Warum jeder PV-String einen Überspannungsschutz benötigt

Der $47.000 Blitzeinschlag, der hätte verhindert werden können

Es war ein Dienstagmorgen im Juli, als das Wartungsteam einer kommerziellen 500-kW-Solaranlage in Arizona den gefürchteten Anruf erhielt. Über Nacht war ein schweres Gewitter vorbeigezogen, und die Wechselrichter waren offline. Als die Techniker vor Ort eintrafen, stellten sie fest, dass ein Blitzeinschlag in die ungeschützten PV-Strings eingeschlagen war und drei String-Wechselrichter zerstört, 24 Solarmodule beschädigt und das Überwachungssystem beschädigt hatte. Die Gesamtkosten für die Reparatur? $47.000. Die Ausfallzeit des Systems? Drei Wochen. Die Kosten für einen angemessenen Überspannungsschutz für die PV-Strings, den man bei der Installation übersehen hatte, um das Budget zu schonen? Weniger als $2.000.

Dies ist kein Einzelfall. Branchenangaben zufolge sind Blitz- und Überspannungsschäden für bis zu 30% aller Garantieansprüche für Solarsysteme verantwortlich. Dennoch betrachten viele Installateure und Anlagenbesitzer Überspannungsschutzgeräte (SPDs) immer noch als optionales Zubehör und nicht als wesentliche Sicherheitsausrüstung. Wenn Sie für die Planung, Installation oder Wartung von Solaranlagen verantwortlich sind, könnte diese Einstellung Sie - oder Ihre Kunden - Zehntausende von Dollar kosten.

Die verborgene Verwundbarkeit von PV-Strings

Solaranlagen sind von Natur aus Blitzmagneten. Hier erfahren Sie, warum Ihre PV-Strings besonders anfällig für Überspannungsereignisse sind:

Erhöhte Exposition: Solarmodule werden absichtlich an offenen, erhöhten Standorten mit maximaler Sonneneinstrahlung installiert - genau die gleichen Eigenschaften, die Gebäude attraktiv für Blitzeinschläge machen. Dachanlagen können der höchste Punkt eines Gebäudes sein, während Freiflächenanlagen auf offenen Feldern einen minimalen natürlichen Blitzschutz bieten.

Lange DC-Kabelstrecken als Antennen: Die Gleichstromkabel, die Ihre PV-Stränge verbinden, wirken wie riesige Antennen, die elektromagnetische Störungen von nahegelegenen Blitzeinschlägen auffangen. Selbst indirekte Einschläge (Blitzeinschlag in den Boden oder in nahegelegene Gebäude im Umkreis von 2 km) können auf ungeschützten Kabeln Überspannungen von über 6.000 V erzeugen.

Mehrere Einstiegspunkte: Im Gegensatz zu herkömmlichen elektrischen Systemen mit einem einzigen Anschlusspunkt haben Solaranlagen Dutzende oder Hunderte von potenziellen Überspannungseintrittspfaden - jeder Strang stellt einen Pfad für zerstörerische Energie dar, um Ihre teure Wechselrichterausrüstung zu erreichen.

DC-Bogen Persistenz: Wenn Überspannungen in Gleichstromsystemen Lichtbögen verursachen, erlöschen diese nicht wie in Wechselstromsystemen beim Nulldurchgang von selbst. Gleichstromlichtbögen können fortbestehen und eskalieren, was zu Brandgefahren und katastrophalen Geräteschäden führen kann.

Stellen Sie sich Ihre Solaranlage wie ein Feld von Blitzableitern vor, das direkt mit elektronischen Präzisionsgeräten verbunden ist - ohne den richtigen Schutz ist es keine Frage von wenn Sie werden einen Überspannungsschaden erleiden, aber wenn.

Was passiert, wenn ein Blitz in Ihr Solarmodul einschlägt?

Die Folgen eines unzureichenden Überspannungsschutzes für PV-Stränge gehen weit über unmittelbare Anlagenschäden hinaus:

Sofortige Zerstörung der Ausrüstung

Wenn sich eine Überspannung durch ungeschützte PV-Strings ausbreitet, sind die ersten Opfer in der Regel die Verbraucher:

• Eingangsstufen des Wechselrichters: IGBT-Module, Zwischenkreiskondensatoren und Steuerplatinen (Reparaturkosten: $5.000-$15.000 pro Wechselrichter)
• Bypass-Dioden in Solarmodulen: Verursacht Hot Spots und permanenten Leistungsverlust (Ersatzkosten: $400-$800 pro Modul)
• Überwachungs- und Kommunikationseinrichtungen: Datenlogger, Sensoren und Kontrollsysteme ($2.000-$8.000)

Versteckte Moduldegradation

Selbst Überspannungen, die nicht sofort zu einem Ausfall führen, können Mikrorisse in Solarzellen verursachen, die die langfristige Degradation beschleunigen. Studien zeigen, dass Module, die wiederholten Überspannungsereignissen ohne angemessenen Schutz ausgesetzt sind, während ihrer Lebensdauer 15-25% mehr Effizienz verlieren können als geschützte Systeme.

Kosten für Systemausfallzeiten

Pro-Tipp: Viele Versicherungspolicen decken Überspannungsschäden nicht ab, wenn Sie nicht nachweisen können, dass der gesetzlich vorgeschriebene Überspannungsschutz ordnungsgemäß installiert und gewartet wurde - dokumentieren Sie Ihre SPD-Installationen immer mit datierten Fotos und Inbetriebnahmeberichten.

Risiko des Verlusts der Garantie

Hier ist die Klausel, die viele in Herstellergarantien vermissen: Die meisten Wechselrichter- und Modulgarantien verlangen ausdrücklich einen “ordnungsgemäß installierten Überspannungsschutz gemäß den örtlichen Elektrovorschriften und IEC 61643-31”. Wenn Sie nicht nachweisen können, dass geeignete SPDs installiert wurden, können Sie Garantien im Wert von Zehntausenden von Dollar verlieren.

