Lichtbögen in der Photovoltaik

FACHARTIKEL
Lichtbögen in der Photovoltaik (PV)
In den letzten Jahren ist die weltweit installierte Anzahl von Photovoltaik-Anlagen teilweise rasant
angestiegen. In diesem Zuge haben sich auch die Sicherheits- und Qualitätsstandards kontinuierlich
weiterentwickelt und bieten heute ein hohes Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit. Dennoch gilt es
diesen Standard immer weiter zu entwickeln und mögliche Schwachstellen im System aufzuspüren und
diese zu beheben. Ein aktuelles Thema in diesem Zusammenhang ist die Lichtbogenentstehung und löschung in PV-Systemen, welche im Folgenden näher beschrieben wird.
Charakteristik des Lichtbogens
Wie in jeder elektrotechnischen Anlage besteht auch in PV-Anlagen grundsätzlich das Risiko der Entstehung
eines Lichtbogens. Dieser kann auftreten, wenn zwischen zwei Elektroden, die sich in einem gewissen Abstand
zueinander befinden, eine ausreichend hohe Spannung auftritt. Durch die elektrische Spannung wird das Gas
zwischen den Elektroden (in der Regel handelt es sich um Luft) ionisiert. Das heißt, dass Elektronen aus den
Atomen und Molekülen des Gases „herausgeschlagen“ werden. In Folge entsteht ein so genanntes Plasma aus
positiv geladenen Ionen und Elektronen. Dieses Plasma kann mehrere 1000°C heiß werden, führt zu einem
Stromfluss zwischen den Elektroden und leuchtet in Form des charakteristisch hellen Lichtbogens. Die hohen
Temperaturen im Lichtbogen können im weiteren Verlauf zu einer schwerwiegenden Beschädigung der Anlage
oder im Extremfall auch zu einem Brand führen.
Entstehung von Lichtbögen
Wird in einem Stromkreis ein Leiter durchtrennt, so werden die beiden Enden des Leiters zu den bereits
erwähnten Elektroden, zwischen denen sich das Gas Luft befindet. Abhängig von der Spannung und dem
Abstand der beiden Leiter-Enden kann in der Folge ein Lichtbogen entstehen (siehe Abbildung 1).
Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt, dass Lichtbögen bereits bei Spannungen von 20V und
Stromstärken von wenigen Ampere entstehen können. Die Entstehung des Lichtbogens ist dabei unabhängig
davon, ob sich in diesem Stromkreis eine Gleich- oder Wechselspannungsquelle befindet, die für die
erforderliche Spannung zwischen den Elektroden sorgt. Der Unterschied zwischen Gleich- und
Wechselspannungssystemen zeigt sich im Wesentlichen dadurch, dass ein Lichtbogen im
Wechselstromsystem leichter wieder verlöscht. Aufgrund der periodischen Spannungsänderung kann der
Lichtbogen in jedem Spannungsnulldurchgang von selbst verlöschen. Zwar kann er in der darauf folgenden
Periode auch wieder gezündet werden aber langfristig sind derartige Lichtbögen aufgrund des ständigen
Löschens nicht so stabil wie sie in Gleichspannungssystemen sein können.
Abbildung 1: Auftreten eines seriellen Lichtbogens
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Arten von Lichtbögen in Photovoltaik-Anlagen
Abhängig von ihrer Position im PV-System unterscheidet man zwei grundsätzliche Arten von Lichtbögen (siehe
Abbildung 2).
Parallele Lichtbögen
Als parallele Lichtbögen bezeichnet man jene, die entweder zwischen dem Plus- und Minuspol oder von einem
der beiden aktiven Leiter gegen Erde in geerdeten Systemen auftreten können.
Typische Fehlerquellen für parallele Lichtbögen in PV-Systemen sind:
/
Kurzschlüsse (zwischen + und -) in DC-Sammelkästen
/
Defekte Isolierungen der DC-Hauptleitungen (+ gegen – , oder aktiver Leiter gegen Erde)
Serielle Lichtbögen
Ein solcher Lichtbogen entsteht typischerweise durch Öffnen von Kontaktstellen in Stromkreisen.
Typische Fehlerquellen für serielle Lichtbögen in PV-Systemen sind:
/
Schlecht gecrimpte/ zusammengesteckte DC-Stecker
/
Defekte Modulanschlussdosen
/
Hochohmige Lötverbindungen zwischen den Zellen eines Moduls
/
Schlecht geklemmte Kabel auf der DC-Seite
/
Falsch dimensionierte bzw. für PV-Anwendungen nicht zugelassene Strangsicherungen
Abbildung 2: Serielle und parallele Lichtbögen in PV-Systemen
Vermeidung von Lichtbögen in Photovoltaik Anlagen
Aufgrund der unterschiedlichen Fehlerursachen von seriellen und parallelen Lichtbögen sind auch die
möglichen Gegenmaßnahmen differenziert zu betrachten. Generell lässt sich allerdings sagen, dass das
Auftreten paralleler Lichtbögen unwahrscheinlicher ist.
Parallele Lichtbögen
Dank einer umfangreichen Kombination verschiedener Schutzkonzepte, die in den einschlägigen Normen
beschrieben sind, hat sich die Entstehung solcher Lichtbögen als höchst unwahrscheinlich dargestellt. Die
Ausführung des PV-Generators als Schutzklasse 2 Stromkreis (doppelte Isolierung der DC-Kabel, Erd- und
kurzschlusssichere Installation der Leitungen) verhindert in hohem Maße die für einen Lichtbogen notwendigen
Kurzschlüsse. Zusätzlich bieten die Wechselrichter durch Isolationsüberwachung und Fehlerstromüberwachung
ergänzende Sicherheitsfunktionen. Diese sorgen dafür, dass das Auftreten des ersten Fehlers (z.B. defekte
Isolierung eines aktiven Leiters), welcher noch zu keiner unmittelbaren Gefährdung führt, sicher erkannt wird.
