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[Eaton Bussmann PV Sicherungen]

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3 Szenarien, in denen Solarsicherungen unverzichtbar sind: Zuverlässiger Schutz für Photovoltaikanlagen

Einleitung

Photovoltaikanlagen gewinnen weltweit zunehmend an Bedeutung. Sowohl private Haushalte als auch Gewerbebetriebe und große Solarparks setzen auf Solarenergie, um Strom nachhaltig und wirtschaftlich zu erzeugen. Mit der zunehmenden Größe und Komplexität dieser Anlagen steigt jedoch auch die Bedeutung eines zuverlässigen elektrischen Schutzkonzepts. Ein wesentliches Element dabei sind Solarsicherungen für Photovoltaikanlagen.

Obwohl Solarmodule für einen langfristigen Betrieb unter unterschiedlichen Umweltbedingungen entwickelt werden, sind PV-Anlagen nicht vollständig vor elektrischen Fehlern geschützt. Kurzschlüsse, Rückströme, Isolationsfehler und defekte Komponenten können zu gefährlichen Überströmen führen. Ohne geeignete Schutzmaßnahmen drohen Schäden an Solarmodulen, Leitungen und Wechselrichtern. Im schlimmsten Fall können Überhitzung und Lichtbögen sogar Brände verursachen.

Dabei unterscheiden sich Photovoltaikanlagen in einem wichtigen Punkt von herkömmlichen Wechselstromanlagen: Sie arbeiten auf der Gleichstromseite mit DC-Spannung. Gleichstromlichtbögen sind besonders anspruchsvoll zu beherrschen, da der Strom keinen natürlichen Nulldurchgang wie bei Wechselstrom besitzt.

Deshalb ist die Auswahl geeigneter DC-Sicherungen entscheidend für die elektrische Sicherheit und Zuverlässigkeit einer Solaranlage.

Doch in welchen Bereichen einer Photovoltaikanlage werden Solarsicherungen tatsächlich benötigt?

Es gibt drei besonders wichtige Einsatzbereiche: PV-Stringkreise, Generatoranschlusskästen und die DC-Eingänge von Wechselrichtern. Im Folgenden erfahren Sie, warum dort ein geeigneter Sicherungsschutz erforderlich sein kann und worauf es bei der Auswahl ankommt.

1. PV-String-Schutz: Rückströme und Schäden an Solarmodulen verhindern

Was ist ein PV-String?

Ein PV-String besteht aus mehreren Solarmodulen, die in Reihe miteinander verbunden sind. Durch diese Verschaltung wird die Gesamtspannung erhöht.

Bei größeren Photovoltaikanlagen werden mehrere Strings parallel geschaltet, um die verfügbare Stromleistung zu erhöhen. Diese Konfiguration ermöglicht eine effiziente Energieerzeugung, bringt jedoch auch bestimmte elektrische Risiken mit sich.

Wenn beispielsweise in einem String ein Kurzschluss oder ein anderer elektrischer Fehler auftritt, können die übrigen parallel geschalteten Strings Strom in den fehlerhaften Stromkreis zurückspeisen.

Dieser sogenannte Rückstrom kann den zulässigen Rückstromwert eines Solarmoduls überschreiten. Mögliche Folgen sind überhitzte Anschlussdosen, beschädigte Steckverbindungen, defekte Leitungen und im schlimmsten Fall Brände.

Warum ist eine PV-String-Sicherung notwendig?

String-Sicherungen dienen dazu, übermäßige Rückströme zu unterbrechen und fehlerhafte Strings vom restlichen PV-System zu trennen.

Zu ihren wichtigsten Aufgaben gehören:

• Schutz der Solarmodule: Sie begrenzen gefährliche Rückströme und helfen, Schäden an Modulen und Anschlusskomponenten zu verhindern.

• Reduzierung der Brandgefahr: Durch die Unterbrechung eines fehlerhaften Stromkreises wird das Risiko einer Überhitzung verringert.

• Schutz der DC-Verkabelung: Geeignete Sicherungen schützen Leitungen und elektrische Verbindungen vor unzulässigen Strombelastungen.

• Erhöhung der Anlagenverfügbarkeit: Ein fehlerhafter String kann isoliert werden, während andere Anlagenteile unter geeigneten Bedingungen weiterarbeiten.

Wo werden PV-String-Sicherungen installiert?

