Photovoltaik-Generator Schutz: Überströme & Sicherungen

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SOCOMEC Photovoltaik Katalog 2011
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Schutz eines Photovoltaik-Generators
Die Überströme eines Photovoltaik-Generators (Fortsetzung)
Ein solcher Teil-Kurzschluss kann durch zwei Massefehler in einer von der Erde isolierten Anlage entstehen (Bild 2) oder durch
einen einzelnen Massefehler in einer Installation, bei der ein Pol aus funktionalen Gründen an die Erdung angeschlossen ist
(Bild 3).
In diesem Fall kann ein für die Module gefährlicher Überstrom auftreten: der Schleifenstrom beträgt Ifault ≈ n IscSTC und der
Rückstrom im fehlerhaften String IR ≈ (n - 1) IscSTC.
catec-pv 031 a decatec-pv 033 a de catec-pv 032 a de
IR
Ifault
ISC
IR = (n-1) ISC und Ifault = n x ISC
Anzahl der parallel geschalteten Strings
1 2 3 4 5 6 7 8
7
6
5
4
3
2
1
IRM
ISC
Kein
Schutz
Kein
Schutz
Vorzusehender
Schutz
Vorzusehender
Schutz
IR
Ifault
ISC
IR = (n-1) ISC und Ifault = n x ISC
Bild 3: Einzelner Massefehler bei einer Installation mit
funktionsgemäßer Polung
Bild 2: Doppelter Massefehler
Bild 1:
Bemerkung: In der Regel gilt für Anlagen ohne Speicherbatterie:
Die IRM-Werte der PV-Module aus kristallinem Silizium können
mit 2bis 3 IscSTC. angesetzt werden.
Schutz eines Photovoltaik-Generators gegen Überströme
Notwendigkeit eines Schutzes gegen Rückströme
Die Dimensionierung der Verbindungskabel von Strings hängt stark vom Spannungsabfall ab; die Angaben für die zulässige
Strombelastbarkeit zum Schutz der Leitungen gegen Überlastung sind in der Regel automatisch erfüllt und es ist zur
Absicherung kein weiterer Schutz nötig.
Das wichtigste Kriterium für die Wahl der Sicherungen ist der Wert IRM (maximaler Rückstrom des PV-Generators), dem das
Modul kurzfristig standhält, bis die gewählte Schutzsicherung den von einer Störung verursachten Fehlerstrom unterbricht
(siehe nachstehende Bilder 2 und 3).
Ob eine Schutzsicherung vorgesehen werden muss oder nicht hängt von folgender Gleichung ab:
(Ncmax - 1) IscSTC ≤ IRM < Ncmax IscSTC
Bei PV-Generatoren deren Anzahl Strings Nc höher als Ncmax ist, muss demzufolge eine Schutzvorrichtung gegen Rückströme
vorgesehen werden.
Dem Bild 1 kann die Anzahl NCmax der Strings entnommen werden, die abhängig vom Wert des maximalen Rückstroms IRM
eines einzelnen Strings in einer Anlage ohne Speicherbatterie parallel geschaltet werden können:

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Schutz eines Photovoltaik-Generators
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Schutz eines Photovoltaik-Generators gegen Überströme (Fortsetzung)
Generell gilt, dass jeder String einzeln durch eine Schutzvorrichtung geschützt sein sollte. In Sonderfällen, wenn die Module
eine sehr hohe Rückstromfestigkeit haben, kann eine Anzahl Np von Strings parallel an eine einzige Schutzvorrichtung
angeschlossen werden.
Np max.: Maximale Anzahl parallel geschalteter Strings pro Schutzvorrichtung
Rückstromfestigkeit des Moduls Npmax
1,4 IscSTC ≤ IRM < 3,8 IscSTC 1
3,8 IscSTC ≤ IRM < 6,2 IscSTC 2
6,2 IscSTC ≤ IRM < 8,6 IscSTC 3
Allgemeiner Fall: (2,4 Npmax -1) IscSTC ≤ IRM < (2,4 Npmax +1,4) IscSTC
Die IRM-Werte werden von den Herstellern der PV-Module angegeben
Einige Hersteller von Modulen geben einen maximalen Rückstrom an, der ungefähr gleich stark ist wie der Kurzschluss-
Nennstrom und eine Sicherungsgröße, die deutlich höher liegt.
Offensichtlich dient der niedrige angegebene Rückstromwert dazu, die Stromstärke für die Entfrostung oder zum Abschmelzen
einer dünnen Schneeschicht zu defi nieren. Der Wert der Sicherung gibt die eigentliche Festigkeit im Fall einer Störung an.
Wenn ein Hersteller eine maximale Sicherungsgröße angibt, muss diese eingehalten werden. Im Zweifel, welcher
Sicherungstyp zu wählen ist, muss dies unbedingt mit dem „Kundenservice“ des Herstellers der Module geklärt werden
Wahl des Schutzes bei zu starker Sonnenbestrahlung
Wahl der Schutzvorrichtung abhängig von der Rückstromfestigkeit der Module (IRM)
Die Belastung einer Sicherung oberhalb ihrer Nennwerte
muss vermieden werden. Es handelt sich dabei um den
kritischen Bereich zwischen Nennstrom und Schmelzstrom
(Inf).