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Durch entsprechende Behebung dieses ersten Fehlers kann sicher verhindert werden, dass das Auftreten eines
weiteren Defekts zu einem parallelen Lichtbogen führen kann.
Serielle Lichtbögen
Zur Verhinderung serieller Lichtbögen ist es wichtig, dauerhaft stabile Verbindungen zwischen den einzelnen
Leitern im gesamten PV-System zu schaffen, um so eine ungewollte Unterbrechung zu verhindern. Um das zu
erreichen sind im Wesentlichen zwei grundlegende Dinge zu berücksichtigen: Einerseits die Verwendung von
qualitativ hochwertigen Komponenten und andererseits eine sorgfältige, sachgemäße Installation.
So sind z.B. hochqualitative Fertigungsprozesse bzgl. der Lötverbindungen im Modul und der
Modulanschlussdose ein wesentlicher Faktor, um langlebige stabile Verbindungen zu gewährleisten. Eine
große Verantwortung trägt in diesem Zusammenhang jedoch auch die Elektrofachkraft bei der Installation der
Anlage. Neben der Auswahl der richtigen Komponenten (z.B. der Verwendung von Strangsicherungen die für
PV Anlagen geeignet sein müssen) ist die sachgemäße Installation besonders zu beachten. Dazu gehören u.a.
mit korrektem Drehmoment angezogene Schraubklemmen oder auch genau nach Anleitung gecrimpte und
zusammengesteckte DC-Stecker.
Jedoch besteht auch bei sachgemäßer Ausführung der PV-Anlage, aufgrund der hohen thermischen Belastung
im Tages- und Jahresverlauf und sonstiger Witterungseinflüsse wie Regen, Schnee und Eis, immer ein
gewisses Restrisiko für die Entstehung eines Lichtbogens. Um dieses letzte Restrisiko zu eliminieren wird
aktuell der Einsatz so genannter Lichtbogendetektoren diskutiert.
Lichtbogendetektor
Die Idee des Lichtbogendetektors beruht darauf, dass durch das Auftreten eines Lichtbogens im PV-Generator
signifikante Änderungen in den Strom/ Spannungs-Signalen der PV-Anlage auftreten (siehe Abbildung 3). Eine
entsprechende Elektronik mit Auswertelogik kann diese Änderungen überwachen und dann den Befehl an
geeignete Schalteinrichtungen geben, die Anlage abzuschalten und damit den Lichtbogen zu löschen. Diese
Elektronik kann grundsätzlich sowohl im Wechselrichter integriert sein, als auch als eigenständige Einheit auf
der Gleichstromseite der PV-Anlage installiert werden.
Neue Herausforderungen
Obwohl derartige Detektoren auch in anderen Industriebereichen zur Anwendung kommen, stellt die PV die
Hersteller vor neue Herausforderungen. Die hohen Spannungen, lange Leitungen und unterschiedliche
Modultechnologien mit deren unterschiedlicher elektrischer Charakteristik, macht die Detektion des Lichtbogens
äußerst schwierig. Aus diesem Grund werden auch vielfach Forschungsanstrengungen unternommen, um
diese Aufgaben zu bewältigen. Es ist davon auszugehen, dass in den nächsten Jahren entsprechende
Produkte am Markt verfügbar sein werden. Damit wäre ein weiterer Beitrag geleistet, der PV-Anlagen noch
hochwertiger und sicherer macht.
Abbildung 3: Strom- und Spannungskurve beim Auftreten des Lichtbogens
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Zusammenfassung
Wie in jedem elektrischen Stromkreis besteht auch in PV-Anlagen im Fehlerfall die Möglichkeit der Bildung von
Lichtbögen. Bislang angewandte Installations- und Produktnormen sowie entsprechend gefertigte
Komponenten bieten ein hohes Maß an Sicherheit, um diese auch zu verhindern. Wesentlich trägt dazu auch
die fachgemäße, sorgfältige Installation der Anlage bei. Um auch ein letztes Restrisiko zu eliminieren wird
aktuell an der Entwicklung von Lichtbogendetektoren gearbeitet, die für die spezielle Charakteristik der PV
geeignet sind. Mit der Verfügbarkeit von Lichtbogendetektoren, welche PV-Anlagen noch sicherer und
hochwertiger machen, kann in den nächsten Jahren gerechnet werden.
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Bildmaterial: Fronius International GmbH, Abdruck honorarfrei.
Über die Fronius International GmbH
Fronius International ist ein österreichisches Unternehmen mit Firmensitz in Pettenbach und weiteren
Standorten in Wels, Thalheim und Sattledt. Das Unternehmen mit global 3250 Mitarbeitern ist in den Bereichen
Batterieladesysteme, Schweißtechnik und Solarelektronik tätig. Der Exportanteil mit rund 95 Prozent wird mit 17
internationalen Fronius Gesellschaften und Vertriebspartnern/ Repräsentanten in mehr als 60 Ländern erreicht.
Im Geschäftsjahr 2010 erwirtschaftete das Unternehmen einen Gesamtumsatz von 499 Millionen Euro. Mit
herausragenden Produkten und Dienstleistungen sowie 737 aktiven Patenten ist Fronius Technologieführer am
Weltmarkt. 392 Mitarbeiter arbeiten in der Forschung und Entwicklung.
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