Wie sichert man eine Solar-PV-Anlage richtig ab? – Ein umfassender Leitfaden

Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) sind eine wichtige Technologie zur Erzeugung sauberer und erneuerbarer Energie. Damit sie sicher, zuverlässig und effizient arbeiten können, benötigen sie jedoch einen geeigneten elektrischen Schutz. Eine der wichtigsten Schutzkomponenten einer Solaranlage ist die Sicherung.

Die richtige Auswahl und Installation von Photovoltaik-Sicherungen schützt Solarmodule, elektrische Leitungen, Wechselrichter und weitere Anlagenkomponenten vor Überströmen, Kurzschlüssen und möglichen Brandschäden.

Doch wie sichert man eine Solar-PV-Anlage richtig ab? Welche Sicherungsgröße ist erforderlich? Wo müssen PV-Sicherungen installiert werden und worauf sollte bei der Auswahl geachtet werden?

Dieser Leitfaden erklärt die wichtigsten Grundlagen der PV-Sicherung, zeigt, wie sich die richtige Sicherungsgröße bestimmen lässt, und gibt praktische Hinweise zur Installation und Wartung.

Was ist eine Photovoltaik-Sicherung?

Eine Photovoltaik-Sicherung ist eine elektrische Schutzeinrichtung, die speziell für den Einsatz in Solarstromanlagen entwickelt wurde. Ihre Hauptaufgabe besteht darin, den Stromkreis bei einem unzulässig hohen Stromfluss zu unterbrechen und dadurch Schäden an elektrischen Komponenten zu verhindern.

Im Gegensatz zu vielen herkömmlichen Elektroinstallationen arbeiten Photovoltaikanlagen auf der Gleichstromseite (DC). Gleichstrom stellt besondere Anforderungen an elektrische Schutzeinrichtungen, da kein natürlicher Nulldurchgang des Stroms vorhanden ist, der einen Lichtbogen zuverlässig löschen könnte.

Deshalb müssen in PV-Anlagen geeignete DC-Sicherungen eingesetzt werden, die für die jeweiligen Spannungs- und Stromverhältnisse ausgelegt sind.

Eine häufig verwendete Sicherungsart ist die sogenannte gPV-Sicherung. Diese wurde speziell für den Schutz von Photovoltaik-Strings und PV-Generatoren entwickelt.

PV-Sicherungen kommen unter anderem in folgenden Bereichen zum Einsatz:

• Solar-Stringleitungen

• PV-Generatoranschlusskästen

• DC-Sammelboxen (Combiner-Boxen)

• Gleichstromverteilungen

• Batteriespeichersystemen, sofern geeignete Batteriesicherungen vorgesehen sind

Warum ist die richtige Absicherung einer PV-Anlage so wichtig?

Eine fachgerechte Absicherung ist entscheidend für die Sicherheit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer einer Photovoltaikanlage.

1. Schutz vor Überströmen

Überströme können durch Kurzschlüsse, beschädigte Kabel, fehlerhafte Anschlüsse oder andere elektrische Störungen entstehen.

Eine korrekt dimensionierte PV-Sicherung unterbricht den Stromkreis, sobald der Strom einen bestimmten Grenzwert überschreitet. Dadurch werden Leitungen und angeschlossene Komponenten vor thermischer Überlastung geschützt.

2. Verringerung der Brandgefahr

Ein dauerhaft zu hoher Stromfluss kann elektrische Leitungen, Steckverbindungen und andere Komponenten stark erhitzen.

Dadurch können Kabelisolierungen beschädigt werden. Im schlimmsten Fall entstehen Lichtbögen oder Brände.

Die richtige Auswahl und Installation von DC-Sicherungen trägt dazu bei, solche Risiken zu reduzieren.

3. Schutz der Solarmodule

Werden mehrere PV-Strings parallel geschaltet, können bei einem Fehler in einem String Rückströme aus den übrigen Strings in den fehlerhaften Stromkreis fließen.

