Nachrüstung und Neubau von PV-Anlagen: Blitz- und Überspannungsschutz

Blitz- und Überspannungsschutz bei PV-Anlagen

Die Nachrüstung von Photovoltaik und die damit verbundene Integration in die bestehende elektrische Anlage stellt gewisse Anforderungen an die elektrische Sicherheit und den Brandschutz. Wie bei der Neuerrichtung von Anlagen spielen dabei Maßnahmen zum Blitz- und Überspannungsschutz eine wichtige Rolle.

Ende 2021 waren in Deutschland Photovoltaik-Module mit einer Nennleistung von 59 GW installiert, die sich auf etwa zwei Millionen PV-Anlagen verteilen.

Ein sich lohnender Eigenverbrauch, das Streben nach Unabhängigkeit bei der Energieversorgung sowie gesetzliche Vorgaben werden Photovoltaik-Anlagen künftig zu einem festen Bestandteil der Elektroinstallation von Wohn- und Zweckbauten machen.

Sowohl bei der Nachrüstung von Photovoltaik-Anlagen auf bestehenden Gebäuden und der damit verbundenen Integration der Photovoltaik-Anlage in die bestehende elektrische Anlage als auch bei der Errichtung von Photovoltaik-Anlagen auf Neubauten sind die Aspekte der elektrischen Sicherheit und des Brandschutzes zu beachten. Ein Teilaspekt dabei sind Maßnahmen zum Blitz- und Überspannungsschutz.

Notwendigkeit von Blitzschutzmaßnahmen für Gebäude

Bild 1: Äquivalente Einfangfläche AD für direkte Blitzeinschläge in eine freistehende bauliche Anlage

Eine Gebäude-Blitzschutzanlage soll das betreffende Gebäude vor Brand (zündender Blitz) und/oder mechanischer Beschädigung (nicht-zündender Blitz) bewahren. Das Risiko für ein Gebäude, vom Blitz getroffen zu werden, hängt von mehreren Faktoren ab:

  • Die durchschnittliche jährliche Erdblitzdichte: Die Erdblitzdichte in Deutschland ist lokal unterschiedlich und ist zum größten Teil von geographischen Bedingungen beeinflusst. Informationen dazu können dem Beiblatt 1 der DIN EN 62305-2  entnommen werden
  • Die Abmessungen des Gebäudes: Jedes Gebäude hat eine »Einfangwirkung« auf Blitzentladungen. Diese ist nicht nur von der Grundfläche des Gebäudes abhängig, sondern entscheidend auch von dessen Höhe (Bild 1). Je höher das Gebäude, desto größer ist die äquivalente Einfangfläche und damit das Risiko, vom Blitz getroffen zu werden.
  • Bauliche Umgebung des Gebäudes: Die Art der umgebenden Bebauung des Gebäudes hat ebenfalls Einfluss auf das Risiko, vom Blitz getroffen zu werden. Ein Gebäude in geschlossener Bebauung besitzt dabei ein geringeres Risiko vom Blitz getroffen zu werden, als wenn ein gleiches Gebäude auf einem exponierten Platz (z. B. Bergkuppe) errichtet wird.

Durch die Errichtung einer PV-Anlage auf einem Gebäude wird keiner der drei o.g. Einflussfaktoren so verändert, dass eine Erhöhung des Einschlagrisikos für das Gebäude eintritt. Kommt es jedoch bei einem unveränderten Einschlagrisiko für das Gebäude zu einem Blitzeinschlag in die PV-Anlage auf einem Gebäude, so besteht dadurch ein erhöhtes Schadensrisiko für die elektrische Anlage und damit für das gesamte Gebäude, als ohne PV-Anlage.

Dieses erhöhte Schadensrisiko entsteht vor allem dadurch, dass der Blitzstrom unbeeinflusst seinen Weg durch die PV-Installation nimmt und dort Zerstörungen hervorruft. Häufig werden die elektrischen Leitungen des Photovoltaik-Systems ins Gebäude eingeführt, was dazu führen kann, dass auch im Inneren des Gebäudes elektrische Komponenten durch Blitzströme beschädigt werden.

Durch Photovoltaik-Anlagen können also schwerwiegende blitzbedingte Störungen in Gebäuden hervorgerufen werden. Insbesondere bei gewerblich genutzten Gebäuden, ist deshalb das Schadensrisiko durch Blitzeinschlag entsprechend DIN EN 62305-2 (VDE 0185-305-2)  zu ermitteln. Die daraus abgeleiteten Schutzmaßnahmen sind bei der Errichtung der PV-Anlage umzusetzen.

In der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) Beiblatt 5  wird beschrieben, dass ein Blitzschutzsystem, welches für Schutzklasse III (LPL III) ausgelegt ist, den normalen Anforderungen zum Schutz von Photovoltaik-Anlagen entspricht.