Warum Schutz auf String-Ebene unverzichtbar ist

Das Verständnis des Überspannungspfades durch Ihre PV-Anlage zeigt, warum ein Schutz auf mehreren Ebenen unerlässlich ist:

Das Schutzkaskadenkonzept

Ein wirksamer Überspannungsschutz für PV-Stränge folgt einer koordinierten Schutzkaskade - man kann ihn sich als eine Reihe von Abwehrbarrieren vorstellen, die jeweils für bestimmte Bedrohungsstufen ausgelegt sind:

Erste Verteidigungslinie (String Level): SPDs vom Typ 2, die am oder in der Nähe des PV-Generators installiert sind, bewältigen die anfängliche Überspannungsenergie. Diese Geräte fangen Hochspannungstransienten ab, bevor sie sich über lange Kabelstrecken ausbreiten, wo sich die Energie ansammeln kann.

Zweite Linie (Combiner Box): Zusätzliche SPDs des Typs 2 bieten einen Backup-Schutz und bewältigen alle verbleibenden Überspannungen, die durch die String-Level-Geräte oder über andere Pfade eingedrungen sind.

Endleitung (Wechselrichtereingang): Am DC-Eingang des Wechselrichters installierte SPDs vom Typ 2 oder mit Feinschutz bieten den letzten Schutz und stellen sicher, dass nur sauberer Strom die empfindliche Elektronik erreicht.

Grundprinzip: Jede Schutzstufe muss richtig koordiniert werden. Der Spannungsschutzpegel (Up) jeder aufeinanderfolgenden Stufe sollte progressiv niedriger sein, und die Geräte müssen durch mindestens 10 Meter Kabel getrennt oder durch Entkopplungsinduktoren verbunden sein, um eine SPD-Interaktion zu verhindern.

Einhaltung von Vorschriften und Kodexanforderungen

Der National Electrical Code (NEC) Artikel 690.35(A) schreibt ausdrücklich einen Überspannungsschutz für PV-Anlagen vor. Genauer gesagt:

• Alle PV-Anlagen mit freiliegender Verkabelung an oder in Gebäuden müssen mit SPDs ausgestattet sein
• SPDs müssen für DC-PV-Anwendungen gelistet und gekennzeichnet sein
• Schutz ist sowohl auf der DC- als auch auf der AC-Seite erforderlich

Die IEC 61643-31 ist die internationale Norm für die Auswahl und den Einbau von SPD in Photovoltaikanlagen, in der Prüfverfahren und Mindestanforderungen an die Leistung festgelegt sind.

Pro-Tipp: Bei Genehmigungsprüfungen und Inspektionen zeugen ordnungsgemäß bewertete und installierte SPDs auf Strangebene von technischer Sorgfalt und können die Genehmigungsverfahren beschleunigen - Inspektoren achten darauf als Zeichen für eine qualitativ hochwertige Installation.

Die vierstufige Auswahlmethode für PV-Kette SPDs

Die Auswahl eines geeigneten Überspannungsschutzes für PV-Stränge ist kein Ratespiel - folgen Sie diesem systematischen Ansatz, um jedes Mal die richtigen Geräte auszuwählen:

Schritt 1: Berechnung der maximalen Systemspannung (Voc-Betrachtung)

Die maximale Dauerbetriebsspannung (Uc) Ihres SPD muss die maximale Leerlaufspannung (Voc) übersteigen, die Ihr System unter allen Bedingungen erzeugen kann.

Berechnungsformel:

Uc(min) = Voc(STC) × Temperaturkorrekturfaktor × Sicherheitsmarge

Temperatur-Korrekturfaktor: Für jede 10°C unter 25°C (STC) steigt die Voc um ca. 0,35-0,40% pro °C für typische kristalline Siliziummodule.

Berechnungsbeispiel:

• Modul Voc (STC): 49.5V
• Stringlänge: 20 Module
• Voc bei STC: 49,5V × 20 = 990V
• Niedrigste erwartete Temperatur: -20°C
• Temperaturdifferenz zu STC: 45°C
• Spannungserhöhung: 990V × (45°C × 0,0035) = 156V
• Maximale Voc: 990V + 156V = 1.146V
• Erforderlicher Uc mit 15%-Sicherheitsabstand: 1.146V × 1,15 = 1,318V

Auswahl: Wählen Sie ein SPD mit Uc ≥ 1.500V DC für dieses 1000V Nennsystem.

Wichtigste Erkenntnis: Wählen Sie SPDs niemals allein auf der Grundlage der nominalen Systemspannung aus. Berechnen Sie immer den ungünstigsten Fall, einschließlich der Temperatureffekte, und fügen Sie eine Sicherheitsspanne von 15-20% hinzu, um eine Verschlechterung der SPDs bei kalten Bedingungen mit hoher Strahlungsintensität zu verhindern.

Schritt 2: Erforderliches Spannungsschutzniveau bestimmen (Up)

Der Spannungsschutzpegel (Up) ist die maximale Spannung, die während eines SPD-Betriebs an dem geschützten Gerät anliegt. Dieser Wert muss niedriger sein als die Stehspannung Ihres Geräts.

Kriterien für die Auswahl:

Up(SPD) < 0,8 × Gerätestehspannung

Für typische String-Wechselrichter:

• 1000V-Systemwechselrichter: Stehende Spannung typischerweise 6-8 kV
• 1500-V-System-Wechselrichter: Stehende Spannung typischerweise 10-12 kV

Empfohlene Up-Werte für SPDs auf Saitenebene:

• 1000V-Systeme: Bis ≤ 4 kV
• 1500V-Systeme: Bis ≤ 6 kV

Pro-Tipp: Niedrigere Up-Werte bieten einen besseren Schutz, haben aber möglicherweise eine kürzere Lebensdauer, da sie häufiger aktiviert werden. Stimmen Sie die Schutzstufe mit der erwarteten Überspannungshäufigkeit an Ihrem Standort ab - in Gebieten mit Blitzschlaggefahr sind möglicherweise robustere Spezifikationen erforderlich.

Schritt 3: Wählen Sie den geeigneten Entladestromwert (Iimp, Imax)

PV-String-SPDs müssen sowohl direkten als auch indirekten Blitzüberspannungen standhalten. Die wichtigsten Werte sind zu verstehen:

Iimp (Impulsstrom): Die Fähigkeit des Geräts, die energiereiche Überspannung durch direkte oder nahe Blitzeinschläge zu bewältigen. Gemessen mit einer Wellenform von 10/350 μs (Typ-1-Test).

Imax (Maximaler Entladestrom): Die Fähigkeit des Geräts, mehrere Überspannungen durch indirekte Einschläge zu bewältigen. Gemessen mit einer 8/20 μs-Wellenform (Typ-2-Test).