Diese Rückströme können Solarmodule beschädigen oder zu gefährlichen Erwärmungen führen.

Geeignete String-Sicherungen begrenzen solche Fehlerströme und schützen die betroffenen Komponenten.

4. Erhöhung der Anlagenzuverlässigkeit

Eine geeignete Absicherung ermöglicht es, fehlerhafte Stromkreise gezielt zu schützen und Störungen leichter einzugrenzen.

Dadurch können Wartungsarbeiten vereinfacht und größere Schäden an der gesamten Photovoltaikanlage vermieden werden.

Wie sichert man eine Solar-PV-Anlage richtig ab?

Die fachgerechte Absicherung einer Photovoltaikanlage umfasst mehrere Schritte. Von der Berechnung des Sicherungsnennstroms bis zur abschließenden Prüfung müssen alle Komponenten aufeinander abgestimmt sein.

Schritt 1: Die richtige Sicherungsgröße bestimmen

Die Auswahl der passenden Sicherungsgröße gehört zu den wichtigsten Aufgaben bei der Planung einer PV-Anlage.

Der Nennstrom der Sicherung muss so gewählt werden, dass sie den normalen Betriebsstrom zuverlässig führen kann und gleichzeitig einen ausreichenden Schutz bei Fehlerströmen bietet.

Für die Berechnung werden insbesondere folgende Angaben aus dem Datenblatt der Solarmodule benötigt:

• Kurzschlussstrom (Isc)

• Leerlaufspannung (Voc)

• Maximal zulässiger Serien-Sicherungsnennstrom

• Maximale Systemspannung

Der Kurzschlussstrom ist eine wichtige Grundlage für die Dimensionierung der String-Sicherung.

Eine häufig verwendete Berechnungsmethode nach dem amerikanischen NEC-Regelwerk lautet:

Sicherungsnennstrom = Kurzschlussstrom (Isc) × 1,56

Beispiel:

Ein Solarmodul besitzt einen Kurzschlussstrom von 11 A.

Berechnung:

11 A × 1,56 = 17,16 A

In diesem Beispiel könnte eine geeignete Standard-Sicherung mit 20 A infrage kommen, sofern alle weiteren Anforderungen erfüllt sind.

Dabei müssen insbesondere folgende Punkte berücksichtigt werden:

• Der Sicherungsnennstrom darf den maximal zulässigen Serien-Sicherungsnennstrom des Solarmoduls nicht überschreiten.

• Die Strombelastbarkeit der verwendeten Kabel muss ausreichend sein.

• Umgebungstemperatur und Temperaturkorrekturfaktoren müssen berücksichtigt werden.

• Die Anforderungen der geltenden Normen und Vorschriften müssen eingehalten werden.

Wichtiger Hinweis: Der Faktor 1,56 ist eine Berechnungsmethode aus dem NEC-Regelwerk und nicht pauschal auf jede europäische PV-Anlage übertragbar. Für Anlagen in Deutschland sind die jeweils geltenden europäischen und nationalen Normen sowie die konkreten Projektbedingungen maßgeblich.

Schritt 2: Den richtigen Sicherungstyp auswählen

Nicht jede elektrische Sicherung ist für eine Photovoltaikanlage geeignet.

Auf der DC-Seite einer PV-Anlage müssen Sicherungen verwendet werden, die ausdrücklich für Gleichstromanwendungen und die entsprechenden Spannungsverhältnisse ausgelegt sind.

Besonders verbreitet sind gPV-Sicherungen. Sie wurden speziell für den Schutz von Photovoltaiksystemen entwickelt.

Bei der Auswahl sollten folgende Eigenschaften geprüft werden:

DC-Spannungsfestigkeit

Die Bemessungsspannung der Sicherung muss mindestens der maximal möglichen Gleichspannung des PV-Systems entsprechen.

