Photovoltaikanlagen sicher trennen und freischalten - Moeller

www.de-online.info
special
Photovoltaik
Eigenverbrauch
von Sonnenstrom
Wärmepumpen
Erdwärmepumpen und
Durchlauferhitzer im Mix
Photovoltaik
Markterfolg durch
Clubmitgliedschaft
Photovoltaik
Voll-Kasko lässt kein
Risiko mehr aus
erneuerbare energien

AUF EINEN BLICK
Brennt eine PV-Anlage, z.B. auf einer
Scheune, lässt die Feuerwehr das
Ganze heute oftmals »kontrolliert
abbrennen«. Der Grund: Die PV-
Anlage lässt sich nicht spannungsfrei
schalten. Nun liegt der Entwurf eines
»PV-Feuerwehrschalters« vor, der die
komplette Anlage freischaltet – mit
dem Vorteil, dass auch z.B. im Wartungsfall
die Stringleitungen spannungsfrei
sind.
Photovoltaik
Photovoltaikanlagen sicher
trennen und freischalten
Lasttrenner und »Feuerwehrschalter«
Damit eine Photovoltaikanlage sicher, zuverlässig und ertragbringend
über mehr als 20 Jahre arbeiten kann, kommt es nicht nur auf die
Hauptkomponenten wie Module oder Wechselrichter sowie eine fachgerechte
Montage an. Weitere Komponenten auf der Gleichstromseite
beeinflussen die Rentabilität, Sicherheit und Langlebigkeit,
z.B. Schutz- und Trenneinrichtungen (Bild 1). Bislang sind sich Experten
einig, dass viele Fehlerquellen auf der Gleichstromseite liegen.
Eine sichere Trennfähigkeit spielt
für PV-Anlagen eine wichtige
Rolle, etwa bei Wartungs-, Rei -
nigungs- oder Reparaturarbeiten. Noch
wichtiger – doch heute bei vielen An -
lagen nicht vorhanden – wäre die
Trennmöglichkeit in einem Brandfall.
Insbesondere für Feuerwehren sind
PV-Anlagen oftmals wenig berechenbar.
Daher verfahren sie oft nach dem
Motto »Auf Nummer sicher gehen, Abstand
halten und eventuell kontrolliert
abfackeln«. Das ist aus Sicht der Feuerwehr
verständlich, aber keine befrie -
digende Lösung für den Betreiber.
Gleichstrom
sicher schalten
DC-Lasttrennschalter in PV-Anlagen
müssen im Gegensatz zu Geräten für
Wechselspannung besonderen Anforderungen
genügen. Erstens geht es
darum, Gleichstrom zu schalten, und
zweitens handelt es sich oft um Spannungen
bis zu 1000V oder deutlich
darüber.
So entsteht beim Öffnen eines Kontakts
ein Lichtbogen, der Temperaturen
bis zu mehreren 1000°C erreichen
kann. Das führt zu Kontaktabbrand,
der die Lebensdauer eines Schaltgeräts
verringert. Je höher die Stromstärke
und/oder die Spannung sind, desto
energiereicher ist der Lichtbogen. Während
bei Wechselstrom der Spannungs-
Nulldurchgang den Lichtbogen auf
natürliche Weise unterbricht, muss er
bei Gleichstrom durch andere, konstruktive
Maßnahmen gelöscht werden,
z.B.
• hohe Öffnungsgeschwindigkeit der
Kontakte,
• ausreichend großer Kontaktabstand,
• Kühlen des Plasmas und
• Beschleunigung des Lichtbogens in
die Löschkammer, z.B. durch ein permanentes
Magnetfeld.
Generell gilt: Je kürzer die Lichtbogenlöschzeiten,
desto geringer die thermische
Belastung für die Kontakte und
umso länger die erzielbare Lebensdauer
eines Schaltgerätes. Durch Anlegen
eines permanenten Magnetfeldes
wird der Lichtbogen sicher und schnell
in die Löschkammer getrieben. Das ist
vor allem für das sichere Ausschalten
auch kleiner Ströme wichtig, wie es
z.B. bei Teilverschattung von PV-Mo -
dulen der Fall sein kann.
