Überhitzung von PV-Sicherungshaltern: 7 Ursachen und praktische Lösungen für Solarprojekte in Wüstenregionen

Die Überhitzung von PV-Sicherungshaltern ist nicht einfach nur ein Problem des “heißen Wetters”. In einem Solar-Anschlusskasten wird Wärme durch den Sicherungseinsatz, den Kontaktwiderstand, die Klemmen und die Leiter erzeugt und anschließend im Gehäuse eingeschlossen. Wenn hohe Umgebungstemperaturen, Staub, schwache Belüftung oder eine falsche Komponentenabstimmung hinzukommen, kann ein geringer thermischer Spielraum schnell verschwinden.

Dies ist besonders in Saudi-Arabien, den VAE, Oman, Katar und anderen Märkten mit heißem Klima von Bedeutung. Ein direktem Sonnenlicht ausgesetzter Anschlusskasten kann bei einer wesentlich höheren Innentemperatur betrieben werden als die angegebene Außenlufttemperatur. Das Ergebnis können unerwünschte Sicherungsauslösungen, verfärbter Kunststoff, beschädigte Isolierungen, instabiler Kontaktdruck oder, in schweren Fällen, ein lokales thermisches Ereignis sein.

Dieser Leitfaden erläutert sieben häufige Ursachen für die Überhitzung von Solar-Sicherungshaltern, wie diese diagnostiziert werden können und was EPC- und Beschaffungsteams vor der Genehmigung von 1000V- oder 1500V-gPV-Sicherungsbaugruppen überprüfen sollten.

Warum ein PV-Sicherungshalter Wärme erzeugt

Jede stromführende Verbindung weist einen Widerstand auf. Die an einer Verbindung erzeugte Wärme folgt dem Zusammenhang:

Leistungsverlust = Strom² × Widerstand

Dies ist von Bedeutung, da ein geringfügiger Anstieg des Widerstands zu einem starken Temperaturanstieg führen kann, wenn der Stromkreis nahe seiner Dauerstromgrenze betrieben wird. Ein gPV-Sicherungseinsatz weist zudem einen beabsichtigten Widerstand auf, da er unter definierten Fehlerbedingungen sicher schmelzen muss. Der Halter muss diesen Strom führen, einen zuverlässigen Kontaktdruck aufrechterhalten und die Wärme an die Umgebungsluft abgeben.

Sicherungseinsatz und Halter verhalten sich daher als eine thermische Einheit. Die Auswahl der Komponenten allein anhand ihres Nennstroms ist nicht ausreichend.

1. Der Sicherungshalter wird zu nahe an seinem Nennstrom betrieben

Einer der häufigsten Fehler besteht darin, die Nennstromangabe von 32 A oder 63 A eines Halters als garantierten Dauerbetriebsstrom unter allen Bedingungen zu betrachten. Labornennwerte werden unter definierten Testbedingungen ermittelt. Ein geschlossener Generatoranschlusskasten in einer Wüsteninstallation kann eine geringere Luftzirkulation, mehr benachbarte Wärmequellen und eine deutlich höhere interne Umgebungstemperatur aufweisen.

Eaton weist darauf hin, dass Sicherungshalter im Allgemeinen ein Derating erfordern und dass Temperatur, Stromzyklen, Gehäusebedingungen und Luftstrom zusätzliche Sicherheitsmargen erforderlich machen können. Der Leitfaden für Photovoltaikanwendungen besagt zudem, dass ein zusätzliches Derating notwendig sein kann, wenn eine Sicherung in einer Umgebung mit hohen Temperaturen installiert wird.

Praktische Lösung

• Beschaffen Sie die Temperatur-Derating-Kurve des Herstellers sowohl für den Sicherungseinsatz als auch für den Halter.
• Verwenden Sie den erwarteten Innentemperatur des Gehäuses, nicht nur die Wettervorhersage.
• Überprüfen Sie den kontinuierlichen Strangstrom, den Modul-Kurzschlussstrom (Isc), die Auslegungssicherheitsfaktoren und die Strombelastbarkeit der Kabel gemeinsam.
• “Lösen” Sie keine Fehlauslösungen durch die Installation einer größeren Sicherung, ohne die Grenzwerte für den Leitungs- und Modulschutz zu überprüfen.