Dies spielt eine besonders große Rolle, wenn Sicherungen
Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, was bei PV-
Systemen typischerweise der Fall ist.
Der Nennstrom In der PV-Sicherung des Strings muss
oberhalb des maximalen Betriebsstroms des Strings
liegen, der zwischen 1,25 und 1,6 IscSTC schwankt – je nach
klimatischen und Besonnungsbedingungen.
Die PV-Sicherungen dürfen bei normalen Betriebs-
bedingungen weder auslösen noch die Anlage
beeinträchtigen, um Nutzungsverluste zu vermeiden.
Um dies sicherzustellen, wird der Nennstrom In der
Sicherung um 40 % höher als der Isc des PV-Strings
gewählt.
Der Strom IRM muss nach der Norm IEC 61730 in
einem 2-stündigen Versuch bei 1,35 IRM nachgewiesen
werden; damit ist der Schutz gewährleistet, wenn die
gewählte Sicherung unterhalb eines Werts von 1,35 IRM
ordnungsgemäß auslöst.
Die übliche Auslösezeit If (oder I2) einer Sicherung beträgt
1 Stunde, das heisst sie ist kürzer als die 2 Sunden, die
das Modul standhält. Damit ist durch die Angabe eines
Maximalstroms für die Absicherung eines bestimmten
Moduls eine Sicherheitsmarge gegeben.
Da die standardmäßigen Auslösezeiten und Ströme der
verschiedenen Sicherungstypen unterschiedlich sind,
muss die Einhaltung der nachfolgenden Regeln überprüft
werden.
In ≤ 0,85 IRM bei den Sicherungstypen gR, gS oder gG ≥
16 A
In ≤ 0,7 IRM beim Sicherungstyp gG < 16 A
Die Sicherungen vom Typ „gPV“ nach der zukünftigen
Norm IEC 60 269-6 erreichen einen PV-Schutzwert von
If =1,45 In und können mit In ≤ IRM gewählt werden.
catec-pv 034 b de
Arbeitsbereichbereich der Sicherung
Module
Inf If
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
Sicherungen
I/IscSTC
IRM
In
PV-Module
Sicherungen gPV
Inf: Stromstärke, bei der die Sicherung noch nicht schmilzt
If oder I2: Maximale Stromstärke, bei der die Sicherung schmilzt
In ≥ 1,4 IscSTC
catec-pv 035 b de
0,4 0,6 0,8 1 1,20 1,35 de IRM
Module
Inf If
Sicherungen
Iscr
In
Sicherungen gPV
Standfestigkeit 2h
Arbeitsbereichbereich der Sicherung
Inf: Stromstärke, bei der die Sicherung noch nicht schmilzt
If oder I2 : Maximale Stromstärke, bei der die Sicherung schmilzt
If ≤ 1,35 IRM oder In ≤ IRM

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Schutz eines Photovoltaik-Generators
Schutz eines Photovoltaik-Generators gegen Überströme (Fortsetzung)
Wahl des Schutzes der Generator-Leitungen
Zum Schutz der Leitungen ist festzulegen, welche
Sicherung einen Überstrom unterbricht, bevor dieser die
Leitungen durch Überhitzung beschädigt. Das ist gegeben,
wenn der Schmelzstrom der Sicherung um den Faktor
1,45 unter der zulässigen Strombelastbarkeit (Iz) dieser
Leitungen liegt. Bei der Ermittlung dieses Stromwerts
Iz müssen alle üblichen Minderungskoeffi zienten wie
die Umgebungstemperatur, die Anzahl der parallel
geschalteten Leitungen usw. berücksichtigt werden.
catec-pv 036 a de
Inf If
Kabel
In
IcIz1,45 Iz
If = 1,45 In
Wahl der Sicherung zum Schutz der Leitungen einer String-Gruppe
(N: Anzahl der Strings)
In ≥ 1,4 I Gruppe = N x 1,4 I String
I2 ≥1,45 Iz
Sicherung zum Schutz eines Photovoltaik-Generators (N: Anzahl der Gruppen)
catec-pv 037 a de
Schutz der Strings Schutz von Gruppen von StringsPhotovoltaikpaneele
Gleichstromseite
In ≥ 1,4 IscSTC Generator = N x 1,4 IscSTC Gruppe
Dieser Schutz des Generators wird ist nur erforderlich, wenn eine Speicherbatterie angeschlossen ist.
Zusammenfassung
Zulässige Strombelastbarkeit der Kabel von PV-Strings und Wahl der entsprechenden Schutzvorrichtungen.