Auswahlrichtlinien für die Bewerbung:

Berechnungsbeispiel für den Schutz auf String-Ebene:
Für eine typische kommerzielle Aufdachanlage in einer Region mit mäßigem Blitzeinschlag:

• Exposition: Hauptsächlich indirekte Streiks
• Empfehlung: Typ-2-EPPD
• Minimaler Imax pro Pol: 40 kA (8/20 μs)
• Für kritische Installationen: Erwägen Sie Typ 1+2 Hybrid mit Iimp = 12,5 kA

Schritt 4: Technologie wählen (MOV vs. GDT)

Die Debatte zwischen Metalloxidvaristoren (MOV) und Gasentladungsröhren (GDT) für den Überspannungsschutz von PV-Strings verwirrt Ingenieure oft. Hier ist der endgültige Vergleich:

Hybridlösung - Die professionelle Wahl:

Moderne Hochleistungs-PV-SPDs kombinieren beide Technologien in einem gestuften Schutzkonzept:

• Primäre Stufe (GDT): Bewältigt hohe Energiespitzen mit hervorragender Entladekapazität
• Sekundärstufe (MOV): Schnelles Ansprechen und Niederspannungsklemmen
• Lichtbogen-Löschschaltung: Verhindert, dass GDT aktuelle Themen verfolgt

Das Wichtigste zum Schluss: Für kommerzielle und versorgungstechnische Installationen, bei denen langfristige Zuverlässigkeit entscheidend ist, sollten Sie SPDs mit hybrider MOV+GDT-Technologie einsetzen. Die etwas höheren Anschaffungskosten werden durch eine längere Lebensdauer und eine bessere Schutzleistung ausgeglichen.

Auswahl Entscheidungsbaum:

• Budgetbewusste Haushalte (< 20 kW): MOV-ausschließlich Typ 2 SPD
• Gewerbliche Aufdachanlagen (20-500 kW): Hybrid-MOV+GDT Typ 2 SPD
• Bodenmontage oder Bereiche mit hohem Blitzaufkommen: Hybrid SPD Typ 1+2 mit Lichtbogenlöschung
• Großverbraucher (> 1 MW): Hybrides SPD Typ 1 mit Fernüberwachung

Erläuterung kritischer technischer Parameter

Das Verständnis der Spezifikationen im Datenblatt hilft Ihnen, fundierte Entscheidungen über den Überspannungsschutz von PV-Strings zu treffen:

Umfassender Technologievergleich

Typ 1 vs. Typ 2 SPDs für Solaranwendungen

Für einen angemessenen Überspannungsschutz von PV-Strängen ist es wichtig zu wissen, wann Geräte des Typs 1 und wann Geräte des Typs 2 einzusetzen sind:

Pro-Tipp: Für einen optimalen Schutz verwenden Sie ein Hybridgerät des Typs 1+2 am Array Combiner Point und Geräte des Typs 2 am Wechselrichtereingang. Dies ermöglicht sowohl eine hohe Energieaufnahme als auch eine feine Spannungsbegrenzung in einer koordinierten Kaskade.

Wesentliche Bewertungen entschlüsselt

Uc (Maximale Dauerbetriebsspannung): Die höchste Spannung, die das SPD dauerhaft ohne Beeinträchtigung aushalten kann. Sie muss unter allen Bedingungen die maximale Spannung Ihres Systems übersteigen.

Up (Spannungsschutzstufe): Die Spannung, die am geschützten Gerät anliegt, wenn das SPD arbeitet. Eine niedrigere Spannung ist besser, muss aber mit der Energieaufnahmekapazität abgeglichen werden.

In (Nenn-Entladestrom): Der für Klassifizierungs- und Alterungstests verwendete Strom (typischerweise 5 oder 10 kA für Geräte des Typs 2).

Imax (Maximaler Entladestrom): Der maximale Stoßstrom, den das Gerät in einem einzigen Vorgang ohne Schaden verarbeiten kann.

Iimp (Impulsstrom): Bei Geräten des Typs 1 wird die Fähigkeit zum Hochenergiestoßstrom mit einer Wellenform von 10/350 μs geprüft.

TOV (Temporäre Überspannung) Fähigkeit: Die Fähigkeit des Geräts, vorübergehenden Spannungserhöhungen aufgrund von Systemfehlern oder Schaltvorgängen ohne bleibende Schäden standzuhalten.

Bewährte Praktiken bei der Installation

Selbst die hochwertigsten Überspannungsschutzgeräte für PV-Stränge können Ihr System nicht schützen, wenn sie unsachgemäß installiert werden. Befolgen Sie diese bewährte Installationsreihenfolge:

Kritische Installationsanforderungen

1. Kabellänge und -verlegung (Die 0,5-Meter-Regel)

Die Verbindung zwischen Ihrem SPD und dem geschützten Gerät ist entscheidend. Jeder Meter Kabel erhöht die Induktivität, die bei schnell ansteigenden Überspannungen zusätzliche Spannung erzeugt:

Berechnung des Spannungsabfalls:

V_zusätzlich = L × (di/dt)
wobei: L ≈ 1 μH pro Meter Kabel
       di/dt für Blitzschlag ≈ 10-100 kA/μs

Beispiel: Ein nur 2 Meter langes Verbindungskabel kann bei einer Überspannung einen zusätzlichen Spannungsanstieg von 200 V verursachen, wodurch der Schutz Ihres SPDs teilweise aufgehoben wird!

Installationsregeln:

• Halten Sie die Gesamtlänge des Kabels vom SPD zum geschützten Gerät < 0,5 Meter (ideal: < 0,3 Meter)
• Verwenden Sie einen möglichst kurzen geraden Lauf - vermeiden Sie Schleifen oder Windungen
• Wenn längere Strecken unvermeidlich sind, verwenden Sie größere Leiter (min. 6 AWG / 10 mm²)
• SPD-Kabel niemals mit Signal- oder Kommunikationsleitungen bündeln

Profi-Tipp: Messen Sie Ihre Anschlusskabel vor der Installation aus und schneiden Sie sie auf die exakte Länge zu. Markieren Sie die 0,5-Meter-Grenze auf Ihrer Installationsschablone, um die Einhaltung bei der Installation vor Ort sicherzustellen.