PV-Anlagen auf Gebäuden dürfen bereits vorhandene Blitzschutzmaßnahmen weder beeinträchtigen, noch unwirksam machen.

Überspannungsschutzmaßnahmen für elektrische Anlagen in Gebäuden

Mit dem Erscheinen der DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443) im Oktober 2016 ist Überspannungsschutz in allen neu geplanten Gebäuden (auch Wohngebäuden) verpflichtend.

Der spezifische Überspannungsschutz von PV-Anlagen ist in DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712) [6] geregelt und verweist hinsichtlich der Verwendung von Überspannungs-Schutzeinrichtungen auf DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5).

Somit sind in Photovoltaik-Anlagen auf der AC- und DC-Seite insbesondere zum Schutz des Wechselrichters sowie in Signal- und Kommunikationskreisen (falls vorhanden) Überspannungsschutzmaßnahmen vorzusehen.

Hinsichtlich des Blitz- und Überspannungsschutzkonzeptes von PV-Anlagen ergeben sich daher drei unterschiedliche Szenarien:

  • PV-Anlage auf einem Gebäude ohne äußeren Blitzschutz: Dieser Anwendungsfall ist der Regelfall bei der Errichtung von PV-Anlagen auf Wohngebäuden und wird in der DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5) als Situation A beschrieben (Bild 2).

 

Bild 2: PV-Anlage auf Gebäude ohne äußeren Blitzschutz- Situation A (entsprechend Beiblatt 5 der DIN EN 62305-3)

 

  • PV-Anlage auf einem Gebäude mit äußerem Blitzschutz, bei der der notwendige räumliche Trennungsabstand zwischen dem äußeren Blitzschutz und der PV-Anlage eingehalten ist: Zur Vermeidung von unkontrollierten Überschlägen zwischen dem äußeren Blitzschutz und den elektrisch leitenden Komponenten der PV-Anlage, wie z.B. den metallenen Montagesystemen im Falle eines Blitzeinschlages, ist bei der Errichtung der beiden Anlagen ein Trennungsabstand einzuhalten. Dieser ist entsprechend der Vorgaben von DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3)  zu ermitteln. Dieser Anwendungsfall wird in der DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5) als Situation B beschrieben (Bild 3).
Bild 3: PV-Anlage auf Gebäude mit äußerem Blitzschutz unter Einhaltung des Trennungsabstands – Situation B (entsprechend Beiblatt 5 der DIN EN 62305-3)
  • PV-Anlage auf einem Gebäude mit äußerem Blitzschutz, bei der der notwendige räumliche Trennungsabstand zwischen dem äußeren Blitzschutz und der PV-Anlage nicht eingehalten ist: Aufgrund baulicher Gegebenheiten kann es vorkommen, dass der erforderliche Trennungsabstand zwischen PV-Anlage und Blitzschutz nicht eingehalten werden kann. Zur Vermeidung von unkontrollierten Überschlägen zwischen dem äußeren Blitzschutz und den elektrisch leitenden Komponenten der PV-Anlage im Falle eines Blitzeinschlages ist deshalb ein Potentialausgleich zwischen dem äußeren Blitzschutz und den elektrisch leitenden Komponenten der PV-Anlage herzustellen. Dieser Anwendungsfall wird in der DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5)  als Situation C beschrieben (Bild 4).

    Bild 4: PV-Anlage auf Gebäude mit äußerem Blitzschutz ohne Einhaltung des Trennungsabstands – Situation C (entsprechend Beiblatt 5 der DIN EN 62305-3)

Lösungen zum Schutz der Photovoltaik-Anlage und der elektrischen Anlage für diese drei Szenarien werden in den nachfolgenden Anwendungsbeispielen beschrieben.

PV-Anlage auf einem Gebäude ohne äußeren Blitzschutz

Bild 5: Anwendung Dehnshield ZP B2 SG im Zählerplatz

Für Wohngebäude wird durch baurechtliche Vorschriften in der Regel kein Blitzschutz gefordert. Das in Bild 2 dargestellte Überspannungsschutzkonzept umfasst deshalb nur den Schutz gegen Überspannungen, die durch die Blitzentladung induktiv in die PV-Anlage eingekoppelt werden, sowie die Schutzmaßnahmen nach DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443)  zum Schutz vor Überspannungen, die vom Versorgungsnetz über den Hausanschluss auf die Verbraucheranlage einwirken und den Schutz vor Schaltüberspannungen. Dieser wird durch das mit (3) in Bild 2 bezeichnete Überspannungsschutzgerät (SPD) sichergestellt. Der in Bild 5 gezeigte Kombi-Ableiter Typ 1+2+3 Dehnshield ZP B2 SG vereint zwei Funktionen in einem Gerät. Neben der zentralen Funktion des Überspannungsschutzes beinhaltet diese Gerätefamilie zwei integrierte, abgesicherte Spannungsabgriffe für intelligente Messeinrichtungen. Somit werden die Anforderungen der VDE-AR-N 4100  erfüllt und der Kombi-Ableiter kann im netzseitigen Anschlussraum im Zählerschrank installiert werden.

