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[Eaton Bussmann Sicherungen Technischer Leitfaden]

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Dimensionierung von Solarsicherungen und DC-Leitungsschutzschaltern: Der umfassende Leitfaden für Photovoltaikanlagen

Einleitung

Die richtige Dimensionierung von Solarsicherungen und Leitungsschutzschaltern ist entscheidend für die Sicherheit, Zuverlässigkeit und langfristige Leistungsfähigkeit einer Photovoltaikanlage (PV-Anlage). Solarmodule erzeugen Gleichstrom (DC). Ohne korrekt ausgewählte Überstromschutzeinrichtungen können elektrische Fehler zu Schäden an Anlagenkomponenten, überhitzten Kabeln oder sogar Bränden führen.

Unabhängig davon, ob es sich um eine private Photovoltaikanlage, eine gewerbliche Solaranlage oder einen großen Solarpark handelt: Die richtige Dimensionierung von Sicherungen und Leitungsschutzschaltern ist ein wesentlicher Bestandteil einer sicheren Elektroinstallation.

Dieser Leitfaden erklärt, wie Solarsicherungen und DC-Leitungsschutzschalter dimensioniert werden, wie sich der Stringstrom berechnen lässt und welche Faktoren bei der Auswahl geeigneter Überstromschutzeinrichtungen berücksichtigt werden müssen.

1. Grundlagen von Solarstrings

Bevor mit der Dimensionierung von Solarsicherungen begonnen wird, sollten die verschiedenen Verschaltungsarten von Solarmodulen verstanden werden.

Ein Solarstring besteht aus mehreren Solarmodulen, die in Reihe geschaltet sind. Mehrere Strings können anschließend parallel miteinander verbunden werden, um den Gesamtstrom zu erhöhen, der einem Wechselrichter oder einem Generatoranschlusskasten zugeführt wird.

Reihenschaltung von Solarmodulen

Bei einer Reihenschaltung gelten folgende Eigenschaften:

• Die Spannungen der einzelnen Solarmodule addieren sich.

• Der Strom bleibt annähernd gleich wie bei einem einzelnen Modul.

• Die Gesamtspannung steigt mit jedem zusätzlich in Reihe geschalteten Modul.

Beispiel:

Werden vier Solarmodule mit einer maximalen Betriebsspannung von jeweils 40 V und einem Betriebsstrom von 10 A in Reihe geschaltet, ergibt sich folgende Gesamtleistung:

• Gesamtspannung: 4 × 40 V = 160 V

• Gesamtstrom: 10 A

Der Solarstring liefert somit ungefähr 160 V bei 10 A.

Parallelschaltung von Solarstrings

Bei einer Parallelschaltung gelten andere elektrische Eigenschaften:

• Die Spannung bleibt annähernd gleich wie bei einem einzelnen String.

• Die Ströme der einzelnen Strings addieren sich.

• Der Gesamtstrom steigt mit der Anzahl der parallel geschalteten Strings.

Beispiel:

Drei identische Solarstrings liefern jeweils 160 V bei 10 A.

Der Gesamtstrom beträgt:

3 × 10 A = 30 A

Die Gesamtleistung wird somit bei ungefähr 160 V und 30 A bereitgestellt.

Diese Unterschiede sind für die Dimensionierung von Solarsicherungen besonders wichtig, da die Anzahl der parallel geschalteten Strings den möglichen Fehlerstrom beeinflusst.

2. Wie wird die richtige Größe einer Solarsicherung berechnet?

Ein wichtiger Schritt bei der Dimensionierung von PV-Sicherungen ist die Berechnung des maximal zu erwartenden Stroms eines Solarstrings.

Eine häufig verwendete Berechnungsmethode für den Überstromschutz von PV-Stromkreisen lautet:

Auslegungsstrom = Kurzschlussstrom (Isc) × 1,25 × 1,25

Daraus ergibt sich der Gesamtfaktor 1,5625, der üblicherweise auf 1,56 gerundet wird.

Formel zur Berechnung der Solarsicherung

Berechnungsstrom = Isc × 1,56

Dabei gilt:

• Isc = Kurzschlussstrom des Solarmoduls.

• Erster Faktor 1,25 = Berücksichtigung zusätzlicher Strombelastungen, beispielsweise durch erhöhte Einstrahlung, sofern dies nach den geltenden Auslegungsregeln erforderlich ist.