2. Bewährte Praktiken der Erdung

Eine ordnungsgemäße Erdung ist die Grundlage für einen wirksamen Überspannungsschutz:

• Erdungsanschluss: Verwenden Sie einen Kupferleiter von mindestens 6 AWG (10 mm²) für die Haupterdung der PV-Anlage.
• Niederohmiger Pfad: Der gesamte Erdungswiderstand sollte < 10 Ω sein (idealerweise < 5 Ω)
• Vermeiden Sie Erdschleifen: Verbinden Sie die SPD-Erdung mit der gleichen Erdungsschiene wie das geschützte Gerät.
• Äquipotentialausgleich: Sicherstellen, dass alle Metallstrukturen (Array-Rahmen, Gerätegehäuse, SPD-Gehäuse) miteinander verbunden sind

Für PV-Anlagen mit Mittelpunkterdung:

• Verbinden Sie beide Pole DC+ und DC- SPD
• Verbinden Sie die PE-Klemme mit dem mittleren Erdungsbezugspunkt
• Vergewissern Sie sich, dass die Erdung den örtlichen Elektrovorschriften entspricht.

3. Überlegungen zur physischen Installation

Standort und Anbringung beeinflussen sowohl die Wirksamkeit des Schutzes als auch die Wartung:

• Montage: Verwenden Sie die DIN-Schienenmontage für einen einfachen Austausch; sorgen Sie für eine sichere mechanische Verbindung
• Belüftung: Sorgen Sie für einen ausreichenden Luftstrom; SPDs können während des Betriebs Wärme erzeugen
• Erreichbarkeit: Installieren Sie sie an einem Ort, an dem die visuellen Statusanzeigen für die Inspektion gut sichtbar sind.
• Schutz der Umwelt: Verwenden Sie für Außeninstallationen geeignete IP-geschützte Gehäuse (mindestens IP65)
• Kennzeichnung: Kennzeichnen Sie deutlich den Standort des SPD, das Installationsdatum und das Datum der nächsten Inspektion

4. Reihenfolge der Verbindungen

Achten Sie immer auf die richtige Anschlussreihenfolge, um Erdschlüsse oder Geräteschäden zu vermeiden:

1. Prüfen, ob das System stromlos ist (Voc = 0 V prüfen)
2. SPD am endgültigen Standort montieren
3. Erdung/PE-Klemme zuerst anschließen
4. DC-Pol anschließen
5. DC+ Pol zuletzt anschließen
6. Prüfen Sie, ob alle Verbindungen fest angezogen sind (Anzugsmoment gemäß Herstellerangaben).
7. Statusanzeige vor dem Einschalten des Systems prüfen

Profi-Tipp: Installieren Sie einen Trennschalter zwischen Ihren PV-Strings und dem SPD, um eine sichere Wartung und einen Austausch zu ermöglichen, ohne die gesamte Anlage stromlos zu machen. Dies ist besonders wertvoll für große kommerzielle Anlagen, bei denen Ausfallzeiten kostspielig sind.

Anwendungsbeispiel aus der Praxis: Dimensionierung von SPDs für ein 10-String, 1000V System

Gehen wir ein komplettes Auslegungsbeispiel durch, um die richtige Auswahl des Überspannungsschutzes für eine typische kommerzielle Installation zu demonstrieren.

System-Spezifikationen

Array-Konfiguration:

• 10 parallele Saiten
• 20 Module pro Strang
• Spezifikationen des Moduls:
  • Voc (STC): 49.5V
  • Isc (STC): 11,5A
  • Vmp: 41.8V
  • Imp: 11,0A
  • Temperaturkoeffizient (Voc): -0,35%/°C

Umweltbedingungen:

• Standort: Arizona (hohe Sonneneinstrahlung, mäßige Blitze)
• Niedrigste erwartete Temperatur: -5°C
• Installation: Gewerbliches Gebäude auf dem Dach
• Exposition: Indirekte Blitzeinschläge erwartet

Ausrüstung:

• String-Wechselrichter: 100 kW, 1000V DC Eingangsleistung
• Wechselrichter-Stehspannung: 6 kV
• Combiner Box mit 10 Eingangsstrings

Schritt für Schritt SPD Auswahl

Schritt 1: Berechnung der maximalen Systemspannung

Voc pro String (STC) = 49,5V × 20 = 990V

Temperaturkorrektur:
ΔT = 25°C - (-5°C) = 30°C
Spannungserhöhung = 990V × (30°C × 0,0035) = 104V
Voc (kalt) = 990V + 104V = 1.094V

Erforderlicher Uc mit 20% Sicherheitsspanne:
Uc(min) = 1,094V × 1.20 = 1,313V

Auswahl: SPDs mit Uc = 1.500V DC (Standardleistung)

Schritt 2: Erforderliches Spannungsschutzniveau bestimmen

Wechselrichter-Stehspannung = 6 kV
Maximal zulässiger Up = 6 kV × 0,8 = 4,8 kV

Auswahl: SPDs mit Up ≤ 4,0 kV (mit 33% Sicherheitsspanne)

Schritt 3: Wählen Sie den Entladestromwert

Für die Installation auf Dächern in Regionen mit mäßigem Blitzeinschlag:

• Primäre Bedrohung: Indirekte Angriffe
• Empfohlen: Typ 2 SPD
• Minimaler Imax: 40 kA (8/20 μs) pro Pol

Für einen besseren Schutz (optional, aber empfohlen):

• Erwägen Sie Typ 1+2 Hybrid
• Iimp: 12,5 kA (10/350 μs)
• Imax: 60 kA (8/20 μs)

Auswahl: Typ 2 SPD mit Imax = 40 kA pro Pol (Minimum), oder Typ 1+2 Hybrid für kritische Lasten

Schritt 4: Technologie auswählen

Für diese kommerzielle Anwendung:

• Erwartete Häufigkeit von Sturmfluten: Mäßig (10-20 Ereignisse pro Jahr)
• Systemwert: $150.000 (Ausrüstung + Produktionsausfallrisiko)
• Zugang zur Wartung: Gut

Auswahl: Hybride MOV+GDT-Technologie für optimale Ausgewogenheit von Leistung und Langlebigkeit

Entwurf einer Schutzarchitektur

Graph TB
    Teilgraph "PV-Array - 10 Strings"
        S1[String 1: 20 Module]
        S2[Zeichenfolge 2: 20 Module]
        S3[String 3: 20 Module]
        S10[String 10: 20 Module]
    Ende
    