Bei der Berechnung ist insbesondere die Leerlaufspannung der in Reihe geschalteten Solarmodule zu berücksichtigen.

Da die Leerlaufspannung bei niedrigen Temperaturen ansteigt, muss die maximale Systemspannung unter den zu erwartenden kältesten Betriebsbedingungen ermittelt werden.

Nennstrom

Der Nennstrom muss zum Betriebsstrom des PV-Strings, zur maximal zulässigen Modulabsicherung und zur Strombelastbarkeit der Leitungen passen.

Ausschaltvermögen

Das Ausschaltvermögen beschreibt, welchen Fehlerstrom eine Sicherung unter den festgelegten Bedingungen sicher unterbrechen kann.

Es muss ausreichend hoch sein, um den maximal zu erwartenden Kurzschlussstrom zuverlässig abzuschalten.

Photovoltaik-Eignung

Für PV-Anwendungen sollten geeignete gPV-Sicherungen verwendet werden, die den Anforderungen der Norm IEC 60269-6 entsprechen.

Schritt 3: Die richtigen Installationsorte festlegen

Die Position der Sicherungen ist entscheidend für die Schutzwirkung einer Photovoltaikanlage.

Je nach Anlagenkonfiguration werden PV-Sicherungen an verschiedenen Stellen installiert.

PV-Stringleitungen

String-Sicherungen schützen einzelne Modulstränge vor unzulässigen Rückströmen.

Sie kommen insbesondere dann zum Einsatz, wenn mehrere Strings parallel miteinander verbunden sind.

Die Installation erfolgt abhängig vom Erdungskonzept und den geltenden Vorschriften im positiven und gegebenenfalls auch im negativen Leiter.

Generatoranschlusskästen und Combiner-Boxen

In größeren Photovoltaikanlagen werden mehrere Strings in sogenannten Combiner-Boxen zusammengeführt.

Dort können einzelne String-Sicherungen installiert werden, um jeden Stromkreis separat abzusichern.

Dadurch lassen sich Fehler leichter eingrenzen und betroffene Strings gezielt schützen.

DC-Eingang des Wechselrichters

Auch auf der Gleichstromseite des Wechselrichters können zusätzliche Schutz- und Trenneinrichtungen erforderlich sein.

Ob externe Sicherungen benötigt werden, hängt unter anderem vom Wechselrichter, der Anlagenkonfiguration und den geltenden Installationsvorschriften ab.

Einige Wechselrichter verfügen bereits über integrierte Schutzfunktionen.

Batteriespeicher

Photovoltaikanlagen mit Batteriespeichern benötigen ebenfalls eine geeignete Überstromabsicherung.

Hierbei müssen die Batteriespannung, der mögliche Kurzschlussstrom, die Leitungsquerschnitte und die Herstellervorgaben berücksichtigt werden.

Da Batterien sehr hohe Fehlerströme liefern können, ist eine sorgfältige Dimensionierung besonders wichtig.

Schritt 4: Einen geeigneten Sicherungshalter verwenden

Neben der Sicherung selbst spielt auch der Sicherungshalter eine wichtige Rolle.

Ein ungeeigneter oder schlecht installierter Sicherungshalter kann zu erhöhten Übergangswiderständen, übermäßiger Erwärmung und Kontaktproblemen führen.

Bei der Auswahl und Installation sollten folgende Punkte beachtet werden:

• Der Sicherungshalter muss zum verwendeten Sicherungstyp passen.

• Die Spannungs- und Strombemessung muss ausreichend sein.

• Das Bauteil muss für die Umgebungsbedingungen geeignet sein.

• Elektrische Kontakte müssen sauber und sicher befestigt sein.

• Die vom Hersteller vorgegebenen Anzugsdrehmomente sind einzuhalten.

• Eine ausreichende Wärmeabfuhr muss gewährleistet sein.