Das Eaton Geschäftsfeld Moeller
bietet eine Reihe von DC-Lasttrennschaltern,
die nach dem Prinzip der
permanentmagnetischen Lichtbogenbeeinflussung
arbeiten. Basis der
DC-Strangschutzschalter
AC-Leistungsschalter
DC-Sicherungs-
Trennschalter
Geräte sind die aus der Installationstechnik
bekannten Motorschutzschalter
mit Sprungschaltmechanismus, der
eine hohe, von der manuellen Betä -
tigung unabhängige Öffnungsgeschwindigkeit
der Kontakte garantiert.
Ergänzt um die Bauteile zur sicheren
Lichtbogenlöschung, beherrschen sie
Ströme bis 63A bei hohen DC-Spannungen.
Hierbei werden also zwei Effekte
zur Lichtbogenbeeinflussung genutzt.
Ungekapselte Lasttrennschalter P-
SOL in den Nenngrößen 20A, 30A und
63A eignen sich für den Einbau in
Wechselrichter oder Generator-An -
schlussboxen (Bild 2). Separate Drehgriffe
und Achsverlängerungen erlauben
eine flexible Anpassung an
verschiedene Gehäusesituationen. Für
die Rückmeldung des Schaltzustands
lässt sich ein Hilfsschalterblock an -
DC-Lasttrennschalter
bis 63A
DC-Lasttrennschalter
bis 1400A
Bild 1: Auch die Schaltgeräte sind wichtig für den reibungslosen Betrieb
einer PV-Anlage – und für die Sicherheit im Fehler- bzw. Brandfall
=
~ RCD
Quelle: Moeller
– Erneuerbare Energien 13

Photovoltaik
Quelle: Moeller
Quelle: Moeller
Bild 4: Der gekapselte
DC-Lasttrennschalter
SOL 60 in IP65 wurde
für die Außen -
anwendung konzipiert.
Es stehen Gerätevarianten
für den Anschluss
von zwei, vier und acht
Strings zur Verfügung
Bild 5: Der »PV-Feuerwehrschalter«
für Photovoltaik-
Anlagen wird in unmittel -
barer Nähe der PV-Anlage
montiert und erlaubt im
Brandfall die Freischaltung
der Gleichstromleitung zum
Wechselrichter
AUFRUF ZUR DISKUSSION
Eaton Moeller hat einen Vorschlag für
einen »PV-Feuerwehrschalter« entwikkelt
und auf der Intersolar 2009 präsentiert.
Angesichts der regen Diskussion in
Normungsgremien und der bislang offenen
Normenlage greift Eaton Moeller
gerne die Wünsche und Anregungen
von Elektrohandwerkern, Solarteuren,
Bild 2: DC-Strangschutzschalter für den
Einbau in kundenspezifische Gehäuse oder
Wechselrichter
Bild 3: DC-Lasttrennschalter
160A/1000V
Quelle: Moeller
Quelle: Moeller
Quelle: Moeller
Bild 6: Ist überzeugt vom PV-Feuerwehrschalter:
Jörg Brendel, Zugführer
der freiwilligen Feuerwehr Kirchen -
tellinsfurt und Inhaber der gleich -
namigen Elektro-Firma
(www.brendel-elektrotechnik.com):
»Mit dem PV-Feuerwehrschalter können
wir im Brandfall von außen die
PV-Anlage spannungslos schalten und
somit den Brand gefahrlos löschen
und weitere Schäden verhindern«
der Feuerwehr oder PV-Anlagenbetreibern
auf, um diese in die weitere Entwikklung
des »PV-Feuerwehrschalters«
einfließen zu lassen. Unter der E-Mail-
Adresse GottfriedTharang@eaton.com
können sich Interessierte an den Hersteller
wenden und ihre Diskussionsbeiträge
und Vorschläge einbringen.
bauen. Zur Fernauslösung steht ein
Arbeitsstrom- oder Unterspannungsauslöser
bereit. Alle Zubehörteile entstammen
dem PKZ-Motorschutzschalterprogramm.
