Induktionsschleifen bieten Angriffspunkte

Technik

Blitzschutz - Auf dem Dach besteht für Photovoltaikanlagen ein hohes Risiko von Blitzeinschlägen. Entsprechende Richtlinien und Normen allein genügen nicht – bei der Ausführung muss grundsätzliches beachtet werden.

27. Mai 2011

High-Tech auf dem Dach – das kann mitunter eine gefährliche Kombination sein. Denn an diesem exponierten Standort besteht für Photovoltaikanlagen ein besonders hohes Risiko von Blitzeinschlägen. Und das kann vor allem in Süddeutschland statistisch gesehen recht häufig vorkommen – an durchschnittlich 10 Tagen pro Jahr kommt es im Norden und an 35 Tagen pro Jahr im Süden Deutschlands zu Gewittern. Darüber hinaus können auch Schalthandlungen im Energieversorgungsnetz die empfindliche Elektronik stören und beschädigen.

Um den Wechselrichter, das Herz der PV-Anlage, effektiv zu schützen, schreiben inzwischen erste Normen und Richtlinien Einrichtung von Schutzgeräten sowohl auf der AC- wie auf der DC-Seite vor. Hier sind als Beispiele die Vornorm DIN CLC/TS 50539-12 oder das Beiblatt 5 der Norm DIN EN 62305-3 zu nennen. Auch die Absicherung von Signal- und Kommunikationsleitungen wird empfohlen. »Übergangen werden allerdings meist Lage und Installationsart der Schutzsysteme – dabei können gerade hier durch Induktionsschleifen zusätzliche Schadensquellen entstehen«, so der Blitzschutzexperte Ronny Weber von Leutron. Werden bei der Installation von Photovoltaikanlage und dafür vorgesehener Blitzschutzeinrichtung einige grundsätzliche Punkte nicht eingehalten, ist die Einrichtung allzu leicht überfordert und damit der Blitzschutz nicht gewährleistet.

Gefahr der Induktionsspannung

Vor allem die Kabelführung und Erdung ist beim Schutz von Photovoltaikanlagen von entscheidender Bedeutung. »Problematisch wird es etwa, wenn die Schutzgeräte für AC- und DC-Seite an durch endliche Abstände getrennten Orten installiert werden«, erklärt Weber. Infolge dieser Abstände entstehen durch die Leitungsinduktivität im Falle eines Blitzeinschlags große Spannungsfälle und am Eingang des Wechselrichters werden hohe Induktionsschleifen aufgebaut. Weber: »Diese Induktionsspannungen können durchaus mehrere Kilovolt erreichen – was einfach zuviel für die Ein- und Ausgangsbeschaltungen des Wechselrichters ist. Im schlimmsten Fall kommt es deshalb zum Überschlag auf der Platine, was ziemlich sicher die Elektronik zerstört.«

Ein induktiver Spannungsabfall (U) an der Induktivität (L) der Leitung entsteht bei Änderung des Stroms (di). Die Induktivität des Leiters selbst beträgt circa 1H pro Meter. Die Höhe der Induktionsspannung hängt daher allein von Größe (di) und Änderungsgeschwindigkeit (dt) des Störstroms sowie von der Länge des Leiters ab. Daraus folgt U=L·di/dt. »Ein Blitzschlag bedeutet eine sehr schnelle und große Änderung des Stroms, entsprechend bildet sich je nach Situation eine sehr hohe Spannung«, so der Blitzschutzexperte. »Bei einem durchschnittlichen Blitz mit einer typischen Stromanstiegsgeschwindigkeit von 2kA/s und einer Leiterschleifenlänge von nur einem Meter läge bereits ein induktiver Spannungsfall von 2 kV vor.«