• Der Sicherungshalter muss in einem geeigneten Gehäuse installiert werden.

Sicherung und Sicherungshalter müssen sowohl elektrisch als auch mechanisch aufeinander abgestimmt sein.

Schritt 5: Die Sicherung korrekt anschließen

Eine fehlerhafte Verdrahtung kann die Schutzfunktion einer Sicherung beeinträchtigen.

Deshalb müssen alle elektrischen Verbindungen entsprechend dem Anlagenplan und den Herstellerangaben ausgeführt werden.

Wichtige Punkte sind:

• Positive und negative Leiter eindeutig identifizieren.

• Anschlusspläne und Installationsvorgaben beachten.

• Geeignete Kabelquerschnitte verwenden.

• Anschlussklemmen korrekt befestigen.

• Lose oder beschädigte Verbindungen vermeiden.

• Die korrekte Montage des Sicherungshalters überprüfen.

Da sich die Anschlusskonfigurationen verschiedener Sicherungshalter unterscheiden können, sollten immer die jeweiligen technischen Dokumentationen berücksichtigt werden.

Schritt 6: Die Photovoltaikanlage nach der Installation prüfen

Nach der Installation müssen die Sicherungen und die gesamte elektrische Schutzanlage überprüft werden.

Die Prüfung sollte durch qualifizierte Elektrofachkräfte erfolgen.

Zu den wichtigen Prüfmaßnahmen gehören:

Sichtprüfung

Sicherungshalter, Anschlussklemmen, Kabel und Gehäuse werden auf sichtbare Schäden, Verfärbungen oder Montagefehler untersucht.

Elektrische Prüfung

Je nach Anlagenkonfiguration sind unter anderem Isolationsmessungen, Polaritätsprüfungen und Durchgangsprüfungen erforderlich.

Die Prüfungen müssen entsprechend den geltenden Normen und Herstellervorgaben durchgeführt werden.

Thermische Prüfung

Mit einer Infrarotkamera oder einem geeigneten Temperaturmessgerät können ungewöhnliche Temperaturanstiege an Sicherungen und Kontaktstellen erkannt werden.

Funktionsprüfung

Abschließend wird überprüft, ob die Photovoltaikanlage innerhalb der vorgesehenen elektrischen Betriebsparameter arbeitet.

Ungewöhnliche Messwerte, Überhitzungen oder wiederholt auslösende Sicherungen müssen untersucht werden, bevor die Anlage als betriebsbereit eingestuft wird.

Wichtige Wartungshinweise für PV-Sicherungen

Die fachgerechte Installation ist nur der erste Schritt. Auch die regelmäßige Wartung ist entscheidend, um die langfristige Schutzfunktion einer Photovoltaikanlage sicherzustellen.

1. Umgebungstemperatur kontrollieren

Hohe Umgebungstemperaturen können die Belastbarkeit einer Sicherung beeinflussen.

Besonders in Generatoranschlusskästen kann sich die Temperatur durch Sonneneinstrahlung und unzureichende Belüftung stark erhöhen.

Deshalb müssen die Temperaturbedingungen bei der Dimensionierung berücksichtigt werden.

2. Sicherungshalter und Kontakte überprüfen

Beschädigte oder lockere Kontakte können den Übergangswiderstand erhöhen und dadurch zu einer starken Erwärmung führen.

Bei regelmäßigen Inspektionen sollten insbesondere folgende Punkte kontrolliert werden:

• Verfärbungen an Anschlussklemmen

• Anzeichen von Überhitzung

• Korrosion und Oxidation

• Beschädigte Sicherungshalter

• Lose elektrische Verbindungen

Beschädigte Komponenten müssen durch geeignete Ersatzteile ersetzt werden.

3. Defekte Sicherungen fachgerecht austauschen

Beim Austausch einer Sicherung muss immer ein Ersatz mit den passenden elektrischen Eigenschaften verwendet werden.

