White Paper: Photovoltaik-Anlagen sicher trennen (pdf) - ETA

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White Paper
Sicheres Trennen von Photovoltaikanlagen
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Bei Photovoltaikanlagen kommen zum Trennen von Strömen und Spannungen zwischen dem
Generator und dem Wechselrichter in der Regel DC-Lasttrennschalter zum Einsatz. Hybridsysteme,
die durch die geschickte Kombination von Mechanik und elektronischem Schaltelement höhere
Spannungen und Ströme schalten können, sind hier eine interessante Alternative. Zumal sie
zusätzliche Sicherheitsaspekte berücksichtigen
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Klar ist, dass sich in der Zwischenzeit fast jeder an den Anblick der zahlreichen Photovoltaik (PV)
Dach- und Freiflächenanlagen gewöhnt hat. Dank dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) trägt die
Solarenergie Ende 2010 bereits im Jahresmittel 2% zur deutschen Stromproduktion bei, was
insgesamt rund 840.000 installierten PV-Anlagen mit einer Kapazität von 17 GWp entspricht [1]. Doch
kaum jemand kennt die einzelnen Komponenten einer PV-Gesamtanlage und deren speziellen
Anforderungen auch im Bezug auf die Sicherheit. Veranschaulicht wird dies vom Konzept bis zum
Praxistest anhand eines DC-Lasttrennschalters (auch DC-Freischalter oder Feuerwehr-Schalter
genannt), welcher durch die DIN VDE 0100-712 [2] normativ gefordert ist. Die Norm verlangt, dass
eine Einrichtung zum sicheren Trennen von Strömen und Spannungen zwischen dem PV-Generator
und dem Wechselrichter (also auf der Gleichstromseite) vorzusehen ist. Dieser Trenner kann
entweder im Wechselrichter integriert und/oder separat, zum Beispiel in Generatoranschlusskästen,
installiert werden.
Steigende Anforderungen an die Technik im PV-Markt
Je nach Verschaltung der einzelnen Solarmodule werden in PV-Anlagen Spannungen und Ströme
gebündelt. Hierbei wird die Spannung durch die Reihenschaltung einzelner Module zu einem Strang
erhöht. Dadurch treten in der Praxis auf der Gleichspannungsseite je nach Anlagengröße mehrere
hundert Volt eingangseitig am Wechselrichter auf. Im Falle eines Leerlaufs (abgeschalteter oder
getrennter Wechselrichter), können i.A. 600 bis 1.000 V DC erreicht werden, wobei die
Niederspannungsrichtlinie [3] die oberste Grenze bei 1.500 V DC legt. Der Strangstrom beträgt dabei
typischerweise 5 bis 10 A bei voller Einstrahlung. Weiterhin können mehrere Stränge parallel
geschaltet werden - diese Ströme addieren sich entsprechend auf. Bei diesen Spannungen und
Strömen ist das Auftrennen des Stromkreises wegen der Gefahr eines Lichtbogens im Kontaktsystem
nicht unproblematisch. Dies gilt insbesondere beim Abschalten eines fehlerbedingten Kurzschlusses,
aber auch für den Einspeisebetrieb bei bestimmten Wechselrichtertopologien.
Im Gegensatz zu den derzeit verwendeten DC-Lasttrennschaltern, welche das Trennen von hohen
Gleichspannungen durch eine Serienschaltung von mehreren Löschkammern realisieren, trennt ein
Hybridsystem zuverlässig durch die geschickte Kombination von Mechanik und elektronischem
Schaltelement. Dieses speziell für DC-Anwendungen entwickelte und optimierte Konzept ermöglicht
das Trennen von Spannungen bis 1.500 V DC und max. 30 A auf kleinstem Raum mit nur einer
einzigen Bauvariante. Sowohl die herkömmlichen als auch die Hybrid-Lasttrennschalter werden
hierbei i.d.R. nach der DIN EN 60947-3 [4] und/oder UL 98B [5] zertifiziert.
