Solaranlagen: Systeme und Installationsvorschriften

__TOC_ IEC 60364 Teil 712(VDE 0100-712) regelt die sichere Installation und den sicheren Betrieb von Solaranlagen auf welche in diesem Kapitel eingegangen wird.

Gewährleistung der Sicherheit unter normalen Betriebsbedingungen

Solaranlagen haben zwei generelle Eigenheiten, einerseits arbeiten die Solarmodule mit Gleichspannung und die Module können nicht abgeschaltet werden, solange sie einer Strahlungsenergie ausgesetzt sind. Der Kurzschlussstrom der Solarmodule ist zu niedrig, um eine automatische Abschaltung im Störfall zu gewährleisten. Die meisten der heute verwendeten Schutzsysteme sind für diese Art der Anwendungen in Solaranlagen nicht geeignet. Da allerdings Solarmodule im Freien aufgebaut werden, sind sie auch den Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Da sie u.a. auch auf Dächern eingesetzt werden, sollte ein besonderer Schwerpunkt auf den Schutzmaßnahmen bei Blitzeinschlägen, Bränden und dem Schutz der Löschmannschaften und Helfer liegen.

Schutz gegen elektrischen Schlag

IEC 60364-712 (VDE 0100-712) empfiehlt, wenn UOCSTC den Wert von DC 120 V überschreitet, als Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag vorzugsweise Solarmodule der Schutzklasse II oder mit gleichwertiger Isolierung zu verwenden.

DC-seitig eingesetzte Schutzschaltgeräte wie z.B. Niederspannungs-Sicherungen oder Niederspannungsleistungsschalter bieten keinen Schutz gegen elektrischen Schlag, da keine automatische Abschaltung erfolgt.

Die eingesetzten Leistungsschalter schützen mit ihren Überstromschutzeinrichtungen die Solarmodule gegen Rückspeisung und die Kabel gegen Überstrom.

Brandgefährdung: Schutz gegen thermische Einflüsse

Es sind im Allgemeinen 3 Zustände vorstellbar, die zu einer unzulässigen Temperaturerhöhung und damit zu einem Brand der Solaranlage führen können:

• Isolationsfehler
• Rückspeisestrom in die Solarmodule
• Überlastung der Betriebsmittel

Insolationsfehler

Doppelte oder verstärkte Isolation ist eine Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag, verhindert aber nicht alle Risiken eines Isolationsfehlers. (Hierbei wird davon ausgegangen, dass die Wahrscheinlichkeit eines Isolationsfehlers bei gleichzeitiger Berührung eines spannungsführenden Teils der Anlage durch eine Person sehr gering ist. Isolationsfehler jedoch durchaus häufiger auftreten.) DC-Isolationsfehler können zu größeren Schäden führen, da der Störlichtbogen nicht verlöscht, wie es häufig bei Wechselstrom der Fall ist.

Der Solargenerator sollte überprüft werden, ob er wirklich isoliert aufgebaut ist.

• Wenn es keine galvanische Trennung zwischen AC und DC gibt:
  • Es ist nicht möglich, eine Phase zu erden.
  • Auf der AC-Seite kann eine Schutzeinrichtung zur Isolationsüberwachung eingesetzt werden.
• Wenn es eine galvanische Trennung zwischen AC und DC gibt:
  • Eine Überstrom-Schutzeinrichtung (die auch die Isolationsfehler überwacht) sollte im Fehlerfall die entsprechende Phase trennen,

wenn die eingesetzte Modultechnologie eine direkte Erdung erfordert.

• • Eine Isolationsüberwachungseinrichtung sollte eingesetzt werden, wenn die eingesetzte Modultechnologie über einen Widerstand geerdet wird.
  • Eine Isolationsüberwachungseinrichtung sollte ebenfalls eingesetzt werden, wenn die eingesetzte Modultechnologie keine Erdung vorschreibt.

