Die 10 wichtigsten Fehler bei der DC-Schutzverdrahtung, die zu katastrophalen Ausfällen führen: Ein Leitfaden für Ingenieure

Durch das Objektiv einer Wärmebildkamera betrachtet, war der Kasten ein Katastrophengebiet. Während die Umgebungstemperatur auf dem Dach 40 °C betrug, glühten die Klemmen im Inneren des Verteilers mit erschreckenden 180 °C (350 °F). Eine Post-Mortem-Analyse zeigte die Ursache: falsch angezogene Anschlussfahnen. Zwei Jahre täglicher thermischer Wechsel - Ausdehnung und Zusammenziehen durch die Sonneneinstrahlung - hatten die Verbindungen nach und nach gelockert. Dadurch entstanden hochohmige Stellen, die wie Miniatur-Heizelemente wirkten und die Komponenten langsam kochten, bis die gesamte Baugruppe am Rande einer Brandkatastrophe stand.

Dieses Szenario ist meine Welt. Als leitender Anwendungstechniker wurde ich schon zu Dutzenden von Ausfällen wie diesem gerufen. Die harte Wahrheit ist, dass die Solartechnologie zwar zuverlässiger ist als je zuvor, aber die einzigartige Physik des Gleichstroms (DC) unnachgiebig ist. Im Gegensatz zum Wechselstrom (AC), der unsere Gebäude mit Strom versorgt, löscht Gleichstrom seinen eigenen Lichtbogen nicht auf natürliche Weise, was ihn bei falscher Handhabung weitaus gefährlicher macht.

Die gute Nachricht ist, dass diese Ausfälle fast vollständig vermeidbar sind. Sie sind nicht auf exotische Phänomene zurückzuführen, sondern auf eine Handvoll häufiger, grundlegender Fehler, die während der Planungs- und Installationsphase gemacht werden. Dieser Leitfaden ist eine Sammlung der 10 häufigsten Fehler, die ich jedes Jahr in der Praxis sehe. Wenn Sie diese Konzepte beherrschen, können Sie nicht nur die Sicherheit und Langlebigkeit Ihrer Systeme gewährleisten, sondern sich auch als echter Profi in dieser Branche profilieren.

Fehler #1: Verwendung von AC-Geräten in DC-Schaltungen

Dies ist wohl der häufigste und gefährlichste Fehler, den ein neuer Installateur machen kann. Einen Standard-Wechselstrom-Leistungsschalter aus dem LKW zu nehmen und ihn in einen Gleichstrom-Kombinationskasten einzubauen, ist ein Rezept für eine Katastrophe.

Der Irrtum: Angenommen, ein Unterbrecher ist ein Unterbrecher. Installateure verwenden in Gleichstromkreisen Sicherungen, Unterbrecher oder Schalter, die für Wechselstrom ausgelegt sind, oft weil sie billiger oder leichter erhältlich sind.

Warum es gefährlich ist: Wechselstrom und Gleichstrom unterscheiden sich grundlegend. Wechselstrom durchläuft den Nullpunkt 120 Mal pro Sekunde (in einem 60-Hz-System). Dieser “Nulldurchgang” bietet einer Überstromschutzeinrichtung die Möglichkeit, den Lichtbogen zu löschen, der sich beim Öffnen ihrer Kontakte bildet. Ein Gleichstrom hingegen ist ein kontinuierlicher, unablässiger Fluss. Wenn sich ein Gleichstromgerät unter Last öffnet, muss es den Lichtbogen ganz von selbst dehnen und abkühlen, ohne dass ein Nulldurchgang dabei hilft. Ein Wechselstromunterbrecher, der in einem Gleichstromkreis eingesetzt wird, kann einen Fehler wahrscheinlich nicht ausschalten, so dass sich ein anhaltender Lichtbogen bilden kann. Dieser Lichtbogen ist im Wesentlichen ein Plasma, das Tausende von Grad erreicht und das Gerät zum Schmelzen bringt, das Gehäuse durchbrennt und ein Feuer entfacht.

