Niederspannungs-Überspannungsschutz (SPD) in Photovoltaiksystemen

Überblick

Überspannungen sind kurzzeitige Störungen, die unter bestimmten Bedingungen dazu führen, dass die Spannung im Stromnetz die Nennspannung überschreitet. Normalerweise dauern diese Überspannungen nicht lange an, können aber erhebliche Werte erreichen. Ein plötzlicher Spannungsanstieg innerhalb von nur einer Million Sekunden, beispielsweise durch einen Blitzschlag, das Abschalten einer induktiven Last oder das Einschalten einer großen Last, kann das Stromnetz stark belasten. In den meisten Fällen werden Geräte oder Stromkreise, die nicht über einen Überspannungsschutz verfügen, leicht beschädigt. Der Grad des Schadens hängt von der Spannungsfestigkeit des jeweiligen Geräts ab.

Photovoltaikanlagen sind großen, offenen Flächen ausgesetzt, meist im Freien oder auf Gebäuden. Geladene Regenwolken, die sich über solchen Flächen sammeln, können sich in Form von Blitzen entladen. Dabei kann es zu Überspannungen kommen. Je größer die Fläche, desto höher das Schadensrisiko. Überspannungen können elektronische Geräte leicht bis zum Totalausfall beschädigen. Befindet sich während einer Überspannung jemand in der Nähe, kann dies auch dessen Sicherheit gefährden.
Schlecht geschützte Photovoltaikanlagen erleiden wiederholt schwere Schäden, was hohe Wartungs- und Austauschkosten, Systemausfallzeiten und Umsatzeinbußen zur Folge hat. Korrekt installierte Überspannungsschutzgeräte minimieren die potenziellen Auswirkungen von Blitzeinschlägen.

Um zu verhindern, dass hohe Energie durch elektronische Geräte fließt und die Photovoltaikanlage durch Überspannung beschädigt, muss ein Erdungspfad für Spannungsspitzen vorhanden sein. Daher müssen alle leitfähigen Oberflächen direkt geerdet und alle Leitungen, die in das System ein- und ausgehen (z. B. Ethernet-Kabel und Netzteile), über Überspannungsschutzgeräte geerdet werden. Für jeden Satz von Array-Boxen, Sammelschienenboxen und DC-Trennschaltern ist ein Überspannungsschutzgerät erforderlich.

Klassifizierung von Überspannungsschutzgeräten

Typ 1

Der Überspannungsschutz Typ 1 wird für bestimmte Situationen im Dienstleistungssektor und in Industriegebäuden empfohlen. Er schützt elektrische Geräte vor direktem Blitzeinschlag und leitet den Rückstrom ab, der durch Blitzeinschläge entsteht, die sich vom geerdeten Leiter zum Netzleiter ausbreiten.

Der Überspannungsschutz Typ 1 zeichnet sich durch eine Stromwelle von 10/350 μs aus.

Der Überspannungsschutz Typ 1 kann in der Photovoltaikanlage zwischen dem Photovoltaik-Array und dem Haupttrennschalter eingesetzt werden, der hauptsächlich im zentralen Wechselrichter verwendet wird.

Typ 2

Der Überspannungsschutz Typ 2 ist das Hauptschutzsystem für alle Niederspannungsgeräte und ist für den Einsatz im Betrieb vorgesehen. Er befindet sich auf der Lastseite einer Überstromschutzeinrichtung und umfasst einen Überspannungsschutz sowie einen Überspannungsschutz mit Kunststoffgehäuse im Verteilerkasten. Der Wert I_max ist der maximale Einzelentladestrom, den der Überspannungsschutz gemäß der 8/20-µs-Wellenform aushalten kann.

Typ 3

Typ 3 wird üblicherweise in Stromverteilungsanlagen verwendet. Der Überspannungsschutz sollte als in Reihe geschalteter Spannungsbegrenzer mit Blitzableiter ausgeführt sein und eine Blitzstrombelastbarkeit von mindestens 10 kA aufweisen. Die Mindestlänge der Leitung vom Verteilerkasten bis zum Verbraucher beträgt 10 Meter. Die Leitung zum Überspannungsschutz darf nicht innerhalb dieses 10-Meter-Abstands verlegt werden.

Wie man einen Überspannungsschutz für eine Photovoltaikanlage auswählt

Aufgrund der besonderen Eigenschaften von Photovoltaikanlagen ist der Einsatz von Überspannungsschutzgeräten erforderlich, die speziell für diese Anlagen entwickelt wurden. Um das richtige Überspannungsschutzmodul für Ihre PV-Anlage und deren Installationen auszuwählen, müssen Sie Folgendes wissen:

1. Die Betriebstemperatur des Systems;
2. Die Systemspannung;
3. Der Nennkurzschlussstrom des Systems.
4. Art des Blitzeinschlags (direkt oder indirekt)
5. Nennentladestrom

Auswahl des Überspannungsschutzes auf der Netzseite

Der Überspannungsschutz für die Wechselstrommessung von Photovoltaikanlagen muss den Anforderungen der IEC 60364-5-53 entsprechen. Insbesondere ist zu beachten, dass die Betriebsspannung zwischen der Wechselstromleitung und Erde aufgrund der technischen Beschaffenheit der Wechselrichter-Stromversorgung variiert und die sinusförmige Wechselspannung nicht immer genormt ist. Bei der Auswahl des Überspannungsschutzes auf der Wechselstromseite sind daher Wellenformverzerrungen der Betriebsspannung zu berücksichtigen. Deutliche Spannungsspitzen, die üblicherweise als Oberwellenstromeffekte bezeichnet werden, sind zu beachten. Daher sollte bei der Auswahl eines Überspannungsschutzes nicht nur auf die verschiedenen Hauptparameter geachtet werden, sondern auch auf die Antioberwellenstromwirkung.

Auswahl des Überspannungsschutzes auf der DC-Seite

Der Überspannungsschutz auf der Gleichstromseite der Photovoltaikanlage muss den Anforderungen der IEC 61643-31 entsprechen.
Bei der Auswahl sollten Sie neben den grundlegenden Hauptparametern besonders auf zwei Hauptparameter achten: Ucpv und Iscpv.
Ucpv: Die maximale kontinuierliche Betriebsspannung Ucpv aller SPD-Sicherheitsmodi (positiv/negativ, positiv/Erde und negativ/Erde) sollte unter allen Anwendungsbedingungen größer oder gleich der maximalen Leerlaufspannung Uoc max des PV-Generators sein.
Iscpv: Wenn die Batterie an den Gleichstromkreis angeschlossen wird, müssen zusätzliche Vorschriften eingehalten werden, da der von der Batterie gelieferte Kurzschlussstrom wahrscheinlich viel höher ist als der Strom, den die Photovoltaikanlage liefern kann.

Abschluss

Blitzschäden gehören zu den größten Gefahren für Photovoltaikanlagen im Betrieb. Um den einwandfreien Betrieb der Photovoltaikanlage zu gewährleisten, ist es daher besonders wichtig, einen geeigneten Überspannungsschutz an einer sicheren Stelle innerhalb der Anlage zu installieren.

ETEK Electric bietet Ihnen verschiedene Überspannungsschutzgeräte an. Wenn Sie sich nicht sicher sind, welches Überspannungsschutzgerät Ihren Anforderungen optimal entspricht, beraten wir Sie gerne umfassend.