    S1 --&gt; SPD1[String-Ebene SPD<br>Typ 2, Uc=1500V<br>Up=4kV, Imax=40kA]
    S2 --&gt; SPD2[String-Pegel SPD]
    S3 --&gt; SPD3[String-Level SPD]
    S10 --&gt; SPD10[String-Pegel SPD]
    
    SPD1 --&gt; CB[Combiner Box]
    SPD2 --&gt; CB
    SPD3 --&gt; CB
    SPD10 --&gt; CB
    
    CB --&gt; SPD_CB[Combiner SPD<br>Typ 2, Uc=1500V<br>Up=3,5kV, Imax=60kA]
    
    SPD_CB --&gt; |10m Kabel| INV[String-Wechselrichter<br>100kW, 1000VDC]
    
    INV --&gt; SPD_INV[Wechselrichter-Eingang SPD<br>Typ 2, Uc=1500V<br>Up=3,0kV, Imax=40kA]
    
    SPD1 -.-&gt;|Erde| GND[Systemerde<br>< 5Ω Resistance]
    SPD_CB -.->|Masse| GND
    SPD_INV -.-&gt;|Masse| GND
    
    Stil SPD1 Füllung:#90EE90
    Schriftart SPD2 Füllung:#90EE90
    Schriftart SPD3 Füllung:#90EE90
    Schriftart SPD10 Füllung:#90EE90
    Stil SPD_CB Füllung:#87CEEB
    Stil SPD_INV Füllung:#FFD700

Zusammenfassung der endgültigen Spezifikation

Schutz auf String-Ebene (10 Einheiten):

• Technologie: Hybrid MOV+GDT
• Konfiguration: 2-polig (DC+, DC-)
• Uc: 1.500V DC
• Aufwärts: ≤ 4,0 kV
• Imax: 40 kA (8/20 μs) pro Pol
• Montage: DIN-Schiene in Verteilerdosen in der Nähe des Arrays
• Geschätzte Kosten pro Einheit: $180
• Gesamtkosten: $1.800

Schutz der Combiner Box (1 Einheit):

• Technologie: Hybrid MOV+GDT Typ 1+2
• Konfiguration: 2-polig (DC+, DC-)
• Uc: 1.500V DC
• Aufwärts: ≤ 3,5 kV
• Iimp: 12,5 kA (10/350 μs)
• Imax: 60 kA (8/20 μs)
• Fernüberwachung: Kontaktausgang für Status
• Geschätzte Kosten: $450

Wechselrichter-Eingangsschutz (1 Einheit):

• Technologie: Hybrid MOV+GDT
• Konfiguration: 2-polig (DC+, DC-)
• Uc: 1.500V DC
• Aufwärts: ≤ 3,0 kV
• Imax: 40 kA (8/20 μs)
• Geschätzte Kosten: $220

Gesamtkosten des Schutzsystems: $2.470

Das Wichtigste zum Schluss: Diese umfassende dreistufige Schutzkaskade kostet weniger als 1,5% des Gesamtsystemwertes, schützt aber vor Schäden, die $47.000 oder mehr kosten könnten. Die ROI-Berechnung ist einfach: Ein verhindertes Überspannungsereignis zahlt sich 19 Mal für das gesamte Schutzsystem aus.

Die Kosten des NICHT vorhandenen Schutzes

Bei der Entscheidung, ob ein Überspannungsschutz für PV-Stränge erforderlich ist, sollten Sie die tatsächlichen Kosten eines Verzichts berücksichtigen:

Direkter Kostenvergleich

ROI-Analyse

Break-Even-Berechnung:

SPD-Erstinvestition: $3.270
Durchschnittliche Kosten für Überspannungsschäden: $22.500
Break-even-Punkt: 0,145 Überspannungsereignisse

Wenn in Ihrer Region nur 1 signifikantes Überschwemmungsereignis alle 7 Jahre auftritt,
macht sich das SPD-System selbst bezahlt.

Nach Angaben der IEEE erleben die meisten kommerziellen Solaranlagen
2-4 schädliche Überspannungsereignisse über eine Lebensdauer von 25 Jahren ohne Schutz.

Erwartete Kapitalrendite über 25 Jahre:

• Erstinvestition: $3.270
• Ersetzung des EPPD (Jahr 10, Jahr 20): $3.000
• Gesamtinvestition: $6.270
• Verhinderter Schaden (3 Ereignisse × $22.500): $67,500
• Netto-Einsparungen: $61,230
• ROI: 977%

Pro-Tipp: Wenn Sie budgetbewussten Kunden den Überspannungsschutz vorstellen, formulieren Sie es so: ‘Wir können entweder heute $3.000 für den Schutz investieren oder später $20.000-50.000 für Reparaturen einplanen. Das Schutzsystem ist keine Ausgabe - es ist eine Schadensversicherung mit einem ROI von 1000%.’

Auswirkungen auf Versicherung und Garantie

Garantieleistungen:
Die meisten großen Hersteller haben Überspannungsschutzanforderungen in ihre Garantien aufgenommen:

• Ohne SPDs: Garantieansprüche werden abgelehnt, wenn Überspannungsschäden auftreten und kein Schutz installiert war
• Mit SPDs: Volle Garantieabdeckung, der Hersteller kann sogar die Kosten für den Ersatz von SPDs übernehmen

Versicherungsprämien:
Kommerzielle Versicherungsanbieter verlangen zunehmend den Nachweis eines Überspannungsschutzes:

• Systeme ohne angemessenen Schutz: 15-25% höhere Prämien
• Systeme mit dokumentiertem, normgerechtem Schutz: Standardtarife
• Jährliche Einsparungen bei einem System von $100.000: $300-500

Risiko von Ausfallzeiten:
Für kritische Einrichtungen (Krankenhäuser, Rechenzentren, Fertigungsbetriebe) oder Systeme im Rahmen von Stromabnahmeverträgen (PPAs):

• PPA-Leistungsstrafen: $5.000-15.000 pro Woche der Ausfallzeit
• Kritische Auswirkungen auf die Belastung: Unkalkulierbares Risiko für den Betrieb
• Schädigung des Rufs: Verlorenes Vertrauen der Kunden

Wichtigste Erkenntnisse

Der Blitz muss nicht direkt in die Anlage einschlagen, um Schaden zu verursachen. Indirekte Einschläge in bis zu 2 km Entfernung können bei ungeschützten PV-Strängen Überspannungen von über 6.000 V verursachen. Der Schutz auf String-Ebene ist Ihre erste Verteidigungslinie.