• Zweiter Faktor 1,25 = Zusätzlicher Faktor für die Dimensionierung bei Dauerstrombelastung, sofern die anzuwendenden Vorschriften dies verlangen.

Berechnungsbeispiel

Ein Solarmodul besitzt folgende technische Daten:

• Kurzschlussstrom (Isc): 8,73 A

• Berechnungsfaktor: 1,56

Berechnung:

8,73 A × 1,56 = 13,62 A

Der berechnete Mindest-Auslegungsstrom beträgt somit ungefähr 13,62 A.

Als nächstgeeigneter genormter Sicherungsnennstrom könnte beispielsweise eine 15-A-Sicherung infrage kommen.

Dies ist jedoch nur zulässig, wenn die Sicherung auch die maximale Reihensicherungsangabe des Modulherstellers, die zulässige Strombelastbarkeit der Leitungen, die Anlagenparameter und die geltenden elektrotechnischen Vorschriften berücksichtigt.

Wichtig: Der Faktor 1,56 ist eine verbreitete Berechnungsmethode, aber keine universell gültige Vorgabe für jede Photovoltaikanlage. Die endgültige Sicherungsgröße muss anhand der geltenden Normen und technischen Herstellerangaben überprüft werden.

3. Welche Sicherungsgröße benötigt ein Solarstring?

Die richtige Sicherungsgröße eines Solarstrings hängt von verschiedenen Faktoren ab:

1. Kurzschlussstrom (Isc) des Solarmoduls.

2. Anzahl der parallel geschalteten Strings.

3. Maximale Reihensicherungsangabe des Modulherstellers.

4. Strombelastbarkeit der verwendeten Leitungen.

5. Maximale Systemspannung.

6. Anwendbare elektrische Normen und Installationsvorschriften.

Eine String-Sicherung ist insbesondere dann wichtig, wenn mehrere PV-Strings parallel miteinander verbunden werden.

Kommt es in einem String zu einem Kurzschluss oder einem anderen elektrischen Fehler, kann Strom aus den übrigen funktionierenden Strings in den fehlerhaften String zurückfließen.

Dieser Rückstrom kann Solarmodule, Leitungen und weitere Anlagenkomponenten beschädigen.

String-Sicherungen unterbrechen einen unzulässig hohen Fehlerstrom und schützen dadurch die betroffenen Stromkreise.

Wann sind String-Sicherungen erforderlich?

Ein Überstromschutz für einzelne Strings ist grundsätzlich dann erforderlich, wenn der mögliche Rückstrom aus den parallel geschalteten Strings die zulässigen Stromwerte der Module oder die Belastbarkeit des geschützten Stromkreises überschreiten kann.

Bei einer Anlage mit nur einem einzelnen String besteht normalerweise kein entsprechendes Rückstromrisiko durch weitere parallel geschaltete Strings.

Andere Anforderungen an den elektrischen Schutz können jedoch weiterhin bestehen.

Deshalb sollten vor jeder Entscheidung die technischen Unterlagen des Modulherstellers und die geltenden Installationsvorschriften geprüft werden.

4. Dimensionierung von Sicherungen für parallel geschaltete PV-Strings

Bei parallel geschalteten Solarstrings ist besondere Aufmerksamkeit erforderlich, da sich die Ströme der einzelnen Strings addieren.

Betrachten wir beispielsweise einen Generatoranschlusskasten mit vier parallel geschalteten Strings.

Jeder String besitzt folgende Eigenschaften:

• Kurzschlussstrom: 9 A

• Anzahl der parallelen Strings: 4

Der gesamte Kurzschlussstrom beträgt:

9 A × 4 = 36 A

Unter Anwendung des Berechnungsfaktors 1,56 ergibt sich:

36 A × 1,56 = 56,16 A

Der berechnete Auslegungsstrom beträgt somit ungefähr 56,16 A.

Das bedeutet jedoch nicht automatisch, dass eine 60-A-Sicherung die richtige Wahl ist.

Die endgültige Auswahl hängt vom jeweiligen Schutzkonzept, der Strombelastbarkeit der Leitungen, den technischen Eigenschaften der Komponenten und den geltenden Vorschriften ab.

