Wie wählt man den richtigen 1500-V-DC-Schutz für Photovoltaikanlagen? Koordination von Sicherungen, Überspannungsschutz und DC-Leistungsschaltern

Einleitung

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Photovoltaiktechnologie haben sich 1500-V-DC-Systeme zunehmend als bevorzugte Lösung für große Solarparks und Freiflächen-Photovoltaikanlagen etabliert. Im Vergleich zu herkömmlichen 1000-V-DC-Systemen ermöglichen 1500-V-Systemarchitekturen längere Modulstrings, geringere Ströme, reduzierte Kabelverluste und weniger elektrische Komponenten. Dadurch lassen sich die Systemeffizienz verbessern und die Investitionskosten optimieren.

Allerdings stellen höhere Gleichspannungen auch größere Anforderungen an die elektrische Schutztechnik. Eine falsch ausgewählte Schutzkomponente kann zu Geräteschäden, Überhitzung, elektrischen Fehlern oder sogar Bränden führen.

Ein zuverlässiges 1500-V-DC-Schutzsystem für Photovoltaikanlagen erfordert daher mehr als die Auswahl einzelner Komponenten anhand ihrer Spannungs- und Stromwerte. Entscheidend ist die richtige Abstimmung zwischen Photovoltaiksicherungen, Überspannungsschutzgeräten (SPDs) und DC-Leistungsschaltern.

Jede dieser Komponenten erfüllt eine andere Schutzfunktion:

• PV-Sicherungen: Schützen vor Überströmen und Rückströmen bei Fehlerzuständen.

• Überspannungsschutzgeräte (SPDs): Schützen elektrische Anlagen vor transienten Überspannungen durch Blitzeinwirkungen und Schaltvorgänge.

• DC-Leistungsschalter: Übernehmen je nach Ausführung den Überstromschutz, die sichere Stromkreisunterbrechung und Schaltfunktionen.

Die richtige Auswahl und Koordination dieser Komponenten ist entscheidend für die Sicherheit, Zuverlässigkeit und langfristige Leistungsfähigkeit einer 1500-V-DC-Photovoltaikanlage.

In diesem Leitfaden erfahren Sie, wie Sie geeignete 1500-V-DC-Schutzkomponenten auswählen, welche technischen Parameter berücksichtigt werden müssen und wie Sicherungen, SPDs und DC-Leistungsschalter optimal aufeinander abgestimmt werden.

1. Warum ist der 1500-V-DC-Schutz für Photovoltaikanlagen so wichtig?

Der Wechsel von 1000-V-DC- auf 1500-V-DC-Systeme hat die Effizienz und Wirtschaftlichkeit großer Photovoltaikanlagen verbessert.

Durch die höhere Systemspannung können mehr PV-Module in Reihe geschaltet werden. Dadurch reduziert sich die Anzahl der erforderlichen parallelen Strings für eine bestimmte Anlagenleistung. Gleichzeitig können Kabelbedarf, Installationsaufwand und elektrische Verluste verringert werden.

Allerdings steigen mit der höheren Spannung auch die Anforderungen an die Schutzkomponenten.

Im Gegensatz zu Wechselstromsystemen durchläuft Gleichstrom keinen natürlichen Nulldurchgang während jeder elektrischen Periode. Deshalb kann die Unterbrechung eines DC-Fehlerstroms schwieriger sein. Ein elektrischer Lichtbogen kann bestehen bleiben, wenn das Schutzgerät nicht speziell für die sichere DC-Abschaltung ausgelegt ist.

Ein geeignetes 1500-V-DC-Schutzsystem muss verschiedene Risiken berücksichtigen:

Überstrom- und Rückstromfehler: Wenn mehrere PV-Strings parallel geschaltet sind, können intakte Strings Strom in einen fehlerhaften String zurückspeisen. Ohne geeigneten Schutz kann dieser Rückstrom PV-Module und Kabel beschädigen.

Blitz- und Schaltüberspannungen: Transiente Überspannungen können Wechselrichter, Überwachungssysteme und andere empfindliche elektrische Komponenten beschädigen.

Kurzschlussfehler: Fehlerströme müssen sicher unterbrochen werden, ohne das zulässige Ausschaltvermögen der Schutzgeräte zu überschreiten.

Thermische Belastung: Hohe Umgebungstemperaturen, schlechte elektrische Verbindungen und unzureichende Belüftung können zu übermäßiger Erwärmung in PV-Generatoranschlusskästen führen.

Elektrische Freischaltung: Für Wartungsarbeiten müssen geeignete Möglichkeiten zur sicheren Trennung der elektrischen Stromkreise vorhanden sein.

Aus diesen Gründen sollte die Auswahl von Sicherungen, SPDs und DC-Leistungsschaltern immer als zusammenhängender Planungsprozess betrachtet werden.

2. Wie wählt man die richtige 1500-V-DC-PV-Sicherung aus?

Eine Photovoltaiksicherung gehört zu den wichtigsten Schutzkomponenten einer Solaranlage.

Ihre Hauptaufgabe besteht darin, übermäßige Ströme infolge von Rückstrombedingungen, Kurzschlüssen und anderen Überstromfehlern zu unterbrechen.