💰 Die Kosten für den Schutz sind im Vergleich zu den Schadenskosten unbedeutend. Ein umfassendes dreistufiges SPD-System kostet bei typischen gewerblichen Installationen $2.000-5.000, schützt aber vor potenziellen Schäden in Höhe von $20.000-100.000+. Die Gewinnschwelle wird bereits nach 0,15 Überspannungsereignissen erreicht.

🔧 Die Auswahl des EPPD erfordert vier entscheidende Berechnungen: Maximale Systemspannung (Voc × Temperatur × Sicherheitsspanne), erforderliches Schutzniveau (Up < 0,8 × Gerätestandspannung), Entladestrombemessung (basierend auf dem Expositionsniveau) und Wahl der Technologie (Hybrid MOV+GDT für beste Leistung).

📐 Die Qualität der Installation bestimmt die Wirksamkeit des Schutzes. Halten Sie die Länge der Verbindungskabel unter 0,5 m, verwenden Sie mindestens 6 AWG-Erdungsleiter, vermeiden Sie Kabelschleifen und stellen Sie sicher, dass alle Verbindungen mit dem vorgeschriebenen Drehmoment angezogen sind. Eine mangelhafte Installation kann die Schutzwirkung um 50% oder mehr verringern.

🎯 Ein koordinierter Kaskadenschutz ist unerlässlich. Verwenden Sie SPDs des Typs 1+2 am Array Combiner, Typ 2 auf String-Ebene und einen endgültigen Typ-2-Schutz am Wechselrichtereingang. Jede Stufe muss progressiv niedrigere Up-Werte haben und durch eine angemessene Kabellänge getrennt sein, um eine ordnungsgemäße Koordination zu gewährleisten.

Die Einhaltung der Vorschriften ist obligatorisch, nicht optional. NEC Artikel 690.35 und IEC 61643-31 verlangen einen Überspannungsschutz für PV-Anlagen. Eine ordnungsgemäße SPD-Installation ist für die Genehmigung, die Gültigkeit der Garantie und den Versicherungsschutz erforderlich. Dokumentieren Sie alles mit Fotos und Inbetriebnahmeberichten.

🔄 Planung der SPD-Lebenszykluswartung. Selbst die besten SPDs haben eine begrenzte Lebensdauer (in der Regel 5-10 Jahre, je nach Überspannungshäufigkeit). Wählen Sie Geräte mit visuellen Statusanzeigen und Fernüberwachungsfunktion und planen Sie jährliche Inspektionen ein, um den kontinuierlichen Schutz zu überprüfen.

Häufig gestellte Fragen

Brauche ich SPD an jeder Saite oder nur an der Combiner Box?

Die beste Praxis ist der Schutz auf beiden Ebenen. Während der Schutz auf Combiner-Ebene die Mindestanforderung darstellt, bieten SPDs auf String-Ebene den ersten Schutz vor Überspannungen, bevor diese sich im System ausbreiten. Für optimalen Schutz:

• Kritische Installationen (kommerziell, im Versorgungsmaßstab): Installation von SPDs sowohl auf String- als auch auf Combiner-Ebene
• Budgetbewusstes Wohnen (< 20kW): Mindestschutz am Eingang des Combiners oder Wechselrichters ist akzeptabel
• Regionen mit hohem Blitzaufkommen: Schutz auf String-Ebene ist nicht verhandelbar

Der Schutz auf Stringebene ist besonders wichtig, wenn die Strings über große Entfernungen (> 50 Meter) voneinander getrennt sind oder wenn die Array-Verkabelung offen liegt. Die zusätzlichen Kosten sind im Vergleich zum Schutzvorteil minimal (typischerweise $150-200 pro String).

Was ist der Unterschied zwischen Typ-1- und Typ-2-EPPDs für Solaranlagen?

SPDs vom Typ 1 sind für direkte Blitzeinschläge geeignet, SPDs vom Typ 2 für indirekte Einschläge und Schaltüberspannungen.

Geräte des Typs 1 werden mit einer 10/350 μs-Impulswellenform getestet, die der hohen Energie von direkten Schlägen entspricht. Sie können 40-50 Mal mehr Energie ableiten als Typ-2-Geräte, sind aber größer und teurer. Verwenden Sie SPDs vom Typ 1, wenn:

• Die Arrays befinden sich in offenen Feldern (Freiflächenanlagen)
• Die Anlage ist der höchste Punkt des Gebiets
• Lokale Blitzdichte übersteigt 3 Einschläge/km²/Jahr
• Regionale Vorschriften erfordern Schutzart 1

Geräte des Typs 2 werden mit einer Wellenform von 8/20 μs getestet und sind für indirekte Einschläge (die häufigste Gefahr) geeignet. Sie bieten eine bessere Spannungsbegrenzung (niedrigeres Up) und sind für die meisten Aufdachanlagen ausreichend.

Moderne hybride “Typ 1+2”-Geräte bieten beide Funktionen in einem einzigen Gerät - ideal für den Schutz von Verteilerkästen, wo sowohl direkte als auch indirekte Überspannungsgefahren bestehen.

Kann ich AC-SPDs auf der DC-Seite verwenden?

Auf keinen Fall sind Wechselstrom- und Gleichstrom-SPDs grundlegend verschieden und nicht austauschbar.

