Photovoltaische Gleichstromsicherungen: Prinzipien, Auswahl, Klassifikation und Anwendungen

1. Was ist eine DC-Sicherung und wie funktioniert sie?

Eine Gleichstromsicherung ist ein Überstromschutzgerät, das in Reihe innerhalb eines Stromkreises geschaltet wird. Sein Kernprinzip basiert auf den thermischen Schmelzeigenschaften von Metall. Wenn ein Überstrom, der einen bestimmten Wert überschreitet, über eine ausreichende Dauer fließt, erhitzt sich das Sicherungselement (typischerweise aus Materialien wie reinem Silber) und schmilzt, wodurch der Stromkreis unterbrochen und eine Fehlersteigerung verhindert wird.

Der Arbeitsprozess lässt sich wie folgt zusammenfassen: Im Normalbetrieb leitet das Sicherungselement Strom als Teil des Stromkreises. Wenn ein Kurzschluss oder eine starke Überlastung auftritt, erzeugt der hohe Strom Wärme, wodurch das Element schnell geschmolzen wird und im Sicherungsrohr ein Lichtbogen entsteht. Das Löschen eines Gleichstrombogens ist deutlich schwieriger als ein Wechselstrom, da der Gleichstrom eine konstante Richtung hat und die natürlichen Nulldurchquerungspunkte (die hunderte Male pro Sekunde im Wechselstrom auftreten) fehlen, die eine natürliche Lichtbogenlöschung ermöglichen.

Aus diesem Grund sind Gleichstromsicherungsrohre mit hochreiner Quarzsand gefüllt. Der Sand kühlt den Bogen gewaltsam ab und absorbiert seine Energie, sodass der Bogen innerhalb von äußerst kurzer Zeit erlöscht. Faktoren wie die Röhrenlänge, die Reinheit und Zusammensetzung des Quarzsands sowie das Design des Sicherungselements bestimmen gemeinsam die Lichtbogenlöschleistung.

2. Wie wählt man die richtige Gleichstromsicherung für ein Solarsystem aus?

Die Auswahl einer PV-DC-Sicherung kann nicht einfach durch Anpassung der AC-Sicherungsparameter erfolgen. Die folgenden Schlüsselfaktoren müssen umfassend berücksichtigt werden:

1. Nennspannung (Ue): Muss die maximale Spannung des Systems überschreiten

Die Open-Circuit-Spannung von PV-Modulen steigt mit sinkender Temperatur. Nach dem IEC 60269-6-Standard für PV-Sicherungen muss die Nennspannung der Sicherung höher oder gleich der maximalen offenen Spannung der PV-Leitung bei der erwarteten niedrigsten Umgebungstemperatur am Installationsstandort sein. Wenn zum Beispiel die maximale Stringspannung bei niedriger Temperatur 1000 V DC erreicht, müssen Sie eine Sicherung wählen, die für 1000 V DC oder höher ausgelegt ist. Verwende niemals eine 600V-Gleichstromsicherung, um ein 1000V-Gleichstromsystem zu schützen.

2. Angegebener Strom (Zoll): Befolgen Sie die Sicherheitsfaktorregel von 1,25

Nach internationalen Normen wie NEC 690.9 und IEC 62548 sollte der Nennstrom der Sicherung erfüllen:

Im ≥ 1,25 × Isc (wobei Isc der Kurzschlussstrom der PV-String ist).

Zum Beispiel, wenn eine Saite einen Isc von 10A hat, beträgt die erforderliche Mindestsicherung 12,5A, und du solltest die nächsthöhere Standardangabe wählen, wie zum Beispiel 15A.

Zusätzlich müssen Koordinationsprinzipien beachtet werden: PV-Module selbst verfügen über eine gewisse Widerstandsfähigkeit gegen umgekehrte Überstrom (IEC 61730-2 verlangt, dass Module dem 1,35-fachen der maximalen Sicherungswert standhalten). Die ausgewählte Sicherung muss innerhalb der angegebenen Zeit mit 1,35-fachem ihres Nennstroms durchbrennen, um die Module effektiv zu schützen.

3. Unterbrechungskapazität (I1): Muss den maximalen Fehlerstrom abdecken

Wenn mehrere Strings parallel in einem PV-Array verbunden sind, führen bei einem Kurzschluss in einer String alle anderen parallelen Strings Strom in den Fehlerpunkt. Die Nennunterbrechungskapazität der Sicherung muss größer sein als der maximale potenzielle Kurzschlussstrom, der an diesem Installationspunkt auftreten kann. In groß angelegten, bodengestützten Kraftwerken oder Batteriespeichersystemen können Kurzschlussströme sehr hoch sein, was Sicherungen mit Unterbrechungskapazitäten von 20 kA, 50 kA oder sogar höher erfordert.

