Zusammenwirken von Überspannungsschutzgeräten, Leitungsschutzschaltern und Sicherungen in Photovoltaikanlagen: Funktionsanalyse und Diskussion der Notwendigkeit

Einführung

Mit der rasanten Entwicklung der globalen Photovoltaikindustrie rücken Sicherheit und Stabilität von Solarenergieanlagen immer stärker in den Fokus der Branche. Photovoltaikanlagen sind über lange Zeiträume der Witterung ausgesetzt und daher anfällig für Gefahren wie Blitzeinschläge, Netzschwankungen und Geräteausfälle, die zu Anlagenschäden oder sogar Bränden führen können. Überspannungsschutzgeräte (SPDs), Leitungsschutzschalter und Sicherungen sind zentrale Schutzeinrichtungen, die jeweils ihre Funktion erfüllen und zusammenarbeiten, um den sicheren Betrieb der Anlage zu gewährleisten. Dieser Artikel analysiert detailliert ihre Funktionen, ihre Zusammenhänge und ihre Notwendigkeit, um Anwendern in der Industrie als Orientierungshilfe zu dienen.

I. Der „unsichtbare Killer“ für Photovoltaikanlagen

Photovoltaik-Kraftwerke sind wie „Stahlkrieger“, die im Freien arbeiten und ständig verschiedenen harten Tests standhalten müssen.

1.1 Probleme durch Blitzeinschläge:

Insbesondere im Nahen Osten und in Südostasien kann eine einzige Gewittersaison ungeschützte Systeme lahmlegen.
1.2 Schwankungen im Stromnetz:
Bei dem chilenischen Projekt, für das ich verantwortlich war, wurden mehrere Geräte durch einen plötzlichen Anstieg der Netzspannung zerstört.

1.3 Kurzschlussrisiko:
Im vergangenen Jahr kam es bei einem Projekt in Deutschland aufgrund alternder Kabel zu einem Kurzschluss, der beinahe einen Brand verursacht hätte.

Diese Risiken sind nicht übertrieben. Laut der International Photovoltaic Safety Alliance sind über 60 % der Ausfälle von Photovoltaikanlagen auf unzureichenden elektrischen Schutz zurückzuführen.

II. Kernfunktionen von Überspannungsschutzgeräten (SPD)

2.1 Funktionsprinzip
Überspannungsschutzgeräte (SPDs) leiten kurzzeitige Überspannungen mittels Metalloxidvaristoren (MOV) oder Gasentladungsröhren (GDT) gegen Erde ab und begrenzen die Spannung so auf einen sicheren Bereich. In Photovoltaikanlagen werden SPDs typischerweise an folgenden Stellen installiert:
Gleichstromseite (zwischen den Modulen und dem Wechselrichter): Zum Schutz vor durch Blitzeinschlag verursachten Überspannungen.
Wechselstromseite (zwischen Wechselrichter und Netz): Zur Unterdrückung von Überspannungen von der Netzseite.

2.2 Wichtige Parameter
Maximale Dauerbetriebsspannung (Uc): Muss der Spannungsebene der Photovoltaikanlage entsprechen (z. B. 1000 V DC oder 1500 V DC).
Entladestrom (In/Iimp): Gibt die Fähigkeit zur Entladung von Blitzströmen an; Photovoltaikanlagen benötigen typischerweise 20 kA oder mehr.
Spannungsschutzpegel (Up): Bestimmt die Restspannungsgröße und muss niedriger sein als die Spannungsfestigkeit des geschützten Geräts.

2.3 Notwendigkeit
Schützen Sie teure Geräte wie Wechselrichter und Kombinationsboxen vor Schäden durch Überspannungen.
Einhaltung internationaler Normen (wie IEC 6164331, UL 1449) und Abnahmekriterien für Photovoltaik-Kraftwerke.

III. Funktion und Auswahl von Leitungsschutzschaltern und Sicherungen

3.1 Leistungsschalter
Funktion:
•Überlastschutz: Wenn der Strom den eingestellten Wert überschreitet (z. B. das 1,3-fache des Nennstroms), wird der thermische Auslösemechanismus aktiviert.
•Kurzschlussschutz: Der elektromagnetische Auslösemechanismus unterbricht den Kurzschlussstrom (z. B. 10 kA) innerhalb von Millisekunden.

•Anwendungsmerkmale für Photovoltaik:
Es muss ein spezieller Gleichstrom-Leistungsschalter (z. B. DC 1000V/1500V) ausgewählt werden.
Das Abschaltvermögen sollte dem Kurzschlussstrom des Systems entsprechen (typischerweise ≥ 15 kA).

3.2 Sicherung
Funktion:
Durch das Schmelzen des Sicherungselements kann der fehlerhafte Stromkreis schnell isoliert und der in Reihe geschaltete Zweig geschützt werden.