E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH, Altdorf Mai 2011 ���
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Funktion des Hybridschalterkonzepts
Das Funktionsprinzip (siehe Abbildung 1) des Hybridschaltsystems basiert im positiven Pfad auf zwei
in Reihe geschaltete mechanische Kontaktsystemen (S1 und S2) mit einem elektronischen
Schaltelement parallel zu einem mechanischen Schalter (S1). Das elektronische Schaltelement ist im
Standardbetrieb spannungsfrei (S1 und S2 geschlossen) und wird nur während des Schaltens und im
geöffneten Zustand mit der Nennspannung belastet. Die Elektronik verbraucht in dieser Stellung keine
Energie. Beim Betätigen des Trenners werden S1, S2 und S3 geöffnet. Durch die Potentialdifferenz
(minimal 16 V) des an S1 entstehenden Lichtbogens schaltet das elektronische Element durch, d.h.
der Strom von S1 wird übernommen und der Lichtbogen verlöscht. Dies hat zur Folge, dass für das
gesamte Hybridsystem keine externe Spannungsversorgung benötigt wird. Nach der Kommutierung
des Stroms auf das elektronische Schaltelement geht dieses verzögert in den Sperrzustand und
unterbricht den Stromfluss. Somit kann der mechanische Kontakt S1 stromlos weiter öffnen. S2 und
S3 stellen die zweipolige galvanische Trennung sicher, womit diese Technologie auch für ungeerdete
Anlagen geeignet ist. Beim Wiedereinschalten des Trenners bzw. im geschlossenen Zustand hat das
elektronische Schaltelement keinerlei Einfluss [6]. Die Hybrid-Funktion ermöglicht insbesondere auch
ein sicheres Trennen bei Strömen weit unter der Nennstromstärke des Trenners. Diese niedrigen
Ströme entstehen im Betrieb von PV-Anlagen bei geringer Einstrahlung beispielsweise in den frühen
Morgen- bzw. späten Abendstunden. Beim Abschalten mit rein mechanischen Schaltern besteht hier
die Möglichkeit, dass der Lichtbogen auf Grund der geringen Stromstärke nicht in die dafür
vorgesehene Löschkammer wandert, sondern im Bereich des Kontaktsystems verharrt und diese
übermäßig belastet.
Abbildung 1: Hybridschalter-Konzept für PV-Anlagen (2-polig)
Schaltlichtbögen sind zu vermeiden
Hauptschwierigkeit bei Anwendungen im Bereich PV ist, dass sich PV-Quellen anders als übliche DC-
Spannungsquellen verhalten und über weite Bereiche der Kennlinie eher einer Konstantstromquelle
gleichen. Beim Ausschalten eines Kurzschlusses wird der Strom während des bestehenden
Lichtbogens im Schaltvorgang trotz ansteigender Lichtbogenspannung nahezu konstant weiter
getrieben, bis er dann ungefähr ab dem Punkt maximaler Leistung (MPP) einbricht. Somit wird die
gesamte Schalteinrichtung bei PV-Anwendungen im Gegensatz zu herkömmlichen DC-Anwendungen
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thermisch erheblich belastet. Daraus lässt sich ableiten, dass der Einsatz von schnellen Schaltgeräten
mit weitgehender Vermeidung eines Schaltlichtbogens und somit sehr niedrigen Schaltenergien von
Vorteil ist. Zudem können nicht einfach vorhandene AC-Systeme für DC-Anwendungen adaptiert
werden. Sogar Schaltgeräte, welche für normale DC-Kreise ausgewiesen sind, müssen nicht
zwingend für PV-Generatoren geeignet sein [7]. Da es bisher für höhere Leistungsklassen am Markt
nur wenige praxisgerechte und realitätsnahe Nachbildungen der Strom- und Spannungscharakteristik
von PV-Quellen für Laboranwendungen gibt, ist es fast unvermeidbar, nach der Entwicklung und
ersten (kleineren) Prüfungen im Labor, Tests bzw. Schaltversuche an realen PV-Testanlagen
durchzuführen um die Praxistauglichkeit nachzuweisen.
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Abbildung 2: Der Schaltschrank der PV-Testanlage ermöglicht es, je nach Anforderungen verschiedene
Stränge zu verschalten
Die PV-Testanlage von E-T-A (siehe Abbildung 2) verfügt über insgesamt elf Stränge mit
unterschiedlicher Anzahl von Modulen, welche zudem mit unterschiedlichen Wechselrichtertypen
betrieben werden können. Durch den zentralen Schaltschrank besteht die Möglichkeit, diese Stränge
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je nach Anforderungsprofil zu verschalten. Die hierdurch entstehenden Testszenarien ergeben ein
breites Portfolio zur Beurteilung von PV-Komponenten. Vergleichend wurden hier herkömmliche
Schaltgeräte sowie Hybridsysteme (wie oben beschrieben) getestet. Insbesondere die
problematischen kleinen Ströme waren hierbei von Interesse. Die Ergebnisse (siehe Abbildung 3)
verdeutlichen die großen Unterschiede der Trenner in Bezug auf die zu schaltende Energie. Vor allem
im Hybridsystem ist die Schaltenergie sehr niedrig und ermöglicht somit ein langlebiges und
verschleißarmes Kontaktsystem. Die rein mechanischen Systeme werden hingegen deutlich mehr
belastet, da der Lichtbogen bei kleineren Strömen länger im Kontaktsystem verharrt.