4. Muss dedizierte PV-Gleichstromsicherungen verwenden

Ersetzen Sie niemals eine Gleichstromsicherung durch eine Wechselstromsicherung. DC-Arcs erlöschen nicht von selbst. Wenn eine Wechselstromsicherung in einem Gleichstromkreis verwendet wird, muss sie deutlich reduziert werden (zum Beispiel kann eine Sicherung mit 1000V Wechselstrom nur in einer 440V-Gleichstromschaltung verwendet werden). Daher müssen Sicherungen ausdrücklich als DC-kompatibel gekennzeichnet sein, die der IEC 60269-6 entsprechen und die gPV-Eigenschaft für PV-Anwendungen aufweisen.

3. Gängige Gleichstromsicherungstypen und Anwendungsvergleiche

Basierend auf ihrem Installationsstandort und den Objekten, die sie in einem PV-System schützen, lassen sich Gleichstromsicherungen in folgende gängige Kategorien einteilen:

1. Zylindrische Sicherungen zum Schutz von PV-Saiten

Diese Sicherungen sind kompakt (gängige Größen: 10×38 mm, 10×85 mm zylindrisch) und werden typischerweise in Gleichstrom-Kombinatoren oder an den Eingängen von String-Invertern installiert, direkt in Reihe mit jedem PV-String-Stromkreis geschaltet. Ihr Hauptzweck ist es, Rückwärtsstromfehler zwischen Strings zu verhindern und PV-Module sowie -Kabel vor Rückwärtsüberlastungen zu schützen. Tritt in einem Zweig ein Kurzschluss auf, platzt die Sicherung schnell, wodurch der fehlerhafte Zweig isoliert wird, ohne andere normal funktionierende Strings zu beeinträchtigen. Ihre Unterbrechungskapazität liegt im Allgemeinen im Bereich von 10 kA bis 20 kA, mit üblichen Stromwerten von 2A bis 30A.

2. Quadratkörper-Blattsicherungen für Kombinator- und Umwandlungsschaltungen

Diese Sicherungen sind größer und verfügen über ein verlängertes quadratisches Rohrdesign mit Blattkontakten, die in Sicherungsbasen verschraubt sind, sodass sie sehr hohe Ströme führen und unterbrechen können. Sie werden hauptsächlich am Ausgang von Kombinatoren in PV-Kraftwerken, auf der DC-Eingangsseite von Wechselrichtern und zum Schutz großer Batteriespeicherpakete eingesetzt. Sie dienen nicht nur als Überlastungsschutz, sondern bewältigen auch extrem hohe Fehlerströme (bis zu 50 kA oder mehr), die während Kurzschlüsse der Sammelschienen entstehen, mit Unterbrechungszeiten innerhalb von Millisekunden. Typische Stromwerte liegen zwischen 35A und 500A. Sie dienen als Hauptschutzvorrichtungen in Gleichstromverteilungsschränken und auf der Gleichstromseite großer Wechselrichter.

3. Sehr schnell wirkende Sicherungen für Batteriesysteme

In PV-Energiespeichersystemen benötigen die Batteriepacks und Ladekreise gleichstromspezifische Sicherungen mit sehr schneller Reaktion. Diese Sicherungen weisen ultraschnelle Blaseigenschaften auf, mit Unterbrechungszeiten von bis zu 15–100 Mikrosekunden. Sie werden hauptsächlich verwendet, um Batterien, Laderegler und den Gleichstrombus von Wechselrichtern vor Überspannungsströmen oder schweren Kurzschlüssen zu schützen, die Halbleiterbauelemente sofort beschädigen könnten. Sie werden typischerweise in der Nähe der Batteriebank oder in dedizierten Sicherungsschalter-Trennverbindern installiert.

Zusammenfassung

Von den kleinen Sicherungssicherungen in PV-Kombinatorboxen über die großvolumigen quadratischen Blattsicherungen in Konvertergehäusen bis hin zu den sehr schnell wirkenden Sicherungen in Batteriesystemen bilden Gleichstromsicherungen mehrere Schutzschichten auf der Gleichstromseite eines PV-Kraftwerks. Indem Sie den richtigen Typ und die richtigen Parameter der Sicherungen auswählen und die Grundprinzipien "DC-zertifiziert, spannungsabgestimmt, mit Sicherheitsmarge) und ausreichender Trennkraft befolgen", stellen Sie sicher, dass Sicherungen ihre Funktion als letzte Verteidigungslinie erfüllen und den sicheren Betrieb des PV-Kraftwerks gewährleisten.