Die Isolationsüberwachungseinrichtung sollte beides erkennen, sowohl UOCMAX als auch die Kapazitäten der Erdfehlerströme zwischen den Leitern. Zusätzlich sollten auch die Kapazitäten der Kabel und Wechselrichter mit in die Überwachung einbezogen werden. Eine Isolationsüberwachungseinrichtung, die Kapazitäten von 500 µF auflösen kann, ist für Solaranlagen ausreichend.

Duch die Hersteller von Solarmodulen werden folgende Kennzahlen veröffentlicht:

	Maximale Leistung eines Wechselrichters (kW)	Benötigte Fläche (m²)	Kapazität (nF/m²)	Kapazität zwischen einzelnen Linien und Erde für ein IT-System (μF)
Glas-Module mit einem Aluminiumrahmen auf Rahmengestell (Freifläche)	1000	8000	1	8
Glas-Module Aluminiumrahmen, Dachaufbau	100 kW	800	5	4
Dünnschicht-Module auf unbefestigtem Untergrund	100 kW	800	50	40

Abb. P8: Beispiel von Ableitkapazitäten in unterschiedlichen Solaranlagen

Messungen in europäischen Solarparks haben zu den in Abbildung P8 aufgeführten Messergebnissen geführt:

	Maximale Leistung eines Wechselrichters (kW)	Benötigte Fläche (m²)	Geringste Kapazitätswerte, gemessen sonniger Abend (μF/m²)	Höchste Kapazitätswerte, gemessen regnerischer Morgen (μF/m²)	Maximal gemessene Kapazität pro m²(nF/m²)
Glas-Module mit einem Aluminiumrahmen auf Rahmengestell (Freifläche)	Park 1: 1000	8000 m²	Sunny afternoon: 5 μF	Rainy morning: 10 μF	1.25 nF / m²
	Park 2: 750	5000 m²	Sunny afternoon: 2 μF	Rainy morning: 4 μF	0.8 nF / m²
Glas-Module Aluminiumrahmen, Dachaufbau	Park 1: 100	800 m²	Sunny afternoon: 2 μF	Rainy morning: 4 μF	5 nF / m²
	Park 2: 50	400 m²	Sunny afternoon: 0.5 μF	Rainy morning: 1 μF	2.5 nF / m²
Dünnschicht-Module auf unbefestigtem Untergrund	Park 1: 100	800 m²	Sunny afternoon: 30 μF	Rainy morning: 50 μF	62.5 nF / m²
	Park 2: 50	400 m²	Sunny afternoon: 15 μF	Rainy morning: 25 μF	62.5 nF / m²

Abb. P8: Beispiel von Ableitkapazitäten in unterschiedlichen Solaranlagen

Schutz von Solarmodulen gegen Rückspeisung

Ein Kurzschluss in einem Solarmodul, fehlerhafte Verkabelung, oder ein anderer Fehler können zu einem Rückspeisestrom in einem Solarstrang führen. Dies ist dann der Fall, wenn sich die Spannung eines Stranges deutlich von der Spannung eines parallelen Stranges, angeschlossen an den gleichen Wechselrichter, unterscheidet. In diesem Fall fließt der Strom von dem nicht fehlerbehafteten Strang in Richtung des fehlerbehafteten Stranges anstatt in Richtung des mit dem Verteilnetz verbundenen Wechselrichters. Rückspeiseströme können zu gefährlichen Temperaturerhöhungen und damit verbundener Brandgefahr in Solarmodulen führen. Es sollten nur Module eingesetzt werden, welche nach IEC 61730-2 (VDE 0126-30-2) geprüft sind und der Modulhersteller sollte immer die maximalen Rückspeisewerte (IRM) angeben.