Für Ströme bis 1400A bei 1000V DC
bietet Eaton Moeller DC-Lasttrennschalter
der Reihe N an, die aus den
Kompaktleistungsschaltern abgeleitet
wurden (Bild 3). Hier sind die Öffnungsstrecken
der vier in Reihe zu schaltenden
Strombahnen bereits so groß, dass
die Trenner ohne magnetisches Blasfeld
auskommen. Optional gibt es reichhaltiges
Zubehör, z.B. Anschlussklemmen
und Türkupplungsdrehgriffe, Hilfsschalter,
Spannungsauslöser und Fernantriebe.
Integrierte oder
separate Lasttrennschalter
Einen oft unterschätzten Aspekt stellt
das gleichstromseitige Freischalten
einer Anlage unter allen möglichen
Situationen dar. Zwar fordert die DIN
VDE 0100-712, dass auf der Gleichspannungsseite
des PV-Wechselrichters ein
Lasttrennschalter vorzusehen ist, sie
schreibt aber nicht vor, an welcher
Stelle zwischen PV-Modul und Wechselrichter
der Lasttrennschalter angeordnet
werden soll.
Das hat dazu geführt, dass die überwiegende
Zahl von Wechselrichtern
bereits über einen integrierten Lasttrennschalter
verfügt. Dies spart zwar
die Kosten für ein separates Schaltgerät
mit Gehäuse, Anschlüssen und Montage
ein, allerdings werden die Nachteile
dieser Lösung gerne ver -
schwiegen: Denn sobald man den
Wechselrichter für Wartungs-, Rei -
nigungs- oder Reparaturarbeiten öffnen
muss, lässt sich nicht immer ein -
deutig ersehen, an welchen Stellen
noch Gleichspannung anliegt. Aber
auch im Falle eines Brands im oder am
Wechselrichter besteht kaum noch eine
Chance, den DC-Lasttrennschalter zu
betätigen.
Deshalb installieren viele Anwender
einen separaten Freischalter in die
Gleichstromleitung ihrer PV-Anlage,
auch bei vorhandenem Lasttrennschalter
im Wechselrichter. Hierfür eignen
sich die DC-Lasttrennschalter SOL im
Gehäuse für 20A, 30A und 63A von
Eaton Moeller (Bild 4). Es gibt Varianten
für zwei oder vier bzw. vier oder
acht Strings und für die gängigsten
Steckerformen, – wie MC3, MC4 oder
metrische Verschraubungen. Die Ge -
14 – Erneuerbare Energien

Photovoltaik
häuse in Schutzart IP65 erlauben die
Montage auch im Außenbereich. Ein
Druckausgleichselement passt hierbei
den Innendruck dem Umgebungsluftdruck
an und verhindert so Kondenswasserbildung
und damit Ausfälle
durch Spannungsüberschlag.
Was tun bei Brand
einer PV-Anlage?
Oft werden der bzw. die Wechselrichter
nahe der Hauptverteilung untergebracht,
die sich wiederum häufig im
Kellergeschoss befindet. In diesem Falle
bleibt – auch nach Öffnen des Lasttrennschalters
im Wechselrichter – die
gesamte Leitung vom Wechselrichter
bis zu den PV-Modulen unter Spannung.
Besonders in Kreisen der Feuerwehr
wird dieser Sachverhalt intensiv
diskutiert, denn für die Feuerwehr
bedeutet dies eine besondere Gefährdung
der Einsatzkräfte im Brandeinsatz
und bei Hochwasser.