2. Der gPV-Sicherungseinsatz und der Halter sind keine geprüfte Kombination

Ein Sicherungseinsatz kann zwar physisch in einen Halter passen, aber dennoch thermisch ungeeignet sein. Verschiedene Sicherungseinsätze können unterschiedliche Verlustleistungen, Endkappenabmessungen, Oberflächenbeschaffenheiten und Betriebseigenschaften aufweisen. Eine gemischte Baugruppe kann einen höheren Kontaktwiderstand entwickeln oder mehr Wärme in einen Halter übertragen, als dieser bewältigen kann.

Das Risiko ist größer, wenn ein Projekt Folgendes kombiniert:

• einen Sicherungseinsatz einer Serie mit einem nicht zugehörigen Halter;
• 10×38, 14×51, 10×85 oder 14×85 Komponenten, die nur nach Größe ausgewählt wurden;
• ein 1000V-Halter, der in einer 1500V-Konstruktion verwendet wird;
• eine industrielle Standardsicherung anstelle einer photovoltaischen gPV-Sicherung.

IEC 60269-6 definiert ergänzende Anforderungen für Sicherungseinsätze zum Schutz von PV-Strings und -Anlagen bis 1500V DC. Ein Projekt sollte die vollständige Baugruppe und deren Anwendungsdaten überprüfen und sich nicht allein auf das Erscheinungsbild verlassen.

Praktische Lösung

Fragen Sie den Lieferanten nach einer deklarierten Kombination aus Sicherungseinsatz und Halter, der Nennspannung, dem Strombereich, den Verlustleistungsdaten, der geltenden Norm und den Temperaturgrenzen. Bei OEM-Generatoranschlusskästen sollte die zugelassene Kombination in der Stückliste fixiert werden, damit die Produktion nicht ohne technische Prüfung einen Teil der Baugruppe austauschen kann.

3. Lose Klemmen oder falsches Anzugsdrehmoment

Eine lose Schraubklemme erzeugt eine Verbindung mit hohem Widerstand. Da die Erwärmung mit dem Quadrat des Stroms zunimmt, kann selbst ein geringer Anstieg des Klemmenwiderstands einen konzentrierten Hotspot erzeugen. Wiederholtes tägliches Erwärmen und Abkühlen kann die Verbindung dann weiter verschlechtern.

Häufige Ursachen sind:

• Leiter, die nicht bis zur angegebenen Tiefe eingeführt wurden;
• Festziehen nach Gefühl anstelle eines kalibrierten Drehmomentwerkzeugs;
• Verwendung von feindrähtigen Leitern ohne korrekte Aderendhülse;
• Wiederverwendung einer beschädigten Anschlussklemme;
• Fließen des Leiters nach der Inbetriebnahme;
• Vibrationen während des Transports oder der Installation.

Praktische Lösung

Verwenden Sie die vom Hersteller angegebenen Anzugsdrehmomente und Leiterquerschnittsbereiche. Protokollieren Sie das Drehmoment während der Produktion oder Inbetriebnahme und prüfen Sie anschließend eine Stichprobe nach thermischen Wechselbelastungen. Wenn die Wärmebildkamera eine heiße Anschlussklemme zeigt, während der Sicherungskörper vergleichsweise kühl bleibt, untersuchen Sie die Verbindung, bevor Sie den Sicherungswert ändern.

Öffnen oder warten Sie niemals einen unter Spannung stehenden DC-Sicherungshalter. Trennen Sie die Stromquelle, befolgen Sie das Lockout-Verfahren des Projekts und bestätigen Sie die Spannungsfreiheit mit einer geeigneten Methode.