Rückspeisestrom in einen fehlerbehafteten Strang = Gesamtstrom aller Einspeisestränge

Schutz der Einspeisestränge gegen Überstrom wird dann eingesetzt, wenn die Anzahl der Speisestränge, die auf einen fehlerbehafteten Strang speisen hoch genug ist, um einen in Höhe gefährlichen Rückspeisestrom zu erzeugen: 1,35 I_RM < (N_S -1) I_{SC MAX} wobei:

• I_RM: max. Rückspeisestrom eines Solarmoduls, wie in IEC 61730 (VDE 0126-3) angegeben
• N_S: Anzahl der Stränge

Überstromschutz

Wie in allen Energieversorgungssystemen, sollte ein Schutz gegen Überstrom, um unzulässige Temperaturerhöhungen und damit verbundener Gefahren, eingesetzt werden.

Kurzschlussfehler sind von der solaren Bestrahlungsdichte abhängig, vom Wert her aber meistens zu gering, um das Schutzorgan auszulösen. Obwohl dies kein Problem für die Verkabelung darstellt, sofern diese in ihrer Stromtragfähigkeit nicht eingeschränkt ist, erkennt der Wechselrichter den Spannungseinbruch und trennt sich vom Netz. Es ist daher zwingend erforderlich, den maximalen Auslösestrom auf einen deutlich geringeren Wert als ISCMax ein zu stellen.

Schutz der Einspeisestränge

In den Fällen, in welchen ein Überstromschutz erforderlich ist, sollte jeder Strang mit einem Überstromschutzorgan ausgestattet werden. Der Nennstrom des Überstromschutzorgans, wie z.B. Leistungsschalter, sollte größer als das 1,25-fache des Kurzschussstromes ISCstc_Strang sein.

Schutz der Generatoranschlussboxen

Der Nennauslösestrom (ITRIP) des Überstromschutzorgans, wie z.B. Leistungsschalter für Generatoranschlussboxen, sollte größer als das 1,25-fache des Kurzschussstromes ISC STC_Generator sein.

Bei der Auswahl des Überstromschutzorgans ist zu berücksichtigen, dass eine ungewollte Auslösung unterbunden wird. Temperaturschwankungen sollten bei der Einstellung berücksichtigt werden. Im Allgemeinen ist eine Einstellung mit einem Wert größer als das 1,4-fache des Kurzschussstromes ISC STC notwendig

Leistungsschalter oder Sicherung

Es können sowohl Leistungsschalter als auch Sicherungen für den Überstromschutz verwendet werden. Wenn Sicherungen eingesetzt werden, gewöhnlich mit einem Sicherungsunterteil oder direkt mit den Stromschienen verbunden, muss zusätzlich ein Lasttrennschalter eingesetzt werden, um den Wechselrichter zu trennen, wenn die Sicherungen ersetzt werden müssen.

Auch in Generatoranschlussboxen, bei welchen die Einspeisestränge durch Sicherungen mit Sicherungsunterteilen abgesichert werden, sollte ein Hauptschalter zur Trennung vom Netz eingesetzt werden.

Doppelter Erdschluss

Solaranlagen können entweder isoliert oder geerdet mit einem Überstromschutz aufgebaut werden. In beiden Fällen kann ein Erdschlussfehler auftreten. Wenn dieser erste Fehler nicht beseitigt wird, kann dies bei einem zweiten Fehler in einem bisher nicht von einem Fehler betroffenen Strang zu einem gefährlichen Betriebszustand führen. Obwohl doppelte Isolation solch einen Fehler unwahrscheinlich macht, sollte man diesen Fehlern seine volle Aufmerksamkeit schenken.

Aus den nachfolgend aufgeführten Gründen, sollte ein doppelter Erdschlussfehler vermieden werden: Isolationsüberwachungseinrichtungen oder Überspannungsschutzeinrichtungen in geerdeten Systemen melden den ersten Fehler und dieser Fehler sollte umgehend durch das Wartungspersonal beseitigt werden.

