Überspannungsschutz in PV-Systemen: Funktionen und Auswahlleitfaden

Die Rolle von Überspannungen in PV-Systemen

Eine Überspannung, definiert als eine Momentane und signifikante Spannungsschwankung, spielt eine entscheidende Rolle in Photovoltaiksystemen (PV). Da die meisten PV-Systeme im Freien installiert und über längere Zeit der natürlichen Umgebung ausgesetzt sind, sind sie sehr anfällig für Überspannungen, die durch Faktoren wie Blitzeinschläge, Spannungsschwankungen im Netz und interne Systemfehler verursacht werden. Die Hauptfunktion einer Überspannungsschutzvorrichtung (SPD) besteht darin, diesen Überspannungen standzuhalten und den sicheren sowie stabilen Betrieb des PV-Systems sicherzustellen.

Schutzprinzip

Überspannungsschutzsysteme enthalten typischerweise wichtige Komponenten wie Metalloxid-Varistoren (MOVs). Unter normalen Spannungsbedingungen zeigt ein MOV einen hochohmigen Zustand, der fast keinen Strom durchlässt und somit keinen Einfluss auf den Systembetrieb hat. Tritt jedoch eine Überspannung auf, die die Auslöseschwelle des MOV überschreitet, sinkt der Widerstand des MOV stark und augenblicklich und wechselt in einen niedrigimpedanzfähigen Zustand. Dies schafft einen Niederwiderstandspfad, durch den der Überspannungsstrom schnell zur Erde umgeleitet wird, wodurch hohe Spannungen empfindliche elektronische Komponenten im PV-System nicht beschädigen. Sie wirkt wie eine robuste Barriere und schützt das System vor Surge Damages.

Schutz kritischer Geräte

In PV-Systemen sind teure und betriebswichtige Geräte wie Wechselrichter, PV-Panels und Controller stark auf stabile Spannung angewiesen. Überspannungsschutz schützt diese kritischen Geräte direkt vor Schäden durch Überspannungen. Zum Beispiel haben Wechselrichter – Kernkomponenten, die Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umwandeln – strenge Anforderungen an die Spannungsstabilität. Überspannungsschutzsysteme verhindern effektiv Ausfälle des Wechselrichters durch Überspannungsauswirkungen, sorgen für ihren normalen Betrieb und garantieren somit die Leistungsumwandlung und Leistung des gesamten PV-Systems.

Sicherstellung eines kontinuierlichen Systembetriebs

Die Installation von Überspannungsschutzsystemen reduzierte Schäden und Ausfallzeiten durch Überspannungen erheblich, wodurch die Effizienz und die Rendite der Energieerzeugung des PV-Systems verbessert werden. Ohne Überspannungsschutz müssten durch Überspannungen verursachte Geräteschäden repariert oder ausgetauscht werden, was zu hohen Wartungskosten und längeren Systemausfallzeiten führt. Diese Ausfallzeiten führen zu Verlust der Stromerzeugung und sinkenden Umsätzen. Überspannungsschutz mindern diese Risiken und sorgt dafür, dass das System kontinuierlich und stabil Strom erzeugt und den Nutzern eine zuverlässige Stromversorgung und wirtschaftliche Vorteile bietet.

Brand- und Explosionsprävention

Auf der DC-Seite von PV-Systemen können Überspannungen Lichtbögen verursachen – ein äußerst gefährliches Phänomen, das leicht Brände und Explosionen auslöst. Überspannungsschutz unterdrücken dieses Lichtbogenrisiko, verringern Brandgefahr, gewährleisten den sicheren Betrieb des PV-Systems und schützen Personal sowie die umliegende Umgebung.

Wie man den richtigen Überspannungsschutz auswählt

Bestimmung des Schutzniveaus

Stufe 1 Schutz (Klasse B): Wird hauptsächlich in den Hauptverteilungsschränken von Gebäuden eingesetzt, um direkte Blitzeinschläge und starke elektromagnetische Blitzimpulse zu widerstehen. In groß angelegten PV-Systemen in Gebieten mit häufiger Blitzaktivität kann an der Hauptleitung des Systems ein Überspannungsschutz der Stufe 1 installiert werden. Dies bildet die erste Verteidigungslinie und verhindert, dass mächtige Blitzenergie direkt in das System eindringt.

