Auswahl von Überspannungsschutzgeräten für PV-Anlagen – Arten von Überspannungsschutzgeräten
Die Photovoltaik (PV) ist eine wichtige Quelle erneuerbarer Energie und im Vergleich zur konventionellen Stromerzeugung wirtschaftlich sehr wettbewerbsfähig. Kleine, dezentrale PV-Anlagen, wie beispielsweise Dachsolaranlagen, erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Dachsolaranlagen nutzen sowohl Wechsel- als auch Gleichstromverteilung mit Spannungen von bis zu 1500 V. Die Gleichstromseite, insbesondere die PV-Module, können in gefährdeten Gebieten direkt Blitzeinschlägen ausgesetzt sein und sind daher anfällig für Blitzschäden.
Der Blitzschutz für Gebäude wird je nach Blitzrisiko in externen Schutz (Blitzschutzsystem, LPS) und internen Schutz (Überspannungsschutzmaßnahmen, SPM) unterteilt. Überspannungsschutzgeräte (ÜSG) schützen als Teil des internen Schutzes vor transienten Überspannungen, die durch atmosphärische Blitzeinschläge oder Schaltvorgänge verursacht werden. ÜSG werden außerhalb der zu schützenden Geräte installiert und funktionieren im Wesentlichen wie folgt: Solange keine Überspannung im Stromnetz vorliegt, beeinträchtigt das ÜSG den normalen Betrieb des geschützten Systems nicht wesentlich. Tritt eine Überspannung auf, bietet das ÜSG eine niedrige Impedanz, leitet den Überspannungsstrom ab und begrenzt die Spannung auf ein sicheres Niveau. Nachdem die Überspannung abgeklungen und der Reststrom verflogen ist, kehrt das ÜSG in den hochohmigen Zustand zurück.
1. Der Installationsort von Überspannungsschutzgeräten (SPD)
Der Installationsort von Überspannungsschutzgeräten (SPDs) richtet sich nach der Blitzgefährdung und basiert auf dem Blitzschutzzonenkonzept (LPZ) gemäß IEC 62305. Transiente Überspannungen werden schrittweise auf ein sicheres Niveau reduziert, das unterhalb der Spannungsfestigkeit der geschützten Geräte liegen muss. Wie in der Abbildung dargestellt, werden SPDs an den Grenzen dieser Zonen installiert. Dies führt zum Konzept des mehrstufigen Überspannungsschutzes, das in Niederspannungssystemen Anwendung findet. Bei PV-Systemen liegt der Fokus darauf, das Eindringen von Blitzüberspannungen über die AC- und DC-Seite zu verhindern und so kritische Komponenten wie Wechselrichter zu schützen.
2. Prüfklassen für Überspannungsschutzgeräte (SPD)
Gemäß IEC 61643-11 werden Überspannungsschutzgeräte (SPDs) anhand der Art des Blitzstromimpulses, dem sie standhalten sollen, in drei Prüfkategorien eingeteilt. Prüfungen des Typs I (gekennzeichnet als T1) simulieren Teilblitzströme, die in ein Gebäude geleitet werden können. Dabei wird eine 10/350 µs-Impulsform verwendet (siehe Abbildung unten). Die Prüfungen werden typischerweise an der Grenze zwischen Blitzschutzzone 0 (LPZ0) und Blitzschutzzone 1 (LPZ1) durchgeführt, beispielsweise an Hauptverteilern oder Niederspannungstransformatoren. SPDs dieser Kategorie sind üblicherweise spannungsschaltende Geräte mit Komponenten wie Gasentladungsröhren oder Funkenstrecken (z. B. Horn- oder Graphitfunkenstrecken).
Die Prüfungen vom Typ II (T2) und Typ III (T3) verwenden Impulse kürzerer Dauer. Typ-II-Überspannungsschutzgeräte (SPDs) sind in der Regel Spannungsbegrenzer, die Bauteile wie Metalloxidvaristoren (MOVs) verwenden. Sie werden mit einem Nennentladestrom und einem 8/20-µs-Stromimpuls geprüft (siehe Abbildung unten) und begrenzen die Reststoßspannung des vorgelagerten Schutzgeräts. Typ-III-Prüfungen verwenden einen kombinierten Impulsgenerator mit einer Spannung von 1,2/50 µs und einem Stromimpuls von 8/20 µs (siehe Abbildung unten), um Überspannungen zu simulieren, die näher an den Endgeräten auftreten.
