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[Eaton Bussmann PV Sicherungen]

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Benötigen PV-Anlagen für jeden String eine eigene Sicherung?

Photovoltaikanlagen sind auf einen zuverlässigen elektrischen Schutz angewiesen, um einen sicheren und effizienten Betrieb zu gewährleisten. Eine häufig gestellte Frage bei der Planung und Installation von Solaranlagen lautet: Benötigt jeder PV-String eine eigene Sicherung?

Die kurze Antwort lautet: Nein. Nicht jeder PV-String benötigt automatisch eine eigene Sicherung. Ob ein zusätzlicher Überstromschutz erforderlich ist, hängt davon ab, woher ein möglicher Rückstrom kommen kann, wie hoch dieser ausfallen kann und ob dadurch die zulässigen Grenzwerte der Solarmodule oder Leitungen überschritten werden.

In diesem Artikel erklären wir, wie der Schutz von PV-Strings funktioniert, warum die Anzahl parallel geschalteter Strings eine wichtige Rolle spielt und unter welchen Bedingungen String-Sicherungen erforderlich sein können.

1. Warum ist die Anzahl paralleler PV-Strings wichtig?

Ein PV-String besteht aus mehreren Solarmodulen, die in Reihe geschaltet sind. Mehrere Strings können anschließend parallel miteinander verbunden werden, um den Gesamtstrom der Photovoltaikanlage zu erhöhen.

Während des normalen Betriebs liefern alle PV-Strings Gleichstrom an den Wechselrichter oder den DC-Sammelkasten (Combiner Box).

Kommt es jedoch in einem String zu einem elektrischen Fehler, kann sich der Stromfluss verändern. Die anderen parallel geschalteten Strings können dann Strom in Richtung des fehlerhaften Strings zurückspeisen.

Dieser Vorgang wird als Rückstrom (Reverse Current) bezeichnet.

Betrachten wir beispielsweise eine Photovoltaikanlage mit drei parallel geschalteten Strings.

Wenn einer dieser Strings einen Fehler entwickelt, können die beiden verbleibenden Strings gemeinsam Rückstrom in den fehlerhaften String einspeisen.

Je mehr Strings parallel geschaltet sind, desto mehr Stromquellen können potenziell zu diesem Fehlerstrom beitragen.

Eine solche Situation kann zu übermäßiger Erwärmung, Schäden an Solarmodulen und Leitungen sowie im schlimmsten Fall zu Brandgefahren führen.

Eine PV-String-Sicherung soll den fehlerhaften Stromkreis unterbrechen, bevor gefährliche Stromwerte erreicht werden.

Allerdings hängt die Notwendigkeit einer solchen Sicherung nicht allein von der Anzahl der Strings ab. Entscheidend ist die tatsächliche elektrische Konfiguration der Anlage.

2. Ist die Regel „Mehr als zwei Strings benötigen Sicherungen“ richtig?

Die Aussage, dass bei mehr als zwei parallel geschalteten PV-Strings Sicherungen erforderlich sind, ist eine verbreitete Faustregel.

Sie ist als erster Hinweis sinnvoll, stellt jedoch keine allgemeingültige Vorschrift dar.

Der Hintergrund ist nachvollziehbar:

Bei zwei parallel geschalteten Strings kann im Fehlerfall grundsätzlich ein weiterer gesunder String Rückstrom in den fehlerhaften String liefern.

Bei drei oder mehr parallelen Strings können mehrere gesunde Strings gleichzeitig Strom in den fehlerhaften Stromkreis einspeisen.

Dadurch steigt das Risiko, dass der zulässige Rückstrom des Solarmoduls oder die Belastbarkeit der Leitungen überschritten wird.

Allerdings können auch zwei Anlagen mit identischer String-Anzahl unterschiedliche Schutzanforderungen haben.

Beispielsweise kann eine Anlage mehrere Strings an einem gemeinsamen DC-Anschluss zusammenführen, während eine andere Anlage über separate, intern isolierte Wechselrichtereingänge verfügt.

Obwohl die Anzahl der Strings gleich ist, können sich die möglichen Rückstrompfade unterscheiden.

Deshalb gilt:

Mehr als zwei parallel geschaltete Strings sind ein wichtiger Anlass, den erforderlichen Rückstromschutz sorgfältig zu prüfen. Sie bedeuten jedoch nicht automatisch, dass jedes Projekt dieselbe Sicherungskonfiguration benötigt.

