23/05/2011

Überspannungsschutz für Photovoltaik-Anlagen

Die Funktion des Überspannungsableiters ist es, transiente Überspannungen zu erkennen und sicher gegen Erde abzuleiten. In der Ableitphase wird der Überspannungsableiter niederohmig; nach dem Ableiten wird er wieder sehr hochohmig.

Der elektrische Unterschied zwischen Photovoltaikanlagen und 230/440 V-Stromversorgungensind die hohen Spannungen und die geringen Kurzschlussströme bei Photovoltaikanlagen. Das erfordert unbedingt eine Anpassung der Bauteile, die Art der Anschlüsse und der Trennmöglichkeiten gemäß den neuen elektrischen Bedingungen.

Typische Anschlussmöglichkeiten von Überspannungsschutz in Photovoltaikanlagen sind V- Anschluss, L- Anschluss, Delta Anschluss oder Y- Anschluss.

Varistoren (MOV = Metal Oxide Varistor) und Gasableiter (GDT = Gas Discharge Tube ) sind die standardmäßigen Bauteile bei Überspannungsschutzbausteinen. Die Gasableiter dürfen nicht als singuläre Bauteile verwendet werden, da sie die Bogenbrennspannung nach einem Ableitvorgang nicht selbsttätig löschen können. Deshalb werden die Gasableiter immer mit einem Varistor in Reihe geschaltet. Das hat zwei Vorteile: der Varistor garantiert, dass der Gasableiter nach der Zündung verlöscht und der Gasableiter verhindertLeckströme durch seine galvanische Trennung.

Der Überspannungsschutz (SPD= Surge Protection Device) wird durch die Gleichspannung der Photovoltaikanlage stärker belastet als im Betrieb von Wechselstromanlagen.

Fehlverhalten der Varistoren treten auf, die in Anlagen mit Wechselstrom niemals vorher aufgetreten waren.

In Gleichspannungsnetzen sind Leckströme die Hauptursache von Fehlverhalten der Varistoren. Leckströme zwischen Leiter und Erde werden von vielen Herstellern des Überspannungsschutzes detektiert und ausgeschaltet. Aber Leckströme zwischen den Plus-Leitern und Minus-Leitern werden kaum beachtet. Doch das hat Konsequenzen: es fließen Leckströme, die Höhe der Ansprechspannung sinkt, der Varistor wird schneller warm und altert auch schneller. Dabei werden die Leckströme immer größer.

Extreme Umweltbedingungen wie starke Temperaturschwankungen, hohe Umgebungstemperaturen sowie Feuchtigkeit beschleunigen den Alterungsprozess der Varistoren zusätzlich.

Seit langem ist es üblich, dass die Varistoren durch Schmelzkontakte gegen völlige Zerstörunggesichert werden. Diese Schutzmaßnahme ist aber in Gleichstromnetzen nicht ausreichend.

Das Diagramm zeigt das wechselseitige Verhältnis und den Zusammenhang zwischenSpannung, Strom und den Abstand zwischen den Elektroden und macht damit deutlich, dass die üblichen Lösungen nicht ausreichend sind. Je höher die Spannung ist, desto größer muss der Abstand der Elektroden sein, damit es nach der Trennung nicht zu Lichtbögen (Überschlägen) kommt. Die Abstände in den üblichen Trennvorrichtungen sind nicht groß genug, um eine sofortige, sichere Trennung zu gewährleisten. Es kommt zu Überschlägen und Isolationsfehlern.

Die angesprochenen, aber auch einige altbekannte Probleme konnten durch die neue Technologie gelöst werden. Die Lösung heißt SAFETEC TC-G. Sie eliminiert alle Leckströme, verhindert sicher Lichtbögen, Überschläge und Auswirkungen von Isolationsfehlern.

1) Wie kann man erreichen, dass der Varistor nach dem Ableitvorgang einer Überspannung ohne große Einbuße der Leistungsfähigkeit wieder niederohmig wird? In den meisten Fällen wird der Varistor überlastet und die Überstromsicherung (Vorsicherung)löst aus, um ein Abbrennen des Varistors zu verhindern. Diese Vorsicherung erhöht zwangsläufig die Kosten des Überspannungsschutzes. Der Varistor muss ersetzt werden; eine kostenintensive Reparatur. Es muss eine bessere Lösung geben.

2) Wie verhindert man oder wie verlangsamt man wenigstens die Reduzierung der Schutzfähigkeit der Varistoren durch Leckströme? Die einfachste Methode ist es, Gasableiter und Varistoren in Reihe zu schalten, wie bereits erklärt. Aber dadurch handelt man sich ein schlechteres Schutzniveau ein, da die Ansprechspannung zwangsläufig höher sein muss.

Die neue Schutztechnologie Safetec TC-G hat 2 unabhängig arbeitende Stromkreise,die in einem Steckmodul mit einer Breite von 2TE untergebracht sind.

Der 1. Stromkreis besteht aus Überspannungsgasableiter (GDT2) und Varistor (MOV).

Er dient dazu, transiente Überspannungen zu erkennen und im Millisekunden Bereich abzuleiten. Transiente Überspannungen entstehen durch Schalthandlungen aller Art, sowie durch direkte und indirekte Blitzeinwirkungen.

Der 2. Stromkreis besteht aus der Safetec Technologie. Sie erkennt langanhaltende Überspannungen (TOV), reduziert sie und leitet sie ab. Dieser Schutzmechanismus funktioniert auch, wenn die Überspannung über Stunden ansteht. Transiente Überspannungen werden ebenfalls erkannt und äußerst schnell abgeleitet. Auch ist die galvanische Trennung voll vorhanden.

Wenn die Spannung höher als der zulässige Wert des Varistors wird, wird die Spannung reduziert. In der Anfangsphase liegt der Wert bei 1 A; nach ca. 40 Sekunden hat sich der Wert auf 10 mA eingepegelt. So ist sichergestellt, dass der Varistor nicht überlastet wird und nach Überspannungsereignissen immer wieder voll funktionsfähig ist. Der Vorteil: Er muss nicht wie bei anderen Schutzmodulen ausgetauscht werden.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist eine bewegliche Isolierscheibe, die sich zwischen Varistor und Anschlussklemme schiebt, nachdem sich der Schmelzkontakt geöffnet hat. Das ist der einzige Weg, um sicherzustellen, dass es nach dem Öffnen nicht zu Funkenüberschlägen kommt.

Somit kann niemals ein Lichtbogen entstehen. Der Schutzmechanismus durch eine zwangsgeführte Isolierscheibe ist besonders wichtigbei Installationen in Photovoltaikanlagen und Windgeneratoren.

Ein weiteres Sicherheitsmerkmal ist der sogenannte Überlastschutz. Der Schutzbaustein wird von der Stromversorgung abgetrennt, wenn er drastisch überlastet und die zulässige maximale Belastung wesentlich überschritten wird.

Diese neue Schutztechnologie ist allen anderen bekannten Schutzmaßnahmen weit überlegen. Ist der Überspannungsschutz richtig konzipiert und installiert, ist er elektrisch nahezu unzerstörbar. Das haben Testreihen in Spanien und Südamerika eindeutig belegt.

Wenn es darum geht, die Rendite einer PV-Anlage über Jahre hinaus sicherzustellen, geht kein Weg an diesem Überspannungsschutz vorbei.

Quelle: ISKRA ZASCITE d.o.o.