontrolle müssen die Einstellungen gemäss ESTI-Weisung überprüft und die Wirkung vom Netzrückspeiseschutz muss getestet werden. 61

Netzrückwirkungen Der vermehrte Einsatz von 1-phasigen WR bis 6kW (26A) führt zu Unsymmetrien und Oberschwingungsproblemen. 63

Netzrückwirkungen 1-phasiger WR 2kW mit Trafo CE-Zeichen Keine Angaben bezüglich Normenkonformität 64

Zusammenfassung Die benötigt spezielle Kenntnisse und Erfahrung. Man muss sich umfassend mit der Materie auseinandersetzen. Das Kapitel 7.12 der NIN oder die ESTI-Weisung STI 233.1104 sind nicht allein massgebend. Es müssen auch die EN-Normen bezüglich EMV eingehalten werden. Die Herstellerangaben / Instruktionsanweisungen von den Herstellern der Wechselrichter, PV-Module usw. müssen zwingend beachtet werden. Eine Checkliste für die Kontrolle ist hilfreich, muss aber selber erarbeitet werden. Protokoll ÖVE PV-Anlagenpass 66

Danke für Ihre Aufmerksamkeit 67