Auswahl von Überspannungsschutzgeräten für PV-Systeme – Installation von Überspannungsschutzgeräten
1. Faktoren, die die Installation von Überdruckventilen beeinflussen
Überspannungen in Photovoltaikanlagen auf Dächern werden hauptsächlich durch direkte Blitzeinschläge (am oder in der Nähe des Gebäudes oder der PV-Anlage mit Blitzschutzsystem), durch induzierte Spannungen aufgrund von blitzbedingten Feldänderungen oder durch Schaltvorgänge in AC/DC-Stromverteilungsnetzen verursacht. Um den Bedarf an Überspannungsschutz zu ermitteln und die geeignete Schutzstrategie festzulegen, sollte die Bemessungsstoßspannungsfestigkeit (Uw) der Anlage als Referenzwert herangezogen werden. Sofern in einer Risikobewertung nichts anderes festgelegt ist, sollten Überspannungsschutzgeräte (SPDs) sowohl auf der DC- als auch auf der AC-Seite der PV-Anlage installiert werden.
Zu den Geräten innerhalb einer PV-Anlage, die möglicherweise Schutz benötigen, gehören:
Wechselrichter, einschließlich Schnittstellen sowohl zum Niederspannungs-Wechselstromsystem als auch zum Gleichstromsystem, PV-Anlagen, interne PV-Systemverkabelung, Komponenten, die zwischen dem Wechselrichter und den PV-Anlagen installiert sind, wie z. B. Kombinationsboxen; Geräte zur Überwachung und Steuerung des PV-Systems.
Gemäß IEC 61643-12 und den entsprechenden Abschnitten von GB/T 21714 hängen die Auswahl und Installation von Überspannungsschutzgeräten (SPDs) für PV-Anlagen von mehreren Faktoren ab. Dazu gehören die Blitzdichte am Boden (NG) [1/km²·Jahr] bzw. die durchschnittliche Anzahl der Gewittertage pro Jahr (T), die Eigenschaften des Niederspannungsnetzes (z. B. Freileitungen oder Erdkabel) und die Art der zu schützenden Geräte sowie die Frage, ob ein externes Blitzschutzsystem (LPS) zum Schutz der PV-Anlage vor direkten Blitzeinschlägen installiert ist.
Ist ein externes LPS vorhanden, werden die SPD-Anforderungen durch die Schutzklasse (Klasse) des LPS und die Einhaltung des erforderlichen Sicherheitsabstands (S) zwischen dem LPS und dem PV-System beeinflusst (isoliertes vs. nicht isoliertes LPS).
2. Einfluss unterschiedlicher externer Blitzschutzsystemkonfigurationen auf den Blitzschutz von PV-Systemen
Die Installation von Überspannungsschutzgeräten (SPDs) für Photovoltaik-Dachanlagen lässt sich im Allgemeinen in drei Kategorien einteilen, je nach Vorhandensein und Art des externen LPS:
(1) PV-Systeme ohne externes LPS
Wie im Diagramm (hier nicht abgebildet) dargestellt, sollten bei Gebäuden ohne externe Blitzschutzanlage Überspannungsschutzgeräte (SPDs) gemäß einer Blitzrisikoanalyse installiert werden. Es wird empfohlen, Überspannungsschutzgeräte sowohl auf der Wechselstrom- als auch auf der Gleichstromseite zu installieren, um kritische PV-Komponenten zu schützen.
Auf der Gleichstromseite sollte ein Gleichstrom-Überspannungsschutzgerät (DC-SPD) vom Typ 2 (DC1) in der Nähe des PV-Kombinationskastens oder, falls kein Kombinationskasten verwendet wird, der PV-Anlage installiert werden. Dieses SPD schützt das Gebäude vor externen Überspannungen, die über die PV-Kabel übertragen werden, und wird üblicherweise direkt nach dem Gebäudeeintritt der PV-Kabel installiert. Ein weiteres DC-SPD vom Typ 2 (DC2) sollte in der Nähe des Gleichstromeingangs des Wechselrichters installiert werden. Beträgt die Kabellänge zwischen DC1 und dem Wechselrichter weniger als 10 Meter, kann DC1 entfallen.
Für die Wechselstromseite wird ein AC-Überspannungsschutzgerät Typ 2 (AC1) am Netzeingang empfohlen, der sich üblicherweise im Hauptverteiler befindet. Dieses Gerät schützt vor Überspannungen aus dem Stromnetz. Ob AC1 in einem System ohne externen Blitzschutz erforderlich ist, hängt von den Ergebnissen einer Blitzrisikoanalyse ab. Zum Schutz des teuren Wechselrichters wird typischerweise ein AC-Überspannungsschutzgerät Typ 2 (AC2) in der Nähe des Wechselstromausgangs des Wechselrichters installiert. Beträgt die Kabellänge zwischen AC1 und AC2 weniger als 10 Meter, kann AC2 entfallen. Detaillierte Hinweise finden Sie in der Konfigurationstabelle.
(2) PV-Systeme mit externem LPS, die den erforderlichen Abstand einhalten (isoliertes LPS)
Wie im Diagramm dargestellt, gilt eine Photovoltaikanlage als mit einem isolierten Blitzschutzsystem (LPS) ausgestattet, wenn ein Gebäude über ein externes Blitzschutzsystem (z. B. Fangstangen oder Blitzbänder) verfügt und die Dach-PV-Anlage durch dieses System unter Einhaltung des erforderlichen Mindestabstands geschützt ist. Auch in diesem Fall ist die Installation von Überspannungsschutzgeräten (SPDs) weiterhin notwendig.
