Überspannungsschutz für Wechselrichter und Solargenerator

Wechselrichter und Solargeneratoren sind Betriebsmittel in festen Installationen mit besonderen Anforderungen an ihre Zuverlässigkeit sowie Verfügbarkeit. Folglich entsprechen sie der Überspannungskategorie III gemäß der Norm VDE 0110 Teil 1. Auf der AC-Seite ist ein Schutzpegel < 4 kV einzuhalten. Auf der DC-Seite des Wechselrichters und des Solargenerators hängt der einzuhaltende Schutzpegel von der speisenden Spannung UOC ab. Bei Spannungen bis 1000 V DC muss der Schutzpegel kleiner 8 kV sein.

Bild 1: Ein durch direkte Blitzeinwirkung zerstörtes Photovoltaikmodul mit verbranntem Zellenverbinder sowie gesplitterter Modulrückseite - der gesamte String und die Verkabelung müssen ausgetauscht werden.

Bild 2: Durch Überspannung zerstörter Elektrolytkondensator in einem Wechselrichter

PV-Anlagen ohne äußeres Blitzschutzsystem
Typischerweise sind im Anwendungsbereich privater Wohnhäuser PV-Anlagen mit einer Leistung kleiner 10 kW ohne äußeres Blitzschutzsystem installiert. Für Anlagen mit einer Leistung größer 10 kW wird gemäß der Richtlinie VdS 2010 ein Blitzschutzsystem der Klasse III empfohlen, das gemäß der Norm VDE 0185-305-3 zu errichten ist. Erfahrungsgemäß treten in einem Radius von 1,5 km um einen Blitzeinschlag Schäden durch Überspannungen auf. Diese werden durch Überspannungsschutz¬geräte begrenzt.

PV-Anlagen mit äußerem Blitzschutzsystem bei ausreichendem Trennungsabstand
PV-Anlagen müssen in das Blitzschutzsystem integriert werden. Außerdem ist die Anlage bei Systemspannungen größer 120 V DC mit dem Potenzialausgleich gemäß VDE 0100-540 zu verbinden.

PV-Anlagen mit äußerem Blitzschutzsystem ohne ausreichenden Trennungsabstand
Bei diesen Anlagen ist die metallische Unterkonstruktion der PV-Anlage mit dem äußeren Blitzschutzsystem blitzstromtragfähig zu verbinden. Beispiele für Anlagen dieser Kategorie sind solche an Stahlgerüsten, Nachführsysteme oder Installationen auf Trapezblechdächern.

Auswahl der Überspannungsschutzgeräte
Bei der Wahl der Komponenten für den Überspannungsschutz ist die maximale Systemgleichspannung Uoc maßgebend. In der Praxis hat sich eine steckbare „2+1“-Lösung bewährt. Bei dieser Schaltung sind zwischen „Plus“ und „Minus“ zwei Ableiter in Reihe geschaltet. Der dritte Varistor wird am Mittelabgriff gegen Erde geschaltet. Diese Kombination sorgt für die sichere Abtrennung der Varistoren im Fehlerfall.

Beispiel aus der Praxis
Als die Fachhochschule Lippe und Höxter an ihrem Standort im ostwestfälischen Lemgo ihre 23 kWp-Photovoltaik-Anlage errichtete, sollte diese durch einen zeitgemäßen Blitz- und Überspannungsschutz abgesichert werden. Mit Komponenten von Phoenix Contact wurde ein Konzept erstellt, das sich nahtlos in das vorhandene Blitz- und Überspannungsschutzkonzept integrieren ließ. Dazu wurde die Anlage in das vorhandene Blitzschutzkonzept eingebunden. Alle Solarmodule, Tragegestelle, Solarkabel sowie Sensoren müssen im Schutzbereich der Fangeinrichtung installiert sein. Die Positionierung der Fangeinrichtung erfolgte zu Hilfenahme des Blitzkugelverfahrens. Im Schutzbereich 0B kann kein direkter Blitzschlag die Anlage treffen. Zusätzlich schützen Module der Produktreihe Valvetrab die AC- und DC-Seite der PV-Anlage.

Literatur

• VDE 0100 Teil 540
  Errichten von Starkstromanlagen mit Nennspannungen bis 1000V
• VDE 0100 Teil 712
  Errichten von Niederspannungsanlagen
• -Solar-Photovoltaik-(PV)-Stromversorgungssysteme
  VDE 0110 Teil 1
• Isolationskoordinierung für elektrische Betriebsmittel in Niederspannungsanlagen
  VDE 0185-305 Teil 1-4
  Blitzschutz

 
Autor: Dipl.-Ing. Andreas Christ, Industry Management Überspannungsschutz Trabtech, Regenerative Energien, Phoenix Contact GmbH & Co. KG, Blomberg

Mehr Artikel zum Thema Blitzschutz.