Für 1500-V-DC-Photovoltaikanwendungen sollten grundsätzlich gPV-Sicherungen berücksichtigt werden, die speziell für den Schutz von PV-Systemen entwickelt wurden.

Die Norm IEC 60269-6 enthält Anforderungen an Sicherungseinsätze für den Schutz von Photovoltaik-Strings und PV-Generatoren.

2.1 Die maximale DC-Betriebsspannung überprüfen

Der erste Schritt bei der Auswahl einer 1500-V-DC-PV-Sicherung ist die Überprüfung ihrer Bemessungsspannung.

Ein häufiger Fehler besteht darin, die Sicherung ausschließlich anhand der Nennspannung des Systems auszuwählen. Die Leerlaufspannung eines PV-Moduls steigt jedoch bei sinkenden Temperaturen.

Deshalb muss die maximale Stringspannung anhand folgender Parameter berechnet werden:

• Anzahl der in Reihe geschalteten PV-Module.

• Leerlaufspannung (Voc) der Module.

• Temperaturkoeffizient der Leerlaufspannung.

• Niedrigste zu erwartende Umgebungstemperatur.

Die ausgewählte Sicherung muss für die maximal berechnete DC-Systemspannung geeignet sein.

Auch der Sicherungshalter muss eine entsprechend geeignete Spannungsbemessung aufweisen.

Wichtig: Eine Sicherung mit einer Bemessungsspannung von 1000 V DC darf nicht in einem 1500-V-DC-System eingesetzt werden, nur weil ihr Nennstrom ausreichend erscheint.

2.2 Den richtigen Nennstrom der Sicherung bestimmen

Der Nennstrom der Sicherung muss anhand des erwarteten Betriebsstroms und der geltenden elektrotechnischen Auslegungsanforderungen ausgewählt werden.

Dabei sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Kurzschlussstrom (Isc) des PV-Moduls.

• Erwarteter Dauerbetriebsstrom des Strings.

• Anwendbare Auslegungs- und Sicherheitsfaktoren.

• Maximal zulässiger Serien-Sicherungsnennstrom laut PV-Modulhersteller.

• Umgebungstemperatur und Installationsbedingungen.

• Nennstrom des Sicherungshalters.

Die ausgewählte Sicherung muss den normalen Betriebsbedingungen standhalten, ohne unnötig auszulösen. Gleichzeitig muss sie im Fehlerfall einen wirksamen Schutz gewährleisten.

Eine überdimensionierte Sicherung kann den PV-Stromkreis unzureichend schützen, während eine zu kleine Sicherung unnötige Abschaltungen verursachen kann.

2.3 Das DC-Ausschaltvermögen überprüfen

Das Ausschaltvermögen ist ein weiterer entscheidender Parameter bei der Auswahl einer 1500-V-DC-Sicherung.

Es beschreibt den maximalen Fehlerstrom, den die Sicherung unter den festgelegten Betriebsbedingungen sicher unterbrechen kann.

In einer Photovoltaikanlage hängt der mögliche Fehlerstrom unter anderem von der Anzahl der parallel geschalteten Strings und den elektrischen Eigenschaften der Anlage ab.

Das Ausschaltvermögen der Sicherung muss für den zu erwartenden Kurzschlussstrom bei der tatsächlichen Systemspannung ausreichend sein.

Es darf nicht angenommen werden, dass eine Sicherung für AC-Anwendungen oder niedrigere DC-Spannungen automatisch auch für einen 1500-V-DC-Stromkreis geeignet ist.

2.4 Sicherungskennlinien und thermische Eigenschaften berücksichtigen

Neben Spannungs- und Stromwerten sollten Ingenieure auch die Zeit-Strom-Kennlinien der Sicherung prüfen.

Wichtige Parameter sind:

• Vorschmelz-I²t.

• Gesamt-Ausschalt-I²t.

• Zeit-Strom-Auslöseverhalten.

• Temperatur-Derating.

• Verlustleistung.

• Thermische Stabilität im Dauerbetrieb.

Diese Werte sind besonders wichtig, wenn Sicherungen mit Kabeln, Leistungshalbleitern und anderen Schutzgeräten koordiniert werden müssen.

2.5 Die passende Sicherungsgröße und Bauform auswählen

Auch die Abmessungen und die Bauform einer PV-Sicherung beeinflussen die Systemplanung.

Zu den gängigen Bauformen von 1500-V-DC-PV-Sicherungen gehören:

• Zylindrische Sicherungen 10 × 85 mm.

• Zylindrische Sicherungen 14 × 85 mm.

• Zylindrische Sicherungen 22 × 58 mm.

• NH-Sicherungseinsätze für Photovoltaikanwendungen.

Kompakte zylindrische Sicherungen eignen sich häufig für platzsparende Generatoranschlusskästen. Größere Sicherungsbauformen können bei höheren Stromanforderungen und bestimmten Montagekonzepten sinnvoll sein.

Die endgültige Auswahl sollte Nennstrom, elektrische Leistungsfähigkeit, Einbauraum, Anschlusskonfiguration und Wartungsanforderungen berücksichtigen.

