Die Innungskolumne im Februar 2011

 

Bezüglich der elektrischen Sicherheit sind eine ganze Reihe an Errichtungsbestimmungen und Produktnormen zu beachten. Die wichtigste Norm liegt erst im Entwurf vor (e EN 62109-2), gültig sind aber auch die entsprechenden IEC-Ausgaben.

Anforderungen an PV-Module

Die Anforderungen an PV-Module beschreiben die entsprechenden Produktnormen. Für die elektrische Sicherheit sind in Österreich die ÖVE/ÖNORM EN 61 646 hinsichtlich Bauarteignung und -zulassung, die ÖVE/ÖNORM E 8001-4-712 bezüglich Errichtungs- und Sicherheitsanforderungen sowie die ÖVE/ÖNORM EN 62 446 zu Mindestanforderungen an Systemdokumentation, Inbetriebnahme und Prüfungen von Bedeutung. Sie definiert u. a. die Mindest-Isolationswiderstandswerte.
Für eine Modulfläche von ≤ 0,1 m² ist ein Isolationswiderstand von RISO150 ≥ 400 m² gefordert. Für Modulflächen ≥ 0,1 m² gilt RISO * m² ≥ 40 MΩm², d.h. ein Modul mit einer Fläche von 2 m² hat einen Mindest-Isolationswiderstand von ≥ 20 MΩ.
In der PV-Anlage stellen die Isolationswiderstände aller Module eine Parallelschaltung gegen Erde dar, das heißt, sie addieren sich nach dem ohmschen Gesetz reziprok. Sind die Module baugleich, vereinfacht sich die Rechnung zu RISO = RMODUL / Modulanzahl. Dies ist zunächst der rechnerische Wert des Isolationswiderstandes der Anlage, der sich aber unter Betriebsbedingungen verändert.

Messung des Isolationswiderstandes vor Aufschaltung

Bei Wechselrichtern ohne einfache Trennung zwischen Netz und dem PV-Generator ist eine Messung des generatorseitigen Isolationswiderstands vor Aufschalten des PV-Generators gefordert. Als Mindestwert sind dabei RISO ≥ 1 kΩ/V, mindestens 500 kΩ gefordert. Mit zunehmender Größe einer PVAnlage und damit der Parallelschaltung vieler Module verringert sich der »natürliche« Isolationswiderstand der Anlage jedoch immer weiter. Die Angaben der Werte des Isolationswiderstands differieren zwischen den Normen.
Für eine typische PV-Anlage mit einer Systemspannung von 700 V und Modulfläche von 60 m² ist ein Isolationswiderstand von 700 kΩ gefordert. Der Isolationswiderstand kann unter Betriebsbedingungen jedoch andere Werte annehmen.

Errichten der PV-Seite

Zur PV-Seite des Wechselrichters empfiehlt es sich, die PV-Module in Schutzklasse II einzusetzen und auch die Verkabelung entsprechend auszuführen. Wird die PV-Seite vom übrigen Netz durch den Transformator galvanisch getrennt, reicht die Anwendung der doppelten Isolierung als alleinige Schutzmaßnahme nicht aus. Es wird eine entsprechende Überwachung gefordert. Diese Forderung entspricht der Praxis. Denn in einem weitläufigen Areal eines PV-Kraftwerkes lässt sich eine Beschädigung nicht ausschließen, z. B. ein Verbiss der Kabel und Leitungen durch Nagetiere. Dies gilt auch für Beschädigungen von Kabeln durch Quetschungen, Übertemperaturen, Versprödung des Kunststoffs usw. Insofern ist eine Isolationsüberwachung sinnvoll, sogar »lebensnotwendig«, denn es gilt nicht nur Sachschäden sowie Brände zu vermeiden, sondern auch Personen zu schützen. Jede Betriebsunterbrechung eines PV-Kraftwerkes kostet viel Geld, wenn kein Strom generiert werden kann. Auch ist das Glas der Module relativ dünn und im Gegensatz zu allen anderen Geräten der Schutzklasse II permanent Umweltbedingungen (Wetter, Witterung, Klima) ausgesetzt.
Dies erschwert den langfristigen Schutz des aktiven Teils der Anlage. In der Praxis sind daher weitere Sicherheitsmaßnahmen gefordert, entweder

  • durch einen ungeerdeten Betrieb des PV-Generators mit permanenter Isolationsüberwachung oder
  • durch einen geerdeten Betrieb mit entsprechender Fehlerstromüberwachung.