Stufe 2 Schutz (Klasse C): Geeignet für Verteilerschränke, schützt er hauptsächlich gegen blitzbedingte Überspannungen und Überspannungen im Schaltbetrieb. In PV-Systemen können Klasse-C-SPDs an den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen von Wechselrichtern sowie in Kombinatorboxen installiert werden. Sie reduzieren die Restspannungen nach dem Schutz der Stufe 1 weiter, wodurch nachgeschaltete Geräte vor induzierten und betrieblichen Überspannungen abgeschirmt werden.

Stufe 3 Schutz (Klasse D): Typischerweise vor der Einnahme von Geräten installiert, um vor Restblitz-induzierten Überspannungen und Überspannungen bei Schaltbetrieben zu schützen. In PV-Systemen kann für kleine spannungsempfindliche Geräte wie Überwachungsmodule und Datenlogger ein Überspannungsschutz der Stufe 3 an der Vorderseite installiert werden, um einen präziseren Schutz zu gewährleisten und einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.

Anpassung des Spannungspegels

Die maximale Dauerspannung (Uc) des Überspannungsschutzes muss der Nennspannung des PV-Systems entsprechen. Zum Beispiel benötigt ein gängiges 1000V-PV-System einen Überspannungsschutz mit einer Uc von mindestens 1000V. Hat der gewählte SPD eine zu niedrige Spannung, kann er während des normalen Betriebs beschädigt werden, da er der Systemspannung nicht standhalten kann. Umgekehrt kann eine übermäßig hohe Spannung verhindern, dass der SPD während einer Überspannung sofort aktiviert wird, wodurch er wirkungslos wird. Die genaue Anpassung des Spannungspegels ist daher ein entscheidender Schritt bei der SPD-Auswahl.

Betrachten wir die Stromtragkapazität

Die Stromtragfähigkeit (Imax) bezeichnet den maximalen Blitzstrom, dem ein Überspannungsschutz standhalten kann. In praktischen Anwendungen sollte der Imax des SPD etwas höher als der erwartete Blitzstrom sein, basierend auf der lokalen Blitzaktivität und der potenziellen Überspannungsintensität, der das System erleben könnte. In Gebieten mit häufigem Blitzeinschlag sind SPDs mit größerer Stromtragkapazität erforderlich, um sicherzustellen, dass sie den Strom zuverlässig bei starken Überspannungen zum Boden umleiten können, ohne durch Überlastung auszufallen, und so die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des SPD zu gewährleisten.

Achten Sie auf die Reaktionszeit

Die Reaktionszeit eines Überspannungsschutzes sollte so kurz wie möglich sein, idealerweise im Nanosekundenbereich. Nur mit einer ausreichend schnellen Reaktionszeit kann der SPD den Moment des Eintreffens des Blitzstroms schnell leiten, den Überspannungsstrom schnell zur Erde umleiten und die Geräte vor übermäßigen Spannungsschäden schützen. Eine verzögerte Reaktion würde bedeuten, dass der SPD erst aktiviert wird, wenn die Überspannungsspannung die Ausrüstung bereits beschädigt hat und seine Schutzfunktion nicht erfüllt.

Anpassung an Installationsstandort und -methode

Zentralisierte PV-Systeme: Überspannungsschutz können sowohl an den Eingangs- als auch an den Ausgangsanschlüssen von Wechselrichtern installiert werden. Die Installation eines SPD am Invertereingang schützt den Wechselrichter vor Überspannungen, die von der PV-Panelseite ausgehen, während eine SPD am Ausgangsterminal die Netzseite der Geräte vor vom Inverter erzeugten Überspannungen schützt. Zusätzlich sollten geeignete Überspannungsschutzmechanismen in den Kombinatoren großer zentralisierter PV-Kraftwerke installiert werden, um die elektrische Sicherheit während des Stromzusammenführungsprozesses zu gewährleisten.

Verteilte PV-Systeme: Aufgrund ihres kleineren Maßstabs und ihrer verstreuten Verteilung können verteilte PV-Systeme Überspannungsschutzsysteme in der Kombinatorbox jeder PV-Anlage installieren, um einzelne Stromerzeugungseinheiten zu schützen. Wenn ein dezentrales PV-System an das interne Stromnetz eines Gebäudes angeschlossen ist, muss auch ein entsprechender Überspannungsschutz an der Verteilbox des Gebäudes installiert werden, um zu verhindern, dass Überspannungen über das Netz auf andere elektrische Geräte übertragen werden.