• Der Fehler kann zwar vom Wert her gering sein (z. B. zwei Isolationsfehler oder ein vom Wert her geringe Kurzschlussleistung des Generators bei geringer Bestrahlungsenergie) und unter dem Auslösewert der Überstromschutzeinrichtung des Leistungsschalters liegen. Es ist jedoch zu beachten, dass ein DC-Kurzschlussfehler nicht selbständig verlöscht, auch nicht bei geringen Strömen. Er kann eine gefährliche Auswirkung, sowohl für die Module als auch für die Gebäude, nach sich ziehen.

• Leistungsschalter und Schalter die in Solaranlagen eingesetzt werden, sind so auszulegen, dass sie mit dem Nennstrom oder dem Fehlerstrom bei der maximal auftretenden Spannung UOCMax den Stromkreis allpolig öffnen. Um den Strom bei maximaler Spannung UOCMax von 1000 V zu schalten, müssen 4 Pole (2 pro Phase) in Reihe geschaltet werden. Im Falle eines doppelten Fehlers gegen Erde, muss der Leistungsschalter den vollen Fehlerstrom bei maximaler Spannung mit nur 2 Polen in Reihe schalten. Die Betriebsmittel sind für diese Anwendungsfälle nicht ausgelegt und können im Falle eines doppelten Fehlers gegen Erde irreparabel geschädigt werden.

Idealerweise sollte das Auftreten von doppelten Fehlern gegen Erde vermieden werden. Isolationsüberwachungseinrichtungen oder Überstromschutzeinrichtungen sollten den ersten Fehler melden. Obwohl die Überwachungseinrichtungen beim Auftreten des ersten Fehlers den Wechselrichter abschalten, steht der Fehler immer noch an. Das Bedienungspersonal muss den ersten Fehler umgehend beseitigen. In großen Anlagen, mit einer Vielzahl an Generatoranschlussboxen, welche über Leistungsschalter geschützt werden, sollten vorbeugend alle Generatoranschlussboxen beim Auftreten des ersten Fehlers getrennt werden, wenn der Fehler nicht innerhalb der nächsten Stunden beseitigt werden kann.

Doppelte Isolierung

Schaltschränke sollten auf der DC-Seite als doppelt isolierte Schaltschränke ausgeführt werden.

Wärmeprobleme

Die thermische Auslegung der Schaltschränke als auch der Schaltgeräte ist im Zusammenhang mit den Anwendungen von Solaranlagen von überragender Bedeutung. Allgemein werden die Generatoranschaltboxen als auch die sonstigen Betriebsmittel im Außenbereich eingesetzt und sind somit allen möglichen Witterungsbedingungen ausgesetzt. Hohe Umgebungstemperaturen, hoher IP-Schutzgrad führen zu einer reduzierten thermischen Konvektion und einer geringeren Abgabe der erzeugten Verlustleistung. Zusätzlich arbeiten die Betriebsmittel in einem Grenzbereich hoher Spannungen und erzeugen über die in Reihe geschalteten Pole zusätzliche Verlustenergie. Aus diesem Grund sollte man die Schaltgerätekombination für DC-Anwendungen im Außenbereich zusätzlich mit einer Temperaturüberwachung ausstatten, um einen Temperaturanstieg rechtzeitig zu erkennen und die eingebauten Betriebsmittel zu schützen.

Der Schutz der Kabel ist nach IEC 60364-7-712 (VDE 0100-712) durchzuführen und bestimmt, dass die Schaltgerätekombinationen auf der DC-Seite die Normen der Reihe IEC 61439 (VDE 0660-600) einhalten. Schaltgerätekombinationen, welche den Bauartnachweis nach dieser Norm erfüllen, stellen sicher, dass sie den thermischen und elektrischen Anforderungen, welche an Generatoranschaltboxen gestellt werden, standhalten.