3. Warum sind 1500-V-DC-PV-Sicherungshalter wichtig?

Die Auswahl der richtigen Sicherung ist nur ein Teil des Schutzkonzepts. Auch der Sicherungshalter muss für die elektrischen und umgebungsbedingten Anforderungen der PV-Anlage geeignet sein.

Ein ungeeigneter Sicherungshalter kann einen zu hohen Kontaktwiderstand, einen Temperaturanstieg und unzuverlässige elektrische Verbindungen verursachen.

Bei der Auswahl eines 1500-V-DC-PV-Sicherungshalters sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

Spannungsbemessung: Der Sicherungshalter muss für die maximale DC-Systemspannung geeignet sein.

Strombemessung: Sein Nennstrom muss zur vorgesehenen Sicherung und Anwendung passen.

Kontaktwiderstand: Zuverlässige elektrische Kontakte reduzieren Leistungsverluste und Überhitzung.

Kriech- und Luftstrecken: Angemessene Isolationsabstände sind bei Hochspannungsanwendungen unverzichtbar.

Anschlussausführung: Die Anschlüsse müssen für die vorgesehenen Leiterquerschnitte und Installationsbedingungen geeignet sein.

Temperaturbeständigkeit: Der Sicherungshalter muss unter den zu erwartenden Umgebungs- und Gehäusetemperaturen zuverlässig funktionieren.

Mechanische Kompatibilität: Sicherungsabmessungen, Montageart und Anschlussdesign müssen aufeinander abgestimmt sein.

Das thermische Management ist besonders wichtig in dicht bestückten PV-Generatoranschlusskästen, in denen mehrere Sicherungshalter auf engem Raum betrieben werden.

Ingenieure sollten daher die gesamte Wärmeentwicklung benachbarter Komponenten berücksichtigen und nicht nur jeden Sicherungshalter einzeln bewerten.

4. Wie wählt man einen 1500-V-DC-Überspannungsschutz (SPD) aus?

Überspannungsschutzgeräte dienen dazu, PV-Systemkomponenten vor transienten Überspannungen zu schützen.

Blitzeinschläge, induzierte Blitzüberspannungen und Schaltvorgänge können Spannungsspitzen erzeugen, die die Spannungsfestigkeit empfindlicher elektrischer Geräte überschreiten.

Ohne geeigneten Überspannungsschutz können folgende Komponenten beschädigt werden:

• Solarwechselrichter.

• PV-Überwachungssysteme.

• DC-Verteilungseinrichtungen.

• Kommunikationsschnittstellen.

• Elektrische Steuerungssysteme.

Für Photovoltaikanwendungen bis 1500 V DC enthält die Norm IEC 61643-31 Anforderungen und Prüfverfahren für DC-seitige Überspannungsschutzgeräte.

4.1 Die maximale Dauerspannung (Ucpv) überprüfen

Einer der wichtigsten Parameter bei der Auswahl eines PV-SPD ist Ucpv, die maximale Dauerspannung für Photovoltaikanwendungen.

Die Ucpv-Bemessung des SPD muss mit der maximalen Spannung kompatibel sein, die unter den festgelegten Betriebsbedingungen im PV-Generator auftreten kann.

Ist Ucpv zu niedrig gewählt, kann das Überspannungsschutzgerät bereits unter normalen Betriebsbedingungen dauerhaft belastet werden. Dies kann zu vorzeitigem Verschleiß oder Ausfall führen.

Deshalb muss vor der Auswahl des SPD zunächst die maximale PV-Stringspannung berechnet werden.

4.2 Den richtigen SPD-Typ auswählen

Die Auswahl des geeigneten SPD-Typs hängt von den Blitzschutzanforderungen und den Installationsbedingungen ab.

SPD Typ 1

SPD Typ 1 ist für Installationen vorgesehen, bei denen ein Teilblitzstrom in das elektrische System eingeleitet werden kann. Dies betrifft insbesondere Anlagen, bei denen aufgrund eines äußeren Blitzschutzsystems ein entsprechendes Risiko für die Einleitung direkter Blitzströme besteht.

SPD Typ 2

SPD Typ 2 dient hauptsächlich zur Begrenzung induzierter Blitzüberspannungen und Schaltüberspannungen.

Diese Geräte werden häufig in PV-Generatoranschlusskästen und an DC-Eingängen von Wechselrichtern eingesetzt, sofern die Blitzschutz-Risikobewertung eine entsprechende Schutzmaßnahme vorsieht.

SPD Typ 1+2

Kombinierte Typ-1+2-Geräte vereinen die Schutzfunktionen von Typ 1 und Typ 2.

Sie können geeignet sein, wenn sowohl Schutz gegen Teilblitzströme als auch Schutz gegen induzierte Überspannungen erforderlich ist.

Die endgültige SPD-Konfiguration sollte auf Grundlage der Blitzschutz-Risikobewertung, der elektrischen Anlagenplanung und der geltenden lokalen Normen festgelegt werden.

4.3 Die Ableitstromwerte bewerten

Die Auswahl eines SPDs sollte nicht ausschließlich auf einem einzelnen maximalen Ableitstromwert basieren.