3. Wann sind keine separaten PV-String-Sicherungen erforderlich?

Eine separate String-Sicherung kann unter bestimmten Bedingungen entbehrlich sein.

Das ist beispielsweise dann möglich, wenn keine relevante Rückstromquelle vorhanden ist oder der maximal mögliche Rückstrom innerhalb der zulässigen Grenzwerte der Solarmodule und Leitungen bleibt.

Typische Beispiele sind:

Einzelne PV-Strings

Bei einer Anlage mit nur einem PV-String gibt es keine weiteren parallel geschalteten Strings, die Rückstrom in den fehlerhaften String einspeisen können.

Allerdings müssen auch andere mögliche Fehlerstromquellen und die geltenden Installationsvorschriften berücksichtigt werden.

Zwei parallel geschaltete Strings

Bei bestimmten Anlagen mit zwei parallelen Strings kann der mögliche Rückstrom innerhalb der zulässigen Grenzen des Solarmoduls bleiben.

Ob eine zusätzliche Sicherung erforderlich ist, muss anhand der Modulkennwerte, der Kabelbelastbarkeit und der Wechselrichterkonfiguration überprüft werden.

Wechselrichter mit getrennten Eingängen

Einige Wechselrichter verfügen über separate Eingänge mit interner elektrischer Trennung oder anderen technischen Eigenschaften, die mögliche Rückstrompfade begrenzen können.

Allerdings darf nicht automatisch davon ausgegangen werden, dass getrennte Wechselrichtereingänge den Bedarf an String-Sicherungen vollständig beseitigen.

Die technischen Unterlagen des Wechselrichters und die gesamte Anlagenkonfiguration müssen berücksichtigt werden.

Wichtig ist: Der Verzicht auf eine String-Sicherung sollte immer das Ergebnis einer technischen Bewertung sein und nicht auf einer bloßen Annahme beruhen.

4. Wann sind PV-String-Sicherungen erforderlich?

String-Sicherungen werden besonders wichtig, wenn der mögliche Rückstrom die zulässigen Grenzwerte der angeschlossenen Komponenten überschreiten kann.

Folgende Situationen erfordern eine besonders sorgfältige Prüfung.

Mehrere parallel geschaltete Strings

Wenn mehrere PV-Strings an einem gemeinsamen Anschlusspunkt verbunden sind, können die gesunden Strings gemeinsam Strom in einen fehlerhaften String einspeisen.

Mit zunehmender Anzahl paralleler Strings steigt das mögliche Rückstrompotenzial.

In solchen Anlagen kann ein individueller Überstromschutz für jeden String erforderlich sein.

Hoher Rückstrom

Wenn der maximal mögliche Rückstrom den zulässigen Rückstrom des Solarmoduls überschreitet, muss ein geeigneter Überstromschutz vorgesehen werden.

Die Sicherung muss den Fehlerstrom rechtzeitig unterbrechen, um Schäden an Modulen und Leitungen zu verhindern.

Begrenzte Strombelastbarkeit der PV-Leitungen

Auch die String-Kabel müssen für die möglichen Betriebs- und Fehlerströme ausgelegt sein.

Wenn der mögliche Rückstrom die zulässige Strombelastbarkeit der Leitung überschreitet, kann ein zusätzlicher Leitungsschutz erforderlich werden.

Die Dimensionierung der Kabel und die Auswahl der Sicherungen müssen daher immer gemeinsam betrachtet werden.

Mögliche Rückspeisung durch Wechselrichter oder Batteriespeicher

Einige Photovoltaikanlagen verfügen über Batteriespeicher oder Wechselrichterkonfigurationen, die zusätzliche Strompfade ermöglichen.

Solche Stromquellen können den maximal möglichen Fehlerstrom innerhalb des DC-Systems beeinflussen.

Bei der Planung des Überstromschutzes sollten deshalb nicht nur die parallelen PV-Strings, sondern auch mögliche Rückspeisungen durch angeschlossene Geräte berücksichtigt werden.

5. Wie lässt sich die erforderliche Anzahl paralleler PV-Strings ohne zusätzliche Sicherungen bestimmen?

Eine wichtige Grundlage für die Bewertung des Rückstromschutzes ist der Vergleich zwischen dem maximal zulässigen Rückstrom des Solarmoduls und seinem Kurzschlussstrom.