Verschmutzungsgrad von Schaltgeräten und Gehäuseauswahl

Zusätzlich zu den allgemeinen Auswahlkriterien von Gehäusen für Anwendungen in Solarsystemen mit einer Spannung von UOCMax von DC 1000 V, werden häufig Betriebsmittel nach IEC 60439-1 (VDE 0660-100) für einen Verschmutzungsgrad 2 und nicht für einen Verschmutzungsgrad 3 eingesetzt.

Wenn Geräte eingesetzt werden, die für einen Verschmutzungsgrad 2 ausgelegt sind, sollte das Gehäuse mindestens eine Schutzart von IP5X nach IEC 60529 (VDE 0470-1) haben.

Schutz gegen Überspannungen

Wie alle im Außenbereich angeordneten Installationen, sind auch die Solaranlagen im Außenbereich angeordnet und damit dem Risiko eines Blitzeinschlages ausgesetzt. Die Wahrscheinlichkeit ist abhängig vom Aufstellungsort und den Umgebungsbedingungen. Aus diesem Grund sollten vorbeugend Blitzschutz- und Überspannungsableiter eingesetzt werden. (Weitergehende allgemeine Ausführungen siehe Kapitel J).

Schutz durch Potentialausgleich

Die erste Schutzmaßnahme stellt die Verbindung aller leitfähigen Teile der PV-Installation mit dem Potentialausgleich dar, wobei die Verbindungsleitung mit einem ausreichend dimensionierten Querschnitt ausgestattet sein muss. Auf diese Weise soll an allen Punkten der Installation ein gleiches Potential gegen Erde gewährleistet werden. Der minimale Querschnitt dieses Leiters beträgt:

• 4 mm², wenn kein Blitzableiter vorhanden ist oder wenn ein Blitzableiter zwar vorhanden, allerdings nicht mit der Anlage verbunden ist
• 10 mm², wenn die Anlage mit dem Blitzableiter des Gebäudes verbunden ist (dieser muss über ein Kabel mit einem Durchmesser von 10 mm² erfolgen, wenn der Blitzableiter weniger als 2,5 m von der Anlage entfernt ist)

Schutz durch einen Überspannungsschutzgerät (SPD):

Ein Überspannungsschutzgerät ist dazu bestimmt, empfindliche elektrische Betriebsmittel wie z. B. Wechselrichter, Überwachungsgeräte und Solarmodule und weitere elektrische Betriebsmittel, die an das elektrische Verteilnetz angeschlossen sind, zu schützen. Die folgende Methode einer Risikoanalyse setzt sich zusammen aus der Bewertung der kritischen Länge Lcrtl im Vergleich mit der Gesamtlänge L der DC-Stränge.

Überspannungsschutzgeräte sind erforderlich wenn L < Lcrtl ist.

Lcrtl ist von der Art der Solaranlage abhängig und wird nach der nachfolgenden Tabelle bestimmt:

• L ist die Summe von:
  • Die Summe aller Längen zwischen Wechselrichter (n) und der Kabelanschlussbox, wobei berücksichtigt wird, dass Kabel im gleichen Gehäuse nur einmal gezählt werden, und
  • Der Summe aller Längen zwischen Kabelanschlussbox und den Klemmen an den Modulen, welche zum Strang zusammengeschaltet werden, wobei berücksichtigt wird, dass Kabel im gleichen Gehäuse nur einmal gezählt werden
• Ng: Blitzschlagsdichte (Anzahl von Einschlägen/km²/Jahr)

Anordnung von Überspannungs-Schutzeinrichtungen (SPD)

(siehe Abb. P13 auf der nächsten Seite)

Die Anzahl und Anordnung von Überspannungs-Schutzeinrichtungen auf der Gleichstromseite hängt von der Kabellänge zwischen Wechselrichter und Solarmodul ab. Wenn die Länge >10 m ist, muss ein zweites Überspannungs-Schutzgerät an der Anschlussbox des Solarmoduls eingesetzt werden, das erste am Anschlusspunkt des Wechselrichters. Um effizient zu sein, müssen sowohl die Kabelverbindungen des Überspannungsschutzes mit dem Gleichstromnetzwerk L+ und L- als auch die Kabelverbindungen zwischen Erdungsklemme der Überspannungs-Schutzeinrichtung und der Erdungsschiene so kurz wie möglich ausgeführt werden (d1 + d2 <50 cm).