PV-String-Sicherungen befinden sich üblicherweise im Generatoranschlusskasten (GAK). Dort wird jeder entsprechend schutzbedürftige String-Eingang mit einer eigenen Sicherung ausgestattet.

Bei kleineren oder eigenständigen Photovoltaikanlagen können auch geeignete Inline-Sicherungslösungen eingesetzt werden.

Worauf kommt es bei der Auswahl einer String-Sicherung an?

Bei der Auswahl einer geeigneten PV-String-Sicherung müssen mehrere elektrische Parameter berücksichtigt werden.

1. Bemessungsspannung

Die Bemessungsspannung der Sicherung muss mindestens der maximal möglichen DC-Systemspannung entsprechen.

Gängige Photovoltaikanlagen arbeiten beispielsweise mit 1.000 V DC oder 1.500 V DC. Bei neueren Anlagenkonzepten können auch höhere Spannungen zum Einsatz kommen.

2. Bemessungsstrom

Der Bemessungsstrom muss so gewählt werden, dass die Sicherung den normalen Betriebsstrom zuverlässig führt und gleichzeitig einen ausreichenden Schutz bei Fehlerströmen gewährleistet.

Dabei sind die technischen Daten der Solarmodule, die maximale Strombelastbarkeit der Leitungen sowie Temperatur- und Umgebungsbedingungen zu berücksichtigen.

3. Sicherungsgröße

Zu den verbreiteten zylindrischen Baugrößen für Photovoltaik-Sicherungen gehören:

• 10 × 38 mm

• 14 × 51 mm

• 22 × 58 mm

Die passende Baugröße richtet sich nach dem benötigten Strombereich und der jeweiligen Einbausituation.

4. Ausschaltvermögen

Das DC-Ausschaltvermögen muss ausreichend hoch sein, um den am Einbauort möglichen Kurzschlussstrom sicher zu unterbrechen.

5. Normenkonformität

Für Photovoltaikanwendungen sind gPV-Sicherungen nach IEC 60269-6 vorgesehen. Diese Sicherungsklasse wurde speziell für den Einsatz in PV-Systemen entwickelt.

Die richtige Auswahl einer String-Sicherung trägt wesentlich dazu bei, Solarmodule und die dazugehörige DC-Verkabelung zu schützen.

2. Schutz im Generatoranschlusskasten: Die zusammengeführten DC-Stromkreise absichern

Was ist ein Generatoranschlusskasten?

Ein Generatoranschlusskasten, häufig auch als GAK oder PV-Combiner-Box bezeichnet, verbindet die Ausgänge mehrerer PV-Strings miteinander.

Anstatt jeden einzelnen String separat zum Wechselrichter zu führen, werden die Stromkreise im Generatoranschlusskasten zusammengeführt. Anschließend wird der gebündelte Gleichstrom über eine gemeinsame DC-Leitung zum Wechselrichter transportiert.

Diese Bauweise vereinfacht die Verkabelung und ermöglicht eine übersichtliche Integration verschiedener Schutzkomponenten.

Allerdings steigt durch die Parallelschaltung mehrerer Strings auch der Gesamtstrom im gemeinsamen Ausgangsstromkreis.

Warum benötigt ein Generatoranschlusskasten einen Sicherungsschutz?

Jeder schutzbedürftige String-Eingang kann mit einer eigenen String-Sicherung ausgestattet werden. Diese schützt den jeweiligen Zweig vor unzulässigen Rückströmen.

Darüber hinaus muss auch der gemeinsame Ausgangsstromkreis betrachtet werden.

Kommt es beispielsweise zu einem Kurzschluss in der DC-Leitung zwischen Generatoranschlusskasten und Wechselrichter, können mehrere parallel geschaltete Strings zum Fehlerstrom beitragen.

Dadurch können die gemeinsame DC-Leitung und nachgeschaltete Komponenten erheblich belastet werden.

Eine geeignete Hauptsicherung oder eine entsprechend ausgelegte andere Überstromschutzeinrichtung kann dazu beitragen, den Fehlerstrom sicher zu unterbrechen.

Wo wird die Hauptsicherung im Generatoranschlusskasten installiert?

Die Hauptsicherung befindet sich üblicherweise am DC-Ausgang des Generatoranschlusskastens, bevor die gemeinsame Leitung zum Wechselrichter geführt wird.