Auch wenn die Überwachung von Schutzklasse-lI-Installationen auf den ersten Blick ungewöhnlich scheint, so macht dennoch die Isolationsüberwachung in Bezug auf Betriebssicherheit der Anlage Sinn.

Anforderungen an Wechselrichter

Die Anforderungen an die Wechselrichter ist durch Produktnormen festgelegt, die ein Produkt erfüllen muss, um dessen Gebrauchstauglichkeit sicherzustellen. Für PV-Anlagen überschneiden sich diese Anforderungen der Produktnormen insofern, dass Schutzmaßnahmen, die für die Installation von Bedeutung sein können, bereits im Wechselrichter integriert sein können und dadurch auch in der Produktnorm des Wechselrichters beschrieben werden.
Umgekehrt bedeutet das aber auch, dass die im Wechselrichter integrierten Schutzmaßnahmen unter Umständen den Anforderungen der Errichtungsbestimmungen entsprechen müssen. Insofern ist also der Errichter der PV-Anlage in der Verantwortung, dass Schutzmaßnahme bzw. Netzform koordiniert und normgerecht ausgeführt werden.
Grundsätzlich unterscheiden sich die Wechselrichter durch Ausführungen mit und ohne Transformator. Dies spielt für die Auswahl der Schutzmaßnahme eine wichtige Rolle, denn Wechselrichter mit Transformator bewirken eine galvanische Trennung zwischen der DC- und AC-Seite und damit zwischen PV-Generator und Netzeinspeisung. Der Transformator kann auch außerhalb des Wechselrichters angeordnet sein, wie dies zum Beispiel bei PV-Kraftwerken der Fall ist, wo der Transformator in ein Mittelspannungsnetz einspeist.

Wechselrichter mit Transformator

Wenn die PV-Seite ungeerdet betrieben wird, empfiehlt es sich, diese Seite als lT-System mit Isolationsüberwachung auszuführen. Der entscheidende Vorteil durch das lT-System: Ein ­erster Isolationsfehler führt nicht zur Betriebsunterbrechung, sondern lediglich zur Meldung, und es kann weiter Strom produziert werden.
Damit erhält der Betreiber den notwendigen Informationsvorsprung, um den Fehler zu einem passenden Zeitpunkt zu lokalisieren bzw. zu beseitigen. In dem weitläufigen Areal eines PV-Kraftwerkes kann die Fehlerortlokalisierung natürlich sehr zeit- und kostenaufwendig werden. Bei den heute üblichen Einrichtungen zur Isolationsfehlersuche erfolgt die Fehlerortlokalisierung automatisch unter Spannung, d. h. im Betriebszustand, damit es im PV-Kraftwerk zu keiner Betriebsunterbrechung kommt, Die Einrichtungen zur Isolationsfehlersuche müssen normgerecht errichtet werden.
In der Praxis hat sich z. B. gezeigt, dass der Isolationswiderstand gerade in den Morgenstunden gewissen Schwankungen unterworfen ist. Dies liegt u. a. an der Betauung und an den Eigenschaften der PV-Module. Als Richtlinie empfiehlt sich ein Grenzwert für den Isolationswiderstand bei PV-Anlagen von ≥ 30 kΩ. Der Isolationswiderstand berechnet sich zu: RISO [kΩ] = 5.000 V Umax, PV [V] / Smax [VA]. Als Beispiel ergibt sich bei einer Anlage mit Umax = 700 V und Smax 600 kWp der Isolationswiderstand zu: RISO = 5.000 V * 700 V / 600 kWp = 5,8 kΩ.
Isolationsüberwachungsgeräte fordert normgemäß ein aktives Messverfahren. So genannte Erdschlussüberwachungsrelais, die als alleiniges Messkriterium die bei Auftreten eines Erdschlusses entstehende Unsymmetriespannung (Verlagerungsspannung) nutzen, sind im Sinne dieser Norm als Isolationsüberwachungsgerät nicht zulässig. Denn sie erkennen keine symmetrischen Isolationsfehler.
Bei der Auswahl eines adäquaten Isolationsüberwachungsgeräts ist zu beachten, dass in großen PV-Kraftwerken hohe Netzableitkapazitäten Ce auftreten können, die im Wesentlichen abhängen von der Generatorfläche, der Witterung und dem PV-Modul-Typ. In der Praxis ist hier mit Werten bis zu 1.000 mF und mehr zu rechnen. Moderne Isolationsüberwachungsgeräte können die Beeinflussung der Isolationsmessung durch Netzableitkapazitäten eliminieren und ein präzises Messergebnis liefern.