Es ist keinesfalls empfehlenswert, einfach eine Sicherung mit einem höheren Nennstrom einzusetzen, wenn die ursprüngliche Sicherung wiederholt auslöst.

Eine wiederholt auslösende Sicherung kann auf einen tieferliegenden elektrischen Fehler hinweisen, der zunächst untersucht werden muss.

Vor dem Austausch muss der betroffene Stromkreis entsprechend den geltenden Sicherheitsverfahren freigeschaltet und gegen Wiedereinschalten gesichert werden.

4. Regelmäßige Temperaturmessungen durchführen

Mit Infrarot-Thermometern oder Wärmebildkameras können ungewöhnliche Temperaturentwicklungen an Sicherungen, Sicherungshaltern und Anschlussklemmen erkannt werden.

Besonders bei größeren gewerblichen und industriellen Photovoltaikanlagen sind thermografische Prüfungen eine sinnvolle Maßnahme zur vorbeugenden Instandhaltung.

Ungewöhnliche Temperaturunterschiede zwischen vergleichbaren Bauteilen können auf Kontaktprobleme, Überlastungen oder eine fehlerhafte Dimensionierung hinweisen.

5. Auf ausreichende Belüftung achten

Eine ausreichende Belüftung trägt dazu bei, übermäßige Temperaturen innerhalb elektrischer Gehäuse zu vermeiden.

Generatoranschlusskästen und andere Schutzgehäuse müssen entsprechend ihren technischen Spezifikationen installiert werden.

Häufige Fehler bei der Absicherung von Photovoltaikanlagen

Auch bei professionell geplanten Solaranlagen können Probleme auftreten, wenn Sicherungen falsch ausgewählt oder installiert werden.

Die folgenden Fehler sollten unbedingt vermieden werden.

Verwendung von AC-Sicherungen in DC-Stromkreisen

AC- und DC-Sicherungen sind nicht ohne Weiteres austauschbar. Für Photovoltaikanlagen müssen Sicherungen mit einer geeigneten Gleichspannungsbemessung und einem ausreichenden Ausschaltvermögen verwendet werden.

Falscher Sicherungsnennstrom

Eine zu klein dimensionierte Sicherung kann unnötig auslösen. Eine zu große Sicherung bietet möglicherweise keinen ausreichenden Schutz.

Missachtung der maximalen Systemspannung

Die Bemessungsspannung der Sicherung muss auf die maximal mögliche Leerlaufspannung der PV-Anlage abgestimmt sein.

Keine Berücksichtigung der Temperatur

Hohe Temperaturen können die Belastbarkeit von Sicherungen reduzieren. Eine fehlende Temperaturkorrektur kann zu unerwünschten Auslösungen führen.

Ungeeignete Sicherungshalter

Sicherung und Sicherungshalter müssen hinsichtlich Bauform, Spannungsfestigkeit, Strombelastbarkeit und thermischer Eigenschaften zusammenpassen.

Fehlende Wartung

Werden beschädigte Sicherungshalter, lockere Kontakte oder Überhitzungen nicht rechtzeitig erkannt, steigt das Risiko elektrischer Störungen.

Häufig gestellte Fragen zur Absicherung von Solar-PV-Anlagen

1. Warum benötigen Photovoltaikanlagen spezielle Sicherungen?

Photovoltaikanlagen erzeugen Gleichstrom. Dieser stellt besondere Anforderungen an elektrische Schutzeinrichtungen, insbesondere bei der sicheren Unterbrechung von Fehlerströmen.

PV-Sicherungen sind speziell für die elektrischen Betriebsbedingungen von Solaranlagen entwickelt worden.

2. Welche Sicherungen werden in Photovoltaikanlagen verwendet?

In Photovoltaikanlagen werden häufig gPV-Sicherungen eingesetzt.

Diese Sicherungen sind speziell für den Schutz von PV-Strings und PV-Generatoren ausgelegt und werden durch die Norm IEC 60269-6 behandelt.