Sicherheit während Wartungsarbeiten oder Fehlerbeseitigung

Um die Personensicherheit während notwendiger Wartungsarbeiten oder Fehlerbeseitigung sicherzustellen, sollten Betriebsmittel entsprechend gekennzeichnet und angeordnet und Gehäuse betriebssicher ausgeführt sein.

Überwachung der Trennung eines Stromkreises

• Es sollte AC- und DC-seitig ein Trennschalter zum Freischalten des Wechselrichters vorhanden sein, um gefahrlos am Wechselrichter Wartungsarbeiten durchführen zu können
• Es sollten an allen notwendigen Stellen Trennschalter installiert sein, um gefahrlos an den Solarmodulen arbeiten zu können, insbesondere um Sicherungen in den Generatoranschlussboxen oder an den Wechselrichtereinspeisungen tauschen zu können.
• Für Solaranlagen, die mit dem Gebäude verbunden sind, sollten fernschaltbare Trennschalter so nah wie möglich an den Solarmodulen angeordnet werden, um im Notfall die Module trennen zu können.

Auswahl und Anordnung von Gehäusen

Gehäuse für die unterschiedlichen Solar-Generatoranschlussboxen und Niederspannungsanlagen DC-seitig sollten schutzisoliert ausgeführt sein, wobei die Betriebsmittel gegen äußere Einflüsse wie Regen, Schnee, Temperatur usw. geschützt werden müssen. Sowohl Gehäuse als auch die Zusatzeinrichtungen müssen für hohe Temperaturen und Luftfeuchtigkeit ausgelegt sein, um einen sicheren Betrieb der eingebauten Betriebsmittel zu gewährleisten. Es gibt für diese Anwendungsfälle keine allgemeingültige Lösung. Jede Anlage muss genau analysiert und bezüglich der notwendigen Betriebsmittel berechnet und optimal ausgelegt werden.

Einhaltung der Betriebssicherheit während der Nutzungsdauer

IEC 60364-6 (VDE 0100-600) legt Inbetriebnahme und in regelmäßigen Abständen zu wiederholende Prüfungen elektrischer Anlagen fest. Die speziellen Anforderungen an Solaranlagen (im Freien, hohe Gleichspannungen, unbeaufsichtigte Anlagen) machen eine regelmäßige Überprüfung notwendig. Wenn regelmäßig die Effizienz des Systems überprüft wird, um den Ertrag der Anlage zu optimieren, empfiehlt Schneider Electric regelmäßig auch die elektrischen Betriebsmittel zu überprüfen und zu warten. Solaranlagen unterliegen einem ständigen, durch Umwelteinflüsse hervorgerufenen Stress:

• Hohe Temperaturunterschiede
• Luftfeuchtigkeit
• Variation in der elektrischen Belastung

Um die Betriebssicherheit und die zugesicherten elektrischen Eigenschaften während der kompletten Betriebsdauer der Anlage sicherzustellen, sollten insbesondere auf nachfolgend aufgeführte Punkte geachtet werden:

• Beschädigungen an den Gehäusen (Schutzisolation, Einhaltung IP-Schutzgrad)
• Zustand der Schaltgeräte, Überprüfung der Schaltspiele und Kontaktabbrand
  • Überprüfung auf Überlastungen aufgrund von thermischen Problemen
  • Untersuchung der Schaltgeräte auf Staub und Feuchtigkeit
• Überprüfung der elektrischen Verbindungen
• Funktionstest der Schalt- und Steuergeräte
• Prüfung der Isolationsüberwachungsgeräte
• Durchführung eines Isolationstests