AC-SPDs verlassen sich auf den natürlichen Nulldurchgang des Stroms, der in AC-Systemen 100-120 Mal pro Sekunde auftritt, um jeden Folgestrom nach dem Überspannungsschutz zu löschen. Gleichstromsysteme haben keinen Nulldurchgang, das heißt:

• GDT-basierte AC-SPDs können in den Kurzschlussmodus einrasten auf Gleichstromsystemen, wodurch ein permanenter Fehler entsteht
• Lichtbogenlöschmechanismen, die für AC ausgelegt sind, funktionieren nicht ordnungsgemäß in DC-Anwendungen
• Die Spannungswerte unterscheiden sich erheblich zwischen AC und DC aufgrund unterschiedlicher Spannungseigenschaften

Gleichstrom-SPDs müssen speziell für Photovoltaik-Anwendungen konzipiert und ausgelegt sein:

• Lichtbogenlösch- oder Strombegrenzungsschaltungen für die GDT-Technologie
• Richtige Uc-Werte basierend auf der Gleichspannungsbelastung
• Thermische Trennschalter geeignet für DC-Lichtbogen
• Prüfung und Zertifizierung nach IEC 61643-31 (PV-spezifische Norm)

Die Verwendung von AC-SPDs in DC-Stromkreisen stellt einen Verstoß gegen die Vorschriften dar, führt zum Erlöschen der Garantie und stellt ein ernsthaftes Sicherheitsrisiko dar. Verwenden Sie immer für Gleichstrom ausgelegte, PV-spezifische Überspannungsschutzgeräte.

Wie erkenne ich, wann mein SPD ersetzt werden muss?

Die meisten Qualitäts-SPDs verfügen über visuelle Statusanzeigen - aber verlassen Sie sich nicht allein auf die visuelle Kontrolle.

Moderne Überspannungsschutzgeräte für PV-Stränge umfassen mehrere Methoden zur Fehleranzeige:

Visuelle Indikatoren:

• Grün/Rote Anzeigefenster für den Betriebsstatus
• “Markierungen ”OK“ und ”FAULT" ohne Öffnen des Gehäuses sichtbar
• Einige Geräte verfügen über herausspringende mechanische Anzeigen

Elektrische Indikatoren:

• Fernkontaktausgänge (normalerweise geschlossener Kontakt öffnet bei Ausfall)
• Trockenkontaktsignale an Überwachungssysteme
• Einige erweiterte Modelle unterstützen Modbus/SNMP-Fernüberwachung

Zeitplan für die Inspektion:

• Jährliche Sichtprüfung: Prüfen Sie die Statusanzeigen bei der routinemäßigen Wartung
• Inspektion nach einem Unwetter: Inspektion innerhalb von 24 Stunden nach Unwetterereignissen
• Vierteljährliche Überprüfung der Fernüberwachung: Wenn an SCADA/Überwachungssystem angeschlossen

Wann austauschen:

• Statusanzeige zeigt “FAULT” oder roten Zustand
• Fernüberwachung zeigt SPD-Ausfall an
• Nach einem bekannten direkten Blitzeinschlag (vorsichtshalber ersetzen)
• Nach 5-10 Jahren, unabhängig vom offensichtlichen Zustand (präventiver Austausch)
• Wenn der gemessene Ableitstrom das 10-fache des Nennwerts überschreitet

Pro-Tipp: Dokumentieren Sie die SPD-Installationsdaten auf Geräteetiketten und in Wartungsprotokollen. Legen Sie Kalendererinnerungen für den präventiven Austausch auf der Grundlage der Herstellerempfehlungen fest - warten Sie bei kritischen Anwendungen nicht auf einen Ausfall.

Welchen Spannungswert sollte ich für ein 1000V/1500V-System wählen?

Wählen Sie die SPD-Spannungswerte auf der Grundlage der Worst-Case-Voc, nicht der nominalen Systemspannung.

Für Systeme mit 1000 V Nennspannung:

Typische maximale Voc (kalt): 1,100-1,200V
Empfohlener SPD Uc-Wert: 1.500V DC
Standard-Schutzniveau (Up): 3,5-4,0 kV

Für Systeme mit 1500 V Nennspannung:

Typische maximale Voc (kalt): 1,650-1,800V
Empfohlener SPD Uc-Wert: 2.000V DC
Standard-Schutzniveau (Up): 5,0-6,0 kV

Kritische Berechnungsschritte:

1. Berechnung der Saiten-Voc bei Standard-Testbedingungen (STC)
2. Temperaturkorrektur für die niedrigste erwartete Temperatur anwenden
3. 15-20% Sicherheitsspanne hinzufügen
4. Wählen Sie den nächsthöheren Standard-SPD-Spannungswert

Beispiel für ein 1500V-System:

• Modul Voc (STC): 52V
• Stringlänge: 28 Module
• Voc bei STC: 1,456V
• Tiefste Temperatur: -10°C (35°C unter STC)
• Temperaturanstieg: 1,456V × 35°C × 0.0035 = 178V
• Maximale Voc: 1.456V + 178V = 1.634V
• Mit 20% Sicherheitsspanne: 1.634V × 1,2 = 1.961V
• Wählen Sie SPD mit Uc = 2.000V DC (Standardleistung)

Unterschätzen Sie niemals die Spannungswerte von SPDs, um Kosten zu sparen - unterdimensionierte SPDs verschlechtern sich schnell oder fallen vorzeitig aus, wenn sie hohen Voc-Bedingungen ausgesetzt sind.

MOV oder GDT - was ist besser für Solaranwendungen?

Keiner von beiden ist generell “besser” - die optimale Wahl hängt von Ihren spezifischen Anwendungsanforderungen ab.

Wählen Sie SPDs, die nur MOV enthalten, wenn:

• Das Budget ist die wichtigste Einschränkung (Installationen in Wohngebieten)
• Die Häufigkeit von Überschwemmungen ist gering (< 5 signifikante Ereignisse pro Jahr erwartet)
• Schnelle Reaktionszeit ist entscheidend (< 25 Nanosekunden)
• Niederspannungsklemmung (Up) ist erforderlich
• Das System befindet sich in einem Gebiet mit geringer bis mäßiger Blitzeinwirkung

Wählen Sie GDT-only SPDs, wenn:

• Es ist eine hohe Entladestromkapazität erforderlich (direkte Schlagzonen)
• Maximale Lebensdauer ist entscheidend (minimale Verschlechterung im Laufe der Zeit)
• Das System funktioniert in Umgebungen mit hohen Temperaturen
• Ableitstromfreiheit ist unerlässlich
• Budget erlaubt höhere Anfangsinvestitionen

Wählen Sie Hybrid MOV+GDT SPDs, wenn:

• Gewerbliche Anlagen oder Anlagen im Versorgungsbereich (> 50 kW)
• Langfristige Zuverlässigkeit ist das A und O
• Das System ist mäßig bis stark blitzgefährdet
• Fernüberwachung und Statusanzeige sind möglich
• Die Gesamtbetriebskosten (nicht nur die Anschaffungskosten) bestimmen die Entscheidungen

Der Trend in der Branche geht zu Hybridkonstruktionen weil sie die besten Eigenschaften beider Technologien vereinen:

• Schnelle MOV-Reaktion mit robuster GDT-Energieverwaltung
• Lichtbogen-Löschkreise beseitigen GDT-Folgestromprobleme
• Überlegene langfristige Zuverlässigkeit rechtfertigt etwas höhere Kosten

Für professionelle Installationen, bei denen Systemverfügbarkeit und langfristiger Schutz Priorität haben, sollten Sie sich für die Hybridtechnologie entscheiden - die höheren Anschaffungskosten des 20-30% werden durch eine längere Lebensdauer und eine überlegene Schutzleistung wieder wettgemacht.