Bei großen Photovoltaikanlagen können mehrere Generatoranschlusskästen in einer weiteren Sammelstufe zusammengeführt werden. Auch auf dieser Ebene kann zusätzlicher Schutz erforderlich sein.

Ob eine separate Ausgangssicherung notwendig ist, hängt unter anderem von der Anlagenarchitektur, den möglichen Fehlerstromquellen, der Leitungsdimensionierung und den geltenden Vorschriften ab.

Wichtige Auswahlkriterien für GAK-Hauptsicherungen

Bei der Auswahl einer geeigneten Hauptsicherung sollten folgende Faktoren berücksichtigt werden:

1. Systemspannung

Die Bemessungsspannung der Sicherung muss zur maximalen DC-Spannung der Photovoltaikanlage passen.

2. Gesamtstrom

Der Bemessungsstrom wird anhand des maximal zu erwartenden Stroms des gemeinsamen Stromkreises bestimmt. Dabei müssen die geltenden Normen und Vorschriften sowie die Belastbarkeit der Leitungen und Sammelschienen berücksichtigt werden.

3. Sicherungstyp und Baugröße

Für höhere Strombereiche werden häufig NH-Sicherungseinsätze mit Messerkontakten verwendet. Die Auswahl der passenden Baugröße richtet sich nach dem erforderlichen Strombereich und der Konstruktion des Generatoranschlusskastens.

4. Montageart

Der Sicherungseinsatz und der zugehörige Sicherungshalter müssen zur jeweiligen Einbausituation passen. Gängige Lösungen sind Schraubmontagen und Sammelschienenmontagen.

5. Fernüberwachung und Fehleranzeige

Einige Sicherungshalter verfügen über einen integrierten Kennmelder oder einen Meldekontakt. Damit kann ein Sicherungsausfall an ein übergeordnetes Überwachungssystem gemeldet werden.

Gerade bei großen Solarparks ist diese Funktion hilfreich, da Fehler schneller erkannt und Wartungsarbeiten gezielter geplant werden können.

Praxisbeispiel: Dimensionierung einer GAK-Hauptsicherung

Angenommen, ein Generatoranschlusskasten verfügt über sechs parallel geschaltete Strings. Jeder String hat einen maximalen Betriebsstrom von 15 A.

Der Gesamtstrom beträgt:

6 × 15 A = 90 A

Wird im Rahmen der konkreten Auslegung ein Stromfaktor von 125 % angesetzt, ergibt sich:

90 A × 1,25 = 112,5 A

Anschließend wird ein geeigneter genormter Sicherungsbemessungsstrom ausgewählt.

Eine 125-A-Sicherung könnte beispielsweise infrage kommen, sofern alle weiteren Anforderungen hinsichtlich Leitungsbelastbarkeit, Sammelschienen, Kurzschlussstrom und Schutzkoordination erfüllt sind.

Dieses Beispiel zeigt, warum eine sorgfältige Stromberechnung bei der Auslegung des Sicherungsschutzes im Generatoranschlusskasten unverzichtbar ist.

3. DC-Eingangsschutz des Wechselrichters: Eine wichtige Schutzmaßnahme für zentrale Anlagenkomponenten

Welche Funktion hat der Wechselrichter?

Der Wechselrichter ist eine der wichtigsten und häufig auch eine der kostenintensivsten Komponenten einer Photovoltaikanlage.

Seine Hauptaufgabe besteht darin, den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Dieser kann anschließend im Gebäude genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

Da der Wechselrichter direkt mit dem PV-Generator verbunden ist, ist sein DC-Eingang den elektrischen Eigenschaften der Solaranlage und möglichen Fehlerströmen ausgesetzt.

Ein interner Defekt, beispielsweise ein Fehler an Leistungshalbleitern oder Kondensatoren, kann zu einem abnormalen Stromfluss führen.

Ohne ein geeignetes Schutzkonzept können dadurch teure Schäden an der Wechselrichtertechnik entstehen.

Warum ist eine DC-Eingangssicherung erforderlich?

DC-Sicherungen am Wechselrichtereingang können eine zusätzliche Schutzebene innerhalb des Photovoltaiksystems bilden.

Ihre wichtigsten Funktionen sind:

• Schutz der elektrischen Komponenten: Sie können dazu beitragen, Schäden durch unzulässige Fehlerströme zu begrenzen.

• Reduzierung von Ausfallrisiken: Ein geeigneter Überstromschutz kann verhindern, dass sich bestimmte elektrische Fehler weiter auswirken.

