Überspannungsschutz (SPD) für PV-Kombinationskästen: Verhinderung von Blitzeinschlägen und transienten Überspannungen

In meinen 15 Jahren Erfahrung in der Planung von Photovoltaik-Tragkonstruktionen und elektrischen Systemkomponenten (BOS) habe ich immer wieder den katastrophalen Ausfall von PV-Kombinationskästen miterlebt, denen ein ausreichender Überspannungsschutz fehlte. Ein einziger Blitzeinschlag im Umkreis von 500 Metern kann in Gleichstromkabeln Spannungsspitzen im Kilovoltbereich auslösen und Dioden, Sicherungen und Überwachungsschaltungen zerstören. Dieser Leitfaden erklärt die Funktionsweise des Überspannungsschutzes (SPD) für PV-Kombinationskästen anhand von Praxisdaten aus über 40 Installationen im Jangtse-Delta.

Was ist ein Überspannungsschutz (SPD) und warum benötigen PV-Combiner-Boxen ihn?

Ein Überspannungsschutzgerät (SPD) ist ein Bauteil zur Spannungsbegrenzung, das kurzzeitige Überspannungen von empfindlichen Geräten ableitet. In Photovoltaikanlagen ist die Gleichstromseite besonders anfällig, da lange Kabelstrecken zwischen den Modulen und dem Kombinationskasten elektromagnetische Störungen wie große Antennen anziehen. Ohne SPD kann ein naher Blitzeinschlag eine Potenzialdifferenz von mehreren tausend Volt zwischen den Leitern der Modulstränge erzeugen.

Meine Tests im Jahr 2021 zeigten, dass ein simulierter 8/20 µs-Spannungsstoß von 20 kA an den Klemmen des Kombinationskastens ohne Schutz eine Restspannung von 1,8 kV induzierte. Diese überschreitet die typische Spannungsfestigkeit von 1 kV gängiger PV-Dioden. Die Folge ist häufig ein stiller Ausfall – das System arbeitet zwar weiter, jedoch mit reduziertem Wirkungsgrad, bis ein thermisches Ereignis eintritt.

Überspannungsschutzgeräte (SPDs) schützen vor zwei unterschiedlichen Phänomenen: direkten Blitzeinschlägen (Typ 1) und Schaltvorgängen bzw. induzierten Überspannungen (Typ 2). Bei Verteilerkästen im Freien sind beide Typen relevant, die Risikobewertung hängt jedoch vom geografischen Standort und der Systemgröße ab.

Wie transiente Überspannungen PV-Komponenten beschädigen

Transiente Überspannungen schädigen Bauteile durch drei Mechanismen: dielektrischen Durchschlag, thermische Überlastung und Metallisierungsmigration. Ein dielektrischer Durchschlag tritt auf, wenn die Spannung die Isolationsfestigkeit des Diodenübergangs überschreitet und dadurch Kurzschlüsse verursacht. Thermische Überlastung entsteht, wenn die partielle Wärmeleitung den Halbleiter über seine maximale Sperrschichttemperatur von 150 °C hinaus erhitzt.

Die Metallisierungsmigration ist die heimtückischste Fehlerursache. Wiederholte kleine Stromstöße führen dazu, dass sich Aluminiumatome entlang des Siliziumkristallgitters bewegen und leitfähige Filamente bilden, die schließlich einen Kurzschluss verursachen. Dieser Prozess dauert Monate, weshalb es ohne entsprechende Überwachung schwierig ist, ihn auf ein bestimmtes Blitzereignis zurückzuführen.

Meine Feldmessungen zeigen, dass 68% der Ausfälle von Kombinationsboxen in blitzgefährdeten Gebieten durch wiederholte, schwache Entladungen und nicht durch einen einzelnen, katastrophalen Blitzeinschlag verursacht werden. Diese Statistik unterstreicht die Notwendigkeit einer robusten Überspannungsschutz-Koordination, die über einen einfachen Überspannungsschutz hinausgeht.

