Varistoren für die Photovoltaik Solaranlagen zuverlässig schützen

Photovoltaik-Anlagen und die darin verbaute Elektronik stellen hohe Vermögenswerte dar. Umso wichtiger ist für Besitzer und Betreiber der sichere Schutz ihrer Systeme und Anlagen vor Überspannungen und -strömen. Dafür eignen sich als kostengünstige Lösung thermisch geschützte Varistoren und gasgefüllte Überspannungsableiter.

Photovoltaik-Anlagen werden an exponierten Positionen wie Dächern und zunehmend auch auf Freiflächen errichtet.

In der Folge ergeben sich hohe Risiken durch Überspannungen, die durch lange Leitungen zwischen Solarmodulen und Wechselrichtern auf DC-Ebene sowie Zuleitungen zum Netz auf AC-Ebene noch weiter erhöht werden.

Bild 1 zeigt den Aufbau eines Solarumrichters (Inverter). Dieser wandelt die Gleichspannung der Solarmodule in Wechselspannung um, die sich dann in das Netz einspeisen lässt.

Üblicherweise werden für den Gleichspannungseingang des Umrichters Metalloxid-Varistoren mit einer Nennspannung von 1000 V (DC) verwendet.

Je nach zu bedienender Netzspannung kommen für den Ausgang des Inverters Varistoren mit einer Spannung von beispielsweise 300 V (RMS, Effektivwert) in Frage. In beiden Fällen können zusätzlich noch gasgefüllte Überspannungsableiter für weiterführenden Schutz sorgen.

Bild 2 zeigt häufige Schaltungsvarianten für den Gleichspannungseingang von Solarinvertern. In der einfachsten Ausführung (Bild 2a) kommt nur ein Varistor zum Beispiel mit einer Nennspannung von 1000 V und einem Scheibendurchmesser von 20 mm zum Einsatz.

Die Nenngleichspannung beträgt in diesem Fall 1414 V und die Klemmspannung 2970 V bei 100 A.

Zwei sind besser als einer

Die Schaltung nach Bild 2b arbeitet mit zwei in Serie geschalteten Varistoren. Sie sollten, um denselben Schutz zu bieten, für 550 V (745 V (DC)) ausgelegt sein. Diese Variante bietet den Vorteil, dass die Klemmspannung bei einem Ableitstrom von 100 A nur noch 2710 V beträgt und damit die Überspannung weiter begrenzt. Außerdem verteilt sich die zu absorbierende Energie auf beide Bauelemente, wodurch der Stressfaktor sinkt.

Bei der Variante nach Bild 2c wird zusätzlich ein gasgefüllter Überspannungsableiter zwischen den Varistoren gegen Erde geschaltet. Gerade beim Versagen oder stressbedingter Alterung eines oder beider Varistoren schafft diese Variante Abhilfe und bietet noch ausreichenden Schutz. Der Ableiter ist so auszuwählen, dass er selbst beim Ausfall beider Varistoren nicht in einen dauerhaft leitenden Zustand übergeht. Im Prinzip gibt es auf der Netzseite die gleichen Beschaltungsmöglichkeiten.

Für die in Europa üblichen Netzspannungen von bis zu 240 V sollten hierbei Varistoren mit Ansprechspannungen von 300 V oder 320 V gewählt werden. Im Wesentlichen sind diese Beschaltungen weitgehend identisch mit den Eingangsbeschaltungen von Standardstromversorgungen für den Netzbetrieb. Da Solarumrichter zu einem verhältnismäßig jungen Technologiegebiet gehören, existieren noch keine Langzeitstudien über ihr Alterungsverhalten und wie sich dies auf die darin verwendeten Schutzbauelemente auswirkt. Von Stromversorgungen und anderen -Geräten ist jedoch bekannt, dass es bei Halbleiter-basierten Bauelementen wie keramischen Varistoren zu einer Degradation kommen kann. Ursache dafür sind sich ständig wiederholende Pulsbelastungen mit geringer Amplitude.

Parameter
 
Nennspannung (AC)
130 V bis 420 V; 115 V bis 1000 V (20-mm Scheibe)
Stoßstrombelastbarkeit
6 kA, 10kA und 20 kA
Ansprechzeit
unter 25 ns
max. Energieabsorption (2 ms)
50 J bis 700 J
Betriebstemperatur
-40 °C bis +85 °C
Tabelle 1: »ETFV«-Serie von Epcos im Überblick

Die Degradation äußert sich in einem Ansteigen des Leckstroms. Kann die dadurch ansteigende Verlustleistung in dem Bauelement nicht durch Konvektion abgeführt werden, kommt es in Extremfällen zu einer ständig steigenden Erhitzung, die zu einem Kurzschluss und der Zerstörung des Varistors führen kann. Verschiedene Normungsausschüsse wie UL und IEC haben dieses Sicherheitsrisiko erkannt und fordern für die Zukunft eine thermische Überwachung der Varistoren sowie eine Freischaltung im Fehlerfall.

Die jüngst veröffentlichte IEC 62109-1 »Safety of power converters for use in photovoltaic power systems - Part 1: General requirements« behandelt diese Problematik allerdings nicht explizit.

Andere Normen wie die jüngste Revision der IEC 60950-1 schreiben vor, dass ausschließlich Varistoren verwendet werden dürfen, welche die IEC 61051-2-2 sowie Annex Q (IEC 60950-1) erfüllen. Außerdem ist eine entsprechende Sicherung für Varistoren vorzusehen.