Vorteile:
Die Abschaltgeschwindigkeit ist schneller (im Mikrosekundenbereich) und eignet sich daher für Szenarien mit hohen Kurzschlussströmen.
Es ist klein und eignet sich für Stromverteilerkästen mit begrenztem Platzangebot.

3.3 Zusammenarbeit mit SPD

Überspannungsschutzgeräte (SPDs) sind für den Spannungsschutz zuständig, während Leitungsschutzschalter/Sicherungen für den Stromschutz verantwortlich sind.
Wenn der Überspannungsschutz aufgrund eines Überspannungsausfalls versagt, können Leitungsschutzschalter oder Sicherungsschutzvorrichtungen den fehlerhaften Stromkreis umgehend unterbrechen, um einen Brand zu verhindern.

IV. Fallstudie zu einem mehrstufigen Schutzsystem

Nehmen wir als Beispiel ein 1-MW-Photovoltaikkraftwerk:
4.1 Schutz auf der DC-Seite
Komponentenserienzweige: Installieren Sie Sicherungen (z. B. vom Typ 10A gPV) für jede Serie.
Eingang des Kombinationskastens: Überspannungsschutzgerät Typ II (Up ≤ 1,5 kV) und Gleichstrom-Leistungsschalter (63 A) installieren.

4.2 Schutz auf der Wechselstromseite
Ausgangsseite des Wechselrichters: Konfigurieren Sie einen Überspannungsschutz Typ 1+2 (Iimp ≥ 12,5 kA) und einen Kompaktleistungsschalter (250 A).

4.3 Simulation eines Fehlerszenarios
Bei einem Blitzeinschlag: Der Überspannungsschutz (SPD) gibt den Stoßstrom ab und begrenzt die Spannung auf unter 2 kV; falls der SPD aufgrund eines Kurzschlusses ausfällt, löst der Leistungsschalter aus.
Bei einem Kurzschluss in der Leitung schmilzt die Sicherung innerhalb von 5 ms, um die Ausbreitung des thermischen Spoteffekts zu verhindern.

V. Vorsichtsmaßnahmen für die Auswahl und Installation

5.1 SPD-Auswahl
Für die Gleichstromseite sollte ein photovoltaikspezifischer Überspannungsschutz (z. B. PVSPD) ausgewählt werden, um das Rückstromproblem gewöhnlicher Wechselstrom-Überspannungsschutzgeräte zu vermeiden.
Bei der Temperaturverteilung sollte ein Sicherheitsspielraum berücksichtigt werden (Uc muss in Umgebungen mit hohen Temperaturen einen Sicherheitsspielraum lassen).

5.2 Anpassung von Schutzschaltern/Sicherungen
Das Abschaltvermögen sollte höher sein als der maximale Kurzschlussstrom des Systems (beispielsweise kann der Fehlerstrom des Strangs 1,5 kA erreichen).
Der Nennstrom der Sicherung sollte mehr als das 1,56-fache des Kurzschlussstroms (Isc) des Bauteils betragen (gemäß NEC 690.8).

5.3 Vorschläge zur Systemintegration
Um die Restspannung zu reduzieren, sollte die Drahtlänge zwischen Überspannungsschutzgerät und Leitungsschutzschalter ≤ 0,5 m betragen.
Die Statusanzeigen der SPD sollten regelmäßig überprüft und defekte Module rechtzeitig ausgetauscht werden.

VI. Branchentrends und Standardaktualisierungen
•Hohe Spannungsanforderungen: Mit der zunehmenden Verbreitung von 1500-V-Photovoltaiksystemen müssen die Spannungsfestigkeitswerte von Überspannungsschutzgeräten und Leistungsschaltern entsprechend erhöht werden.

•Intelligente Überwachung: Intelligente Überspannungsschutzgeräte mit integrierten Temperatursensoren und drahtlosen Kommunikationsfunktionen werden zunehmend eingesetzt, um eine frühzeitige Warnung vor Störungen aus der Ferne zu ermöglichen.

•Standardverstärkung: Die neue Fassung der IEC 625482023 stellt strengere Koordinierungsanforderungen an Schutzeinrichtungen für Photovoltaikanlagen.

Abschluss
In Photovoltaikanlagen bilden Überspannungsschutzgeräte, Leitungsschutzschalter und Sicherungen ein vollständiges, kombiniertes Spannungs-Strom-Schutzsystem. Die korrekte Auswahl und Konfiguration dieser Komponenten verlängert nicht nur die Lebensdauer der Anlagen und senkt die Betriebs- und Wartungskosten, sondern ist auch unerlässlich für den sicheren Betrieb von Kraftwerken. Mit der Weiterentwicklung der Technologie werden die Integration und die intelligente Steuerung dieser Schutzeinrichtungen die Zuverlässigkeit von Photovoltaikanlagen zukünftig weiter verbessern.