Bild 6: Überspannungsschutzgerät SPD Typ 2 Dehnguard M TNS 275 zum Schutz der AC-Seite des Wechselrichters

Ist die Leitungslänge l2 zwischen dem Einbauort des SPD (3) und dem Wechselrichter der PV-Anlage größer als 10 m, so ist am AC-Ausgang des Wechselrichters ein SPD Typ 2 nach DIN EN 61643-11 (Bild 6), vorzusehen. Dieses SPD Typ 2 ist in Bild 2 mit (2) gekennzeichnet.

Ein weiterer, wichtiger Bestandteil des Schutzkonzeptes nach Bild 2 sind SPDs für den Schutz der DC-Komponenten, z. B. dem Wechselrichter. Aufgrund der speziellen, nichtlinearen Charakteristik von PV-Stromquellen sind SPDs zu verwenden, welche der hierfür relevanten Herstellerprüfnorm DIN EN 61643-31 entsprechen. Dehncube YPV SCI 1000 (Bild 7) sorgt für einen sicheren Schutz des Wechselrichters.

Der Ableiter kann ohne ein zusätzliches Isolierstoffgehäuse installiert werden – egal ob im Innen- oder Außenbereich. Bei einer Kabellänge l1 von mehr als 10 m wird das Konzept durch ein weiteres SPD (1) für den Schutz der PV-Module ergänzt. Für AC- oder DC-gekoppelte Batteriespeichersysteme gilt die gleiche Herangehensweise wie für den Wechselrichter. Ist die Leitungslänge zwischen SPD und Batteriespeicher größer als 10 m, ist ein zusätzlicher Schutz notwendig.

PV-Anlage mit äußerem Blitzschutz und Trennungsabstand

Bild 7: Überspannungsschutzgerät SPD Typ 2 Dehncube YPV SCI 1000 zum Schutz der DC-Seite des Wechselrichters

Das Schutzkonzept in dieser Anlagenkonfiguration (Bild 3) ist vom Prinzip her gleich aufgebaut, wie bei einer PV-Anlage auf einem Gebäude ohne Blitzschutz (Bild 2). Der Hauptunterschied besteht jedoch in der notwendigen Leistungsfähigkeit des SPD (3) im Zählerschrank. Da in dieser Anlagenkonfiguration mit dem Auftreten von Blitzströmen zu rechnen ist, muss ein SPD Typ 1 (3) eine Blitzstromtragfähigkeit entsprechend der gewählten Blitzschutzklasse der Blitzschutzanlage aufweisen. Für die Blitzschutzklasse III besteht hier die Forderung nach einem Mindestableitvermögen von 12,5 kA (10/350 µs) pro Pol bei einem vierpoligen Gerät. Auch für diesen Anwendungsfall bietet die Dehnshield ZP-Familie den richtigen Ableiter.

PV-Anlage mit äußerem Blitzschutz ohne Trennungsabstand

Das grundlegende Schutzkonzept in dieser Konfiguration (Bild 4) ist mit den bisher beschriebenen vergleichbar. Der Hauptunterschied besteht hier jedoch darin, dass alle in diesem Konzept verwendeten SPDs eine Blitzstromtragfähigkeit mit Prüfströmen der Wellenform 10/350 µs nachweisen müssen. Das liegt darin begründet, dass durch den Potentialausgleich zwischen der Blitzschutzanlage und den Photovoltaik-Modulgestellen auf der Dachfläche zwangsläufig auch ein Teil des Blitzstromes im Inneren des Gebäudes fließt. Deshalb müssen die verwendeten SPDs sowohl auf der AC- als auch der DC-Seite in jedem Fall blitzstromtauglich sein.

Fazit

Die Bedeutung der dezentralen Energieerzeugung durch Photovoltaik-Anlagen wird weiter zunehmen. Ein stabiler und sicherer Betrieb dieser Anlagen ist damit essentiell für eine stabile Energieversorgung.

Schutzkonzepte für Photovoltaik-Anlagen gegen Blitzströme und Überspannungen sind bereits heute vorhanden und umsetzbar. Damit kann ein wertvoller Beitrag zur Versorgungssicherheit von Photovoltaik-Anlagen geleistet werden.

Autoren

Dipl.-Ing. Veiko Raab, Leiter Dehn Academy;

Christian Vögerl, Teamleiter Business Development Infrastructure + Renewables, Dehn SE, Neumarkt

Quelle und Bildquelle: www.elektro.net

 

 

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