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[Eaton Bussmann DC Sicherungen]

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Wo werden DC-Sicherungen in Photovoltaikanlagen eingesetzt?

Einleitung

Photovoltaikanlagen erzeugen elektrische Energie in Form von Gleichstrom (DC). Dieser Strom muss sicher geleitet und geschützt werden, bevor er den Wechselrichter erreicht. Eine der wichtigsten Komponenten für diesen Schutz ist die DC-Sicherung.

DC-Sicherungen in Photovoltaikanlagen schützen elektrische Stromkreise, Leitungen und Solarmodule vor Überstrom und bestimmten Fehlerströmen. Dazu gehört insbesondere der Rückstrom, der bei einem Fehler in parallel geschalteten PV-Strings entstehen kann. Durch die Unterbrechung eines unzulässig hohen Stroms tragen DC-Sicherungen dazu bei, Schäden an elektrischen Komponenten, Überhitzung und Brandgefahren zu vermeiden.

Allerdings werden DC-Sicherungen nicht in jeder Photovoltaikanlage an denselben Stellen installiert. Ihre Position hängt von der Systemkonfiguration, der Anzahl parallel geschalteter Strings, den elektrischen Bemessungswerten und den geltenden Installationsvorschriften ab.

Wo werden DC-Sicherungen in Photovoltaikanlagen eingesetzt? In diesem Artikel erfahren Sie mehr über die wichtigsten Einsatzbereiche, ihre Funktionen und die entscheidenden Auswahlkriterien.

1. PV-String-Stromkreise und Generatoranschlusskästen

Eine der häufigsten Anwendungen von DC-Sicherungen in Photovoltaikanlagen ist der Schutz einzelner PV-Strings.

Ein Solarstring besteht aus mehreren Solarmodulen, die in Reihe geschaltet sind. Mehrere dieser Strings können anschließend parallel miteinander verbunden werden, um die Gesamtleistung der Photovoltaikanlage zu erhöhen.

Bei einer Parallelschaltung kann ein Fehler in einem einzelnen String dazu führen, dass Strom aus den übrigen, fehlerfreien Strings in den betroffenen String zurückfließt. Dieser Rückstrom kann die zulässigen Belastungsgrenzen der Solarmodule und elektrischen Leitungen überschreiten.

String-Sicherungen dienen dazu, den betroffenen Stromkreis zu unterbrechen, wenn der Strom einen unzulässigen Wert erreicht.

Wie funktionieren String-Sicherungen?

In einem typischen Generatoranschlusskasten (GAK) wird jeder ankommende PV-String über eine eigene Sicherung und einen passenden Sicherungshalter geführt, bevor er mit der gemeinsamen Sammelschiene verbunden wird.

Betrachten wir beispielsweise eine Photovoltaikanlage mit sechs parallel geschalteten Strings. Wenn in einem dieser Strings ein Fehler auftritt, können die verbleibenden fünf Strings einen Rückstrom in den fehlerhaften Stromkreis einspeisen.

Die dort installierte Sicherung ist dafür ausgelegt, diesen Strom bei Bedarf zu unterbrechen und den betroffenen Stromkreis vom restlichen System zu trennen.

Je nach Systemaufbau und geltenden Installationsanforderungen können String-Sicherungen in einem oder beiden DC-Leitern eingesetzt werden. Sie können auch in andere DC-Schutzgeräte integriert sein.

2. Ausgangsstromkreise von PV-Generatoren und Teilgeneratoren

Ein weiterer wichtiger Einsatzbereich von DC-Sicherungen sind die Ausgangsstromkreise von PV-Generatoren und Teilgeneratoren.

Wenn mehrere PV-Strings zusammengeschaltet werden, steigt der Ausgangsstrom. Der gemeinsame Stromkreis benötigt deshalb einen geeigneten Schutz, der auf die Strombelastbarkeit der Leitungen und die elektrischen Eigenschaften der angeschlossenen Geräte abgestimmt ist.

Bei einigen Anlagen werden größere DC-Sicherungseinsätze am Ausgang des Generatoranschlusskastens oder am Ausgang eines Teilgenerators installiert.

