Überspannungsschutz für PV-Systeme im Wohnungsbau

Die Normen DIN VDE 0100-443 und -534 verpflichten zum Einbau von Überspannungsschutzeinrichtungen in Niederspannungsanlagen aus Gründen der Schadensprävention. Geregelt wird so allerdings nur die Notwendigkeit eines Überspannungsschutzes auf der AC-Seite. Um auch PV-Anlagen, deren Betreiber und die Hausbewohner zu schützen, lohnt sich ein zusätzlicher Blick in die DIN VDE 0100-712. Mit ihrer Hilfe lässt sich ein ganzheitliches Schutzkonzept entwickeln – auch DC-seitig.

Wichtige Normen treten in Kraft

Bild 1: Gebäude mit PV-Anlage

Für einiges Aufsehen hat die Einführung der Norm DIN VDE 0100-443/-534 gesorgt. Seit dem Ende ihrer Übergangsfrist am 14.12.2018 ist Überspannungsschutz im privaten Wohnungsbau und im kleinen Gewerbebau grundsätzlich Pflicht. Selbst Anlagen, die vor der Veröffentlichung der beiden Normen am 1.10.2016, geplant aber noch nicht fertiggestellt wurden, mussten angepasst beziehungsweise nachgerüstet werden. Dabei regelt die DIN VDE 0100-443, wann ein Überspannungsschutz eingebaut werden muss, und die DIN VDE 0100-534, welche Schutzmaßnahmen wie eingebaut werden müssen.

Beide Normen sind fraglos wichtig für den Schutz von Gebäuden und deren Bewohnern. Was aber leicht übersehen wird, ist, dass die DIN VDE 0100-443 und -534 die Notwendigkeit eines Überspannungsschutzes zwar AC-seitig regeln, nicht aber ganzheitlich. Das heißt, was in der DIN VDE 0100-443 und -534 beschrieben ist, dient vorrangig dem größtmöglichen Risiko der Brandverursachung und ist absolut notwendig. Alle Risiken und Szenarien werden aber nicht abgedeckt.

So erhöhen beispielsweise PV-Anlagen das Risiko eines Blitzeinschlags nicht, müssen aber – zum Schutz von Menschen, verbauter Technik und Gebäude – dennoch entsprechend geschützt werden. Eine wichtige Rolle bei der Planung eines passenden Schutzkonzeptes spielt dabei die DIN VDE 0100-712, die seit April 2019 in einer neuen Fassung gilt. Sie regelt unter anderem den Blitz- und Überspannungsschutz für den Aufbau von Photovoltaik-(PV)-Stromversorgungssystemen. Zudem macht sie durch den Verweis auf die DIN VDE 0185-305-3 Beiblatt 5 den Einbau von Überspannungsschutz auf der DC-Seite erforderlich.

Ein näherer Blick auf die Norm und das Beiblatt 5 der DIN EN 62305-3 lohnt sich, wird ein ganzheitliches Schutzkonzept angestrebt. Sie klären Fragen zum Thema Risikobewertung sowie zur Auswahl der richtigen Überspannungsschutzeinrichtungen (Surge Protection Devices, SPD).

Eine Frage der Anlage

Bild 2: Photovoltaik-Anlage mit äußerer Blitzschutzanlage und nicht eingehaltenem Trennungsabstand

Zunächst einmal gilt es, die passenden Schutzmaßnahmen und SPDs für die jeweilige Anlage auszuwählen. Hierfür werden in der Norm drei Szenarien mit unterschiedlichen Parametern beschrieben und entsprechende Maßnahmen empfohlen.

So werden für eine PV-Anlage ohne Blitzschutzsystem als Maßnahme auf der AC- und DC-Seite jeweils SPDs vom Typ 2 vorgegeben (Bild 1). Trifft das zweite Szenario zu, handelt es sich also um eine Applikation mit äußerem Blitzschutzsystem, muss dagegen zwingend der Trennungsabstand (≥ s) zwischen Ableiter und Rahmen der PV-Module eingehalten werden. Wie genau der Trennungsabstand berechnet wird, geht aus der Norm DIN EN 62305-3 hervor. Zusätzlich muss bei Anwendungen dieser Art in den AC-Gebäudeeintritt ein Typ-1-Ableiter in­stalliert sein, zum Beispiel ein »Raycap ProTec ZPS«. Außerdem sollten die Ableiter rund um den Wechselrichter, also auf der AC- und DC-Seite, mit SPDs Typ 2 ausgestattet werden. Beim dritten beschriebenen Szenario wird der Trennungsabstand (< s) nicht eingehalten und der PV-Rahmen in die Blitzschutzanlage integriert (Bild 2). Daher muss sowohl im Gebäudeeintritt als auch rund um den Wechselrichter ein SPD Typ 1 eingesetzt werden, wenn die Entfernung >10 m ist.