Daneben werde mit einer Leiterschleife gleichzeitig eine Induktionsschleife gebildet, so Weber: »Dadurch wird zusätzlich zum induktiven Spannungsfall auch eine Spannung in die Leiterschleife induziert.« Beispielsweise ergibt sich bei der üblichen Leitungsinduktivität von 1H/m und einer aufgespannten Leiterschleife mit einem Quadratmeter Fläche an einem Blitzstromableiter Typ 1 eine Spannung von 70kV. Professor Dr. Jan Meppelink (Fachbereich Elektrische Energietechnik der Fachhochschule Südwestfalen, Soest) hat bereits 2003 auf der 5. nationalen Blitzschutztagung des Ausschusses für Blitzschutz und Blitzforschung (ABB) im VDE zum Verhalten von Blitzschutzsystemen bei Beanspruchung durch Folgestoßstrom berichtet.

Legt man Meppelinks Ausführungen zu Grunde und geht von einem realistischen Wert für den Blitzfolgestoßstrom von 12,5kA bei 0,25/100s aus, dann bildet sich durch die Restspannung und das magnetische Feld am Endgerät eine Spannung von 152kV. Die seit 1996 parallel zu internationalen Blitzschutztagungen wieder etablierte deutschsprachige Tagung wendet sich nicht nur an alle mit Blitzschutz und Blitzforschung befassten Fachleute, an Planer, Errichter, Prüfer und Hersteller, sondern auch an Entscheidungsträger in Behörden, Bauämtern, Planungsbüros, Versicherungen und Sachverständigenorganisationen. Ein ausführlicher Tagungsband der genannten Konferenz ist beim VDE erhältlich

Eine Möglichkeit, sowohl Spannungsinduktion zu minimieren als auch Induktionsschleifen zu verhindern, besteht darin, die Schutzgeräte nach dem Single-Entry-Point-Prinzip (SEP-Prinzip) zu installieren. »Das heißt, alle Kupferleiter werden an einem Punkt in die Schutzinsel eingeführt«, erklärt Weber.

Direkt am Wechselrichter

An dieser Stelle wird der Überspannungsschutz für alle aktiven Leiter angebracht. Nur eine Verbindung führt von dort zur Gebäude- oder Anlagenerdung. Große Leitungslängen und Schleifen zwischen den Schutzgeräten werden dadurch vermieden und ein effektiver Überspannungsschutz erzielt. Zudem reduziert sich aufgrund des gebündelten Schutzes der Kosten- und Wartungsaufwand für die Anlagensicherheit.

Am einfachsten wird dazu ein integrierter PV-Anschlusskasten direkt am Wechselrichter montiert. Darin befinden sich nicht nur die Überspannungsschutzsysteme für AC- und DC-Seite, sondern auch jene für die Kommunikations- und Informationsleitungen. Der Erdanschluss des Kastens stellt die einzige Verbindung zum Schutzpotenzialausgleich dar. Um die zuverlässige Absicherung der Anlage zu gewährleisten, muss der Wechselrichter selbst isoliert aufgebaut werden, die PE-Verbindung darf dabei nur durch den Single-Entry-Point laufen. PV-Anschlusskästen nach dem SEP-Prinzip lassen sich mit verschiedenen Varianten realisieren, zum Beispiel mit Strangdioden, DC-Sicherungen, DC-Freischaltern oder verschiedenen Kombinationen von Anschlussklemmen.

Konzepte überdenken

Entscheidend sind laut Leutron-Blitzschutzexperte Weber in jedem Fall, dass Ort und Art der Überspannungsschutzinstallation in die Planung der Photovoltaikanlage miteinbezogen würden, so der Experte. Weber weiter: »Das sind Aspekte, die auch in künftige Normgebungen einfließen müssen.« Vor allem vor dem Hintergrund des momentan immer noch ungebrochenen Interesses an PV-Systemen ist ein Überdenken der Sicherheitsvorkehrungen unerlässlich. Allein zwischen Januar und Juni 2010 wurden bei der Bundesnetzagentur neu installierte PV-Anlagen mit einer Gesamtleistung von 3,85 GWp gemeldet.

Erschienen in Ausgabe: 05/2011