Verschiedene Handlungsempfehlungen
versuchen, ein Problembewusstsein
zu erzeugen und bestimmte Vorgehensweisen
vorzu geben. Der
übereinstimmende Wunsch aus diesen
Diskussionen lautet: Eine feuerfeste,
modulnah anzubringende Abschalteinrichtung
soll möglichst automatisch
und unabhängig vom Netzstrom funktionieren.
Auf der Intersolar 2009 zeigte Eaton
Moeller hierzu einen Vorschlag in Form
eines so genannten »PV-Feuerwehrschalters«
(Bild 5, 6), also ein von Hand
zu betätigendes Schaltgerät (25A) im
IP65-Gehäuse mit integriertem Unterspannungsauslöser.
Der Schalter lässt
sich unmittelbar an die PV-Module
montieren und wird in die Strangleitung
zum Wechselrichter eingefügt.
Der »PV-Feuerwehrschalter« bietet
zwei Schaltstellungen.
• In der Schaltstellung »Power« wird
der Strom von den PV-Modulen zum
Wechselrichter durchgeleitet.
• In der Schaltstellung »Safety« werden,
bei manueller Betätigung vor
Ort, beide Gleichstromleitungen un -
terbrochen und der Strang gleichzeitig
kurzgeschlossen. Durch einen
Arbeitsstrom- oder Unterspannungsauslöser
kann der Schalter aber auch
von einem entfernten Standort aus
betätigt werden.
Sicherheitsfunktionen sind im PV-Feuerwehrschalter
ebenfalls vorgesehen:
Eine plombierbare Abdeckklappe verhindert
das unbewusste oder mut -
willige Abschalten des Strangs. Und in
der Stellung »Safety« ist der Schalter
abschließbar. Das Haupteinsatzfeld des
Feuerwehrschalters liegt bei größeren
PV-Anlagen auf Dächern öffentlicher
Gebäude oder in der Landwirtschaft,
weniger bei PV-Anlagen auf privaten
Einfamilienhäusern.
Insbesondere in der Landwirtschaft
gibt es laut Versicherungssachverständigen
die häufigsten Brandschäden bei
PV-Anlagen. Nicht wenige landwirtschaftliche
Anlagen sind sogar derart
kritisch konzipiert, dass Versicherer
keine Police abschließen.
Als besonders problematisch erweisen
sich die Ge bäude, auf denen sich
die PV-Anlagen befinden. In Scheunen
– oft frei tragende Hallen mit un -
geschützten Dachstühlen – existiert
keine Elektroinstallation, oder es
fehlen Erdungsvorrichtungen, über die
im Fehlerfall hohe Ströme abfließen
können. Hinzu kommen oftmals lan ge
Leitungswege, lose Kabel mit der
Gefahr eines Leiterbruchs mit Licht -
bogenbildung, dann schlechte Crimpung
oder allgemein schlechte Mate -
rialqualität sowie Staub, Dreck und
Feuchtigkeit.
Sicherer Strangschutz
Besteht eine PV-Anlage aus mehreren
Strängen, die in einen Zentralwechselrichter
einspeisen, kann es im Falle
eines Kurzschlusses in einem Strang zu
MEHR INFOS
Beitrag zum Thema
DC-Freischaltung von Wechselrichtern,
»de« 1–2/2006, S. 48
Buch zum Thema
Sandner, Thomas: Netzgekoppelte Pho -
tovoltaikanlagen – Planung, Errichtung
und Verkauf für den Handwerksprofi,
3., neu bearb. und erw. Auflage 2009,
ca. 250 S., kartoniert. ca. 36,00€, ISBN
978-3-8101-0277-5, Hüthig & Pflaum
Verlag, www.de-online.info/shop
(erscheint voraussichtlich im November
2009)
Zugehöriges Praxisproblem
Paralleleinspeisung über Lasttrenner,
»de« 11/2006, S. 16
– Erneuerbare Energien 15

Photovoltaik
Quelle: Moeller
gefährlichen Rückströmen kommen.