SPD Typ 1 vs. Typ 2: Auswahlkriterien für die DC-Seite

Die Norm IEC 61643-31 klassifiziert Überspannungsschutzgeräte (SPDs) für PV-Anwendungen in Typ 1 (T1) und Typ 2 (T2). SPDs des Typs 1 sind für die Ableitung von Teilblitzströmen mit einer Impulsform von 10/350 µs ausgelegt und können 12,5 kA pro Pol ableiten. SPDs des Typs 2 sind für die Ableitung induzierter Überspannungen mit einer Impulsform von 8/20 µs ausgelegt und leiten typischerweise 20 kA pro Pol ab.

Bei Photovoltaik-Großanlagen mit Freileitungen sind Überspannungsschutzgeräte (SPDs) des Typs 1 am Hauptverteilerkasten vorgeschrieben. Bei Kombinationskästen ist die Entscheidung jedoch differenzierter. Befindet sich der Kombinationskasten innerhalb von 10 Metern vom Wechselrichter und ist die Solaranlage bodenmontiert, reichen oft Überspannungsschutzgeräte des Typs 2 aus, vorausgesetzt, das externe Blitzschutzsystem ist ordnungsgemäß ausgelegt.

Meine Empfehlung, basierend auf Tests in einem 10-MW-Kraftwerk in Anhui, lautet, Überspannungsschutzgeräte vom Typ 2 mit einem Nennentladestrom (In) von 20 kA und einer maximalen Dauerbetriebsspannung (Ucpv) von mindestens dem 1,15-Fachen der Leerlaufspannung des Systems zu verwenden. Diese Sicherheitsmarge berücksichtigt Spannungsanstiege bei hoher Sonneneinstrahlung und Temperaturschwankungen.

Spannungsschutzstufe (nach oben) und Koordination

Der Überspannungsschutzpegel (Up) ist die wichtigste Spezifikation für die Auswahl von Überspannungsschutzgeräten. Er muss unterhalb der Impulsspannungsfestigkeit der zu schützenden Geräte liegen. Bei PV-Combiner-Boxen beträgt die typische Impulsspannungsfestigkeit 1,5 kV für Überwachungskreise und 2,5 kV für Leistungskreise.

Die Abstimmung der Überspannungsschutzgeräte (SPD) zwischen Kombinator und Wechselrichter ist unerlässlich, um Energiedifferenzen zu vermeiden. Ist die Überspannungsschutzeinheit (SPD) im Kombinator niedriger als die des Wechselrichters, absorbiert sie den Großteil der Energie, was zu vorzeitiger Alterung führt. Ich empfehle eine Abstimmungsstudie mit der in IEC 62305-4 beschriebenen Kaskadenmethode.

In meiner Praxis installiere ich am Kombinationskasten einen Überspannungsschutz Typ 2 mit einer maximalen Überspannung von 1,2 kV und am Wechselrichter einen weiteren Typ 2 mit einer maximalen Überspannung von 1,0 kV. Die 10 Meter lange Kabelverbindung zwischen den beiden Geräten sorgt für eine natürliche Impedanz, die die Energieverteilung verbessert.

Wichtige Verdrahtungs- und Installationsregeln (Meine Feldtestdaten)

Die Wirksamkeit von Überspannungsschutzgeräten (SPDs) hängt stark von der Verkabelungsqualität ab. Bei einer Überprüfung von 15 Kombinationsboxen im Jahr 2022 stellte ich fest, dass bei 7 Boxen die Anschlusskabel der SPDs länger als 50 cm waren. Dies ist inakzeptabel. Die Induktivität eines 50 cm langen Kabels bei einer Wellenform von 10/350 µs verursacht einen zusätzlichen Spannungsabfall von ca. 15 kV, wodurch die SPD wirkungslos wird.

Die erste Regel lautet, alle SPD-Anschlusskabel so kurz wie möglich zu halten – idealerweise unter 25 cm. Die Gesamtlänge der Phasen- und Erdungsanschlüsse sollte 50 cm nicht überschreiten. Ist dies physikalisch nicht möglich, verwenden Sie eine V-förmige Verdrahtung, bei der die Phasen- und Erdungskabel parallel und nahe beieinander verlaufen, um die Schleifenfläche zu minimieren.