4. Die Temperatur im Generatoranschlusskasten ist höher als die Auslegungsannahme

Direkte Sonneneinstrahlung kann ein Außengehäuse in eine Wärmefalle verwandeln. Dunkle Gehäuseoberflächen, begrenzter Abstand, dicht gepackte DIN-Schienengeräte und eine schlechte interne Luftzirkulation erhöhen die Komponententemperatur. Die lokale Temperatur neben einer Reihe von Sicherungshaltern kann wesentlich höher sein als die Lufttemperatur außerhalb des Gehäuses.

Bei der Auslegung für heiße Klimazonen sollte zudem Folgendes berücksichtigt werden:

• Wärmeentwicklung durch Überspannungsschutzgeräte (SPDs), Klemmen und benachbarte Geräte;
• gleichzeitige Belastung vieler paralleler Stränge;
• reduzierte natürliche Konvektion in abgedichteten Gehäusen;
• Staubablagerungen auf Außenflächen;
• Montage an einer heißen Wand oder ohne Sonnenschutz.

Die Richtlinien für Solar-PV-Installationen in Abu Dhabi betonen die Notwendigkeit von Ausrüstung und Verkabelung, die für die Installationsumgebung, hohe Temperaturen und UV-Belastung geeignet sind. Dieselben umweltbezogenen Überlegungen sollten auch auf Schutzeinrichtungen innerhalb von Außengehäusen angewendet werden.

Praktische Lösung

Modellieren oder messen Sie die interne Temperatur im ungünstigsten Fall. Sorgen Sie für Abstände gemäß den Geräteanweisungen, verwenden Sie eine geeignete Gehäusefarbe sowie einen Sonnenschutz und vermeiden Sie die Platzierung des Generatoranschlusskastens an Orten, an denen die Wärme nicht entweichen kann. Validieren Sie bei Bedarf die fertige Baugruppe durch eine Temperaturerhöhungsprüfung bei repräsentativer Last.

5. Staub, Feuchtigkeit oder Korrosion haben den Kontaktwiderstand erhöht

Feiner Wüstenstaub kann während der Installation oder Wartung eindringen. Küstenprojekte können zudem mit Luftfeuchtigkeit und salzhaltiger Luft konfrontiert sein. Verunreinigungen können Anschlüsse, Kontaktflächen und Isolierungen beeinträchtigen, während Korrosion den Widerstand allmählich erhöht.

Das Symptom ist möglicherweise keine gleichmäßige Erwärmung. Ein verunreinigter oder korrodierter Kontakt erzeugt häufig einen lokalen Temperaturunterschied zwischen ansonsten identischen Strängen.

Praktische Lösung

• Wählen Sie ein Gehäuse und ein Kabeleinführungssystem mit einer geeigneten IP-Schutzart.
• Halten Sie ungenutzte Kabeleinführungen verschlossen.
• Legen Sie Reinigungs- und Inspektionsintervalle basierend auf dem lokalen Staub- und Salzgehalt fest.
• Ersetzen Sie beschädigte Halterungen, anstatt Kontaktflächen zu polieren oder provisorische Reparaturen durchzuführen.
• Auf Verfärbungen, Geruchsbildung, spröden Kunststoff, Lochfraß und nachlassenden Federdruck prüfen.

6. Kabelgröße, Aderendhülse oder Anschlusskompatibilität sind falsch

Ein ausreichend dimensioniertes Kabel kann dennoch eine schlechte Verbindung verursachen, wenn seine Bauart nicht zum Anschluss passt. Überdimensionierte Leiter sitzen möglicherweise nicht korrekt; unterdimensionierte Leiter werden eventuell nicht sicher geklemmt. Schlecht gecrimpte Aderendhülsen fügen eine weitere Widerstandsstelle hinzu.

Überprüfen Sie auch die Temperaturbeständigkeit des Anschlusses. Der PV-Anwendungsleitfaden von Eaton warnt, dass die Temperaturbeständigkeit von Komponente, Anschluss und Leiter aufeinander abgestimmt sein muss. Die Verwendung eines 90°C-Kabels erlaubt nicht automatisch, dass jeder angeschlossene Anschluss bei 90°C betrieben werden darf.