Die Lösung:

1. Überprüfen Sie immer die Gleichstromleistung: Verwenden Sie nur Komponenten, die ausdrücklich für den Gleichstrombetrieb zugelassen sind (z. B. UL 489B für Gleichstrom-Leistungsschalter oder gPV-Sicherungen).
2. Überprüfen Sie die Spannungs- und Strommarkierungen: Ein ordnungsgemäß bemessenes Gleichstromgerät hat eindeutige Angaben zu Gleichspannung (VDC) und Stromstärke. Wenn auf dem Gerät nur “VAC” steht, gehört es nicht in Ihre PV-Anlage.
3. Verstehen Sie die Markierungen: Achten Sie auf die unverwechselbare gPV-Sicherungsklasse für solarspezifische Anwendungen oder auf das geradlinige Symbol (-) für Gleichstrom im Gegensatz zum wellenförmigen Symbol (~) für Wechselstrom.

Das Wichtigste zum Mitnehmen: Wenn nicht DC draufsteht, sollten Sie es nicht verwenden. Punkt.

Fehler #2: Fehler bei der Spannungsauslegung

Spannung ist elektrischer Druck. Wenn der Druck höher ist als der, für den Ihr Behälter ausgelegt ist, wird er versagen. In einer PV-Anlage kann dieses Versagen explosiv sein.

Der Irrtum: Auswahl von Schutzgeräten mit einer Nennspannung, die niedriger ist als die maximal mögliche Systemspannung.

Warum es gefährlich ist: Die Spannung eines Solarmodulstrangs ist nicht konstant. Sie ist bei offenem Stromkreis am höchsten (Voc) und steigt bei kaltem Wetter an. Gemäß NEC Artikel 690.7 müssen Installateure die maximale Systemspannung auf der Grundlage der niedrigsten erwarteten Umgebungstemperatur am Standort berechnen. Ein Leistungsschalter mit einer Nennspannung von 600 VDC, der in einem System installiert ist, das an einem kalten Wintermorgen 650 VDC erreichen kann, ist ein kritischer Fehler, der nur darauf wartet, zu passieren. Ein Überspannungszustand kann dazu führen, dass das Gerät einen Fehler nicht unterbricht, was zu einem Lichtbogen führt, oder es kann einen dielektrischen Durchschlag verursachen, bei dem die Isolierung im Gerät katastrophal versagt.

Die Lösung:

1. Berechnen Sie die maximale Systemspannung: Verwenden Sie die Temperaturkorrekturfaktoren aus der NEC-Tabelle 690.7(A), um die korrigierte Voc für die Rekordtieftemperatur an Ihrem Standort zu ermitteln. Ein String mit einer Voc von 580 V bei 25 °C könnte zum Beispiel bei -10 °C leicht 650 V überschreiten.
2. Wählen Sie Geräte entsprechend aus: Wählen Sie Sicherungen, Unterbrecher und Trennschalter mit einer Gleichspannungsbemessung, die gleich oder größer als diese berechnete Höchstspannung ist.
3. Betrachten Sie das gesamte System: Dies gilt für alle Komponenten: Kombinierer, Rekombinierer, Wechselrichter und Trennstellen von der Anlage bis zum Wechselrichter.

Profi-Tipp: Fügen Sie immer eine Sicherheitsmarge hinzu. Wenn Ihre berechnete Höchstspannung 590 V beträgt, sollten Sie kein 600-V-Gerät verwenden. Erhöhen Sie auf die nächsthöhere Spannung (z. B. 800 V oder 1000 V), um die Sicherheit und Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Irrtum #3: Umkehrung der Polarität bei gepolten Leistungsschaltern

In der Welt des Gleichstroms kommt es auf die Richtung an. Viele Gleichstromschalter sind “gepolt”, d. h. sie sind so konstruiert, dass der Strom nur in einer Richtung durch sie fließt.