Ingenieure sollten mehrere Parameter prüfen:

• In: Nennableitstoßstrom.

• Imax: Maximaler Ableitstoßstrom.

• Iimp: Blitzstoßstrom, sofern zutreffend.

• Up: Schutzpegel.

• Ucpv: Maximale Dauerspannung für PV-Anwendungen.

Diese Werte beschreiben unterschiedliche Eigenschaften der SPD-Leistungsfähigkeit.

Ein höherer Ableitstromwert bedeutet beispielsweise nicht automatisch, dass ein SPD für einen bestimmten Wechselrichter den besseren Schutz bietet.

Auch der Schutzpegel muss zur Stoßspannungsfestigkeit der angeschlossenen Geräte passen.

4.4 Den Installationsort des SPD berücksichtigen

Der Installationsort beeinflusst die Wirksamkeit des Überspannungsschutzkonzepts.

Abhängig von der Systemkonfiguration und den Kabellängen können SPDs an folgenden Stellen installiert werden:

• DC-Eingängen des PV-Generators oder Generatoranschlusskastens.

• DC-Verteilerschränken.

• DC-Anschlüssen des Wechselrichters.

Lange Kabelstrecken zwischen PV-Generator und Wechselrichter können die Wirksamkeit des Überspannungsschutzes beeinflussen.

Ingenieure sollten deshalb Kabelführung, Leiterlängen, Erdungskonzept und die Koordination mehrerer SPDs berücksichtigen.

Eine fachgerechte Installation ist ebenso wichtig wie die Auswahl der richtigen SPD-Spezifikationen.

5. Wie wählt man einen 1500-V-DC-Leistungsschalter aus?

DC-Leistungsschalter übernehmen in Photovoltaik- und DC-Verteilungssystemen Überstromschutz- und Schaltfunktionen.

Sie werden häufig in DC-Abzweigstromkreisen, Verteilerschränken, Wechselrichteranschlüssen und Energiespeichersystemen eingesetzt.

Im Gegensatz zu Sicherungen können Leistungsschalter nach einer Abschaltung grundsätzlich wieder eingeschaltet werden, sofern die Fehlerursache erkannt und beseitigt wurde.

Allerdings sind nicht alle Leistungsschalter für Hochspannungs-DC-Anwendungen geeignet.

5.1 Die DC-Spannungsbemessung überprüfen

Die Bemessungsspannung des Leistungsschalters muss für die maximale Systemspannung geeignet sein.

Eine AC-Spannungsbemessung kann nicht automatisch auf eine DC-Anwendung übertragen werden.

Die DC-Abschaltung ist anspruchsvoller, da der Strom während des normalen Betriebs keinen natürlichen Nulldurchgang aufweist.

Daher muss der ausgewählte Leistungsschalter über eine geeignete und nachgewiesene DC-Spannungsbemessung sowie ein ausreichendes Ausschaltvermögen verfügen.

5.2 Das Ausschaltvermögen prüfen

Das Ausschaltvermögen des Leistungsschalters muss mindestens dem zu erwartenden Kurzschlussstrom am Einbauort entsprechen. Dabei sind die jeweiligen Bemessungs- und Betriebsbedingungen zu berücksichtigen.

Ein unzureichendes Ausschaltvermögen kann dazu führen, dass ein Fehlerstrom nicht sicher unterbrochen wird. Dies kann schwere Schäden an elektrischen Anlagen verursachen.

Ingenieure müssen den verfügbaren Fehlerstrom, die Systemkonfiguration und die elektrischen Eigenschaften der angeschlossenen Geräte bewerten.

5.3 Die Polkonfiguration verstehen

Die Polkonfiguration ist bei 1500-V-DC-Anwendungen besonders wichtig.

Einige DC-Leistungsschalter benötigen mehrere in Reihe geschaltete Pole, um die spezifizierte Spannungs- und Lichtbogenlöschleistung zu erreichen.

Der vom Hersteller freigegebene Anschlussplan muss exakt eingehalten werden.

Folgende Punkte sind zu überprüfen:

• Erforderliche Anzahl der Pole.

• Zugelassene Reihenschaltung der Pole.

• Polaritätsanforderungen, sofern vorhanden.

• DC-Spannungsbemessung für die vorgesehene Konfiguration.

• Kurzschlussausschaltvermögen.

• Eignung zur elektrischen Trennung.

Ein gewöhnlicher AC-Leitungsschutzschalter darf niemals ohne entsprechende Prüfung als geeigneter Schutzschalter für einen 1500-V-DC-Stromkreis betrachtet werden.

5.4 Zwischen DC-MCB und DC-MCCB unterscheiden

Zwei häufig verwendete Kategorien von Leistungsschaltern sind Leitungsschutzschalter (MCBs) und Kompaktleistungsschalter (MCCBs).

DC-MCB

DC-MCBs werden in der Regel für DC-Stromkreise mit geringeren Strömen eingesetzt, bei denen eine kompakte Bauform wichtig ist.

Typische Anwendungen sind kleinere DC-Verteilungsstromkreise und bestimmte Hilfsstromkreise.

