Photovoltaik-Anlagen wirkungsvoll gegen Blitzschlag schützen

Alternative Energien Photovoltaik-Anlagen wirkungsvoll gegen Blitzschlag schützen

24.01.2011Autor / Redakteur: Ronny Weber * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Überspannung in Photovoltaik-Systemen kann zu gefährlichen Anlagenbränden führen. Wir stellen Ihnen geeignete Schutzkonzepte vor und sagen Ihnen, worauf Sie konkret auchten müssen.

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Gefahr von oben: Blitzschlag ist gerade für Photovoltaikanlagen eine ernste Gefahr (Falk Blümel, pixelio.de)

High-Tech auf dem Dach – eine gefährliche Kombination. An diesem exponierten Standort besteht für Photovoltaikanlagen ein besonders hohes Risiko von Blitzeinschlägen. 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 wie die Vornorm DIN CLC/TS 50539-12 oder das Beiblatt 5 der Norm DIN EN 62305-3 die Einrichtung von Schutzgeräten sowohl auf der AC- wie auf der DC-Seite vor.

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.

Kabelführung und Erdung sind enorm wichtig

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. 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 1 µH/m. 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. Bei einem durchschnittlichen Blitz mit einer typischen Stromanstiegsgeschwindigkeit von 2 kA/µs und einer Leiterschleifelänge von nur einem Meter Länge läge bereits ein induktiver Spannungsfall von 2 kV vor.

Gefährliche Induktionsschleife

Gefährliche Leitungsinduktivität: Die hohen Spannungsfälle durch die Leitungsinduktivität und die großen Induktionsschleifen entstehen dann, wenn die Schutzgeräte auf AC- und DC-Seite durch endliche Abstände getrennt installiert werden (Leutron)

Daneben wird mit einer Leiterschleife gleichzeitig eine Induktionsschleife gebildet. Dadurch wird zusätzlich zum induktiven Spannungsfall auch eine Spannung in die Leiterschleife induziert. Beispielsweise ergibt sich bei der üblichen Leitungsinduktivität von 1 µH/m und einer aufgespannten Leiterschleife mit 1 m² Fläche an einem Blitzstromableiter Typ 1 eine Spannung von 70 kV. Geht man gemäß einem Vortrag Prof. Meppelinks auf der 5. VDE/ABB-Blitzschutztagung von einem realistischen Wert für den Blitzfolgestoßstrom von 12,5 kA bei 0,25/100 µs aus, dann bildet sich durch die Restspannung und das magnetische Feld am Endgerät eine Spannung von 152 kV.

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