Insbesondere müssen einzelne String-Sicherungen und die Hauptabsicherung am Ausgang des Generatoranschlusskastens getrennt dimensioniert werden, da sie unterschiedliche Schutzaufgaben erfüllen.

5. Wie wird ein DC-Leitungsschutzschalter für Solaranlagen dimensioniert?

DC-Leitungsschutzschalter schützen Gleichstromkreise vor überhöhten Strömen, die durch Überlastungen oder Kurzschlüsse entstehen können.

Die Berechnung kann ähnliche Stromfaktoren wie bei der Sicherungsdimensionierung berücksichtigen. Allerdings müssen bei der Auswahl eines DC-Leitungsschutzschalters weitere technische Anforderungen beachtet werden.

1. Nennstrom

Der Nennstrom des Leitungsschutzschalters muss zum berechneten Auslegungsstrom des Stromkreises passen.

Gleichzeitig darf die zulässige Strombelastbarkeit der angeschlossenen Leitung nicht überschritten werden.

2. DC-Nennspannung

Die zulässige Gleichspannung des Leitungsschutzschalters muss mindestens der maximal möglichen Spannung des geschützten Stromkreises entsprechen.

Dabei muss insbesondere die maximale Leerlaufspannung der PV-Module berücksichtigt werden.

Bei niedrigen Umgebungstemperaturen steigt die Leerlaufspannung von Solarmodulen an. Deshalb muss die maximale Stringspannung unter Berücksichtigung der niedrigsten Auslegungstemperatur berechnet werden.

3. Ausschaltvermögen

Das Ausschaltvermögen eines DC-Leitungsschutzschalters muss ausreichend hoch sein, um den maximal zu erwartenden Kurzschlussstrom am Einbauort sicher zu unterbrechen.

Ein zu geringes Ausschaltvermögen kann zu gefährlichen Lichtbögen und schweren Schäden führen.

4. Polarität und DC-Lichtbogenlöschung

Gleichstrom unterscheidet sich von Wechselstrom dadurch, dass er keinen natürlichen Nulldurchgang besitzt.

Dadurch ist die Unterbrechung eines DC-Fehlerstroms technisch anspruchsvoller und erfordert geeignete Einrichtungen zur Lichtbogenlöschung.

Verwenden Sie deshalb ausschließlich Leitungsschutzschalter, die ausdrücklich für die vorgesehene DC-Anwendung, Spannung, Stromstärke und Schaltung zugelassen sind.

Ein ausschließlich für Wechselstrom ausgelegter Leitungsschutzschalter darf nicht ohne entsprechende DC-Zulassung in einer Photovoltaikanlage eingesetzt werden.

6. Solarsicherung oder DC-Leitungsschutzschalter: Was ist der Unterschied?

Sowohl Solarsicherungen als auch DC-Leitungsschutzschalter dienen dem Schutz vor Überströmen. Ihre Funktionsweise unterscheidet sich jedoch.

Welche Schutzvorrichtung die richtige Wahl ist, hängt von der Anlagenkonfiguration, den technischen Anforderungen, den geltenden Normen und dem Wartungskonzept ab.

In vielen Photovoltaikanlagen werden sowohl Sicherungen als auch Leitungsschutzschalter eingesetzt, um unterschiedliche Stromkreise und Anlagenbereiche zu schützen.

7. Wichtige Kriterien bei der Auswahl von Solarsicherungen

Die richtige Amperezahl ist nur ein Teil der Auswahl einer geeigneten Solarsicherung.

Weitere technische Eigenschaften müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

DC-Spannungsfestigkeit

Die Nennspannung der Sicherung muss mindestens der maximal möglichen Spannung des geschützten PV-Stromkreises entsprechen.

Je nach Anlagenkonzept können Photovoltaikanlagen beispielsweise für folgende Systemspannungen ausgelegt sein:

• 600 V DC

• 1.000 V DC

• 1.500 V DC

Die tatsächliche maximale Stringspannung muss unter Berücksichtigung der Modulanzahl und der Temperaturbedingungen berechnet werden.

Nennstrom

Der Nennstrom der Sicherung muss so gewählt werden, dass die Sicherung im normalen Betrieb nicht unnötig auslöst.

Gleichzeitig muss sie einen ausreichenden Schutz gegen unzulässige Überströme bieten.

