Bemessung eines DC-SPD für eine PV-Solaranlage

Einleitung: Die Kosten eines Fehlgriffs

Stellen Sie sich Folgendes vor: Ein mittelgroßer Solarpark, der erst seit zwei Jahren in Betrieb ist, fällt plötzlich aus. Das Betriebsteam macht sich auf den Weg und findet nach stundenlangen Diagnosen den Schuldigen. Es handelte sich nicht um einen Panelausfall oder einen Softwarefehler. Es war ein katastrophaler Ausfall von drei zentralen Wechselrichtern, dem Herzstück des Betriebs. Die Hauptursache? Eine starke Überspannung durch einen nahe gelegenen Blitzeinschlag, der die unterdimensionierten und unsachgemäß installierten Überspannungsschutzgeräte (SPDs) nicht gewachsen waren. Das Ergebnis waren Ersatzgeräte im Wert von über $100.000 und eine Woche Ausfall der Stromerzeugung - eine teure Lektion über die Bedeutung einer Komponente, die nur einen Bruchteil der Gesamtkosten des Systems ausmacht.

Dieses Szenario ist nicht hypothetisch; es ist eine Realität, die sich in Solaranlagen weltweit abspielt. Wie in Branchenanalysen hervorgehoben wird, sind elektrische Ereignisse, einschließlich Überspannungen, eine der Hauptursachen für Geräteausfälle und Systemausfallzeiten. Ein Gleichstrom-Überspannungsschutzgerät ist nicht nur ein Kästchen auf der Materialliste, sondern eine wichtige Versicherung für die langfristige Gesundheit und den finanziellen Ertrag Ihrer Solaranlage. Sowohl für den Ingenieur, der das System entwirft, als auch für den Manager, der die Teile beschafft, ist das Wissen um die richtige Größe, Auswahl und Platzierung dieser Geräte ein unverzichtbarer Aspekt einer verantwortungsvollen Systemauslegung. Dieser Leitfaden bietet ein definitives, schrittweises Verfahren, um dies richtig zu machen.

Teil 1: Die unversöhnliche Natur der DC-Überspannungen

PV-Solaranlagen sind besonders anfällig für Überspannungsschäden. Ihre großen, freiliegenden Arrays wirken wie riesige Antennen für Blitze, während lange Gleichstromkabel während eines Gewitters starke Überspannungen erzeugen können. Der wichtigste Faktor, den es zu verstehen gilt, ist jedoch der grundlegende Unterschied zwischen Wechsel- und Gleichstrom.

In einem Wechselstromsystem kreuzt der Strom naturgemäß 100 oder 120 Mal pro Sekunde den Nullpunkt. Dieser Nulldurchgang bietet ein kurzes Zeitfenster, in dem ein elektrischer Lichtbogen von selbst erlöschen kann. In einem Gleichstromsystem gibt es keinen solchen Nulldurchgang. Ist ein Gleichstromlichtbogen erst einmal entstanden - zum Beispiel in einer defekten Schutzvorrichtung - kann er sich selbst erhalten, immense Wärmeenergie freisetzen und eine ernste Brandgefahr darstellen.

Das ist der Grund ein für Wechselstrom ausgelegtes SPD darf niemals in einer Gleichstromanwendung verwendet werden. Wie Fachleute in ihren Leitfäden zu diesem Thema betonen, verfügen AC-SPDs nicht über die speziellen Lichtbogenlöschmechanismen, die zur sicheren Unterbrechung eines Gleichstromfehlers erforderlich sind, was zu katastrophalen Ausfällen führt. Ein ordnungsgemäßes DC-SPD ist so konstruiert, dass es mit dem unerbittlichen Charakter des Gleichstroms umgehen kann. Seine Kernfunktion kann mit einem Überdruckventil verglichen werden; es bleibt während des normalen Betriebs passiv, öffnet sich jedoch innerhalb von Nanosekunden, wenn es eine gefährliche Spannungsspitze erkennt, und leitet den schädlichen Stoßstrom sicher zur Erde ab. Auf diese Weise wird die Systemspannung auf ein sicheres Niveau “geklemmt” und die empfindliche Elektronik im Wechselrichter und anderen Komponenten geschützt.