DC-MCCB

DC-MCCBs werden häufig für höhere Ströme und DC-Verteilungssysteme eingesetzt.

Je nach Ausführung bieten sie einstellbare Schutzeinstellungen, höhere Ausschaltvermögen und zusätzliche Installationsmöglichkeiten.

Die Entscheidung zwischen MCB und MCCB sollte auf Grundlage des erforderlichen Nennstroms, des Fehlerstromniveaus, der Schutzeinstellungen, der Installationsumgebung und der Systemarchitektur getroffen werden.

Die IEC 60947-2:2024 ist eine wichtige Referenz für Leistungsschalter innerhalb ihres Anwendungsbereichs, einschließlich relevanter DC-Anwendungen bis 1500 V.

6. Wie werden PV-Sicherungen, SPDs und DC-Leistungsschalter koordiniert?

Die korrekte Auswahl einzelner Schutzgeräte garantiert noch nicht, dass das gesamte PV-Schutzsystem sicher funktioniert.

Die Geräte müssen so aufeinander abgestimmt werden, dass sie sich nicht gegenseitig in ihrer Schutzfunktion beeinträchtigen.

Dieses Verfahren wird als Schutzkoordination bezeichnet.

In einem 1500-V-DC-PV-System erfüllt jede Schutzkomponente eine andere Aufgabe.

Schutzkomponente	Hauptfunktion	Wichtige Auswahlparameter	Typische Anwendung
gPV-Sicherung	Überstrom- und Rückstromschutz	Spannung, Strom, Ausschaltvermögen, I²t	PV-Strings und Generatoranschlusskästen
PV-Sicherungshalter	Sichere Aufnahme und Stromführung der Sicherung	Spannung, Strom, Temperatur, Anschlüsse	Generatoranschlusskästen und DC-Verteiler
DC-SPD	Schutz vor transienten Überspannungen	Ucpv, SPD-Typ, In, Imax, Iimp, Up	PV-Generatoren und DC-Eingänge von Wechselrichtern
DC-MCB	Abzweigstromkreisschutz und Schalten	Spannung, Strom, Pole, Ausschaltvermögen	DC-Abzweigstromkreise
DC-MCCB	Schutz und Schalten bei höheren Strömen	Spannung, Strom, Ausschaltvermögen, Auslöseeinstellungen	DC-Verteilung und Wechselrichterzuleitungen

6.1 Sicherungen und Leistungsschalter koordinieren

Sicherungen und Leistungsschalter können beide Überstromschutz bieten. Ihre Auslösecharakteristiken unterscheiden sich jedoch.

Eine Sicherung unterbricht einen Fehlerstrom durch das Schmelzen ihres Sicherungselements. Ein Leistungsschalter verwendet dagegen einen mechanischen oder elektronischen Auslösemechanismus.

Wenn beide Schutzgeräte innerhalb derselben Schutzarchitektur eingesetzt werden, müssen ihre Zeit-Strom-Kennlinien miteinander verglichen werden.

Wichtige Aspekte sind:

• Zu erwartender Kurzschlussstrom.

• Vorschmelz- und Gesamt-Ausschalt-I²t der Sicherung.

• Auslösecharakteristik des Leistungsschalters.

• Thermische Belastbarkeit der Kabel.

• Kurzschlussfestigkeit der angeschlossenen Geräte.

• Selektivität zwischen vor- und nachgeschalteten Schutzgeräten.

Das Ziel besteht darin, dass möglichst das Schutzgerät unmittelbar vor der Fehlerstelle zuerst auslöst, sofern eine selektive Koordination erforderlich und technisch erreichbar ist.

Dadurch kann der betroffene Stromkreis abgeschaltet werden, während intakte Bereiche der PV-Anlage weiterhin in Betrieb bleiben.

6.2 SPD-Schutz mit Überstromschutzeinrichtungen koordinieren

Auch SPDs müssen mit den zugehörigen Überstromschutzeinrichtungen koordiniert werden.

Bei einem starken Überspannungsereignis oder am Ende der Lebensdauer kann ein SPD Bedingungen ausgesetzt sein, die eine Trennung vom Stromkreis erforderlich machen.

Deshalb müssen die vom SPD-Hersteller vorgegebenen Anforderungen an den vorgeschalteten Überstromschutz eingehalten werden.

Ingenieure sollten folgende Punkte überprüfen:

• Maximal zulässige Vorsicherung oder maximal zulässiger Leistungsschalter.

• Kurzschlussfestigkeit.

• Interne oder externe SPD-Abschalteinrichtung.

• Anschlusskonfiguration.

• Führung des Schutzleiters.

• Koordination mit dem vorgeschalteten Schutzgerät.

Ein falsch dimensioniertes Backup-Schutzgerät kann die Sicherheit des SPDs beeinträchtigen oder verhindern, dass das Schutzsystem wie vorgesehen funktioniert.

6.3 Eine sichere Anlagenfreischaltung gewährleisten

Die elektrische Trennung ist ein weiterer wichtiger Bestandteil der Schutzkoordination.

Wartungspersonal muss die relevanten DC-Stromkreise mithilfe geeigneter Schalt- und Trenneinrichtungen sicher freischalten können.