Diese Sicherungen können folgende Aufgaben übernehmen:

• Schutz der abgehenden DC-Leitungen vor unzulässig hohen Strömen.

• Unterstützung bei der Fehlerisolierung einzelner Anlagenbereiche.

• Verringerung des Risikos einer Überhitzung elektrischer Leiter.

• Abstimmung der Schutzmaßnahmen zwischen vor- und nachgeschalteten Komponenten.

• Verbesserung der elektrischen Sicherheit und Zuverlässigkeit der Photovoltaikanlage.

Eine Ausgangssicherung ist jedoch nicht in jedem Generatoranschlusskasten zwingend erforderlich. Ob sie benötigt wird, hängt von den verfügbaren Stromquellen, der Kabelbelastbarkeit, der Systemkonfiguration und den Anforderungen der nachgeschalteten Geräte ab.

3. In der Nähe des DC-Eingangs des Wechselrichters

DC-Sicherungen können ebenfalls in der Nähe des DC-Eingangs eines Solarwechselrichters installiert werden.

Der Wechselrichter wandelt den von den Solarmodulen erzeugten Gleichstrom in Wechselstrom (AC) um. Dieser kann anschließend in einer elektrischen Anlage genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

Bevor der Gleichstrom den Wechselrichter erreicht, kann er durch einen Generatoranschlusskasten und weitere Schutzeinrichtungen geführt werden.

Abhängig von der Anlagenarchitektur kann zwischen dem Generatoranschlusskasten und dem Wechselrichter eine Sicherung oder ein Sicherungslasttrennschalter installiert werden.

Welche Funktion hat eine DC-Sicherung auf der Wechselrichterseite?

Eine DC-Sicherung auf der Wechselrichterseite schützt den entsprechenden eingehenden Gleichstromkreis vor unzulässig hohen Strömen.

Wichtig ist dabei, dass eine solche Sicherung nicht automatisch sämtliche internen Komponenten des Wechselrichters schützt. Der interne Geräteschutz richtet sich nach der Konstruktion und den Herstellervorgaben des jeweiligen Wechselrichters.

Moderne Wechselrichter verfügen teilweise bereits über integrierte String-Sicherungen an ihren DC-Eingängen. Dadurch kann eine zusätzliche externe String-Absicherung je nach Anlagenkonzept entbehrlich sein.

Bei der Planung sollte deshalb immer berücksichtigt werden, welche Schutzfunktionen bereits im Wechselrichter integriert sind.

4. Benötigt jeder PV-String eine eigene DC-Sicherung?

Nein. Nicht jeder PV-String benötigt grundsätzlich eine eigene Sicherung.

Ob ein String gegen Überstrom geschützt werden muss, hängt unter anderem von der Anzahl parallel geschalteter Strings und dem möglichen Rückstrom im Fehlerfall ab.

Beispielsweise:

• Anlagen mit einem String: In der Regel gibt es keine weiteren parallel geschalteten Strings, die Rückstrom in den fehlerhaften String einspeisen können.

• Anlagen mit zwei Strings: Abhängig von den Modulspezifikationen und dem möglichen Rückstrom kann eine zusätzliche String-Absicherung möglicherweise entbehrlich sein.

• Anlagen mit mehreren Strings: Mit zunehmender Anzahl parallel geschalteter Strings steigt das mögliche Rückstromrisiko. Daher werden String-Sicherungen häufiger erforderlich.

Vor der Entscheidung, ob DC-Sicherungen benötigt werden, sollten folgende Faktoren geprüft werden:

1. Maximal möglicher Rückstrom.

2. Maximal zulässiger Serien-Sicherungswert der Solarmodule.

3. Strombelastbarkeit der DC-Leitungen.

4. Anzahl der parallel geschalteten PV-Strings.

5. Technische Vorgaben des Wechselrichters und Generatoranschlusskastens.

6. Geltende elektrische Normen und örtliche Installationsvorschriften.

Eine sorgfältige Bewertung dieser Faktoren hilft dabei, die richtige Schutzlösung für die jeweilige Photovoltaikanlage zu bestimmen.