• Erhöhung der Betriebssicherheit: Geeignete DC-Schutzkomponenten tragen zur sicheren Betriebsführung der Anlage bei.

• Koordination des Schutzkonzepts: Die Sicherung muss mit den vorgeschalteten Schutzgeräten und der internen Schutztechnik des Wechselrichters abgestimmt sein.

Wichtig ist dabei: Eine externe DC-Sicherung schützt nicht automatisch sämtliche internen Wechselrichterkomponenten. Die interne Schutzfunktion richtet sich nach der Konstruktion des Geräts und den Vorgaben des Herstellers.

Wo werden DC-Eingangssicherungen installiert?

DC-Eingangssicherungen können in speziellen Sicherungshaltern oder Sicherungs-Lasttrennschaltern in der Nähe der DC-Anschlussklemmen des Wechselrichters installiert werden.

Bei manchen Wechselrichtern sind entsprechende Sicherungselemente bereits im Gerätegehäuse integriert.

Ob zusätzliche externe Sicherungen erforderlich sind, hängt von der Wechselrichterarchitektur, der Anlagenkonfiguration und den geltenden Installationsvorschriften ab.

Worauf kommt es bei der Auswahl einer Wechselrichter-DC-Sicherung an?

1. Maximale DC-Spannung

Die Bemessungsspannung der Sicherung muss mindestens der maximal möglichen DC-Spannung des angeschlossenen PV-Generators entsprechen.

2. Eingangsstrom

Der Bemessungsstrom muss auf Grundlage des maximal zu erwartenden Eingangsstroms bestimmt werden. Dabei sind alle angeschlossenen Strings beziehungsweise Generatoranschlusskästen zu berücksichtigen.

3. Auslösecharakteristik

Die Zeit-Strom-Kennlinie der Sicherung muss zu den elektrischen Anforderungen des Wechselrichters passen.

Bei bestimmten Anwendungen können besonders schnelle Sicherungen erforderlich sein, um empfindliche Leistungshalbleiter angemessen zu schützen. Die konkrete Auswahl muss mit den technischen Vorgaben des Wechselrichterherstellers übereinstimmen.

4. Schutzkoordination

Die Wechselrichter-Eingangssicherung muss mit den vorgeschalteten Schutzgeräten koordiniert werden.

Ziel ist es, einen Fehler möglichst selektiv abzuschalten, damit nicht unnötig große Teile der Photovoltaikanlage außer Betrieb genommen werden.

5. Einbaubedingungen und Temperatur

Auch die Umgebungstemperatur, die Einbausituation, die Leitungsdimensionierung und die Belastbarkeit des Sicherungshalters beeinflussen die Auswahl.

Eine korrekt dimensionierte DC-Sicherung kann dazu beitragen, die angeschlossene Wechselrichtertechnik zu schützen und die langfristige Betriebssicherheit zu verbessern.

Vergleich der drei wichtigsten Einsatzbereiche von Solarsicherungen

Obwohl alle drei Anwendungen dem Überstromschutz dienen, unterscheiden sie sich hinsichtlich ihrer Einbauposition und Schutzfunktion.

Für alle drei Einsatzbereiche gelten grundlegende Anforderungen:

• Geeignete DC-Bemessungsspannung: Die Sicherung muss für die maximale Systemspannung ausgelegt sein.

• Photovoltaik-Eignung: Es sollten geeignete PV-Sicherungen verwendet werden. Eine herkömmliche AC-Sicherung ist nicht automatisch für DC-Anwendungen geeignet.

• Ausreichendes Ausschaltvermögen: Die Sicherung muss den möglichen Kurzschlussstrom sicher unterbrechen können.

• Normenkonformität: gPV-Sicherungen nach IEC 60269-6 sind eine wichtige Grundlage für den Schutz von Photovoltaikanlagen.

• Schutzkoordination: Alle Schutzgeräte müssen so aufeinander abgestimmt sein, dass Fehler möglichst gezielt abgeschaltet werden.

5 wichtige Kriterien bei der Auswahl von Solarsicherungen

Die Auswahl einer geeigneten Photovoltaik-Sicherung sollte niemals ausschließlich anhand des aufgedruckten Stromwertes erfolgen.

Für einen zuverlässigen Überstromschutz müssen verschiedene elektrische und mechanische Eigenschaften berücksichtigt werden.