Soweit so gut, doch wie gehen Installateure und Solarteure nun mit diesen Empfehlungen um? Die Antwort ist einfach – und eindeutig: Die DIN VDE 0100-712 gibt vor, dass, sobald ein Schutz bei transienten Überspannungen nach DIN VDE 0100-443 Abschnitt 443 gefordert ist, ein solcher Schutz auch auf der Gleichspannungsseite der PV-Anlage angewendet werden muss. Hierbei lässt sich fast schon von einer generellen Verpflichtung sprechen, da die Norm DIN VDE 0100-443 kaum einen Gebäudetyp auslässt.

Risikoanalyse: Auf den Abstand kommt es an

Wem das oben beschriebene Vorgehen zu pauschal ist, hat die Möglichkeit, eine Risikoanalyse nach DIN VDE 0100-712 durchzuführen (Tabelle). Dazu wird die kritische Länge der Stringleitungen unter Zuhilfenahme der folgenden Formel betrachtet:

L ≥ Lkrit

Tabelle: Berechnung der kritischen Länge Lkrit nach VDE 0100-712

Dabei beschreibt L die maximale Leitungslänge in m zwischen dem Wechselrichter und den Anschlusspunkten der PV-Module der verschiedenen Stränge, während Lkrit abhängig von der Bauart der PV-Anlage ist und in Norm DIN VDE 0100-712 in einer Tabelle festgelegt ist. Mit dem Wert Ng wird die Häufigkeit der Blitze gegen Erde (Anzahl Blitze/km² pro Jahr) abgefragt. Die entsprechenden Werte finden sich in der DIN EN 62305-2 im Abschnitt A.1.

Ist die Ausführung der Stringleitung geschirmt oder geschirmt-umbaut realisiert, was sich zur Reduzierung der elektromagnetischen Einkopplungen empfiehlt, ist auch ­eine vereinfachte Risikoanalyse zulässig. Denn dann ist es möglich, die Länge L um die geschirmte Länge zu reduzieren.

Bild 3: Bei einer Entfernung von >10 m sollte ein weiterer Überspannungsschutz eingebaut werden.

Beachtet werden muss zudem die Vorgabe für die Entfernung zwischen den SPDs und dem zu schützenden Gerät. Sie soll, laut Norm, weniger als 10 m betragen. Ist der Abstand größer (> 10 m) sollte ein weiteres SPD eingebaut werden (Bild 3). Die vorgegebene Maximalentfernung wird häufiger überschritten, als man denkt. Ist zum Beispiel ein Wechselrichter unter dem Dach installiert, sind 10 m Abstand zwischen dem Typ-1-Ableiter am Gebäudeeintritt und dem Schutz des Wechselrichters auf der AC-Seite schnell erreicht. Selbiges gilt für Fälle, in denen die DC-Leitung vom Dach bis zum Keller führt. Auch hier muss ein Schutz beim Gebäudeeintritt und einer am Wechselrichter geplant werden.

Ist das PV-System allerdings durch eine Blitzschutzanlage (LPS) umbaut und wird der Trennungsabstand eingehalten, muss das komplette PV-System inklusive der Signal­kabel oder Stringleitungen getrennt aufgebaut werden und darf auf keinen Fall mit der Blitzschutzanlage verbunden sein.

Und auf der DC-Seite?

Bild 4: Die »Protec T2 PV-Box« schützt Wechselrichter, die auf DC-Seite nicht gegen Überspannungen abgesichert sind.

Nun stellt sich noch die Frage nach dem richtigen Schutz für die DC-Seite. Wird der Wechselrichter mit Überspannungsschutz ausgeliefert, ist der Überspannungsschutz laut Norm erfüllt. Ist dies nicht der Fall, ist auf der DC-Seite ein externes SPD erforderlich. Helfen kann dabei beispielsweise die »Protec T2 PV-Box« (Bild 4). Sie lässt sich mit wenigen Handgriffen neben dem Wechselrichter oder im Gebäudeeintritt montieren. Bei der Installation muss darüber hinaus der Schutzpegel UP einhalten werden. Er darf bei einem Wechselrichter mit UOCMAX von 1000 V eine Bemessungsstoßspannung UW von 6000 V nicht überschreiten. Die PV-Box, aber auch alle anderen SPDs des Herstellers, gewährleisten dies durch einen niedrigen Schutzpegel.

Wichtig ist es außerdem, dass SPD so nahe wie möglich an dem zu schützenden Gerät zu installieren. Überschreitet der Abstand 10 m, sollte, wie bereits erwähnt, am Wechselrichter und am Gebäudeeintritt jeweils ein SPD installiert werden. Auch die Auslegung für das richtige SPD ist in diesem Fall relevant. Hier sollte die Betriebsspannung Ucpv ≥ der Maximalspannung UOCMAX des PV-Generatorfeldes betragen.