5. Wie wählt man die richtige DC-Sicherung für eine Photovoltaikanlage aus?

Bei der Auswahl einer geeigneten DC-Sicherung reicht es nicht aus, lediglich die Nennspannung und den Nennstrom der Photovoltaikanlage zu berücksichtigen.

Die Sicherung muss mit den elektrischen Eigenschaften des Systems, den Umgebungsbedingungen und der vorgesehenen Schutzfunktion übereinstimmen.

Die folgenden Kriterien sind besonders wichtig.

5.1 Maximale Systemspannung

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

Photovoltaikanlagen werden mit unterschiedlichen Spannungsklassen betrieben. Häufig kommen beispielsweise 1000-V-DC- und 1500-V-DC-Systeme zum Einsatz.

Bei der Berechnung der maximalen Systemspannung muss die Leerlaufspannung (Voc) der Solarmodule unter Berücksichtigung der zu erwartenden Temperaturbedingungen berücksichtigt werden.

Die Auswahl sollte daher nicht ausschließlich auf der nominalen Betriebsspannung basieren.

5.2 Nennstrom

Der Nennstrom der Sicherung muss entsprechend dem erwarteten Betriebsstrom und den geltenden Anforderungen an den PV-Überstromschutz ausgewählt werden.

Dabei sollten insbesondere folgende Werte berücksichtigt werden:

• Kurzschlussstrom (Isc) der Solarmodule.

• Anzahl der parallel geschalteten Strings.

• Strombelastbarkeit der Leitungen.

• Maximal zulässiger Serien-Sicherungswert des Moduls.

• Vorgaben der einschlägigen Installationsnormen.

Eine falsch dimensionierte Sicherung kann entweder zu unnötigen Auslösungen führen oder den erforderlichen Schutz nicht gewährleisten.

5.3 Ausschaltvermögen

Das Ausschaltvermögen bezeichnet den maximalen Fehlerstrom, den eine Sicherung bei ihrer angegebenen Spannung sicher unterbrechen kann.

Da in Photovoltaikanlagen erhebliche Fehlerströme auftreten können, muss die ausgewählte Sicherung über ein ausreichendes DC-Ausschaltvermögen verfügen.

Ein zu geringes Ausschaltvermögen kann die sichere Unterbrechung eines Fehlerstroms gefährden.

5.4 Betriebstemperatur

Photovoltaikanlagen befinden sich häufig im Außenbereich und sind teilweise hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt.

Die Umgebungstemperatur, die Einbausituation im Gehäuse, die Belüftung und die Wärmeableitung können die Leistungsfähigkeit einer Sicherung beeinflussen.

Diese Faktoren müssen sowohl bei der Auswahl des Sicherungseinsatzes als auch des passenden Sicherungshalters berücksichtigt werden.

5.5 Kompatibilität des Sicherungshalters

Der Sicherungshalter ist genauso wichtig wie der Sicherungseinsatz selbst.

Seine Spannungsfestigkeit, Strombelastbarkeit, Anschlussausführung und thermischen Eigenschaften müssen auf die verwendete Sicherung und die Installationsbedingungen abgestimmt sein.

Ein ungeeigneter Sicherungshalter kann zu erhöhtem Übergangswiderstand, übermäßiger Wärmeentwicklung und einer verminderten Betriebssicherheit führen.

6. Was ist eine gPV-Sicherung und warum wird sie in Photovoltaikanlagen eingesetzt?

Eine gPV-Sicherung ist ein spezieller Ganzbereichs-Sicherungseinsatz, der für den Einsatz in Photovoltaikanlagen entwickelt wurde.

Die Klassifizierung gPV ist in der Norm IEC 60269-6 definiert. Diese Norm behandelt Sicherungseinsätze für Photovoltaiksysteme.

gPV-Sicherungen sind für den Überstromschutz von PV-String- und Generatorstromkreisen innerhalb ihrer festgelegten elektrischen Bemessungswerte ausgelegt.

Im Vergleich zu allgemeinen Sicherungseinsätzen sind PV-Sicherungen speziell auf die Betriebsbedingungen und Schutzanforderungen von Gleichstromkreisen in Photovoltaikanlagen abgestimmt.