Teil 2: Schritt-für-Schritt-Größenberechnungen

Die Dimensionierung eines DC-SPD ist eine präzise technische Aufgabe. Sie erfordert einen systematischen Ansatz, der auf den elektrischen Eigenschaften Ihrer PV-Anlage und den Umgebungsbedingungen des Standorts basiert. Die Befolgung der in Normen wie IEC 61643-32 beschriebenen Methodik gewährleistet ein sicheres und wirksames Schutzsystem.

Schritt 1: Berechnung der maximalen Dauerbetriebsspannung (MCOV / Uc)

Der MCOV (oft auch als Uc oder Ucpv bezeichnet) ist der kritischste Parameter. Er definiert die maximale Gleichspannung, die der SPD dauerhaft aushalten kann, ohne sich zu aktivieren. Ist der MCOV zu niedrig, sieht der SPD normale Spannungsschwankungen im System als Fehler an, was zu vorzeitigem Verschleiß und Ausfall führt. Ist er zu hoch, wird seine Schutzleistung beeinträchtigt.

Die MCOV muss höher sein als die maximal mögliche Leerlaufspannung (Voc) der Solaranlage. Dabei handelt es sich nicht um die Voc unter Standardtestbedingungen (STC), sondern um die Voc unter den kältesten zu erwartenden Temperaturen am Standort, da die Spannung mit sinkender Temperatur steigt.

Die Formel lautet: MCOV ≥ 1,25 × Voc(max)

Wo:

• Voc(max) ist die maximale Strangspannung, angepasst an die niedrigste historische Temperatur am Installationsort.
• Die 1.25 Faktor ist eine entscheidende Sicherheitsmarge, um Spannungsschwankungen und Fertigungstoleranzen zu berücksichtigen.

Lassen Sie uns ein Beispiel durchgehen:

• System: Ein String aus 20 PV-Modulen.
• Modul-Spezifikationen: Voc bei STC = 41,5 V; Temperaturkoeffizient von Voc = -0,28%/°C.
• Zustand des Standorts: Niedrigste erwartete Umgebungstemperatur = -10°C.
• Max String Voc bei STC: 20 Module × 41,5 V = 830 V.

Berechnen Sie zunächst die temperaturkorrigierte Voc für ein einzelnes Modul:
Voc(-10°C) = 41,5V × (1 + (-0,0028/°C) × (-10°C - 25°C))
Voc(-10°C) = 41,5V × (1 + 0,098) = 45,58V

Ermitteln Sie dann die maximale Stringspannung:
Voc(max) = 20 Module × 45,58V = 911,6V

Bestimmen Sie schließlich den erforderlichen MCOV für das EPPD:
MCOV ≥ 1,25 × 911,6V = 1139,5V

In diesem Szenario würden Sie ein DC-SPD mit der nächsten Standard-MCOV-Einstufung auswählen, die größer oder gleich diesem Wert ist, z. B. ein 1200-V- oder 1500-V-Modell .

Schritt 2: Bestimmen der Spannungsschutzstufe (Up)

Der Spannungsschutzpegel (Up) gibt die Restspannung an, die bei einem Überspannungsereignis durch den SPD hindurchgeht und Ihre Geräte erreicht. Er ist ein Maß dafür, wie gut der SPD die Spannung abfängt.

Die Regel ist einfach: Der Up-Wert des SPD muss niedriger sein als die Steh-Stoßspannung (Uw) des Geräts.