3. Wie berechnet man die richtige Sicherungsgröße für eine Solaranlage?

Eine häufig verwendete Berechnungsmethode nach dem NEC-Regelwerk lautet:

Sicherungsnennstrom = Kurzschlussstrom (Isc) × 1,56

Das Ergebnis muss anschließend mit dem maximal zulässigen Serien-Sicherungsnennstrom des Moduls, der Strombelastbarkeit der Leitungen, den Temperaturkorrekturfaktoren und den geltenden nationalen Vorschriften abgeglichen werden.

4. Wo müssen PV-Sicherungen installiert werden?

PV-Sicherungen werden häufig in Stringleitungen und Generatoranschlusskästen installiert.

Weitere Schutzmaßnahmen können auf der DC-Seite des Wechselrichters und an Batteriespeichern erforderlich sein.

Die genauen Installationsorte hängen von der Anlagenkonfiguration und den geltenden Vorschriften ab.

5. Benötigt jedes Solarmodul eine eigene Sicherung?

Nein, nicht grundsätzlich.

Ob einzelne Strings abgesichert werden müssen, hängt unter anderem von der Anzahl parallel geschalteter Strings, möglichen Rückströmen, den technischen Eigenschaften der Module und den geltenden Installationsvorschriften ab.

Bei bestimmten Anlagenkonfigurationen mit nur einem String kann eine separate String-Sicherung entbehrlich sein.

Die gesamte Schutzkonzeption muss jedoch fachgerecht geprüft werden.

6. Was passiert, wenn eine falsche Sicherung verwendet wird?

Eine falsch dimensionierte Sicherung kann unnötig auslösen oder im Fehlerfall möglicherweise nicht rechtzeitig abschalten.

Mögliche Folgen sind Überhitzung, Schäden an elektrischen Komponenten, Leitungsbeschädigungen und erhöhte Brandgefahr.

Deshalb müssen Sicherungen immer anhand der tatsächlichen elektrischen Anforderungen ausgewählt werden.

7. Wie oft sollten PV-Sicherungen überprüft werden?

Die Häufigkeit der Inspektionen hängt von den Betriebsbedingungen, der Anlagenumgebung und dem Wartungskonzept ab.

Gewerbliche und industrielle Photovoltaikanlagen sollten über einen dokumentierten Wartungsplan verfügen, der auch Sicherungshalter, elektrische Kontakte und thermische Prüfungen berücksichtigt.

Fazit

Die richtige Absicherung einer Solar-PV-Anlage ist eine wesentliche Voraussetzung für einen sicheren, zuverlässigen und langfristig effizienten Anlagenbetrieb.

Dazu gehören die korrekte Berechnung des Sicherungsnennstroms, die Auswahl geeigneter DC-Sicherungen, die richtige Positionierung innerhalb der Anlage sowie die fachgerechte Installation und regelmäßige Wartung.

Besonders wichtig sind die maximale Systemspannung, der Kurzschlussstrom, die Strombelastbarkeit der Leitungen, die Umgebungstemperatur und der maximal zulässige Serien-Sicherungsnennstrom der Solarmodule.

Durch die Einhaltung der geltenden technischen Normen und eine sorgfältige Planung lassen sich elektrische Risiken reduzieren, Anlagenkomponenten schützen und die Betriebssicherheit von Photovoltaikanlagen langfristig verbessern.

Wichtiger Sicherheitshinweis: Die Auswahl und Installation von PV-Sicherungen sollte ausschließlich durch qualifizierte Elektrofachkräfte erfolgen oder von diesen überprüft werden. Arbeiten an unter Spannung stehenden Photovoltaik-Stromkreisen sind zu vermeiden. Vor Wartungs- und Austauschmaßnahmen müssen die vorgeschriebenen Sicherheits- und Freischaltverfahren eingehalten werden.