Bei der Auswahl einer gPV-Sicherung sollten folgende Eigenschaften überprüft werden:

• DC-Nennspannung.

• Nennstrom.

• DC-Ausschaltvermögen.

• Baugröße und Abmessungen.

• Kompatibilität mit dem Sicherungshalter.

• Übereinstimmung mit den relevanten Normen.

Die Kennzeichnung gPV allein garantiert noch nicht, dass eine Sicherung für jede Photovoltaikanlage geeignet ist. Alle elektrischen Bemessungswerte müssen zur jeweiligen Anwendung passen.

7. Können AC-Sicherungen in DC-Stromkreisen von Photovoltaikanlagen verwendet werden?

Eine AC-Spannungsangabe allein reicht nicht aus, um die Eignung einer Sicherung für eine DC-Anwendung nachzuweisen.

Obwohl AC- und DC-Sicherungen äußerlich ähnlich aussehen können, stellt die Unterbrechung eines Gleichstrom-Fehlerstroms andere technische Anforderungen.

In Wechselstromkreisen durchläuft der Strom bei jeder Periode regelmäßig den Nullpunkt. Dadurch wird das Löschen des Lichtbogens beim Auslösen einer Sicherung erleichtert.

Bei Gleichstrom gibt es keinen vergleichbaren natürlichen Nulldurchgang. Deshalb kann die sichere Unterbrechung eines DC-Fehlerstroms anspruchsvoller sein.

Eine Sicherung für einen Photovoltaikstromkreis muss daher über folgende Eigenschaften verfügen:

• Geeignete DC-Nennspannung.

• Ausreichendes DC-Ausschaltvermögen.

• Passenden Nennstrom.

• Geeignete Anwendungsklassifizierung.

• Kompatibilität mit den Installationsanforderungen.

Die Verwendung einer Sicherung ohne geeignete DC-Bemessung kann die Sicherheit und Zuverlässigkeit der gesamten Photovoltaikanlage beeinträchtigen.

8. Häufige Fehler bei der Installation von DC-Sicherungen in Photovoltaikanlagen

Die richtige Auswahl und Installation von DC-Sicherungen ist entscheidend für einen zuverlässigen Betrieb von Photovoltaikanlagen. Zu den häufigsten Fehlern gehören:

1. Auswahl einer Sicherung ausschließlich anhand des Nennstroms

Neben dem Nennstrom müssen auch die Spannung, das Ausschaltvermögen, die Modulspezifikationen und die Installationsbedingungen berücksichtigt werden.

2. Vernachlässigung des Rückstroms

Wenn der mögliche Rückstrom bei parallel geschalteten Strings nicht korrekt berechnet wird, kann der erforderliche Überstromschutz unzureichend sein.

3. Verwendung einer AC-Sicherung in einer DC-Anwendung

Eine geeignete DC-Nennspannung und ein ausreichendes Ausschaltvermögen sind für die sichere Unterbrechung von Fehlerströmen unverzichtbar.

4. Missachtung der technischen Daten des Sicherungshalters

Ein nicht kompatibler Sicherungshalter kann zu schlechtem elektrischem Kontakt und übermäßiger Wärmeentwicklung führen.

5. Unterschätzung der Betriebstemperatur

Hohe Umgebungstemperaturen und eine unzureichende Belüftung des Gehäuses können die Leistungsfähigkeit der Sicherung beeinträchtigen.

6. Unnötiger Einsatz von Sicherungen

Die Installation zusätzlicher Sicherungen ohne vorherige Bewertung der tatsächlichen Anlagenkonfiguration kann die Komplexität und den Wartungsaufwand erhöhen.

Die Beachtung der Herstellervorgaben und der geltenden elektrischen Normen hilft, diese Fehler zu vermeiden.

Fazit

DC-Sicherungen spielen eine wichtige Rolle beim Schutz von Photovoltaikanlagen vor Überströmen und elektrischen Fehlern. Zu ihren häufigsten Einsatzbereichen gehören PV-String-Stromkreise, Generatoranschlusskästen, Ausgangsstromkreise von PV-Generatoren sowie – abhängig vom Anlagenkonzept – die DC-Eingänge von Wechselrichtern.