Als beste Praxis wird eine Sicherheitsmarge von mindestens 20% empfohlen (Up ≤ 0,8 × Uw). Wechselrichter und andere PV-Elektronik haben in der Regel einen Uw-Wert von etwa 2,5 kV bis 4 kV. Wenn ein Wechselrichter einen Uw-Wert von 2,5 kV hat, benötigen Sie ein SPD mit einem Nach oben deutlich unter 2,5 kV, idealerweise weniger als oder gleich 2,0 kV.

Mutige Schlussfolgerung: Vergleicht man zwei ansonsten gleiche EPPDs, so ist dasjenige mit dem niedrigeren Nach oben Wert bietet besseren Schutz.

Schritt 3: Angabe der Entladestromkapazität (In, Imax, Iimp)

Dieser Parameter bestimmt die Robustheit und Lebensdauer des SPD.

• Nenn-Entladestrom (In): Der Spitzenstrom, den ein SPD für eine bestimmte Anzahl von Stromstößen (normalerweise 15-20) verarbeiten kann, ohne auszufallen. Dies ist ein Maß für Haltbarkeit. Eine gemeinsame Unter für SPDs des Typs 2, die in PV-Anlagen verwendet werden, beträgt 20 kA.
• Maximaler Entladestrom (Imax): Der maximale einzelne Stoßstrom, den ein SPD einmal verarbeiten kann, ohne zerstört zu werden. Dies ist ein Maß für Robustheit. Sie ist in der Regel doppelt so hoch wie Unter Wert (z. B. 40 kA).
• Impuls-Entladestrom (Iimp): Diese Einstufung ist spezifisch für SPDs des Typs 1 und prüft ihre Fähigkeit, einen Teil eines direkten Blitzeinschlags unter Verwendung einer schwereren 10/350-µs-Wellenform zu bewältigen.

Die erforderlichen Nennwerte hängen vom Risiko der Blitzeinwirkung am Standort und von der Art des verwendeten SPD ab. Für die meisten DC-seitigen Anwendungen am Wechselrichter oder Verteilerkasten ist ein Typ 2 SPD mit In = 20kA und Imax = 40kA ist eine standardmäßige und zuverlässige Wahl .

Ein vereinfachter Arbeitsablauf für die Dimensionierung eines DC-SPD auf der Grundlage der wichtigsten System- und Standortparameter.

Teil 3: Auswahl der richtigen Technologie

Neben den elektrischen Werten ist auch die interne Technologie des SPD von Bedeutung. Die beiden wichtigsten Technologien sind Metalloxid-Varistoren (MOV) und Gasentladungsröhren (GDT), wobei viele moderne SPDs einen hybriden Ansatz verwenden.

Vergleich 1: Typ 1 vs. Typ 2 SPDs

Die grundlegendste Entscheidung ist die zwischen einem EPPD des Typs 1 und eines des Typs 2, die über seine Anwendung und Robustheit entscheidet.

Für die Gleichstromseite einer typischen Solaranlage, SPDs vom Typ 2 sind die Standardwahl für die Installation in Verteilerkästen und am DC-Eingang des Wechselrichters.  Ein Gerät des Typs 1 kann am DC-Hauptaggregat erforderlich sein, wenn der Standort über ein äußeres Blitzableitersystem verfügt. 

Vergleich 2: MOV vs. GDT-Technologie

Mutige Erkenntnis: Viele leistungsstarke DC-SPDs sind Hybridgeräte. Sie kombinieren ein MOV für sein schnelles Ansprechen und ein GDT für seine Hochenergiehandhabungs- und Isolationsfähigkeiten. Dadurch werden die Stärken beider Technologien genutzt, um einen hervorragenden Schutz zu bieten.

Teil 4: Strategische Installation: Wo und wie

Ein perfekt dimensioniertes SPD ist nutzlos, wenn es falsch installiert wird. Platzierung und Verkabelung sind ebenso wichtig wie die Gerätespezifikationen. Eine “kaskadierte” oder geschichtete Schutzstrategie ist die beste Praxis, wobei SPDs an wichtigen Übergängen im System installiert werden.