Abbildung 3: PV-Lasttrennschalter Kurzschlussschaltversuche
Zusätzliche Sicherheitsaspekte
Neben der normativen Forderung nach einem Lasttrennschalter auf der Gleichstromseite werden
insbesondere die Sicherheitsaspekte bezüglich brandschutzgerechter Planung von PV-Anlagen,
getrieben durch Feuerwehren und Verbände (BSW, BSFB, DGS, ZVEH, etc.), immer mehr in den
Vordergrund gestellt. Durch durchdachte Konzepte kann hier der Lasttrennschalter auch gezielt als
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"Feuerwehrschalter" betrieben werden. Wichtig ist neben den Mindestanforderungen sowie
Zusatzfunktionen auch der richtige Einbauort. So sollte ein solches System beispielsweise
- ein Fail Safe Verhalten aufweisen,
- einen Auslöser am Hausanschluss (Remote Off) besitzen,
- den Schaltzustand klar ersichtlich machen,
- eine Sicherung gegen Wiedereinschalten enthalten
und direkt am Gebäudeeintritt auf dem Dach in unmittelbarer Nähe zu den Modulen angebracht
werden, und nicht wie meist üblich im Keller des Gebäudes. Durch diese Maßnahmen kann das
Gebäudeinnere im Brandfall frei von berührbaren Spannungen gehalten werden, wodurch ein
sichereres Arbeiten der Feuerwehren ermöglicht wird [8] [9].
Fazit
Der Fokus liegt zukünftig klar auf speziell für den PV-Markt entwickelten und abgestimmten
Schaltgeräten (siehe Abbildung 4) [10], welchen den Sicherheitsstandard von PV-Anlagen optimieren.
Zusätzliche und integrierte Funktionen ergeben hierbei einen Mehrwert, der schon bei der Planung
einer PV-Anlage mit in Betracht gezogen werden sollte.
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Abbildung 4: DC-Lasttrennschalter auf Hybridbasis speziell für PV-Anlagen
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Literatur
[1] Statistikpapier "Photovoltaik" Fassung 01/11:
http://www.solarwirtschaft.de/medienvertreter/marktdaten.html
[2] DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712):2006-06
Errichten von Niederspannungsanlagen - Teil 7-712: Anforderungen für Betriebsstätten, Räume
und Anlagen besonderer Art - Solar-Photovoltaik-(PV)-Stromversorgungssysteme. Berlin,
Offenbach: VDE Verlag
[3] Richtlinie 2006/95/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 12. Dezember 2006
zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten betreffend elektrische Betriebsmittel
zur Verwendung innerhalb bestimmter Spannungsgrenzen. Amtsblatt Nr. L 374 vom 27.12.2006
S. 10-19. Luxemburg: Amt für amtl. Veröffentlichungen
[4] DIN EN 60947-3 (VDE 0660-107):2010-02
Niederspannungsschaltgeräte - Teil 3: Lastschalter, Trennschalter, Lasttrennschalter und
Schalter-Sicherungs-Einheiten. Berlin, Offenbach: VDE Verlag
[5] UL 98B:2010-08
Enclosed and dead-front switches for use in photovoltaic systems. Camas/WA/USA: Uderwriter
Laboratories
[6] Gerdinand, F; Meckler, P.: Hybridschalter für den Einsatz in PV-Anlagen. In: ep Photovoltaik -
1/2-2011 (ISSN 1867-7339); sowie Meckler, P.: Mechatronische Sicherheit. In: EL-Info Extra,
2010-04
[7] Zahlmann, P; Birkl, J.: Prüfung von Schaltgeräten für Photovoltaik-Generatoren. In: etz -
Elektrotechnik + Automation 130 (2009) Heft 8, S. 30-38 (ISSN 0948-7387)
[8] Broschüre "Brandschutzgerechte Planung, Errichtung und Instandhaltung von PV-Anlagen" der
Expertenkommission Brandschutzgerechte Planung, Installation und Betrieb von PV-Anlagen.
Berlin 2011: http://www.dgs-berlin.de
[9] Schulz, W.: Gefahren für die Feuerwehr durch Solarstromanlagen. In: VDI Nachrichten (2011),
Heft Nr. 10 (ISSN 0042-1758)
[10] E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH: http://www.e-t-a.de
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Markus Wiersch ist Geschäftsfeldmanager
für Energie & Umwelttechnik bei der
E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH
in Altdorf.
E-Mail: markus.wiersch@e-t-a.de
E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH, Altdorf Mai 2011 ���
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