1. Maximale DC-Systemspannung

Die maximale Systemspannung bestimmt die erforderliche Bemessungsspannung der Sicherung.

Viele Photovoltaikanlagen arbeiten mit 1.000 V DC oder 1.500 V DC. Bei modernen Anlagenkonzepten können auch höhere Spannungsbereiche relevant sein.

Bei der Auswahl müssen insbesondere die maximale Leerlaufspannung des PV-Generators und die Temperaturbedingungen am Installationsort berücksichtigt werden.

2. Bemessungsstrom und Temperaturkorrektur

Die Sicherung muss den normalen Betriebsstrom dauerhaft führen können, ohne unnötig auszulösen. Gleichzeitig muss sie bei entsprechenden Fehlerströmen zuverlässig abschalten.

Die tatsächliche Belastbarkeit kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden:

• Umgebungstemperatur

• Temperatur im Schaltschrank oder Gehäuse

• Einbauposition und Belüftung

• Dauerbelastung

• Eigenschaften des Sicherungshalters

Deshalb sollten bei der Dimensionierung geeignete Temperaturkorrektur- und Derating-Faktoren berücksichtigt werden.

3. DC-Ausschaltvermögen

Das Ausschalten von Gleichstrom stellt besondere Anforderungen an eine Sicherung.

Anders als bei Wechselstrom gibt es keinen natürlichen Nulldurchgang, der die Lichtbogenlöschung unterstützt.

Daher muss eine Photovoltaik-Sicherung über ein ausreichend hohes DC-Ausschaltvermögen verfügen, um den am Installationsort möglichen Fehlerstrom bei der vorgesehenen Spannung sicher zu unterbrechen.

4. Auslösecharakteristik

Die verschiedenen Bereiche einer Photovoltaikanlage stellen unterschiedliche Anforderungen an den Überstromschutz.

Die Zeit-Strom-Kennlinie einer Sicherung muss so gewählt werden, dass normale Betriebsbedingungen nicht zu unnötigen Abschaltungen führen und relevante Fehlerströme innerhalb der erforderlichen Zeit unterbrochen werden.

Eine geeignete Schutzkoordination hilft außerdem, unnötige Anlagenstillstände zu vermeiden.

5. Einhaltung relevanter Photovoltaik-Normen

Photovoltaik-Sicherungen sollten speziell für den Einsatz in PV-Anlagen entwickelt und entsprechend geprüft sein.

Die gPV-Sicherungsklasse nach IEC 60269-6 ist eine wichtige Normengrundlage für den Überstromschutz in Photovoltaikanlagen.

Darüber hinaus müssen die jeweils geltenden nationalen Installationsvorschriften sowie die technischen Anforderungen der angeschlossenen Geräte berücksichtigt werden.

Fazit: Der richtige Sicherungsschutz ist entscheidend für die Sicherheit von Photovoltaikanlagen

Solarsicherungen sind ein wesentlicher Bestandteil eines zuverlässigen elektrischen Schutzkonzepts für Photovoltaikanlagen.

Drei Einsatzbereiche verdienen dabei besondere Aufmerksamkeit: die PV-Stringkreise, die Generatoranschlusskästen und die DC-Eingänge der Wechselrichter.

Auf String-Ebene schützen geeignete Sicherungen vor gefährlichen Rückströmen, die Solarmodule und Leitungen beschädigen können. Im Generatoranschlusskasten dient der Schutz des gemeinsamen DC-Stromkreises dazu, übermäßige Fehlerströme zu begrenzen. Am Wechselrichtereingang können DC-Sicherungen eine zusätzliche Schutzebene für den angeschlossenen Stromkreis bilden.

Allerdings reicht es nicht aus, einfach irgendeine Sicherung einzubauen. Entscheidend sind die richtige Bemessungsspannung, der passende Bemessungsstrom, ein ausreichendes Ausschaltvermögen und eine sorgfältige Schutzkoordination.

Wer diese drei wichtigen Einsatzbereiche versteht und die geltenden technischen Anforderungen berücksichtigt, kann die elektrische Sicherheit einer Photovoltaikanlage verbessern, wertvolle Komponenten schützen und langfristig einen zuverlässigen Anlagenbetrieb unterstützen.

Effektiver Sicherungsschutz ist somit nicht nur eine technische Anforderung, sondern eine wichtige Investition in die Sicherheit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer jeder Photovoltaikanlage.