Eine vereinfachte Berechnung lautet:

Zulässige Anzahl paralleler Strings ≈ Maximal zulässiger Rückstrom des Moduls ÷ Kurzschlussstrom des Moduls

Nehmen wir folgende beispielhafte Moduldaten an:

• Kurzschlussstrom (Isc): 8,9 A

• Maximal zulässiger Rückstrom: 15 A

Die Berechnung ergibt:

15 A ÷ 8,9 A = 1,69

Das bedeutet, dass zwei parallel geschaltete Strings unter den angenommenen Bedingungen innerhalb des betrachteten Rückstromgrenzwerts liegen können.

Bei drei parallel geschalteten Strings könnte dieser Grenzwert dagegen überschritten werden.

Betrachten wir die möglichen Fehlerströme genauer.

Bei zwei parallelen Strings:

Wenn ein String einen Fehler entwickelt, kann der verbleibende gesunde String einen Rückstrom von ungefähr 8,9 A liefern.

Dieser Wert liegt unter dem angenommenen Grenzwert von 15 A.

Bei drei parallelen Strings:

Wenn ein String fehlerhaft ist, können die beiden anderen Strings gemeinsam folgenden Rückstrom liefern:

2 × 8,9 A = 17,8 A

Dieser Wert überschreitet den angenommenen Grenzwert von 15 A.

Daher muss in diesem Fall ein zusätzlicher Überstromschutz geprüft und gegebenenfalls vorgesehen werden.

Wichtiger Hinweis: Diese Berechnung dient ausschließlich der Veranschaulichung. Sie ersetzt keine vollständige Auslegung des PV-Überstromschutzes. Bei der tatsächlichen Planung müssen unter anderem die geltenden Bemessungsfaktoren, Umgebungsbedingungen, mögliche Rückspeisung durch Wechselrichter, Kabelbelastbarkeit und Herstellervorgaben berücksichtigt werden.

6. Wie wählt man die richtige PV-String-Sicherung aus?

Die Entscheidung, ob eine Sicherung erforderlich ist, ist nur der erste Schritt. Ebenso wichtig ist die Auswahl des passenden Sicherungsnennstroms und der richtigen elektrischen Eigenschaften.

Eine falsch dimensionierte Sicherung kann den erforderlichen Schutz nicht gewährleisten oder bereits im normalen Betrieb unnötig auslösen.

Folgende Parameter sollten berücksichtigt werden.

1. Nennstrom der Sicherung

Der Nennstrom muss zu den Betriebs- und Fehlerstrombedingungen des PV-Strings passen.

Außerdem muss er mit dem maximal zulässigen Serien-Sicherungsnennstrom des Solarmoduls und der Strombelastbarkeit der angeschlossenen Kabel abgestimmt werden.

Der vom Modulhersteller angegebene maximale Serien-Sicherungsnennstrom ist eine Obergrenze und nicht automatisch der empfohlene Sicherungsnennstrom.

2. DC-Spannungsfestigkeit

Photovoltaikanlagen arbeiten mit vergleichsweise hohen Gleichspannungen, insbesondere bei gewerblichen und großen Freiflächenanlagen.

Die Sicherung muss für mindestens die maximal mögliche DC-Systemspannung ausgelegt sein.

Bei der Berechnung der maximalen String-Spannung muss auch der Anstieg der Leerlaufspannung bei niedrigen Temperaturen berücksichtigt werden.

3. Ausschaltvermögen

Die Sicherung muss in der Lage sein, den maximal zu erwartenden Kurzschluss- beziehungsweise Fehlerstrom sicher zu unterbrechen.

Ein unzureichendes DC-Ausschaltvermögen kann zu gefährlichen Lichtbögen und erheblichen Schäden an elektrischen Komponenten führen.

Deshalb muss das Ausschaltvermögen der Sicherung mit dem maximal möglichen Fehlerstrom der Anlage abgestimmt werden.

4. Betriebstemperatur

Photovoltaikanlagen sind häufig hohen Umgebungstemperaturen ausgesetzt.

Die Leistungsfähigkeit einer Sicherung kann durch die Temperatur im Gehäuse, die Einbaubedingungen, die Kontaktverbindungen und die Wärmeentwicklung benachbarter Komponenten beeinflusst werden.