Der Überspannungsschutz muss darüber hinaus stets zwischen +/- und +/- sowie der entsprechenden Erde eingebaut werden. Bei dem durch die Norm vorgegebenen Nennwert des Stoßstromes In ist die Vorgabe bei einem SPD Typ 2 mindestens ein Nennableitstrom von 5 kA. Weist der Ableiter, wie dieser von Raycap, einen deutlich höheren Stoßstrom auf, ist von einer längeren Lebensdauer auszugehen.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Kurzschlussstromfestigkeit. Bei der Planung einer Anlage wird der zu erwartende Kurzschlussstrom berechnet. Tritt ein Fehler auf, muss der SPD diesen Strom sicher abschalten können. Das heißt, die Kurzschlussstromfestigkeit ISCPV muss ≥ des maximalen Stroms ISCMAX des Generatorfeldes sein. Gibt der Hersteller der SPDs die Werte nicht an, dürfen die Geräte nicht verwendet werden. Die Auswahl der Typ-1-Ableiter mit ihrem Blitzstoßstrom Iimp kann entsprechend der CLC/TS 50539-12 erfolgen. Ist eine Detailberechnung nicht möglich, kann von einen Iimp von ≥ 12,5 kA (Blitzschutzpegel LPL III) ausgegangen werden.

Alle Normen im Blick behalten

Für ein ganzheitliches Schutzkonzept ist es wichtig, alle Regelungen im Blick zu haben. So wird im Zusammenhang mit der DIN EN 0100-712 ausdrücklich auf die VDE 0100-443 und -534 verwiesen. Vor allem zwei Aspekte der beiden Normen sind dabei besonders erwähnenswert: die maximale Länge der PE-Leitung, also des stromführenden Drahts, und der Mindest-Querschnitt der Leitung.

Wer ein SPD in eine Niederspannungsanlage einbaut, darf bei der Anschlussleitung eine Gesamtlänge von 1,5 m nicht überschreiten. Eine Leitung von 1 m hat einen Schutzpegel Up von 1000 V, daher sollte die Anschlussleitung möglichst kurz sein. ­Elektroinstallateure und Solarteure müssen darum SPDs mit optimalem Schutzpegel nutzen.

Bild 5: Das Modul »Raytel 20« ist ein D1-SPD vom Typ 1 und schützt Telefonleitungen gegen Überspannungen.

Beim Mindestquerschnitt der Leitung ist dagegen der Typ des SPDs ausschlaggebend. Handelt es sich um einen Blitzschutz, also ein Typ-1-Ableiter, sollten Installateure und Solarteure einen Kupferleiter mit mindestens 16 mm² oder einem leitwertgleichen anderen Leiterquerschnitt wählen. 16 mm² ist das Mindestmaß für Blitzstromtragfähigkeit, daher werden auch die Außenleitungen des externen Blitzschutzsystems mit dieser Größe ausgelegt. Für Typ-2-Ableiter, also Überspannungsschutz, ist in dieser Anschlusskonstellation ein Mindestquerschnitt von 6 mm² Kupfer oder ein anderer leitwertgleicher Leiterquerschnitt erforderlich. Anschlussleitungen wie diese entsprechen dabei der Verbindung zwischen dem SPD und der Haupt-Erdungsschiene.

Nicht vergessen werden darf außerdem, dass die Norm stets auch andere Quellen erwähnt, wie Telefonleitungen und Internetverbindungen, aber auch Satellitenanlagen oder TV-Signale. Allerdings darf die Norm nur auf diese hinweisen, weil es sich bei den Geräten nicht um Bestandteile der spezifischen Norm handelt. In Anbetracht des Risikos, das diese Geräte bedeuten könnten, ist es aber umso wichtiger, sie in das Schutzsystem mit einzubeziehen, zum Beispiel mit einen D1 (Typ 1) SPD für die Telefonleitung wie dem »Raytel 20« (Bild 5).

Hierbei gilt, wie bei allen eingesetzten Produkten, dass die Geräte durch ein unabhängiges Prüflabor geprüft und deklariert sein sollten. Für die AC-Produkte ist dabei die Norm DIN EN 61643-11 relevant; für die DC-PV-Produkte die DIN EN 50539-11. Nur so ist gewährleistet, dass die Produkte auch für den jeweiligen Einsatzort zugelassen sind.

Fazit

Mit den richtigen Überspannungselementen und einer entsprechenden Prüfung und Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen, ist eine sichere Umsetzung auch auf der DC-Seite keine große Herausforderung. Einen guten Ausgangspunkt bietet dabei die Norm DIN EN 0100-712. Sie thematisiert die relevanten Aspekte und behandelt alle wichtigen Fragen. Für Detailfragen zu Einsatzzweck und Umsetzung stehen darüber hinaus auch Hersteller von Überspannungsschutzeinrichtungen zur Verfügung. So steht einem ganzheitlichen Schutzkonzept nichts mehr im Weg.

Autor

Ralf Guethoff, General Manager Lightning and Surge Protection Germany, Raycap

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net