PV-Anlagen vor Blitz und Überspannungen schützen

Der Schutz einer Photovoltaik-Anlage vor Blitzeinschlägen und Überspannungen ist eine wichtige Voraussetzung für den reibungslosen Betrieb. Für die Planung und Umsetzung des Blitz- und Überspannungsschutzes geben Normen und Richtlinien den notwendigen fachlichen Hintergrund. Planungshilfen der Hersteller erleichtern die praktische Umsetzung vor Ort.

Um einen kontinuierlichen und gewinnbringenden Betrieb einer Photovoltaik-Anlage zu ermöglichen, müssen besonders diejenigen Komponenten geschützt werden, die am empfindlichsten gegen Überspannungen sind. Höchste Priorität hat der Wechselrichter als teuerstes Einzelbauteil einer Photovoltaik-Anlage, gefolgt von den einzelnen Solarstrommodulen.

Photovoltaik-Module sind – vereinfacht – großflächige lichtempfindliche Halbleiter. Bei einem direkten Blitzeinschlag in die Module oder in die metallische Tragekonstruktion kommt es deshalb zu deren Zerstörung. In den Verbindungsleitungen zum Wechselrichter eingebaute Überspannungsschutzgeräte können zwar den nach gelagerten Wechselrichter schützen, nicht aber die PV-Module.

Äußerer Blitzschutz

Beim Bau von PV-Anlagen muss darauf geachtet werden, dass die PV-Module und ihre Tragekonstruktionen nicht direkt von Blitzen getroffen werden können. Schutz davor bietet ein geeignetes äußeres Blitzschutzsystem (Bild 1).

PV-Anlagen stehen häufig auf öffentlich genutzten Gebäuden und unterliegen damit den Bauvorschriften der Bundesländer. Darin wird äußerer Blitzschutz gefordert – für Hoch- und Krankenhäuser, Schulen, Verkaufs- und Versammlungsstätten. Der Gesamtverband der Versicherungswirtschaft fordert äußeren Blitzschutz auch für PV-Anlagen mit mehr als 10kW (VdS 2010).

Bei der Anordnung von PV-Modulen muss darauf geachtet werden, dass der nach VDE 0185-305-3 erforderliche Trennungsabstand "S" zum äußeren Blitzschutz eingehalten wird. Dadurch wird sichergestellt, dass es bei einem Blitzeinschlag in den äußeren Blitzschutz nicht zu einem Lichtbogenüberschlag zur PV-Anlage kommt.

In der Praxis gibt es immer wieder Anwendungsfälle, in denen die Trennungsabstände nicht eingehalten werden:

• Installation von PV-Modulen in unmittelbarer räumlicher Nähe zum äußeren Blitzschutz
• Installation von PV-Modulen auf einem Blechdach.

Dabei müssen die Tragegestelle der PVModule direkt mit dem äußeren Blitzschutz verbunden werden, wodurch sich das Gefährdungspotential für die PV-Anlage deutlich erhöht.

Überspannungsschutz

Seit September 2006 ist die neue VDE Blitzschutznorm in Kraft. Nach VDE 0185-305-3 muss ein innerer Blitzschutz (Überspannungsschutz) vorhanden sein, wenn eine bauliche Anlage ein äußeres Blitzschutzsystem hat und eine elektrische Anlage vorhanden ist. Eine PV Anlage muss deshalb mit Überspannungsschutz ausgerüstet sein, wenn ein äußeres Blitzschutzsystem vorhanden ist. Überspannungsschutzgeräte für PV-Anlagen ermöglichen einen Schutz vor Überspannungen

• durch Blitzeinschläge in das der PV Anlage zugeordnete äußere Blitzschutzsystem
• durch Blitzeinschläge in der näheren Umgebung
• aus dem Stromversorgungssystem.

Für einen wirkungsvollen Schutz gegen Überspannungen müssen die Gleichspannungs- und die Wechselspannungsseite von Wechselrichtern geschützt werden. Geeignete Überspannungsschutzgeräte werden in unmittelbarer Nähe des Wechselrichters angeordnet (Bild 2).

PV-Modulen und dem Wechselrichter ist, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass Überspannungen kapazitiv oder induktiv in die Leitungen ein - gekoppelt werden. Ist der Abstand zwischen PV-Modulen und Wechselrichter größer als 10m, sollten auch in unmittelbarer Nähe der PV-Module Überspannungsschutzgeräte installiert werden.