Praktische Lösung

Überprüfen:

1. Leitermaterial und Querschnitt;
2. eindrähtige, mehrdrähtige oder feindrähtige Ausführung;
3. zugelassener Aderendhülsentyp und Crimp-Profil;
4. Abisolierlänge und Einstecktiefe;
5. Temperaturbeständigkeit der Anschlussklemmen;
6. Strombelastbarkeit des Kabels nach Korrektur für Umgebungstemperatur und Häufung.

7. Die Sicherung reagiert korrekt auf einen fehlerhaften Stromkreis

Nicht jeder heiße Sicherungshalter ist auf den Halter selbst zurückzuführen. Höher als erwartete Ströme, Rückströme aus parallelen Strängen, ein intermittierender Fehler oder eine falsche Strangkonfiguration können die Sicherungstemperatur erhöhen. Der Austausch des Halters ohne Ermittlung der elektrischen Ursache verschiebt das Problem nur zeitlich.

Vergleichen Sie die Ströme zwischen ähnlichen Strängen und überprüfen Sie Wechselrichterdaten, Modulkonfiguration, Polarität sowie Isolationsmessergebnisse. Ein wiederkehrendes Problem in einem Stromkreis erfordert eine elektrische Untersuchung und nicht nur den Austausch eines Bauteils.

Diagnose-Checkliste für überhitzte PV-Sicherungshalter

Verwenden Sie diese Abfolge während einer geplanten, sicheren Inspektion:

Thermische Vergleiche sollten unter ähnlichen Last- und Umgebungsbedingungen durchgeführt werden. Ein Temperaturwert ohne Lastkontext kann irreführend sein.

So spezifizieren Sie eine sicherere gPV-Sicherungseinheit

Für ein Projekt im Nahen Osten sollte die Beschaffungsspezifikation mehr als nur Spannung und Strom umfassen:

• PV-spezifische gPV-Sicherungskennlinie;
• 1000V oder 1500V DC Systembemessungsspannung je nach Anforderung;
• kompatible Sicherungseinsatz- und Halterserien;
• Ausschaltvermögen und Zeit-Strom-Kennliniendaten;
• Informationen zu Leistungsverlust und Temperatur-Derating;
• Leiterquerschnittsbereich und Anzugsdrehmoment;
• Temperaturbeständigkeit der Anschlussklemmen;
• Betriebstemperaturbereich;
• anwendbare IEC- oder UL-Dokumentation;
• Chargenrückverfolgbarkeit;
• Gehäuseabstände und Installationsanweisungen;
• Ersatzschmelzeinsätze und Ersatzhalter.

Für Anwendungen auf String-Ebene können je nach Spannungs- und Stromanforderungen kompakte zylindrische Formate wie 10×38, 14×51, 10×85 und 14×85 verwendet werden. Hochstrom-Kombinierer, Wechselrichter oder Energiespeicherschaltkreise erfordern möglicherweise quadratische Sicherungssysteme. Das Format muss basierend auf den tatsächlichen Schaltkreisbedingungen und nicht allein nach dem Platzbedarf im Schaltschrank ausgewählt werden.

Wann sollte ein heißer Sicherungshalter ausgetauscht werden?

Tauschen Sie den Halter aus, wenn er geschmolzenen oder verfärbten Kunststoff, Verlust des Kontaktdrucks, beschädigte Anschlüsse, Lochfraß, Korrosion, Risse oder wiederholt auftretende anormale Temperaturen aufweist, nachdem die externe Ursache behoben wurde. Tauschen Sie den zugehörigen Schmelzeinsatz aus, wenn dieser anormaler Hitze ausgesetzt war oder wenn der Hersteller einen Austausch als Baugruppe vorschreibt.

Verwenden Sie einen hitzegeschädigten Halter nicht wieder, nur weil er noch Strom leitet. Thermische Schäden können die Federkraft, die Isolationsfestigkeit und das Kriechstromverhalten beeinträchtigen.