Allerdings benötigt nicht jede Photovoltaikanlage an allen diesen Stellen eine zusätzliche Sicherung. Die richtige Schutzkonfiguration hängt von der Anzahl parallel geschalteter Strings, dem möglichen Rückstrom, den Modulspezifikationen, der Kabelbelastbarkeit und der Wechselrichterauslegung ab.

Bei der Auswahl einer geeigneten DC-Sicherung müssen insbesondere die Nennspannung, der Nennstrom, das Ausschaltvermögen, die Betriebstemperatur und die Kompatibilität des Sicherungshalters berücksichtigt werden.

Durch eine fachgerechte Auswahl und Installation von DC-Sicherungen lässt sich die elektrische Sicherheit verbessern, wertvolle Anlagenkomponenten schützen und ein zuverlässiger Langzeitbetrieb der Photovoltaikanlage unterstützen.

Häufig gestellte Fragen (FAQs)

1. Wo werden DC-Sicherungen in Photovoltaikanlagen installiert?

DC-Sicherungen werden häufig in PV-String-Stromkreisen, Generatoranschlusskästen und Ausgangsstromkreisen von PV-Generatoren installiert. Abhängig vom Anlagenkonzept können sie auch in der Nähe des DC-Eingangs des Wechselrichters eingesetzt werden.

2. Welche Hauptfunktion hat eine DC-Sicherung in einer Solaranlage?

Die Hauptaufgabe einer DC-Sicherung besteht darin, unzulässig hohe Ströme infolge elektrischer Fehler zu unterbrechen. Dadurch schützt sie Solarmodule, DC-Leitungen und angeschlossene elektrische Komponenten vor möglichen Schäden.

3. Benötigt jedes Solarmodul eine eigene DC-Sicherung?

Nein. Eine individuelle Sicherung für jedes Solarmodul ist nicht grundsätzlich erforderlich. Ob eine String-Absicherung notwendig ist, hängt von der Anzahl parallel geschalteter Strings, dem möglichen Rückstrom, den Modulspezifikationen und den geltenden Installationsvorschriften ab.

4. Was ist eine Sicherung im PV-Generatoranschlusskasten?

Eine Sicherung im Generatoranschlusskasten ist eine Schutzeinrichtung, die im ankommenden PV-String-Stromkreis oder – sofern erforderlich – am gemeinsamen Ausgang installiert wird. Sie hilft dabei, fehlerhafte Stromkreise zu isolieren und angeschlossene Leitungen zu schützen.

5. Was bedeutet die Kennzeichnung gPV bei einer Solarsicherung?

Die Kennzeichnung gPV bezeichnet einen Ganzbereichs-Sicherungseinsatz für Photovoltaikanwendungen gemäß IEC 60269-6. Er wird zum Schutz von PV-Strings und PV-Generatoren innerhalb der angegebenen Spannungs-, Strom- und Ausschaltvermögenswerte eingesetzt.

6. Welche Nennspannung sollte eine DC-Sicherung für Photovoltaikanlagen haben?

Die DC-Nennspannung der Sicherung muss mindestens der maximal möglichen Systemspannung entsprechen. Häufige Spannungsklassen von Photovoltaikanlagen sind 1000 V DC und 1500 V DC.

7. Kann eine normale DC-Sicherung in einer Photovoltaikanlage verwendet werden?

Nicht unbedingt. Die Sicherung muss über eine geeignete Spannungs- und Strombemessung sowie ein ausreichendes Ausschaltvermögen verfügen. Für den Schutz von PV-String- und Generatorstromkreisen werden üblicherweise speziell dafür ausgelegte PV-Sicherungen ausgewählt.

8. Warum ist das Ausschaltvermögen bei DC-Sicherungen für Photovoltaikanlagen wichtig?

Das Ausschaltvermögen gibt an, welchen maximalen Fehlerstrom eine Sicherung bei ihrer festgelegten Spannung sicher unterbrechen kann. Ein unzureichendes Ausschaltvermögen kann die sichere Abschaltung eines DC-Fehlerstroms gefährden.