Photovoltaik So schützen Sie PV-Anlagen vor Blitz und Überspannungen

Viele in Reihe geschaltete PV-Module sind wirtschaftlich. Allerdings müssen die Überspannungsschutzsysteme in der Anlage auch für diese höheren Spannungen ausgelegt sein.

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Wenn die Fördermittel für die Solarenergie drastisch reduziert werden, müssen die Anlagekosten dementsprechend sinken – nur dann bleibt die Rendite tragbar. Eine Erhöhung der Spannung auf bis zu 1500 V_DC ist hier ein gangbarer Weg – dazu werden mehrere PV-Module zu einem String geschaltet. Dann müssen aber auch alle Komponenten für diese Spannungen ausgelegt sein – wie die neuen Blitz- und Überspannungsschutzgeräte vom Typ VAL-MB (Bild rechts).

Denn durch weniger Generatoranschlusskästen und durch einen geringen Verkabelungsaufwand lassen sich die BOS-Kosten (Balance of System) erheblich reduzieren. Davon profitieren auch die Wechselrichterhersteller. Mit einer Systemspannung von 1500 Volt kann die Leistung der Wechselrichter um bis zu 20% erhöht werden.

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Zuverlässige Komponenten schützen Freiflächenanlagen

Große Freiflächenanlagen oder nachgeführte PV-Systeme sind heute vorrangig Renditeobjekte – maximale Ausbeute und hohe Zinserträge sind auch hier oberstes Ziel. Hohe Anlagenverfügbarkeit und geringere Ausfallquoten ermöglichen den wirtschaftlichen Betrieb der PV-Anlage. Dies ist aber nur mit zuverlässigen Komponenten und aufeinander abgestimmten Systemen möglich – auch der Blitzstrom- und Überspannungsschutz ist hier integraler Bestandteil.

Die PV-Systeme sind oft im freien Feld installiert. Dort bieten sie eine große Angriffsfläche für Blitzeinschläge, die ohne zuverlässigen Blitzstrom- und Überspannungsschutz oft zahlreiche Schäden hinterlassen. In vielen Regionen sind direkte Blitzeinwirkungen zwar selten, sie sind aber energiereich und verursachen meist größere Schäden. Bis zu einer Entfernung von 5 km hinterlassen sie ihre Spuren.

Die entstehenden Überspannungen haben folgende Ursachen:

• direkte Blitzeinschläge in die PV-Anlage oder in die Überlandleitung,

• indirekte Blitzeinwirkungen durch Erd­rückkopplung oder elektromagnetische Induktion.

Spannungserhöhungen von mehreren Tausend Volt

Außerdem bewirken Blitzeinschläge am Einschlagsort Spannungserhöhungen von mehreren Tausend Volt. Je nach Bodenbeschaffenheit nimmt die Spannungserhöhung mit der Entfernung zum Einschlagsort exponentiell ab. Schlägt beispielsweise ein Blitz direkt in ein PV-Modul oder in eine metallische Konstruktion, wird das Erdpotenzial angehoben. Wird die Isolationsfestigkeit der Komponenten überschritten, schlägt die Isolation an der schwächsten Stelle über. Ob am elektronischen Gerät, am Wechselrichter, an der Versorgungsleitung oder am Generatoranschlusskasten die Isolation beschädigt ist, kann meist erst bei der routinemäßigen Prüfung feststellt werden. Bei Isolationsfehlern besteht Gefahr für Leib und Leben, und im schlimmsten Fall kann es beim Berühren metallischer Teile zum Stromschlag kommen.

Kapazitive oder induktive Einkopplungen

Auch durch kapazitive oder induktive Einkopplung in der Versorgungsleitung können Überspannungen entstehen – verantwortlich dafür ist der fließende Blitzstrom zur Erde. So erzeugt beispielsweise der Stromfluss ein elektromagnetisches Feld um sich herum, das wiederum Überspannungen in die parallel verlaufende Versorgungsleitung induziert und die sensiblen Elektronikkomponenten beschädigt.

Ein weiteres Phänomen entsteht aufgrund von Schalthandlungen aus dem Verteilnetz, die im Netz Überspannungen bis zu mehreren Kilovolt erzeugen können. In Vergleich zu Blitzeinschlägen treten diese transienten Überspannungen deutlich häufiger auf – und sind dafür meist von geringerer Energiedichte und Dauer. Dennoch können sie einzelne Elektronikkomponenten in Abhängigkeit von der Isolationsfestigkeit und Belastbarkeit vorschädigen oder gar zerstören.

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