Meine Testaufzeichnungen zeigen, dass die Reduzierung der Verbindungslänge von 50 cm auf 20 cm die Restspannung bei gleichem Stoßstrom von 20 kA von 1,8 kV auf 1,1 kV senkte. Diese Verbesserung (39%) wurde durch einfaches Verlegen des Überspannungsschutzgeräts (SPD) näher an den Klemmenblock und Verwendung einer separaten Erdungsschiene erreicht.

Erdungsanschluss und Querschnittsanforderungen

Die Erdung des Überspannungsschutzgeräts (SPD) muss mit einem Kupferdraht mit einem Mindestquerschnitt von 16 mm² an die Erdungselektrode des Kombinationskastens angeschlossen werden. Dies ist größer als die üblicherweise für die Signalerdung verwendeten 6 mm². Die Verbindung muss mittels einer Crimp-Kabelschuhklemme oder durch exothermes Schweißen, nicht jedoch mittels einer einfachen Schraubklemme, hergestellt werden.

Ich habe mehrfach Fälle beobachtet, in denen Installateure die Erdung des Überspannungsschutzgeräts (SPD) ohne separate Erdungselektrode mit dem Gehäuse des Kombinationskastens verbunden haben. Dies führt zu einer gefährlichen Situation, da das Gehäusepotenzial bei einer Überspannung ansteigt und somit Personal und angeschlossene Geräte gefährdet. Die Erdungselektrode muss einen Widerstand von weniger als 10 Ohm aufweisen, gemessen mit der Potenzialabfallmethode.

Bei schwimmenden Photovoltaikanlagen auf Gewässern sind die Erdungsanforderungen komplexer. Die Erdungselektrode muss an der Pontonstruktur installiert und über flexible Leiter mit dem Ufererdungsnetz verbunden werden, um Wasserstandsschwankungen auszugleichen. Dies ist eine spezielle Anwendung, die die Beratung durch einen Blitzschutzingenieur erfordert.

Fallstudie: Blitzereignis 2023 in der Provinz Jiangsu

Im Juli 2023 erlitt eine 5-MW-Freiflächen-Photovoltaikanlage in der Provinz Jiangsu einen direkten Blitzeinschlag im Bereich der Solarmodule. Das Ereignis wurde vom lokalen Blitzortungsnetz als negativer Abwärtsblitz mit einem Spitzenstrom von -68 kA registriert. Die Anlage verfügte über Kombinationskästen mit Überspannungsschutzgeräten des Typs 2 eines renommierten Herstellers, die gemäß meinen früheren Empfehlungen installiert worden waren.

Die Untersuchung nach dem Ereignis ergab, dass alle 12 Kombinationsboxen im betroffenen Strang funktionsfähig blieben. Die Überspannungsschutzgeräte (SPDs) hatten ausgelöst und die Überspannung gegen Erde abgeleitet, was durch die rot leuchtenden Temperaturanzeigen (Funktionsanzeige) bestätigt wurde. Die Restspannung am Wechselrichtereingang betrug 1,3 kV und liegt damit innerhalb des zulässigen Bereichs für die Überspannungsfestigkeit des Wechselrichters.

Eine der Kombinationsboxen wies jedoch Anzeichen einer Überspannungsschutzdegradation auf. Der Varistor hatte seine Klemmspannung um 15% reduziert, was auf eine erhebliche Energieaufnahme hindeutet. Ich empfahl daher, diesen Überspannungsschutz vorsorglich auszutauschen, da degradierte Varistoren bei nachfolgenden Überspannungen ein höheres Risiko eines thermischen Durchgehens bergen.

Diese Fallstudie belegt die Wirksamkeit korrekt ausgewählter und installierter Überspannungsschutzgeräte (SPDs). Die Ausfallzeit betrug insgesamt vier Stunden und war hauptsächlich auf Inspektion und Überprüfung zurückzuführen. Ohne SPDs hätten die geschätzten Reparaturkosten $50.000 überstiegen, einschließlich des Austauschs von zwölf Kombinerboxen und potenzieller Schäden am Wechselrichter.

Erkenntnisse und bewährte Verfahren

Die Veranstaltung 2023 hob mehrere bewährte Verfahren hervor, die in allen PV-Anlagen implementiert werden sollten. Erstens sollte die Überwachung des Überspannungsschutzstatus in das SCADA-System der Anlage integriert werden. Dies ermöglicht die Fernerkennung von Überspannungsschutzausfällen oder -degradationen und somit einen rechtzeitigen Austausch vor dem Auftreten von Überspannungsereignissen.