Auf der Gleichstromseite sind die beiden kritischsten Stellen:

1. In der String Combiner Box.
2. Am DC-Eingang des Zentral-/Stringwechselrichters.

Dieser mehrschichtige Ansatz orientiert sich an den “<10-Meter-Regel”.” eine weithin anerkannte Industrienorm. Diese Regel besagt, dass, wenn die Länge des Gleichstromkabels zwischen dem SPD und dem zu schützenden Gerät (z. B. zwischen dem Verteilerkasten und dem Wechselrichter) größer als 10 Meter (etwa 33 Fuß), sollte ein zweiter SPD am Ende des Geräts installiert werden. Der Grund dafür ist, dass lange Kabelstrecken eine höhere Induktivität aufweisen, was bei einem Überspannungsstoß zu großen induzierten Spannungen führen kann, die den Schutz eines entfernten SPD zunichte machen.

Außerdem, die Länge der Leitung ist von entscheidender Bedeutung. Die Drähte, die das SPD mit den Plus-, Minus- und Masseanschlüssen verbinden, müssen so kurz und gerade wie möglich sein. Jeder Zentimeter Draht erhöht die Induktivität, wodurch sich die effektive Nach oben des Geräts. Lange, geschlungene Drähte können leicht so viel Spannung erzeugen, dass das SPD unwirksam wird.

Ein Diagramm, das die empfohlene SPD-Platzierung auf der DC- und AC-Seite einer PV-Anlage unter Berücksichtigung der 10-Meter-Regel zeigt.

Teil 5: Wartung und Fehlersuche

DC SPDs sind als Opfergeräte konzipiert. Sie absorbieren schädliche Energie, um wertvollere Geräte zu schützen. Die meisten modernen SPDs verfügen über eine einfache optische Statusanzeige, oft ein kleines Fenster auf der Vorderseite des Geräts.

• Grün: Die SPD ist gesund und bietet Schutz.
• Rot: Das EPPD ist am Ende seiner Lebensdauer angelangt und bietet keinen Schutz mehr.

Das Wichtigste in Kürze: Ein roter Indikator bedeutet, dass sich die internen Schutzkomponenten (wie das MOV) aufgrund von Degradation oder eines größeren Überspannungsereignisses abgeschaltet haben. Das Gerät hat seine Aufgabe erfüllt und muss sofort ersetzt werden, um den Schutz wiederherzustellen.

Diese Indikatoren sollten im Rahmen eines routinemäßigen Betriebs- und Wartungsbesuchs (O&M) überprüft werden. Viele SPDs verfügen über steckbare Module, die einen schnellen und einfachen Austausch ermöglichen, ohne dass die gesamte Basiseinheit neu verdrahtet werden muss.

Teil 6: Häufig gestellte Fragen (FAQ)

1. Mein Wechselrichter hat eingebaute SPDs. Brauche ich trotzdem externe SPDs?
Ja. Eingebaute SPDs bieten zwar eine gute Grundlage, sind aber oft nur eine letzte, niedrige Stufe des Schutzes. Externe SPDs, die in Verteilerkästen installiert sind, fungieren als primäre, robustere erste Verteidigungslinie und absorbieren den Großteil einer Überspannung, bevor sie den Wechselrichter erreicht.

2. Wie viele SPDs brauche ich für mein System?
Das hängt von der Auslegung und Größe des Systems ab. Sie benötigen mindestens einen am Haupteingang des DC-Kombinators/Wechselrichters. Bei größeren Anlagen mit mehreren Stringkombinationskästen und Kabelstrecken von mehr als 10 Metern benötigen Sie zusätzliche SPDs an jedem Kasten und am Zentralwechselrichter, nach dem Prinzip des Kaskadenschutzes.