Deshalb müssen mögliche Temperaturreduzierungen und die Installationsbedingungen bei der Auswahl berücksichtigt werden.

5. Kompatibilität mit dem Sicherungshalter

Sicherungseinsatz und Sicherungshalter müssen elektrisch und mechanisch miteinander kompatibel sein.

Falsche Abmessungen, unzureichender Kontaktdruck, lose Verbindungen oder ungeeignete Halter können zu Überhitzung und unzuverlässigem Betrieb führen.

Die Verwendung geeigneter Komponenten für PV-Gleichstromanwendungen trägt zu sicheren und stabilen elektrischen Verbindungen bei.

7. Beeinflussen PV-String-Sicherungen die Effizienz einer Solaranlage?

PV-Sicherungen besitzen einen geringen elektrischen Widerstand.

Wenn Strom durch das Sicherungselement und seine Kontaktstellen fließt, wird ein Teil der elektrischen Energie in Wärme umgewandelt.

Dadurch entsteht ein geringer zusätzlicher Leistungsverlust.

Bei einer korrekt ausgelegten und fachgerecht installierten Photovoltaikanlage ist dieser Verlust normalerweise begrenzt.

In der Praxis kann die Qualität der Installation jedoch eine größere Rolle spielen als der geringe Widerstand des Sicherungselements selbst.

Mögliche Probleme sind:

• Schlechter elektrischer Kontakt zwischen Sicherungseinsatz und Sicherungshalter.

• Lose Anschlussklemmen.

• Falsch dimensionierte Sicherungshalter.

• Zu hohe Betriebstemperaturen.

• Ungeeignete Sicherungsnennwerte.

Unnötige Sicherungen erhöhen die Anzahl der Komponenten, die Kosten und die potenziellen Kontaktstellen, ohne zwangsläufig einen zusätzlichen Sicherheitsvorteil zu bieten.

Andererseits kann der Verzicht auf einen erforderlichen Überstromschutz zu erheblichen elektrischen Risiken führen.

Das Ziel sollte deshalb immer eine ausgewogene Kombination aus elektrischer Sicherheit, Zuverlässigkeit und Energieeffizienz sein.

8. Welche Normen gelten für den Schutz von PV-Strings?

Der Schutz von Photovoltaik-Strings muss den geltenden elektrischen Normen und Installationsvorschriften des jeweiligen Landes entsprechen.

Für Anlagen nach IEC-Normen ist insbesondere die Normenreihe IEC 62548-1 relevant. Sie behandelt Anforderungen an die Planung von PV-Generatoren, einschließlich DC-Verkabelung und elektrischer Schutzeinrichtungen.

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

Bei der Auswahl von PV-String-Sicherungen sollten insbesondere folgende Punkte berücksichtigt werden:

• Maximale DC-Systemspannung.

• Zu erwartender Rückstrom.

• Maximal zulässiger Serien-Sicherungsnennstrom des Solarmoduls.

• Strombelastbarkeit der elektrischen Leitungen.

• Nennstrom und Ausschaltvermögen der Sicherung.

• Umgebungs- und Einbaubedingungen.

• Nationale und lokale Installationsvorschriften.

Wichtig ist, dass die Normenkonformität nicht allein anhand der Anzahl parallel geschalteter Strings beurteilt werden kann.

Vor der Entscheidung über den Einsatz einzelner String-Sicherungen muss immer die gesamte elektrische Anlagenkonfiguration bewertet werden.

9. Welche Informationen werden für die Auswahl einer PV-String-Sicherung benötigt?

Die Auswahl einer Sicherung sollte niemals ausschließlich auf einem gewünschten Nennstrom basieren, beispielsweise 15 A oder 20 A.

Zunächst müssen die elektrischen Eigenschaften der gesamten Photovoltaikanlage bekannt sein.

Folgende Informationen sind besonders wichtig:

Mit diesen Angaben lässt sich besser beurteilen, ob eine String-Sicherung erforderlich ist und welche technischen Eigenschaften sie erfüllen muss.

10. Häufig gestellte Fragen zu PV-String-Sicherungen

Benötigt jeder PV-String eine eigene Sicherung?