Nc Anzahl der Strings
des Generators
Maximaler Rückstrom in
einem String
Schutz
notwendig
In Bemessungsstrom der
Schutzvorrichtungen für die Strings
Iz Zulässige Strombelastbarkeit
der Leitungen der PV-Strings
1 - Nein Iz ≥ 1,25 IscSTC
2 1,25 IscSTC Iz ≥ 1,25 IscSTC
Nc ≤ Ncmax (Nc -1) 1,25 IscSTC Iz ≥ (Nc -1) 1,25 IscSTC
Nc > Ncmax
und Np =1
(Nc -1) 1,25 IscSTC Ja In ≥ 1,4 IscSTC
In ≤IRM
Iz ≥ I2
Nc > Ncmax
und Np >1
(Nc -1) 1,25 IscSTC In ≥ 1,4 IscSTC
In ≤IRM – (Np -1) IscSTC
Iz ≥ I2

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Schutz eines Photovoltaik-Generators gegen Überströme (Fortsetzung)
Ausschaltvermögen der Photovoltaik-Sicherungen
Das Ausschaltvermögen der PV-Sicherungen der Strings muss mindestens so hoch sein wie der maximale Fehlerstrom
des PV-Systems. Es wird ein Wert von 25 kA Gleichstrom empfohlen, um dem Einfl uss möglicherweise vorhandener
Energiespeichersysteme oder Rückströme aus dem Stromnetz Rechnung zu tragen. Die Zeitkonstante eines PV-Kreises
liegt gewöhnlich unter 2 ms (L/R), die PV-Sicherungen vertragen deutliche höhere Zeitkonstanten.
Zu verwendende Sicherungstypen
Die Kennlinien von PV-Sicherungen müssen dem Allzwecktyp „g“ entsprechen, denn sie müssen den gesamten Strombereich
vom unteren Schmelzwert bis zum maximalen Ausschaltwert zuverlässig unterbrechen.
Sicherungen des Typs „a“ (Teilbereichssicherungen) sind völlig ungeeignet und dürfen auf keinen Fall verwendet werden, da
bei ihnen unterhalb des Mindest-Ausschaltvermögens die Beherrschung von Lichtbögen nicht gewährleistet ist.
Die Verwendung ungeeigneter Sicherungen kann in einer PV-Anlage mehr Schaden anrichten als Schutz bringen.
Betriebsspannung von Photovoltaik-Sicherungen
Um die Auswirkungen kühler Außentemperaturen einzubeziehen, wird empfohlen, eine Sicherung mit einer um 20% höheren
Betriebsspannung zu wählen.
Un ≥ UocSTC x 1,2
UocSTC: Leerlaufspannung des PV-Strings
Bemerkung:
Mit dem Koeffizient 1,2 werden Spannungsschwankungen UocSTC bei tiefen Temperaturen bis -25°C für mono- und polykristalline Paneele
berücksichtigt. Bei Anlagen mit anderen Mindesttemperaturen kann der Koeffizient angepasst werden.
Thermischer Korrekturfaktor
Auch wenn die Sicherungen selbst relativ wenig Wärme abgeben, muss die Temperatur im Inneren der Gehäuse berücksichtigt
werden, in denen die Schutzvorrichtungen installiert sind. Diese sind erhöhten Außentemperaturen ausgesetzt und in ihnen
ist eine große Anzahl von Geräten wie Sperrdioden oder andere Überwachungsgeräte installiert.
Die von der Norm IEC 61 439 vorgegebenen Bemessungsbelastungsfaktoren (RDF) sind nicht anwendbar, da zugrunde
gelegt werden muss, dass alle Kreise gleichzeitig mit voller Last arbeiten (Bemessungsbelastungsfaktor = 1).
Es sind die vom Hersteller der Sicherungen vorgegebenen Korrekturfaktoren anzusetzen.
Schutz beider Pole
Unabhängig davon, ob die Polung eines Gleichstromnetzes
fest oder variabel ist, müssen beide Pole „+“ und „-“ gegen
Rückströme geschützt werden. Die funktionsgemäße
Polung kann unterbrochen werden und Fehlerströme
können vom einen oder vom anderen Pol zurückfl ießen.
Außerdem wird dringend empfohlen, diese Sicherungen
mit geeigneten Trennschaltern zu kombinieren, um
Sicherungen bei Bedarf unter sicheren Bedingungen
tauschen zu können (IPxxB).
Da solche Arbeiten grundsätzlich ohne Last durchgeführt
werden müssen, muss in unmittelbarer Nähe dieser
Schutzsicherungen ein Trennschalter installiert werden,
der die Abschaltung des davor installierten PV-Generators
unter Last und die Sicherheits-Trennung gewährleistet
(Isolierabstand, Kriechstrecken, zuverlässige oder
sichtbare Trennung…).
Bei Installationen, die neben dem qualifi zierten und
eingewiesenen Personal auch anderen Personen
zugänglich ist, dürfen der Sicherungstrennschalter, der
Überspannungsableiter und anderen Geräte, die keine
Abschaltfunktion haben, nur über eine Öffnung zugänglich
sein, die mit einem Trennschalter gekoppelt ist.
COFF 376 A