Eine Sicherung, ein Leistungsschalter oder ein SPD darf nicht automatisch als sichere Trenneinrichtung betrachtet werden, nur weil die Komponente im DC-Stromkreis installiert ist.

Die Trennfunktion muss durch die Bemessung, Zertifizierung und bestimmungsgemäße Verwendung des jeweiligen Geräts ausdrücklich unterstützt werden.

6.4 Die gesamte PV-Schutzarchitektur berücksichtigen

Die Schutzkoordination sollte über das gesamte elektrische System hinweg bewertet werden und nicht nur auf Ebene einzelner Komponenten.

Eine typische Freiflächen-Photovoltaikanlage kann beispielsweise folgende Komponenten umfassen:

1. PV-Module, die zu Strings in Reihe geschaltet werden.

2. String-Sicherungen zum Schutz vor Rückstromfehlern, sofern erforderlich.

3. Generatoranschlusskästen zur Zusammenführung paralleler PV-Strings.

4. DC-SPDs zum Schutz vor transienten Überspannungen.

5. DC-Leistungsschalter oder Trenneinrichtungen für die erforderlichen Verteilungs- und Schaltfunktionen.

6. DC-Eingänge der Wechselrichter zur Aufnahme der erzeugten PV-Leistung.

Die konkrete Anordnung hängt von der Systemtopologie, den Anforderungen des Wechselrichters, den geltenden Normen und der elektrischen Schutzberechnung ab.

Das Ziel ist eine zuverlässige Fehlerstromunterbrechung, ein wirksamer Überspannungsschutz und eine sichere Freischaltung ohne unnötige Wechselwirkungen zwischen den Schutzgeräten.

7. Häufige Fehler bei der Auswahl des 1500-V-DC-PV-Schutzes

Auch erfahrene Ingenieure können bei der Planung von Hochspannungs-PV-Schutzsystemen wichtige Details übersehen.

Die folgenden Fehler sollten vermieden werden.

Fehler 1: Schutzgeräte ausschließlich nach der Nennspannung auswählen

Wird nur die nominale Systemspannung statt der maximal berechneten PV-Spannung berücksichtigt, kann die Spannungsbemessung der Schutzgeräte unzureichend sein.

Berücksichtigen Sie immer den Anstieg der Modul-Leerlaufspannung bei niedrigen Temperaturen.

Fehler 2: Eine PV-Sicherung nur anhand des Nennstroms auswählen

Eine geeignete Sicherung muss mehrere Anforderungen erfüllen. Dazu gehören DC-Spannungsbemessung, gPV-Gebrauchskategorie, Ausschaltvermögen, Zeit-Strom-Kennlinien und thermische Leistungsfähigkeit.

Der Amperewert allein reicht nicht aus.

Fehler 3: Den Temperaturanstieg des Sicherungshalters ignorieren

Ein ungeeigneter Sicherungshalter oder eine schlechte elektrische Verbindung kann zu übermäßiger Wärmeentwicklung führen.

Dieses Problem tritt besonders häufig in kompakten Generatoranschlusskästen mit eingeschränkter Belüftung auf.

Wählen Sie kompatible Sicherungshalter aus und überprüfen Sie deren thermische Leistungsfähigkeit unter den tatsächlichen Installationsbedingungen.

Fehler 4: Ein SPD ausschließlich anhand seines kA-Werts auswählen

Der Ableitstrom ist nur ein Teil der SPD-Leistungsfähigkeit.

Ucpv, SPD-Typ, Schutzpegel, Kurzschlussfestigkeit und Anforderungen an den Backup-Schutz müssen ebenfalls bewertet werden.

Fehler 5: AC-Leistungsschalter ohne Prüfung in DC-Anwendungen verwenden

Die Anforderungen an die AC- und DC-Abschaltung unterscheiden sich.

Überprüfen Sie immer die zertifizierte DC-Bemessung, die Polkonfiguration und das Ausschaltvermögen des Leistungsschalters.

Fehler 6: Die Koordination zwischen Schutzgeräten vernachlässigen

Auch korrekt dimensionierte Komponenten garantieren nicht automatisch eine selektive Schutzfunktion.

Sicherungskennlinien, Auslöseeinstellungen von Leistungsschaltern, SPD-Backup-Schutz und die Kurzschlussfestigkeit der Geräte müssen gemeinsam bewertet werden.

8. Praktische Checkliste zur Auswahl eines 1500-V-DC-PV-Schutzsystems

Bevor Schutzgeräte für eine Photovoltaikanlage spezifiziert werden, sollten Ingenieure alle relevanten elektrischen und umgebungsbedingten Informationen erfassen.

Die folgende Checkliste erleichtert den Auswahlprozess.

Elektrische Systemparameter

• Maximale DC-Betriebsspannung.

• Maximale PV-String-Leerlaufspannung.

• Anzahl der in Reihe geschalteten Module.

• Anzahl der parallelen Strings.

• Normaler Betriebsstrom.

• Zu erwartender Kurzschlussstrom.

Anforderungen an PV-Sicherungen

• Erforderliche gPV-Gebrauchskategorie.