3. Anschlussart des Überspannungsschutzgeräts (SPD)
Es gibt zwei Hauptschutzarten gegen transiente Überspannungen. Die erste ist der Gleichtaktschutz (CT1), der vor Überspannungen zwischen stromführenden Leitern und Schutzleiter (PE) schützt. Blitzeinschläge können beispielsweise hohe Spannungen gegenüber Erde in ein System einbringen. Der Gleichtaktschutz trägt dazu bei, die Auswirkungen solcher externen Störungen wie Blitzeinschläge zu mindern, wie unten dargestellt.
Die zweite Schutzart ist der Differenzialschutz (CT2), der vor Überspannungen zwischen dem Außenleiter (L) und dem Neutralleiter (N) schützt. Diese Schutzart ist besonders wichtig, um interne Störungen wie elektrisches Rauschen oder Interferenzen, die innerhalb des Systems selbst entstehen, zu beheben, wie im folgenden Diagramm dargestellt.
Durch die Implementierung eines oder beider dieser Schutzmodi können elektrische Systeme besser vor potenziellen Überspannungsquellen geschützt werden, was letztendlich die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der angeschlossenen Geräte erhöht.
Es ist wichtig zu beachten, dass die Auswahl der Schutzmodi des Überspannungsschutzgeräts (SPD) mit dem vorhandenen Erdungssystem übereinstimmen muss. Bei TN-Systemen können sowohl der CT1- als auch der CT2-Schutzmodus verwendet werden. Bei TT-Systemen kann CT1 jedoch nur nach einem Fehlerstromschutzschalter (RCD) eingesetzt werden. Bei IT-Systemen – insbesondere solchen ohne Neutralleiter – ist der CT2-Schutz nicht anwendbar. Dies ist ein entscheidender Aspekt bei Gleichstromverteilungssystemen mit IT-Erdungskonfigurationen. Details finden Sie in der folgenden Tabelle.
4. Wichtige Parameter von Überspannungsschutzgeräten (SPD)
Gemäß der internationalen Norm IEC 61643-11 sind die Eigenschaften und Prüfungen von Überspannungsschutzgeräten (SPDs), die an Niederspannungs-Stromverteilungssysteme angeschlossen sind, wie in Abbildung 7 dargestellt, definiert.
(1) Spannungsschutzstufe (nach oben)
Der wichtigste Aspekt bei der Auswahl eines Überspannungsschutzgeräts (SPD) ist sein Spannungsschutzpegel (Up), der die Leistungsfähigkeit des SPD bei der Begrenzung der Spannung zwischen den Anschlüssen charakterisiert. Dieser Wert sollte höher sein als die maximale Klemmspannung. Sie wird erreicht, wenn der durch das SPD fließende Strom dem Nennentladestrom In entspricht. Der gewählte Spannungsschutzpegel muss unterhalb der Impulsspannungsfestigkeit Uw der Last liegen. Bei Blitzeinschlägen wird die Spannung an den SPD-Anschlüssen im Allgemeinen unterhalb von Up gehalten. Bei PV-Gleichstromsystemen bezieht sich die Last üblicherweise auf PV-Module und Wechselrichter.
(2) Maximale Dauerbetriebsspannung (Uc)
Uc ist die maximale Gleichspannung, die im Schutzmodus des Überspannungsschutzgeräts (SPD) dauerhaft angelegt werden kann. Sie wird anhand der Nennspannung und der Erdungskonfiguration des Systems ausgewählt und dient als Aktivierungsschwelle des SPD. Auf der Gleichstromseite von PV-Systemen muss Uc größer oder gleich Uoc Max des PV-Generators sein. Uoc Max bezeichnet die höchste Leerlaufspannung zwischen den stromführenden Anschlüssen und zwischen dem stromführenden Anschluss und Erde am entsprechenden Punkt des PV-Generators.
(3) Nennentladestrom (In)
Dies ist der Spitzenwert eines 8/20 μs-Wellenformstroms, der durch die SPD fließt und für Tests des Typs II sowie für Vorkonditionierungstests des Typs I und II verwendet wird. Typ IIDie IEC-Norm fordert, dass der Überspannungsschutz mindestens 19 Entladungen mit einer Wellenform von 8/20 µs aushält. Je höher der In-Wert ist, desto länger ist die Lebensdauer des Überspannungsschutzes, aber desto höher sind auch die Kosten.
(4) Impulsstrom (Iimp)
Dieser Strom, der durch drei Parameter definiert wird – Stromspitze (Ipeak), Ladung (Q) und spezifische Energie (W/R) –, wird verwendet in Typ I Tests. Die typische Wellenform beträgt 10/350 μs.