Der Irrtum: Verdrahtung eines gepolten Gleichstromschalters in umgekehrter Richtung, d. h. Anschluss der Quelle an den Lastanschluss und umgekehrt.

Warum es gefährlich ist: Gepolte Unterbrecher enthalten kleine Dauermagnete. Diese Magnete sind strategisch so platziert, dass sie die die Lichtbogen in die “Lichtbogenrutsche”, wenn sich die Kontakte öffnen. Die Lichtbogenrutsche ist eine Kammer mit Metallrippen, die den Lichtbogen streckt, kühlt und zum Erlöschen bringt. Wenn Sie den Unterbrecher rückwärts verdrahten, drücken die Magnete den Lichtbogen in die Gegenrichtung-weg vom Lichtbogenkanal und direkt in das brennbare Kunststoffgehäuse des Unterbrechers selbst. Dies führt zur sofortigen Zerstörung des Unterbrechers und mit ziemlicher Sicherheit zu einem Brand im Inneren des Gehäuses.

Die Lösung:

1. Identifizieren Sie die Terminals: Achten Sie auf die Kennzeichnungen “+” und “-” oder “LINE” und “LOAD” auf dem Unterbrecher. Bei Solaranwendungen sollte die “LINE”-Seite immer mit der Quelle (den PV-Strings) und die “LOAD”-Seite mit dem Ziel (der Sammelschiene oder dem Wechselrichter) verbunden sein.
2. Überprüfen Sie Ihre Verbindungen doppelt: Bevor Sie das System unter Spannung setzen, sollten Sie die Kabel nachverfolgen und sicherstellen, dass jedes einzelne gepolte Gerät korrekt angeschlossen ist.
3. Trainieren Sie Ihr Team: Dies ist ein wichtiger Schulungspunkt für alle Installateure. Jeder auf der Baustelle sollte die Funktion von gepolten Geräten und die schwerwiegenden Folgen einer falschen Verdrahtung verstehen.

Das Wichtigste zum Mitnehmen: Bei einem gepolten Gleichstromschalter sind LINE und LOAD keine Vorschläge, sondern eine wichtige Sicherheitsanforderung.

Fehler #4: Unsachgemäße Bemessung des Überstroms

Dimensionierung von Überstromschutzeinrichtungen (OCPDs) für Solarstromkreisen ist nicht dasselbe wie die Dimensionierung für normale Wechselstromlasten. Die Verwendung falscher Berechnungen kann entweder zu unerwünschten Auslösungen oder, schlimmer noch, zu einem vollständigen Versagen des Schutzes des Stromkreises führen.

Der Irrtum: Bemessung einer Sicherung oder eines Unterbrechers basierend auf nur auf der Grundlage des Stroms auf dem Typenschild des Schaltschranks (Isc) oder unter Verwendung der Standard-AC-Dimensionierungsregeln.

Warum es gefährlich ist: Solarkreisläufe werden berücksichtigt a Dauerbelastung und sind Gegenstand zu “Edge of Cloud”-Effekte, wo vorbeiziehende Wolken eine vorübergehende Erhöhung der Bestrahlungsstärke bewirken können, was die Stromabgabe erhöht. NEC Artikel 690.9(A) schreibt eine spezielle Bemessungsformel vor, um beide Faktoren zu berücksichtigen. Wenn eine Sicherung zu klein dimensioniert wird, kann sie unter normalen Spitzenbedingungen auslösen (Fehlauslösung). Eine zu große Dimensionierung schützt die Leiter nicht vor Überhitzung während eines Fehlers, was eine Brandgefahr darstellt.

Die Lösung: Der NEC schreibt eine zweiteilige Berechnung vor, die zu einem einzigen Multiplikator zusammengefasst wird: 1.56.