Der zulässige Nennstrom darf insbesondere die maximale Reihensicherungsangabe des Modulherstellers nicht überschreiten.

Ausschaltvermögen

Die Sicherung muss in der Lage sein, den möglichen Kurzschlussstrom sicher zu unterbrechen, ohne zu bersten oder andere elektrische Gefahren zu verursachen.

Spezielle PV-Sicherungen

Für Photovoltaikanlagen sollten geeignete PV-Sicherungen verwendet werden, sofern diese nach den geltenden Normen und dem Schutzkonzept erforderlich sind.

Diese Sicherungen müssen für die entsprechenden DC-Spannungen, Stromstärken und Betriebsbedingungen ausgelegt sein.

Umgebungstemperatur

Hohe Umgebungstemperaturen können die elektrische Belastbarkeit und das Betriebsverhalten einer Sicherung beeinflussen.

Bei der Auswahl sollten deshalb folgende Faktoren berücksichtigt werden:

• Umgebungstemperatur am Installationsort.

• Temperatur innerhalb des Sicherungsgehäuses.

• Belüftung und Wärmeabfuhr.

• Einbausituation.

• Herstellerspezifische Temperaturkorrekturfaktoren.

8. Häufige Fehler bei der Dimensionierung von Solarsicherungen und Leitungsschutzschaltern

Eine falsche Dimensionierung kann die Sicherheit und Zuverlässigkeit einer gesamten Photovoltaikanlage beeinträchtigen.

Die folgenden Fehler sollten unbedingt vermieden werden.

Verwendung von AC-Schutzgeräten in DC-Stromkreisen

Wechselstrom und Gleichstrom besitzen unterschiedliche Eigenschaften bei der Stromunterbrechung. Deshalb müssen die verwendeten Schutzgeräte ausdrücklich für die jeweilige DC-Anwendung geeignet sein.

Missachtung der maximalen Reihensicherungsangabe

Der Nennstrom einer Sicherung darf die vom Modulhersteller angegebene maximale Reihensicherungsgröße nicht überschreiten.

Dimensionierung ausschließlich anhand der Modulleistung

Die Wattzahl eines Solarmoduls reicht nicht aus, um die richtige Sicherungsgröße zu bestimmen. Kurzschlussstrom, Spannung, Leitungsquerschnitt und mögliche Fehlerströme müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Unterschätzung des Stroms parallel geschalteter Strings

Mit jeder zusätzlichen Parallelschaltung steigt der Gesamtstrom. Dadurch können höhere Rückströme bei Fehlern entstehen.

Missachtung der Kabelbelastbarkeit

Selbst eine rechnerisch passende Sicherung kann ungeeignet sein, wenn ihr Nennstrom die zulässige Belastbarkeit der verwendeten Leitung überschreitet.

Nichtberücksichtigung der Umgebungstemperatur

Temperatur, Gehäusegestaltung und Installationsbedingungen können die tatsächliche Leistungsfähigkeit der Schutzgeräte beeinflussen.

Verwendung ungeeigneter DC-Leitungsschutzschalter

Nennspannung, Ausschaltvermögen, Polaritätsanforderungen und Eignung für die jeweilige Anwendung müssen vor dem Einbau überprüft werden.

9. Checkliste zur Dimensionierung von Solarsicherungen und DC-Leitungsschutzschaltern

Vor der endgültigen Festlegung des Schutzkonzepts einer Photovoltaikanlage sollten folgende Punkte überprüft werden:

• Kurzschlussstrom (Isc) und Leerlaufspannung (Voc) der Solarmodule ermitteln.

• Anzahl der in Reihe geschalteten Module pro String bestimmen.

• Maximale Stringspannung bei der niedrigsten Auslegungstemperatur berechnen.

• Gesamtstrom der parallel geschalteten Strings ermitteln.

• Geeignete Stromkorrektur- und Sicherheitsfaktoren anwenden.

• Maximale Reihensicherungsangabe des Modulherstellers überprüfen.

• Strombelastbarkeit und Schutzanforderungen der Leitungen kontrollieren.

• Geeignete DC-Sicherungen und Leitungsschutzschalter auswählen.

• Ausreichendes DC-Ausschaltvermögen sicherstellen.