Schlussfolgerung

Eine Überhitzung von PV-Sicherungshaltern resultiert meist aus einer Kombination von Stromstärke, Widerstand und unzureichender Wärmeabfuhr. Bei Solarprojekten in Wüstenregionen muss das Design die tatsächliche Gehäusetemperatur, eine verifizierte Abstimmung zwischen gPV-Sicherungseinsatz und Halter, die Qualität der Anschlussverarbeitung, Verschmutzungen sowie den Wartungszugang berücksichtigen.

Eine zuverlässige Spezifikation verknüpft die elektrische Berechnung mit der vollständig installierten Baugruppe. Dieser Ansatz reduziert störungsbedingte Ausfälle, verbessert die Rückverfolgbarkeit und bietet EPC- sowie O&M-Teams eine praktische Grundlage für thermische Inspektionen.

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Häufig gestellte Fragen

Ist es normal, dass sich ein PV-Sicherungshalter warm anfühlt?

Ein gewisser Temperaturanstieg ist normal, da der Sicherungseinsatz und die Kontakte einen elektrischen Widerstand aufweisen. Ein Halter, der jedoch deutlich heißer ist als identische benachbarte Einheiten, Verfärbungen aufweist oder Gerüche absondert, muss überprüft werden. Bewerten Sie die Temperatur stets im Zusammenhang mit der Last, den Umgebungsbedingungen und den Herstellergrenzwerten.

Kann ich eine Sicherung mit höherem Nennstrom installieren, um die Überhitzung zu stoppen?

Nicht ohne eine vollständige Überprüfung des Schutzes. Eine größere Sicherung schützt die Modulverkabelung oder den Leiter möglicherweise nicht korrekt. Ermitteln Sie zunächst, ob die Ursache die Umgebungstemperatur, ein Derating, eine lose Verbindung, ein nicht passender Halter oder ein anormaler Stromkreisstrom ist.

Sollten Sicherungshalter in einem heißen Gehäuse einem Derating unterzogen werden?

Im Allgemeinen ja. Der erforderliche Spielraum hängt vom spezifischen Sicherungseinsatz, dem Halter, dem Luftstrom, der Gehäusetemperatur, dem Abstand und den Stromzyklen ab. Verwenden Sie die Herstellerdaten und validieren Sie die fertige Baugruppe unter realistischen Bedingungen.

Welche Norm gilt für Photovoltaik-Sicherungseinsätze?

IEC 60269-6 enthält ergänzende Anforderungen für Sicherungseinsätze zum Schutz von Photovoltaik-Strings und -Arrays in Gleichstromkreisen bis 1500 V.

Welche Informationen sollte ich einem PV-Sicherungslieferanten senden?

Senden Sie die maximale Systemspannung, die Leerlaufspannung (Voc) und den Kurzschlussstrom (Isc) des Moduls, die Anzahl der parallelen Strings, den gewünschten Sicherungsnennstrom, den Leiterquerschnitt, die Gehäusetemperatur, das Installationsformat und die geltende Projektnorm.

Technische Referenzen

• IEC 60269-6, Anforderungen an Photovoltaik-Sicherungseinsätze: https://webstore.iec.ch/en/publication/1245
• Eaton, Anwendungsleitfaden für den Schutz von Solarkreisen: https://www.eaton.com/content/dam/eaton/products/electrical-circuit-protection/fuses/bussmann-series-photovoltaic-fuses/bus-ele-an-10191-pv-app-guide.pdf
• Eaton, Auswahl und Derating von Sicherungshaltern: https://www.eaton.com/vn/vi-vn/products/electronic-components/topics/how-to-select-a-fuse-holder.html
• Mersen, Beispiel für das Derating von Photovoltaik-Sicherungen bei Umgebungstemperatur: https://www.mersen.com/sites/default/files/medias/PIM/files/720872.SLDDRW.pdf
• Abu Dhabi Department of Energy, Leitfaden für die Installation von Solar-PV-Anlagen: https://doe.gov.ae/-/media/project/doe/department-of-energy/media-center-publications/english-files/solar_pv_installation_guidance_document.pdf