Schutz der Wechselspannungsseite

Auf der Wechselspannungsseite von Wechselrichtern werden Überspannungsschutzgeräte für Wechselspannung installiert. Ein Basis-Schutz wird mit Hilfe von Typ 2-Überspannungsschutzgeräten mit Varistoren erreicht. Ist ein äußeres Blitzschutzsystem vorhanden, werden Typ 1-Blitzstromableiter verwendet:

• Fall 1: Ein Typ 1-Blitzstromableiter ist bereits am Speisepunkt der elektrischen Anlage eingebaut: Ein Typ 2-Überspannungsableiter sollte in unmittelbarer räumlicher Nähe zum Wechselrichter installiert werden.
• Fall 2: Am Speisepunkt der elektrischen Anlage ist kein Typ 1-Blitzstromableiter eingebaut: Ein Typ 1-Blitzstromableiter sollte am Speisepunkt der elektrischen Anlage installiert werden, ein Typ 2-Überspannungsableiter in unmittelbarer räumlicher Nähe zum Wechselrichter. Eine weitere Verbesserung der Schutzwirkung kann durch eine Kombination von Typ 1-Blitzstromableiter und Typ 2 - Überspannungsableiter – in einem Gerät – erreicht werden (Bild 3).

Schutz der Gleichspannungsseite

Die Gleichspannungsseite von Wechselrichtern muss ebenfalls geschützt werden. Hier haben Überspannungsschutzgeräte folgende Aufgaben:

• Durchleitung von Blitzströmen
• Ableiten und Ausgleichen von Überspannungen
• Sicheres Betriebsverhalten auch im Überlastfall – unter Berücksichtigung des Betriebsverhaltens von PV-Modulen und Wechselrichtern

Für die Auslegung von Überspannungsschutzgeräten für Stromversorgungssysteme mit Gleichspannungen gibt es zurzeit noch keine ausreichenden Normen-Festlegungen. Aus diesem Grund findet man für die Gleichspannungsseite von PV-Anlagen auf dem Markt Überspannungsschutzgeräte, die sich in Funktion und Aufbau deutlich unterscheiden. Jeder Hersteller muss hier selber Anforderungen und Bewertungskriterien für eine hinreichende Sicherheit festlegen. Das bedeutet in diesem Zusammenhang:

• Sicheres Verhalten bei niederohmigen und hochohmigen Kurzschlüssen eines Überspannungsschutzgeräts
• Sicheres Verhalten bei Erdschluss von Gleichspannungsleitungen
• Verhinderung unzulässiger Erwärmung im Überlastfall
• Gleichspannungs-Eingangsschaltungen von marktüblichen Wechselrichtern sollen im Fehlerfall nicht geschädigt werden.

PV-Module und Gleichspannungs-Verkabelung von PV-Anlagen sind im Regelfall dauerkurzschlussfest. Fehlerfälle in Komponenten einer PV-Anlage können durch das Abschalten von Komponenten sowie durch das Herbeiführen eines dauerhaften niederohmigen Kurzschlusses der betroffenen Komponenten. begegnet werden. Schutzgeräte, die im Fehlerfall kurzschließen, verringern die Verfügbarkeit einer PV-Anlage. Einige Wechselrichter sind nicht für einen dauerhaften Kurzschluss auf der Eingangsseite ausgelegt. Deshalb sind Überspannungsschutzgeräte zu verwenden, die im Fehlerfall abschalten (Bild 4).

Y-Schaltung von Überspannungsschutzgeräten

In aufwändigen Untersuchungen wurden alle wichtigen Schaltungsvarianten für Überspannungsschutzgeräte im Labor, an einem PV-Simulator sowie an realen PV-Anlagen geprüft, Normalbetrieb und typische Fehlerfälle auf der Gleichspannungsseite von PV- Anlagen wurden dabei nachgestellt. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass sich eine Y-Schaltung (2+1-Schaltung) von Überspannungsschutzgeräten am besten für den Schutz der Gleichspannungsseite von PV-Anlagen eignet (Bild 5). Bei der Y-Schaltung sind immer zwei Überspannungsschutzgeräte in Reihe geschaltet zwischen:

• L1(+) und L2(–)
• L1(+) und Erde
• L2(–) und Erde.

Durch die Y-Schaltung und die Auswahl geeigneter Überspannungsschutzgeräte werden alle Anforderungen an die Sicherheit erfüllt. Auch bei einem niederohmigen Kurzschluss eines Überspannungsschutzgeräts ist immer ein weiteres Gerät in Reihe geschaltet. Die Überspannungsschutzgeräte in Y-Schaltung sind so ausgelegt, dass sie den maximalen Spannungen dauerhaft widerstehen können, oder dass die integrierten thermischen Abtrennvorrichtungen die Überspannungsschutzgeräte sicher von der Gleichspannung trennen können – ohne dass es zu einer unzulässigen Erwärmung der Geräte kommt. Auch bei einem Erdschluss der Plus- oder Minusleitung von PV-Modulen sind stets zwei Überspannungsschutzgeräte in Reihe geschaltet. Sie sind in der Lage der Spannungsbelastung bei Erdschlüssen dauerhaft zu widerstehen. Eine Y-Schaltung von Überspannungsschutzgeräten – die pro Schutzpfad mit zwei Überspannungsschutzgeräten ausgestattet ist – bietet doppelte Sicherheit und hohe Verfügbarkeit sowie einen guten Schutz gegen Überspannungen.