• Geltende elektrotechnische Normen und Installationsvorschriften beachten.

10. Häufig gestellte Fragen zur Dimensionierung von Solarsicherungen und Leitungsschutzschaltern

Frage 1: Welche Sicherungsgröße benötige ich für ein Solarmodul?

Die erforderliche Sicherungsgröße hängt vom Kurzschlussstrom (Isc), den anzuwendenden Stromfaktoren, der Leitungsbelastbarkeit und der maximalen Reihensicherungsangabe des Modulherstellers ab.

Eine häufig verwendete erste Berechnung lautet:

Isc × 1,56

Der endgültige Sicherungsnennstrom muss jedoch mit den geltenden Installationsvorschriften und technischen Herstellerangaben übereinstimmen.

Frage 2: Benötigt jedes Solarmodul eine eigene Sicherung?

Nein. Nicht jede Photovoltaikanlage benötigt eine separate Sicherung für jedes einzelne Solarmodul.

Ob String-Sicherungen erforderlich sind, hängt insbesondere von der Anzahl der parallel geschalteten Strings, dem möglichen Rückstrom, den Modulangaben und den geltenden elektrotechnischen Anforderungen ab.

Frage 3: Kann ein normaler Leitungsschutzschalter für Solarmodule verwendet werden?

Nur wenn der Leitungsschutzschalter ausdrücklich für die entsprechende DC-Anwendung zugelassen ist und die Anforderungen hinsichtlich Spannung, Strom und Ausschaltvermögen erfüllt.

Ein gewöhnlicher AC-Leitungsschutzschalter darf nicht ohne entsprechende DC-Freigabe in einem PV-Gleichstromkreis verwendet werden.

Frage 4: Was ist der Unterschied zwischen einer Solarsicherung und einem Solar-Leitungsschutzschalter?

Eine Solarsicherung unterbricht den Stromkreis durch das Schmelzen eines internen Schmelzleiters und muss anschließend normalerweise ersetzt werden.

Ein DC-Leitungsschutzschalter unterbricht den Stromkreis über einen mechanischen oder elektronischen Auslösemechanismus und kann nach Beseitigung des Fehlers normalerweise zurückgesetzt werden.

Frage 5: Warum ist die richtige Dimensionierung von Solarsicherungen wichtig?

Die korrekte Dimensionierung schützt Solarmodule, elektrische Leitungen und weitere Anlagenkomponenten vor unzulässig hohen Strömen.

Sie hilft außerdem, Überhitzung, Geräteschäden und Brandgefahren zu reduzieren.

Frage 6: Welche Spannungsfestigkeit sollte eine Solarsicherung besitzen?

Die Spannungsfestigkeit der Sicherung muss mindestens der maximal möglichen Gleichspannung des geschützten Stromkreises entsprechen.

Dabei müssen die maximale Anzahl der in Reihe geschalteten Module und die temperaturabhängige Erhöhung der Leerlaufspannung berücksichtigt werden.

Fazit

Die richtige Dimensionierung von Solarsicherungen und DC-Leitungsschutzschaltern ist ein wesentlicher Bestandteil der Planung und Installation einer sicheren und zuverlässigen Photovoltaikanlage.

Eine fachgerechte Auslegung erfordert mehr als die Multiplikation des Kurzschlussstroms eines Solarmoduls mit einem pauschalen Sicherheitsfaktor.

Vielmehr müssen die String-Konfiguration, mögliche Rückströme aus parallel geschalteten Strings, die maximale Systemspannung, die Strombelastbarkeit der Leitungen, das Ausschaltvermögen der Schutzgeräte, die technischen Modulvorgaben und die geltenden elektrotechnischen Normen berücksichtigt werden.

Durch eine systematische Berechnung und die Auswahl geeigneter DC-Schutzgeräte lassen sich die Betriebssicherheit verbessern, Schäden an Anlagenkomponenten reduzieren und die langfristige Zuverlässigkeit einer Photovoltaikanlage unterstützen.

Der wichtigste Grundsatz lautet: Jede Sicherung und jeder Leitungsschutzschalter muss entsprechend den tatsächlichen elektrischen Betriebsbedingungen, den Herstellerangaben und den geltenden elektrotechnischen Vorschriften dimensioniert werden – nicht allein anhand der Nennleistung der Solarmodule.