3. Was passiert, wenn ich ein AC-SPD auf der DC-Seite verwende?
Es wird ausfallen, wahrscheinlich auf katastrophale und gefährliche Weise. Er ist nicht in der Lage, einen Gleichstrombogen zu löschen, was dazu führen kann, dass das Gerät überhitzt und Feuer fängt, wenn es versucht zu arbeiten.

4. Was bedeutet die MCOV (Uc)-Bewertung wirklich?
Es handelt sich um die maximale Gleichspannung, die der SPD verarbeiten kann, ohne zu leiten. Die Wahl einer MCOV, die mindestens das 1,25-fache der maximalen Spannung des Arrays bei kaltem Wetter beträgt, ist entscheidend, um unerwünschte Auslösungen und vorzeitige Ausfälle zu vermeiden.

5. Warum ist die 10-Meter-Regel so wichtig?
Lange Kabel haben eine hohe Induktivität. Bei einer schnell ansteigenden Überspannung erzeugt diese Induktivität einen erheblichen Spannungsabfall entlang des Kabels, der die Klemmspannung des SPDs erhöht. Wenn das Kabel zu lang ist, kann diese zusätzliche Spannung ausreichen, um die Geräte zu beschädigen, die Sie schützen wollen.

6. Sollte ich ein SPD mit dem höchsten Imax-Wert wählen?
Nicht unbedingt. Während ein hoher Imax-Wert auf Robustheit hindeutet, ist der Nennentladestrom (In) ein besserer Indikator für Haltbarkeit und Lebensdauer. Für die meisten PV-Anwendungen ist ein SPD Typ 2 mit In=20kA / Imax=40kA eine ausgewogene und standardmäßige Wahl.

7. Beeinflusst das Erdungssystem meine Wahl des SPD?
Unbedingt. Der SPD leitet den Stoßstrom zur Erde ab, so dass ein Erdungssystem mit niedriger Impedanz für seine effektive Funktion unerlässlich ist. Die Erdungskonfiguration des Systems (z. B. positive oder negative Erdung, erdfrei) diktiert auch das spezifische SPD-Anschlussschema, das benötigt wird.

8. Auf welche Zertifizierungen sollte ich achten?
Stellen Sie sicher, dass das SPD nach den einschlägigen Normen zertifiziert ist. Achten Sie bei PV-Anwendungen auf die Einhaltung von IEC 61643-31 oder UL 1449. Diese Zertifizierungen gewährleisten, dass das Gerät auf Sicherheit und Leistung in solarspezifischen Szenarien getestet wurde.

Schlussfolgerung: Eine kritische Investition

Die Dimensionierung und Auswahl eines DC-SPD ist keine triviale Aufgabe. Es handelt sich um einen systematischen Prozess, bei dem die elektrischen Parameter, die Umgebungsbedingungen und die strategische Platzierung abgewogen werden. Wie wir gesehen haben, liegen die wichtigsten Erkenntnisse auf der Hand:

• Berechnung des MCOV mit einem temperaturkorrigierten Voc(max) und einem Sicherheitsfaktor.
• Wählen Sie eine Nach oben Wert, der deutlich unter der Spannungsfestigkeit Ihres Geräts liegt.
• Verwenden Sie eine Kaskadenstrategie unter Beachtung der 10-Meter-Regel.
• Halten Sie die Anschlussleitungen so kurz wie möglich.
• Überprüfen Sie regelmäßig die Statusanzeigen.

Die anfänglichen Kosten für einen hochwertigen, ordnungsgemäß spezifizierten DC-SPD sind im Vergleich zu den Kosten für einen Ersatzwechselrichter und den damit verbundenen Erzeugungsverlusten verschwindend gering. Wenn Sie den Überspannungsschutz als kritische Investition betrachten, sichern Sie die betriebliche Integrität und die finanzielle Rentabilität Ihres Solarprojekts für die nächsten Jahrzehnte.