Nein. Nicht jede Photovoltaikanlage benötigt automatisch eine separate Sicherung für jeden String. Die Notwendigkeit hängt vom möglichen Rückstrom, den Modulgrenzwerten, der Kabelbelastbarkeit, der Wechselrichterkonfiguration und den geltenden elektrischen Vorschriften ab.

Sind Sicherungen bei mehr als zwei parallel geschalteten PV-Strings vorgeschrieben?

Nicht automatisch in jeder Anlagenkonfiguration. Mehr als zwei parallele Strings sind ein wichtiger Hinweis darauf, dass der Rückstromschutz sorgfältig geprüft werden sollte. Die endgültige Entscheidung muss jedoch auf elektrischen Berechnungen und den geltenden Vorschriften basieren.

Kann eine Photovoltaikanlage sicher ohne String-Sicherungen betrieben werden?

Ja, sofern durch eine fachgerechte Anlagenplanung nachgewiesen wird, dass kein zusätzlicher Überstromschutz für die einzelnen Strings erforderlich ist und alle weiteren Schutzanforderungen erfüllt werden.

Was bedeutet der maximale Serien-Sicherungsnennstrom eines Solarmoduls?

Er bezeichnet den maximal zulässigen Nennstrom einer in Reihe mit dem Solarmodul installierten Überstrom-Schutzeinrichtung. Die ausgewählte Sicherung darf diesen vom Hersteller angegebenen Wert nicht überschreiten.

Müssen sowohl der positive als auch der negative PV-Leiter abgesichert werden?

Das hängt von der Erdungskonfiguration, dem Wechselrichterdesign und den geltenden Installationsvorschriften ab. Die erforderliche Schutzanordnung muss für die jeweilige Anlage festgelegt werden und sollte nicht pauschal auf alle Photovoltaikanlagen übertragen werden.

Beeinflussen PV-String-Sicherungen die Effizienz?

Ja, in geringem Umfang. Das Sicherungselement und die Kontaktstellen erzeugen einen elektrischen Widerstand, wodurch ein kleiner Teil der Energie als Wärme verloren geht. Bei korrekt ausgewählten und installierten Sicherungen ist der Einfluss auf die Gesamtleistung der Anlage normalerweise gering.

Welche Sicherungen eignen sich für Photovoltaikanlagen?

Verwendet werden sollten Sicherungen, die ausdrücklich für Photovoltaik-Gleichstromanwendungen geeignet sind. Entscheidend sind die passende DC-Spannungsfestigkeit, der Nennstrom, das Ausschaltvermögen und die Betriebsbedingungen. Zusätzlich müssen die Herstellervorgaben und geltenden Normen eingehalten werden.

Fazit: Nicht jeder PV-String benötigt automatisch eine eigene Sicherung

Benötigen Photovoltaikanlagen für jeden String eine eigene Sicherung?

Nein. Ob eine separate PV-String-Sicherung erforderlich ist, hängt von den elektrischen Eigenschaften und den Schutzanforderungen der gesamten Anlage ab.

Die Anzahl parallel geschalteter Strings ist ein wichtiger Faktor, aber nicht das einzige Entscheidungskriterium. Auch der mögliche Rückstrom, die technischen Daten der Solarmodule, die Strombelastbarkeit der Leitungen, die Wechselrichterkonfiguration und die geltenden Normen müssen berücksichtigt werden.

Bei einigen Anlagen können separate String-Sicherungen entbehrlich sein, weil der mögliche Rückstrom innerhalb der zulässigen Grenzwerte der angeschlossenen Komponenten bleibt. Bei anderen Anlagen, insbesondere mit mehreren parallel geschalteten Strings, kann ein zusätzlicher Überstromschutz unverzichtbar sein.

Die zuverlässigste Vorgehensweise besteht darin, die gesamte elektrische Anlagenkonfiguration zu prüfen, den möglichen Fehlerstrom zu berechnen, die technischen Datenblätter der Solarmodule zu berücksichtigen und die geltenden elektrischen Normen einzuhalten.

Letztendlich geht es bei einem wirksamen PV-Schutz nicht darum, möglichst viele Sicherungen zu installieren. Entscheidend ist, die richtigen Schutzeinrichtungen an den richtigen Stellen einzusetzen, um langfristige elektrische Sicherheit, Zuverlässigkeit und eine hohe Anlagenleistung zu gewährleisten.