Wie nahe sollte das SPD am Gerät installiert werden?

Maximal 0,5 Meter (50 cm) Gesamtlänge des Kabels zwischen SPD und geschütztem Gerät - kürzer ist immer besser.

Das entscheidende Prinzip: Jeder Meter Verbindungskabel führt zu einer zusätzlichen Induktivität (ca. 1 μH/Meter), die bei schnellen Überspannungsereignissen einen zusätzlichen Spannungsanstieg bewirkt:

Berechnung des Spannungsanstiegs:

V_zusätzlich = L × (di/dt)

Beispiel mit 2 Metern Kabel:
L = 2 Meter × 1 μH/Meter = 2 μH
di/dt = 50 kA/μs (typische Blitzstoßrate)
V_zusätzlich = 2 μH × 50.000 A/μs = 100 V pro Meter

Gesamte zusätzliche Spannung = 200 V

Diese zusätzliche Spannung erscheint an den geschützten Geräten oben auf das Spannungsschutzniveau des SPD (Up), wodurch die Schutzleistung effektiv verringert wird.

Bewährte Installationsverfahren:

• Idealer Abstand: < 0,3 Meter (30 cm)
• Maximal akzeptabel: 0,5 Meter (50 cm)
• Wenn längere Fahrten unvermeidlich sind: Verwenden Sie größere Leiter (mind. 6 AWG / 10 mm²) und verdrillte Leitungen.
• Verlegung der Kabel: Vermeiden Sie Schleifen, Spulen oder Parallelführungen mit Signalkabeln
• Einbauort: Installieren Sie das SPD so nah wie möglich an den Geräteanschlüssen.

Pro-Tipp: Schneiden Sie die SPD-Verbindungskabel vor der Installation auf die genaue erforderliche Länge zu. Verwenden Sie kurze, direkte Kabelwege, auch wenn dies eine Verlegung der SPD-Montageposition erfordert - die Wirksamkeit des Schutzes ist wichtiger als eine saubere Kabelführung.

Bei großen Systemen mit mehreren Verteilerkästen sollten Sie SPDs an jedem Verteilerkasten anbringen, anstatt lange Kabelwege zu einem zentralen SPD-Standort zu verwenden. Ein verteilter Schutz ist effektiver als ein zentraler Schutz mit langen Kabelwegen.

Beeinträchtigen SPDs die Leistung oder Effizienz meines Systems?

Richtig ausgewählte und installierte SPDs haben keinen Einfluss auf die Systemleistung im Normalbetrieb.

Im Normalbetrieb:

• Spannungsabfall: Effektiv Null (SPDs sind unter normalen Bedingungen offene Stromkreise)
• Leistungsverlust: Vernachlässigbar (< 0,001% der Systemleistung)
• Auswirkungen auf die Effizienz: Nicht messbar
• EMI/RFI-Auswirkungen: Keine (SPDs können das elektrische Rauschen tatsächlich reduzieren)

Überlegungen zum Ableitstrom:

• SPDs auf MOV-Basis: 10-100 μA Leckstrom (Alterung erhöht diesen Wert)
• GDT-basierte SPDs: < 1 μA Leckstrom
• Für ein 100-kW-System, das mit 1000 V betrieben wird: 100 μA Leckstrom = 0,1 W Verlustleistung (0,0001% der Leistung)
• Auswirkungen auf die Leistung: Nicht messbar

Während Überschwemmungsereignissen:

• SPD wird innerhalb von Nanosekunden aktiviert und hält die Spannung auf einem sicheren Niveau
• Nach einem Stromstoß kehrt das SPD in den hochohmigen Zustand zurück.
• Keine Beeinträchtigung des Systembetriebs
• Moderne SPDs führen Selbsttests durch und zeigen jede Verschlechterung an

Mögliche Probleme nur bei unsachgemäßer Anwendung:

• Unterdimensionierte Uc-Bewertung: SPD kann bei hohen Voc-Bedingungen klemmen, was als Systemfehler erscheint
• Ausgefallenes SPD nicht ersetzt: Kann als Kurzschluss angezeigt werden und den Betrieb des Systems verhindern
• Falsche Polarität: Kann zu Erdungsfehlern führen (Installationsanweisungen sorgfältig beachten)

Die Quintessenz: Hochwertige SPDs sind für den Systembetrieb transparent. Jegliche Beeinträchtigung der Leistung durch einen ordnungsgemäß installierten Überspannungsschutz wird durch den Schutzvorteil bei weitem aufgewogen. Das einzige “Leistungsproblem”, das Sie erleben werden, ist der fortgesetzte Betrieb nach Überspannungsereignissen, die sonst Ihre Geräte zerstört hätten.

Letzter Gedanke: In der Photovoltaikbranche hören wir oft: “Jeder Dollar, der bei den Installationskosten eingespart wird, ist ein Gewinn.” Der Verzicht auf einen Überspannungsschutz für PV-Strings, um $2.000-3.000 im Voraus zu sparen, ist jedoch so, als würde man seine Kfz-Versicherung kündigen, um Prämien zu sparen - es funktioniert wunderbar, bis man es braucht. Die Frage ist nicht, ob Sie sich einen Überspannungsschutz leisten können, sondern ob Sie es sich leisten können, einen ganzen Wechselrichter und Dutzende von Modulen zu ersetzen und wochenlange Ausfallzeiten in Kauf zu nehmen, wenn ein Blitz einschlägt. Machen Sie den Überspannungsschutz zu einem nicht verhandelbaren Bestandteil jeder PV-Anlagenplanung - Ihre Kunden (und Ihr Ruf) werden es Ihnen danken.