Bei Systemen mit isoliertem Blitzschutzsystem (LPS) ist die Konfiguration des Überspannungsschutzes (SPD) ähnlich wie bei Systemen ohne externen Blitzschutz. Ein DC-Überspannungsschutz vom Typ 2 sollte in der Nähe des Kombinationskastens oder, falls kein Kombinationskasten verwendet wird, in der Nähe der PV-Anlage installiert werden. Ein weiterer DC-Überspannungsschutz vom Typ 2 wird in der Nähe der DC-Seite des Wechselrichters und ein AC-Überspannungsschutz vom Typ 2 in der Nähe der AC-Seite des Wechselrichters platziert. Da die PV-Anlage jedoch sowohl innerhalb als auch außerhalb des Gebäudes angeschlossen ist, wird zusätzlich ein AC-Überspannungsschutz vom Typ 1 am Hauptverteilerkasten benötigt, an dem der Netzstrom in das Gebäude eintritt. Detaillierte Hinweise zur Anordnung finden Sie in der Konfigurationstabelle.
(3) PV-Systeme mit externem LPS, die den erforderlichen Abstand nicht einhalten (nicht isoliertes LPS)
Bei Photovoltaikanlagen auf Dächern, deren Module zu nah am externen Blitzschutzsystem (LPS) liegen und den erforderlichen Sicherheitsabstand nicht einhalten können, müssen alle Metallteile der Anlage mit dem LPS verbunden werden, um einen ordnungsgemäßen Potenzialausgleich zu gewährleisten. Dies ist das gängige Verfahren zum Blitzschutz auf Dächern. In dieser Konfiguration werden Wechsel- und Gleichstromkabel im Potenzialausgleichssystem wie parallele Leiter behandelt, wodurch sie direkt vom Blitzstrom betroffen sein können. Daher empfiehlt die IEC den Einsatz von Überspannungsschutzgeräten (SPDs) des Typs 1 – üblicherweise zusammen mit SPDs des Typs 2 – an wichtigen Punkten im System: am Gebäudeeintritt der PV-Kabel sowie auf der Wechsel- und Gleichstromseite wichtiger Geräte wie dem Wechselrichter.
Wie im Diagramm dargestellt, sollte DC1 möglichst nah am Kombinationskasten oder, falls kein Kombinationskasten vorhanden ist, in der Nähe der PV-Anlage installiert werden. DC2 und AC2 sollten zum besseren Schutz in der Nähe des Wechselrichters platziert werden. In den meisten Fällen werden sowohl AC1 (am Hauptverteiler) als auch AC2 (in der Nähe des Wechselrichters) benötigt. Befindet sich der Wechselrichter jedoch im Hauptverteiler und beide haben die gleiche Erdung, und beträgt die Kabellänge maximal 0,5 Meter, ist AC2 möglicherweise nicht erforderlich. Detaillierte Installationshinweise finden Sie in der Tabelle.
1: DC1 kann unter folgenden Bedingungen weggelassen werden: Wenn die Kabellänge zwischen DC1 und dem Wechselrichter weniger als 10 Meter beträgt und der Spannungsschutzpegel (Up) von AC2 kleiner oder gleich dem 0,8-Fachen der Bemessungsstoßspannungsfestigkeit (Uw) der PV-Anlage ist; oder wenn der Up-Wert von AC2 kleiner oder gleich dem 0,5-Fachen von Uw ist und der PE-Leiter (Schutzerdungsleiter) in der Nähe der DC-Kabel verlegt ist.
2: AC2 kann unter folgenden Bedingungen entfallen: Wenn die Kabellänge zwischen AC1 und AC2 weniger als 10 Meter beträgt; oder wenn der Wechselrichter und die Hauptverteilung dieselbe Erdungselektrode verwenden und die SPD-Anschlusskabel jeweils nicht länger als 0,5 Meter sind - zum Beispiel, wenn der Wechselrichter innerhalb der Hauptverteilung installiert ist.
3：Mindestquerschnittsfläche für SPD-Erdungsleiter: Bei SPDs des Typs 2 sollte der Kupfer-Erdungsleiter mindestens 6 mm² groß sein; bei SPDs des Typs 1 sollte er mindestens 16 mm² groß sein.
Die Wahl der Überspannungsschutzgeräte (SPDs) auf der DC-Seite von Photovoltaik-Dachanlagen hängt hauptsächlich vom Blitzschutz des Gebäudes und der Verkabelung der Anlage ab. Gemäß Konfigurationstabelle und IEC-Normen sollte sich immer ein Überspannungsschutz auf der DC-Seite des Wechselrichters befinden. Zusätzliche SPDs in der Nähe des Kombinationskastens – oder in der Nähe der PV-Module, falls kein Kombinationskasten vorhanden ist – sind jedoch nur erforderlich, wenn das Kabel zwischen den Modulen und dem Wechselrichter länger als 10 Meter ist.
Allerdings ist das nicht überall so. In manchen Ländern – beispielsweise in Deutschland – gelten im Prinzip die gegenteiligen Regeln. Dort wird der Gleichstrom-Überspannungsschutz immer direkt neben den PV-Modulen installiert, und ein zusätzlicher Schutz in der Nähe des Wechselrichters ist nur dann erforderlich, wenn die Kabellänge über 10 Meter beträgt.