Kurzschlüsse entstehen entweder im
Modul selbst oder zum Beispiel durch
Fehler oder Beschädigungen der Isolation
der DC-Verkabelung. Die Kurzschlussströme
aller intakten Stränge
fließen dann nicht mehr in den Wechselrichter,
sondern als Rückstrom in den
beschädigten Strang, und können hier
zu unzulässiger Erwärmung der defekten
Module oder weiteren Schäden
führen.
In kleinen Anlagen mit bis zu drei
parallel geschalteten Strängen bleibt
die Höhe des Rückstroms noch unkritisch.
Doch in größeren Anlagen ab
etwa vier Strängen ist der Fehlerstrom
nicht mehr zu vernachlässigen. Für den
Schutz der Module bietet Eaton Moeller
spezielle PV-Sicherungen und
Strangschutzschalter an, die diesem
niedrigen Kurzschlussniveau Rechnung
tragen.
Die Sicherungs-Trennschalter C10-FD
(Bild 7) sind ein- oder zweipolige Ge -
räte, wahlweise mit oder ohne
Blink funktion für den Auslösefall. Sie
nehmen zylindrische Schmelzeinsätze
Bild 7: Der zweipolige DC-Sicherungs-
Trennschalter mit integriertem
Kurzschlussschutz ermöglicht an der
Trennstelle auch Messungen an den
angeschlossenen Modulen
Z-C10/SE...PV der Sicherungsgröße
10 x 38 auf. Diese Einsätze stehen
für 6A bis 20A bei 900V DC zur Verfügung.
Da Schmelzsicherungen bestimmte
Nachteile haben – zum Beispiel die
Empfindlichkeit gegenüber Wechselbeanspruchungen
– bietet Eaton Moeller
Strangschutzschalter PKZ-SOL als
schmelzsicherungslose Alternative für
den Schutz der PV-Module an. Der thermische
Auslöser reagiert bereits beim
1,05 … 1,3-fachen Strom, und der magnetische
Auslöser beim 6-fachen Strom.
Mit ihrem variablen Auslösebereich lassen
sie sich genau auf den tatsächlich
auftretenden Kurzschlussstrom zwischen
5A und 47A einstellen.
Auch für die Strangschutzschalter
PKZ-SOL kann man das Zubehör der
PKZ-Motorschutzschalter verwenden,
so etwa Hilfsschalter NHI-E-PKZ0 für die
Signalisierung des Schaltzustands und
Arbeitsstrom- oder Unterspannungsauslöser
zur Fernauslösung.
Offene Normensituation
Das Fehlen einer speziellen Produktnorm
für Schaltgeräte bei Photo -
voltaik-Anwendungen, welche die
spezifischen Anforderungen der Solaranlagen
berücksichtigt, zwingt die
Hersteller, auf bestehende Normen
zurückzugreifen. So müssen Strangschutzschalter
gemäß DIN EN 60947-2
geprüft werden, die allerdings auf
Kurzschlussströme Bezug nimmt, wie
sie in konventionellen Netzsystemen
auftreten.
Auch sieht diese Norm Prüfspannungen
vor, die 5% größer als die Nennspannung
sind, um die Schwankungen
im Wechselspannungsnetz zu berück -
sichtigen. Eine PV-Anlage wird aber auf
die Leerlaufspannung ausgelegt, Spannungsüberhöhungen
treten nicht auf,
und im Nennbetrieb bzw. Fehlerfall
sinkt die Spannung aufgrund der Kennlinie
sogar ab. Das Fehlen einer Produktnorm
führt dazu, dass die Geräte
für die Photovoltaikanwendung überdimensioniert
oder bezüglich ihrer Leistungsparameter
begrenzt werden
müssen.
Dr. Gottfried Tharang ist Produktmanager
für Motorstarter/Schütze, Volker Lang
ist Mitarbeiter im Bereich Entwicklung
magnetischer Antriebe, beide bei Eatons
Geschäftsfeld Moeller, Bonn
16 – Erneuerbare Energien