1. Berechnen Sie das erforderliche Rating: Die minimale OCPD-Nennleistung ist der Kurzschlussstrom (Isc) des Strings multipliziert mit 1,56.
   • Erforderliche Leistung = Isc × 1,25 (für Dauerlast) × 1,25 (für Überstrahlung) = Isc × 1,56
2. Wählen Sie die nächste Standardgröße: Nach der Berechnung der erforderlichen Leistung müssen Sie die nächsthöhere Standardgrößefür Ihre Sicherung oder Ihren Unterbrecher. Wenn Sie zum Beispiel einen String mit einem Isc von 9,8A haben:
   • Erforderliche Leistung = 9,8A × 1,56 = 15,29A
   • Die nächsthöhere Standardsicherung ist 20A. Eine 15-A-Sicherung wäre zu klein und würde zu unerwünschten Auslösungen führen.

Profi-Tipp: Prüfen Sie immer das Datenblatt des Moduls auf die “Maximum Series Fuse Rating”. Die von Ihnen berechnete OCPD-Größe darf diesen Wert nicht überschreiten. Wenn dies der Fall ist, ist Ihr String-Design fehlerhaft.

Fehler #5: Temperatur-Derating ignorieren

Die auf einem Unterbrecher oder einer Sicherung aufgedruckte Stromstärke gilt nur bei einer bestimmten, kontrollierten Umgebungstemperatur (in der Regel 40°C für Unterbrecher und 25°C für Sicherungen). Ein Verteilerkasten auf einem schwarzen Gewerbedach in Texas ist keine kontrollierte Umgebung.

Der Irrtum: Nichtanpassung der Strombelastbarkeit einer Schutzeinrichtung an die tatsächliche Umgebungstemperatur im Inneren des Gehäuses.

Warum es gefährlich ist: Hitze ist der Feind der elektrischen Komponenten. Ein Schutzschalter, der für 100 A bei 40 °C ausgelegt ist, kann möglicherweise nur 85 A dauerhaft bewältigen, wenn die Temperatur im Inneren des Verteilerkastens 60 °C (140 °F) erreicht. Wenn Sie ihn mit 90 A belasten, wird der interne thermische Auslösemechanismus des Schutzschalters aktiviert, was zu einer Fehlauslösung führt. Dies führt zu Systemausfällen und teuren Fehlersuchanrufen. Bei Sicherungen können hohe Umgebungstemperaturen das Sicherungselement mit der Zeit zersetzen, so dass es vorzeitig ausfällt.

Die Lösung:

1. Schätzen Sie die Gehäusetemperatur: Bestimmen Sie eine realistische Innentemperatur für Ihren Kombinationskasten. Eine gängige Faustregel ist, dass man 20-30°C zum höchsten durchschnittlichen Tageshöchstwert für den Standort hinzurechnen sollte, insbesondere bei Gehäusen in direkter Sonne.
2. Lesen Sie die Datenblätter der Hersteller: Im technischen Datenblatt des Geräts finden Sie eine Tabelle zur Temperaturreduzierung. Dort finden Sie Korrekturfaktoren für verschiedene Temperaturen.
3. Wenden Sie den Korrekturfaktor an: Die Formel lautet: Effektive Leistung = Nennleistung × Korrekturfaktor. Um die richtige Größe zu ermitteln, müssen Sie rückwärts arbeiten: Erforderliche Nennleistung = Stromkreis-Ampere/Korrekturfaktor.
   • Beispiel: Sie müssen einen 40-A-Stromkreis in einem Kasten schützen, der 60 °C erreichen wird. Das Datenblatt des Schalters zeigt einen Korrekturfaktor von 0,85 bei 60°C.
   • Erforderliche Nennleistung = 40A / 0,85 = 47A. Sie müssten einen 50-A-Schalter wählen, um 40 A in dieser heißen Umgebung sicher zu handhaben.

Das Wichtigste zum Mitnehmen: Gehen Sie davon aus, dass Ihr Combiner heiß sein wird, und dimensionieren Sie Ihre Schutzgeräte entsprechend. Die Nennleistung auf dem Typenschild ist ein Ausgangspunkt, nicht die endgültige Antwort.