• Bemessungsspannung und Nennstrom.

• Maximal zulässiger Serien-Sicherungsnennstrom des PV-Moduls.

• DC-Ausschaltvermögen.

• Sicherungsabmessungen und Montageart.

• Temperatur-Derating und I²t-Kennlinien.

Anforderungen an SPDs

• Erforderlicher SPD-Typ.

• Maximale Dauerspannung (Ucpv).

• Nennableitstoßstrom (In).

• Maximaler Ableitstoßstrom (Imax).

• Blitzstoßstrom (Iimp), sofern zutreffend.

• Schutzpegel (Up).

• Anforderungen an den Backup-Schutz.

Anforderungen an DC-Leistungsschalter

• Bemessungsspannung DC.

• Nennstrom.

• Ausschaltvermögen.

• Erforderliche Polkonfiguration.

• Auslösecharakteristik oder Schutzeinstellungen.

• Anforderungen an die Trennfunktion.

• Zugelassene Anschlusskonfiguration.

Installations- und Umgebungsbedingungen

• Umgebungstemperatur.

• Temperatur im Schaltschrank.

• Installationshöhe, sofern relevant.

• Belüftung und Wärmeabfuhr.

• Kabelquerschnitt und Anschlusskonfiguration.

• Erdungs- und Blitzschutzkonzept.

• Anwendbare IEC-, UL- und nationale Vorschriften.

Wer diese Informationen vor der Auswahl der Komponenten zusammenstellt, kann Spezifikationsfehler reduzieren und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessern.

9. Warum verbessert eine korrekte Schutzkoordination die Zuverlässigkeit von PV-Anlagen?

Ein gut geplantes 1500-V-DC-Schutzsystem bietet zahlreiche Vorteile.

Erhöhte elektrische Sicherheit: Richtig ausgewählte Sicherungen und Leistungsschalter helfen dabei, Überstrom- und Kurzschlussfehler zu unterbrechen, bevor größere Schäden entstehen.

Besserer Geräteschutz: Ordnungsgemäß ausgewählte und koordinierte SPDs reduzieren das Risiko, dass transiente Überspannungen empfindliche elektrische Geräte beschädigen.

Weniger Ausfallzeiten: Eine wirksame Schutzselektivität kann fehlerhafte Stromkreise isolieren, während nicht betroffene Anlagenteile weiterhin betrieben werden.

Verbesserte thermische Eigenschaften: Kompatible Sicherungseinsätze und Sicherungshalter reduzieren übermäßige Kontaktwiderstände und unnötige Wärmeentwicklung.

Geringere Wartungskosten: Die richtige Geräteauswahl kann vorzeitige Ausfälle, unerwartete Abschaltungen und unnötige Austauschkosten reduzieren.

Höhere Systemzuverlässigkeit: Eine koordinierte Schutztechnik stellt sicher, dass die einzelnen Komponenten sowohl im Normalbetrieb als auch bei Fehlerzuständen ihre vorgesehenen Funktionen erfüllen.

Bei großen Solarparks tragen diese Vorteile zu einer stabileren Stromerzeugung und einer langfristig besseren Anlagenleistung bei.

10. Fazit: So entsteht ein zuverlässiges 1500-V-DC-PV-Schutzsystem

Die Auswahl des richtigen 1500-V-DC-Schutzes für Photovoltaikanlagen erfordert einen ganzheitlichen Ansatz, der elektrische Sicherheit, Überstromschutz, Überspannungsschutz und sichere Stromkreisunterbrechung miteinander verbindet.

Eine geeignete gPV-Sicherung schützt PV-Strings vor Rückstrom- und Überstromfehlern. Ein passender Sicherungshalter gewährleistet zuverlässige elektrische Verbindungen und eine angemessene thermische Leistungsfähigkeit. Ein korrekt ausgewähltes DC-SPD schützt empfindliche Geräte vor transienten Überspannungen, während ein entsprechend bemessener DC-Leistungsschalter die erforderlichen Schalt- und Überstromschutzfunktionen übernimmt.

Der wichtigste Aspekt ist jedoch das Zusammenspiel dieser Komponenten.

Ingenieure müssen vor der endgültigen Planung die maximale Systemspannung, den Betriebsstrom, den zu erwartenden Fehlerstrom, das Ausschaltvermögen, die Temperaturbedingungen und die Schutzkoordination bewerten.

Durch die Einhaltung relevanter Normen und Herstellervorgaben lässt sich eine zuverlässige 1500-V-DC-Schutzarchitektur entwickeln, die die Sicherheit der Geräte erhöht, Ausfallzeiten minimiert und die langfristige Leistungsfähigkeit von Photovoltaikanlagen unterstützt.

Der Schlüssel zu einem wirksamen 1500-V-DC-PV-Schutz liegt nicht nur darin, die richtige Sicherung, das passende SPD oder den geeigneten Leistungsschalter einzeln auszuwählen. Entscheidend ist, dass alle Schutzgeräte als Bestandteil eines abgestimmten elektrischen Schutzsystems ihre jeweilige Funktion zuverlässig erfüllen.

