Überspannungen sind eine wesentliche Gefahrenquelle für Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) und können deren Funktion und Lebensdauer erheblich beeinträchtigen. Direkte Blitzeinschläge sind zwar selten, doch auch Einschläge in der näheren Umgebung von PV-Kraftwerken können auf unterschiedliche Art Schäden verursachen: Einerseits kann der Einschlag das Erdpotenzial im Umkreis von bis zu zwei Kilometern stark ansteigen lassen, was zu Spannungsanhebungen in der Anlage führen kann. Andererseits erzeugt der Blitz durch induktive und kapazitive elektromagnetische Kopplung Überspannungen, die direkt in die PV-Anlage eingekoppelt werden können. Selbst Blitze in der näheren Umgebung stellen daher eine ernste Gefahr für PV-Systeme dar.
Nicht weniger bedeutsam sind Transienten, also kurzzeitige Spannungsspitzen, die durch Schaltvorgänge im Stromnetz entstehen. Obwohl sie weniger energiereich sind als Blitzeinschläge, treten sie häufig auf und können langfristig die Isolierung von Bauteilen schädigen. Dies führt dauerhaft zu einem erhöhten Ausfallrisiko und einer verkürzten Lebensdauer der Anlage. Ein wirkungsvoller Überspannungsschutz ist daher unverzichtbar, um die Betriebssicherheit und Langlebigkeit von PV-Anlagen zu gewährleisten.
Neben einem äußeren Blitzschutz ist es für Betreiber von PV-Anlagen essenziell, auch den inneren Blitz- und Überspannungsschutz zu berücksichtigen. Dies wird primär durch den Einsatz von Überspannungsschutzgeräten (Surge Protective Devices, SPDs) realisiert. SPDs werden sowohl an Strom- als auch an Datenleitungen installiert und leiten Überspannungsimpulse zuverlässig ab. Damit verhindern sie Schäden, Betriebsstörungen oder sogar die Zerstörung elektronischer Komponenten. Durch diesen Schutz der Betriebsmittel sorgen sie für die Stabilität und den zuverlässigen Betrieb der gesamten Anlage.
Normen für wirksamen Schutz
Die internationalen Normenreihen IEC 62305 („Blitzschutz“) und IEC 61643 („Überspannungsschutzgeräte“) bieten detaillierte Richtlinien zur Entwicklung und Umsetzung effektiver Schutzkonzepte für PV-Anlagen. Ein zentraler Bestandteil der IEC 62305 ist die Durchführung einer umfassenden Risikobewertung. Dabei werden standort- und anlagenspezifische Faktoren wie die Wahrscheinlichkeit von Blitzeinschlägen, deren potenzielle Folgen und die Effektivität geplanter Schutzmaßnahmen berücksichtigt.
Da jedoch bei den meisten PV-Anlagen keine ausführliche Risikoanalyse erfolgt, legt die IEC-61643-Normenreihe allgemeingültige Anforderungen fest. Sie schreibt unter anderem die Installation von SPDs auf der AC- wie auch auf der DC- beziehungsweise PV-Seite der Anlage vor.
Das geeignete Überspannungsschutzgerät
Die Normenreihe definiert drei Typen von SPDs, die auf unterschiedliche Schutzanforderungen abgestimmt sind:
SPDs vom Typ 1 sind speziell dafür ausgelegt, Blitzstoßströme aus direkten oder indirekten Blitzeinschlägen sicher abzuleiten. Ein entscheidender Parameter dieser Geräte ist die maximale Ableitfähigkeit des Blitzstromimpulses. Für PV- und AC-Anwendungen schreibt die Norm ein Mindestableitvermögen von fünf Kiloampere (kA) vor.
SPDs vom Typ 2 dienen dem Schutz vor Überspannungen, die sich durch galvanische, induktive oder kapazitive Kopplung in das System einkoppeln. Hier ist die sogenannte Nennableitfähigkeit maßgeblich, die ebenfalls mit einem Mindestwert von 5 kA spezifiziert ist.
SPDs vom Typ 3 werden benötigt, um empfindliche elektronische Geräte zu schützen. Der wichtigste Parameter ist hier die Spitzenspannung mit typischen Werten von beispielsweise sechs Kilovolt. SPDs dieser Kategorie sind entscheidend für Anwendungen wie Generatoranschlusskästen mit Stringstrommessung sowie Sensoren und Überwachungssysteme, die ihre Energie direkt aus dem PV-Generator beziehen.
Die Schutzanforderungen unterscheiden deutlich zwischen Aufdach- und Freiflächenanlagen, da die baulichen Gegebenheiten und die Gefahr eines direkten Blitzeinschlags variieren. Bei Freiflächenanlagen wird aufgrund der großen Fläche und der metallischen Montagestruktur ein äußeres Blitzschutzsystem vorausgesetzt. Daher müssen an allen kritischen Stellen SPDs vom Typ 1 eingesetzt werden. Diese müssen ein Mindestableitvermögen von 5 kA aufweisen.
Für Aufdachanlagen ohne äußeren Blitzschutz sieht die Norm den Einsatz von SPDs des Typs 2 vor. Diese Geräte müssen sowohl auf der AC- als auch auf der PV-Seite installiert werden. Aufdachanlagen mit äußerem Blitzschutzsystem erfordern hingegen andere Maßnahmen: Der primäre AC-Schutz muss am Eintrittspunkt des Gebäudes durch ein SPD des Typs 1, bzw. durch eine Kombination der drei Typen sichergestellt werden. Befindet sich die PV-Anlage vollständig im Schutzbereich des Blitzschutzsystems und wird der notwendige Trennungsabstand „s“ eingehalten, reichen SPDs vom Typ 2 für den PV- und eventuell für den sekundären AC-Schutz aus. Wird der Trennungsabstand nicht eingehalten, sind an allen Betriebsmitteln SPDs vom Typ 1 zwingend erforderlich.
Verfügt ein Überspannungsschutz über eine Ableitfähigkeit, die über die normativen Mindestanforderungen hinausgeht, erhöht dies die Robustheit und Zuverlässigkeit des Geräts. Erhöhte Ableitfähigkeit verringert somit langfristig die Ausfallrisiken und verbessert die Betriebssicherheit der gesamten Anlage.
Ein Beispiel für innovative Lösungen im Bereich des Überspannungsschutzes ist die DPVN-Serie von Citel. Hier sind erstmalig in einem PV-SPD alle drei Schutzklassen T1, T2 und T3 in einem einzigen Gerät kombiniert. Die Leistungsfähigkeit dieser Serie wurde von einem unabhängigen Prüfinstitut validiert. Diese Entwicklung stellt einen bedeutenden Fortschritt für Betreiber von PV-Anlagen dar, da sie eine effektive und gleichzeitig platzsparende Schutzlösung bietet. W
Grafik: Citel
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