Überspannung in PV-Systemen: Blitzschlag statt Sonnenschein

Für Photovoltaikanlagen besteht ein besonders hohes Risiko von Blitzeinschlägen, da sie sich in den meisten Fällen auf dem Dach befinden. Darüber hinaus können Schalthandlungen im Energieversorgungsnetz die empfindliche Elektronik stören und beschädigen. Um den Wechselrichter, das Herz der Anlage, effektiv zu schützen, schreiben inzwischen erste Normen und Richtlinien die Einrichtung von Schutzgeräten sowohl auf der AC- wie auf der DC-Seite vor. Auch die Absicherung von Signal- und Kommunikationsleitungen wird empfohlen. Übergangen wird allerdings meist Lage und Installationsart der Schutzsysteme – dabei können gerade hier durch Induktionsschleifen zusätzliche Schadensquellen entstehen.
Vor allem die Kabelführung und Erdung ist beim Schutz von Photovoltaikanlagen (PV) von entscheidender Bedeutung. „Problematisch wird es etwa, wenn die Schutzgeräte für AC- und DC-Seite an durch endliche Abstände getrennten Orten installiert werden“, erklärt Blitzschutzexperte Ronny Weber von der Leutron GmbH. „Infolge dieser Abstände entstehen durch die Leitungsinduktivität große Spannungsfälle, und am Eingang des Wechselrichters werden hohe Induktionsschleifen aufgebaut.“ Diese Induktionsspannungen können mehrere Kilovolt erreichen – zuviel für die Ein- und Ausgangsbeschaltungen des Wechselrichters. Im schlimmsten Fall kommt es zum Überschlag auf der Platine, was die Elektronik zerstört.

Längere Leitung erhöht Induktionsspannung

Ein induktiver Spannungsabfall (U) an der Induktivität (L) der Leitung entsteht bei Änderung des Stroms (di). Die Induktivität des Leiters selbst beträgt circa 1µH 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 stellt eine sehr schnelle und große Änderung des Stroms dar, entsprechend bildet sich je nach Situation eine sehr hohe Spannung“, so der Blitzschutzexperte. „Bei einem durchschnittlichen Blitz mit einer typischen Stromanstiegsgeschwindigkeit von 2kA/µs und einer Leiterschleifelänge von nur einem Meter Länge läge bereits ein induktiver Spannungsfall von 2kV 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 1µH/m und einer aufgespannten Leiterschleife mit einem Quadratmeter Fläche an einem Blitzstromableiter Typ 1 eine Spannung von 70kV. Geht man von einem realistischen Wert für den Blitzfolgestoßstrom von 12,5kA bei 0,25/100µs aus, dann bildet sich durch die Restspannung und das magnetische Feld am Endgerät eine Spannung von 152kV.

Gebündelter Schutz verhindert große Leitungslängen

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. 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 Sicherheit der Anlage. 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, z.B. mit Strangdioden, DC-Sicherungen, DC-Freischaltern oder verschiedenen Kombinationen von Anschlussklemmen.

Einbezug in PV-Anlagenplanung wichtig

Entscheidend sei in jedem Fall, dass Ort und Art der Überspannungsschutzinstallation in die Planung der Photovoltaikanlage mit einbezogen würden, so der Experte von Leutron: „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.