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

1. Welche Schutzgeräte werden in einem 1500-V-DC-PV-System benötigt?

Eine typische 1500-V-DC-PV-Schutzarchitektur kann gPV-Sicherungen, passende Sicherungshalter, DC-Überspannungsschutzgeräte und DC-Leistungsschalter oder Trenneinrichtungen umfassen. Die genaue Konfiguration hängt von der PV-Systemplanung, den Anforderungen des Wechselrichters, der Fehlerstromanalyse und den geltenden Vorschriften ab.

2. Welche Sicherung wird in einem 1500-V-DC-Solarsystem verwendet?

Für den Überstromschutz von PV-Strings und PV-Generatoren werden üblicherweise gPV-Sicherungen eingesetzt, die speziell für Photovoltaikanwendungen ausgelegt sind. Sie müssen eine geeignete DC-Spannungsbemessung, einen passenden Nennstrom, ein ausreichendes Ausschaltvermögen und die erforderliche Gebrauchskategorie aufweisen.

3. Kann eine 1000-V-DC-Sicherung in einem 1500-V-DC-PV-System verwendet werden?

Nein. Eine 1000-V-DC-Sicherung darf nicht eingesetzt werden, wenn die maximal berechnete Systemspannung ihre Bemessungsspannung überschreitet. Sowohl der Sicherungseinsatz als auch der Sicherungshalter müssen für die tatsächliche maximale DC-Spannung geeignet sein.

4. Was ist der Unterschied zwischen einer PV-Sicherung und einem DC-Leistungsschalter?

Eine PV-Sicherung schützt vor Überstrom, indem ihr internes Sicherungselement bei entsprechend hoher Strombelastung schmilzt. Ein DC-Leistungsschalter unterbricht übermäßige Ströme mithilfe eines Auslösemechanismus und kann zusätzlich Schalt- und Rückstellfunktionen bieten.

Beide Geräte haben unterschiedliche Auslösecharakteristiken und sind nicht automatisch gegeneinander austauschbar.

5. Wie wählt man ein 1500-V-DC-SPD für eine Solaranlage aus?

Zunächst muss die maximale Spannung des PV-Generators berechnet werden. Anschließend wird ein SPD mit geeigneter Ucpv-Bemessung ausgewählt. Danach sind SPD-Typ, Nenn- und Maximalableitstrom, gegebenenfalls Blitzstoßstrom, Schutzpegel, Kurzschlussfestigkeit und Anforderungen an den Backup-Schutz zu prüfen.

6. Was ist der Unterschied zwischen PV-SPDs vom Typ 1 und Typ 2?

SPDs vom Typ 1 sind dafür ausgelegt, Teilblitzströme abzuleiten, wenn dies aufgrund des Blitzschutzkonzepts der Anlage erforderlich ist. SPDs vom Typ 2 dienen hauptsächlich zur Begrenzung induzierter Blitzüberspannungen und Schaltüberspannungen. Typ-1+2-Geräte kombinieren beide Schutzfunktionen.

7. Warum ist die Polkonfiguration bei 1500-V-DC-Leistungsschaltern wichtig?

Einige DC-Leistungsschalter benötigen mehrere in Reihe geschaltete Pole, um ihre spezifizierte Spannungsbemessung und Abschaltleistung zu erreichen. Eine falsche Polverschaltung kann die Lichtbogenlöschung und die sichere Fehlerstromunterbrechung beeinträchtigen. Deshalb muss immer der vom Hersteller freigegebene DC-Anschlussplan beachtet werden.

8. Welche Normen gelten für den 1500-V-DC-PV-Schutz?

Zu den wichtigen internationalen Normen gehören:

• IEC 60269-6 für Sicherungseinsätze zum Schutz von Photovoltaikanlagen.

• IEC 61643-31 für Überspannungsschutzgeräte auf der DC-Seite von Photovoltaikanlagen.

• IEC 60947-2 für Leistungsschalter innerhalb ihres Anwendungsbereichs, einschließlich relevanter DC-Anwendungen.

Zusätzliche Anforderungen an die Installation und elektrische Sicherheit hängen vom Projektstandort und den jeweils geltenden nationalen Vorschriften ab.

9. Warum ist die Schutzkoordination in einer Photovoltaikanlage wichtig?

Die Schutzkoordination stellt sicher, dass Sicherungen, SPDs und Leistungsschalter ihre vorgesehenen Funktionen erfüllen, ohne sich gegenseitig zu beeinträchtigen. Eine korrekte Abstimmung hilft, Fehler zu isolieren, empfindliche Geräte zu schützen, unnötige Abschaltungen zu vermeiden und die Zuverlässigkeit der gesamten Anlage zu verbessern.

10. Welche Informationen werden für die Auswahl von 1500-V-DC-Schutzgeräten benötigt?

Zu den wichtigsten Informationen gehören die maximale DC-Spannung, der PV-Stringstrom, der zu erwartende Kurzschlussstrom, die Anzahl paralleler Strings, die Anforderungen an Sicherungen und SPDs, die Spezifikationen der Leistungsschalter, die Umgebungstemperatur, die Installationsanordnung und die erforderlichen Zertifizierungen.