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Schutz von PV-Anlagen: Gefährliche Lichtbögen in PV-Anlagen erkennen und abschalten

Lichtbögen in PV-Systemen können Schäden an der Anlage zur Folge haben und Brände auslösen. Schutzvorrichtungen, die Lichtbögen erkennen und einzelne Panels freischalten, werden voraussichtlich in vielen Ländern vorgeschrieben.

Bildquelle: © Texas Instruments
Schema einer typischen PV-Anlage mit zwei Strings und einem PV-Verteiler, in dem zwei Lichtbogenerkennungs-Vorrichtungen enthalten sind. Bildquelle: © Texas Instruments

Schema einer typischen PV-Anlage mit zwei Strings und einem PV-Verteiler, in dem zwei Lichtbogenerkennungs-Vorrichtungen enthalten sind.

Allerdings ist es nicht einfach, einen Lichtbogen überhaupt zu erkennen. Dazu sind ausgeklügelte Algorithmen und Signalverarbeitungsverfahren und Algorithmen erforderlich.

Eine herkömmliche PV-Anlage besteht aus mehreren Strings, die jeweils mehrere in Reihe geschaltete PV-Panels enthalten. Alle Strings sind an einen zentralen Wechselrichter angeschlossen, der zwei Aufgaben hat: Er muss einerseits das Maximum Power Point Tracking (MPPT) für die Anlage insgesamt übernehmen und andererseits die vom Array gelieferte Gleichspannung in eine zur Einspeisung in das Netz geeignete Wechselspannung umwandeln.

Bild 1 zeigt schematisch den Aufbau einer typischen PV-Anlage auf dem Dach eines Wohngebäudes. Zwei Strings mit jeweils 12 in Reihe geschalteten Panels liefern hier eine Leerlauf-Gleichspannung von knapp 600 V, während der minimale Maximum Power Point (MPP) oberhalb von 250 V angesiedelt ist. Die von den Strings erzeugte Gleichspannung wird einem PV-Verteiler zugeführt, von dem aus ein Kabel zum Wechselrichter führt. Der PV-Verteiler soll das Prüfen der Strings vereinfachen sowie den Anschluss von Sicherungen und Überspannungsschutz-Bauelementen für die Strings ermöglichen. Gleichzeitig beherbergt er zusätzliche elektronische Komponenten, beispielsweise für Überwachung, Kommunikation und Lichtbogenerkennung, sowie Vorrichtungen für die Freischaltung von außen.

Anlagen, in denen Spannungen bis zu 600 V sowie zahlreiche Kabel und Steckverbinder vorkommen, bergen ein erhöhtes Risiko für die Entstehung von Lichtbögen an schadhaften oder lockeren Steckverbindungen, Kabeln oder kalten Lötstellen.

Ein Lichtbogen ist in PV-Anlagen besonders schwierig zu erkennen und zu unterbinden, weil diese Anlagen Gleichspannung erzeugen und es deshalb im Gegensatz zu Wechselstrom-Installationen keinen Nulldurchgang gibt. Lichtbögen gegen Masse lassen Ströme fließen, die durch den Kurzschlussstrom der Panels begrenzt werden. Sie sind deshalb mit herkömmlichen Sicherungen oder Stromabtast-Einrichtungen nur schwer zu erkennen und zu vermeiden.

Man kann zwischen drei Arten von Lichtbögen unterscheiden: Ein Serien-Lichtbogen entsteht, wenn Kabel oder Steckverbinder sich plötzlich lösen, während ein Strom fließt. Seltener sind parallele Lichtbögen, die bei fehlerhafter Isolation zwischen Kabeln mit unterschiedlichem Potenzial auftreten, sowie Lichtbögen gegen Masse. Der Ausbruch eines Brandes infolge eines Lichtbogens lässt sich verhindern, wenn der Lichtbogen erkannt und der betreffende Anlagenteil freigeschaltet wird.

Die PV-Industrie hat sich mit der Einführung spezieller Sicherheitsfunktionen Zeit gelassen. Mit der Einführung des National Electric Code (NEC) in den USA im Jahr 2011 aber kamen eine Lichtbogenerkennungs-Vorrichtung und entsprechende Gegenmaßnahmen als neue Sicherheitseinrichtungen hinzu. Sie werden in den kommenden Jahren zwingend vorgeschrieben. Es ist zu erwarten, dass andere Länder dem Beispiel folgen werden – sei es durch Vorschriften oder durch Selbstverpflichtung der Industrie.

Gemäß der NEC-Vorschrift in den USA soll die Anlage Serien-Lichtbögen in Modulen, Verbindungen, Leitungen und anderen Bauteilen einer PV-Anlage erkennen und unterbrechen. Sie verlangt, dass Wechselrichter, Laderegler und andere Bauteile des vom Lichtbogen betroffenen Stromkreises freigeschaltet und außer Betrieb gesetzt werden. Außerdem sieht sie vor, dass nach Erkennen und Abschalten des Lichtbogens das System wieder manuell zurückgesetzt werden kann.