Wechselrichter ohne Transformator

Trafolose Wechselrichter haben keine einfache Trennung zwischen dem PV-Modul und dem einspeisenden Netz. Deswegen sind sie auch in dieses Erdungssystem eingebunden. Normgemäß ist an der Ausgangsseite des Wechselrichters eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (RCD) Typ B erforderlich. Auf die Ausführung als Typ B darf man nur verzichten, wenn sichergestellt ist, dass Gleichfehlerströme in der elektrischen Anlage nicht auftreten können.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass eine selbsttätige Schaltstelle für PV-Anlagen zu verwenden ist, um die Inselnetzbildung bei Umrichtern zu verhindern. Dies bedeutet, dass bei einer Anlage im Parallelbetrieb mit dem öffentlichen Niederspannungsnetz, im Falle fehlender Netzspannung die Einspeisung verhindert wird. Bei trafolosen Wechselrichtern ist eine kontinuierliche Messung des Isolationswiderstandes während des Betriebs nicht möglich, deshalb führt man vor Aufschaltung eine kurzzeitige Isolationsmessung durch.
Die Norm fordert, dass Wechselrichter ohne einfache Trennung zwischen PV-Generator und Netz eine Fehlerstrom-Überwachungseinheit (RCMU – residual current monitoring unit) enthalten müssen.
Im Fehlerfall hängen Gleich- und Wechselanteil des Fehlerstroms von der Bauart des Wechselrichters und der Gleichspannung des PV-Generators ab. Bei Schaltstellen ohne integrierte Fehlerstrom-Überwachungseinheit ist ein externer Fehlerstromschutz erforderlich.
Der generatorseitige Isolationswiderstand vor der Netzaufschaltung muss > 1 kQN bezogen auf die maximale Wechselrichtereingangsspannung, aber mindestens 500 kQ betragen. Ableitströme > 300 mA müssen innerhalb von 0,3 s zur Abschaltung führen. Unabhängig von der Bemessungsleistung des Wechselrichters müssen plötzlich auftretende Fehlerströme nach Tabelle 1 zur Abschaltung führen.
Es ist zu beachten, dass sich der eigentliche Differenzstrom I aus dem kapazitiven Ableitstrom Ce und dem eigentlichen Fehlerstrom ‘F zusammensetzt. In der Praxis heißt das, dass die Netzableitkapazität Ce der Anlage zu beachten ist. Die Netzableitkapazität Ce hängt ab von der Generatorfläche, von der Witterung und vom PV-Modultyp. Typische Werte für die Netzableitkapazität Ce sind hier z. B. 1 nF pro kWp (rahmenloses Glas-Glas-Modul) bzw. 1 pF pro kWp (Modul mit metallisierter Rückseite, Dünnschicht).

Euer Jo Witke