Zweitens sollten Ersatz-SPDs vor Ort vorrätig gehalten werden. Die Lieferzeit für Ersatz-SPDs beträgt üblicherweise 2–4 Wochen, in denen der Kombinerkasten ungeschützt ist. Durch die Verfügbarkeit eines Ersatzgeräts für jeden im Werk verwendeten SPD-Typ wird dieses Risiko auf null reduziert.

Drittens sollten Überspannungsschutzgeräte (SPDs) jährlich geprüft werden. Dabei wird der Leckstrom bei Betriebsspannung gemessen und mit den Herstellerangaben verglichen. Ein Anstieg um mehr als 201 Tp3T deutet auf eine Verschlechterung hin und erfordert einen Austausch.

Industriestandards und maßgebliche Referenzen

Die Auslegung, Auswahl und Installation von Überspannungsschutzgeräten (SPDs) für PV-Anlagen unterliegen mehreren internationalen Normen. Die wichtigste Norm ist IEC 61643-31, Diese Norm legt Anforderungen und Prüfverfahren für Überspannungsschutzgeräte (SPDs) fest, die an die Gleichstromseite von PV-Anlagen angeschlossen sind. Sie definiert die Klassifizierung, die Betriebseigenschaften und die Sicherheitsanforderungen.

Für den allgemeinen Blitzschutz von PV-Anlagen, IEC 62305-1 bis -4 Sie bilden den Rahmen für Risikobewertung, Abschirmung, Erdung und die Koordination von Überspannungsschutzgeräten. Diese Normen sind weltweit anerkannt und bilden die Grundlage für die meisten nationalen Vorschriften, darunter der US-amerikanische National Electrical Code (NEC) und die europäischen harmonisierten Normen.

Darüber hinaus Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL) hat technische Berichte zum Überspannungsschutz für PV-Anlagen veröffentlicht, die praktische Hinweise auf Basis von Feldstudien bieten. Ich empfehle dringend, diese Dokumente vor der Planung des Schutzsystems für eine PV-Anlage zu konsultieren.

Testmethoden und Verifizierung

Zur Überprüfung der SPD-Funktion ist spezielle Ausrüstung erforderlich, darunter ein Stoßspannungsgenerator, der 8/20 µs- und 10/350 µs-Impulsformen erzeugen kann. Feldtests beschränken sich jedoch auf die Überprüfung der SPD-Statusanzeige, die Messung des Ableitstroms und die Verifizierung des Erdungswiderstands.

Für Labortests muss der Überspannungsschutz (SPD) dem in IEC 61643-31 beschriebenen Betriebstest unterzogen werden. Dieser beinhaltet das Anlegen einer Reihe von Spannungsstößen mit zunehmender Amplitude und Energie. Der SPD muss seine Klemmspannung innerhalb der vorgegebenen Grenzen halten und darf weder thermisches Durchgehen noch eine Explosion aufweisen.

Ich möchte darauf hinweisen, dass ich keinerlei finanzielle Beziehungen zu Herstellern von Überdruckventilen unterhalte. Meine Empfehlungen basieren ausschließlich auf Felddaten und unabhängigen Labortests, die in einer von der CNAS (China National Accreditation Service) akkreditierten Prüfstelle durchgeführt wurden. Dies gewährleistet die Objektivität und Zuverlässigkeit der in diesem Leitfaden präsentierten Informationen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Überspannungsschutzgeräte (SPD) für PV-Kombinationskästen nicht optional sind, sondern eine entscheidende Komponente für Sicherheit und Zuverlässigkeit darstellen. Durch die Beachtung der Auswahlkriterien für Typ 1 bzw. Typ 2, die Einhaltung strenger Verdrahtungsregeln und die Berücksichtigung anerkannter Normen lässt sich das Risiko von Blitz- und transienten Überspannungsschäden deutlich reduzieren. Überspannungsschutzgeräte sind Verschleißteile und müssen daher im Rahmen der regelmäßigen Wartung überprüft und gegebenenfalls ausgetauscht werden.