Photovoltaik (PV)-Anlagen haben einzigartige Eigenschaften, die den Einsatz von speziell für sie entwickelten Überspannungsschutzgeräten erforderlich machen. Sie können hohe DC-Systemspannungen von bis zu 1500 Volt aufweisen. Ihr maximaler Leistungspunkt liegt nur wenige Prozent unter dem Kurzschlussstrom der Anlage.
Um das geeignete Überspannungsschutzmodul für PV-Anlagen und ihre Geräte zu bestimmen, muss man Folgendes berücksichtigen:
Blitzschlagdichte
Betriebstemperatur der Anlage
Spannung der Anlage
Nennkurzschlussstrom
Höhe der Wellenformen, gegen die geschützt werden soll (direkte oder indirekte Blitzeinschläge)
Nennentladestrom
Die Anforderungen an Überspannungsschutzgeräte für Geräte, die durch ein äußeres Blitzschutzsystem (LPS) geschützt werden, hängen von der gewählten LPS-Kategorie ab und davon, ob der Abstand zwischen dem LPS und dem PV-Gerät isoliert ist. Die IEC 62305-3 enthält detaillierte Anforderungen für LPS-Trennabstände.
Für einen wirksamen Schutz sollte der Spannungsschutzpegel (Up) des Überspannungsschutzes 20 % unter der Durchschlagsfestigkeit der Systemendgeräte liegen. Wichtig ist, dass die Kurzschlussstromfestigkeit des verwendeten Überspannungsschutzes den Kurzschlussstrom der PV-Generatorstränge, an die er angeschlossen ist, übersteigt. Überspannungsschutzgeräte, die auf der DC-Ausgangsseite installiert sind, sollten einen DC-MCOV-Wert haben, der gleich oder größer ist als die maximale PV-Systemspannung des Moduls.
Wenn der Blitz in Punkt A einschlägt (siehe Abbildung 1, die hier nicht wiedergegeben wird), können sowohl PV-Solarmodule als auch Wechselrichter beschädigt werden. Schlägt der Blitz an Punkt B ein, kann nur der Wechselrichter beschädigt werden. Da Wechselrichter oft die teuerste Komponente einer PV-Anlage sind, ist es wichtig, Überspannungsschutzgeräte sowohl für die AC- als auch für die DC-Leitungen richtig auszuwählen und zu installieren.
Überspannungsschutzgeräte auf der DC-Seite von PV-Anlagen müssen speziell für DC-Anwendungen ausgelegt sein. Es ist gefährlich, einen Überspannungsschutz, der für Wechselstrom gedacht ist, auf der Gleichstromseite zu verwenden und andersherum. Überspannungsschutzgeräte müssen auch auf der AC-Seite verwendet werden, wenn sie auf der DC-Seite eingesetzt werden.
Bei AC ist es ebenso wichtig, dass der Überspannungsschutz speziell für die AC-Seite ausgelegt ist. Wenn mehrere Wechselrichter an ein einziges Netz angeschlossen sind, können sie mit einem Überspannungsschutzgerät verbunden werden. Die Installation des Überspannungsschutzes sollte immer vor dem zu schützenden Gerät erfolgen.
Für die korrekte Installation von Überspannungsschutzgeräten sind drei Werte ausschlaggebend:
Maximale Dauerbetriebsspannung: die Spannung, bei der der Überspannungsschutz aktiviert wird.
Spannungsschutzpegel: Die Überspannungskategorie des Geräts muss den Spannungsschutzpegel des Überspannungsschutzes überschreiten.
Nennentladestrom: der Spitzenwert der Wellenform (bei Überspannungsschutzgeräten des Typs 2 sind dies 8/20 µs), dem das Überspannungsschutzgerät nach wiederholten Überspannungen standhalten kann.
Kabel
In PV-Anlagen werden oft lange Kabel verlegt, um die Netzanschlusspunkte zu erreichen. Von der Verwendung langer Kabel ist jedoch abzuraten. Der Grund dafür ist, dass die Auswirkungen von Blitzentladungen je nach Standort und leitenden Störungen mit der Kabellänge und der Größe der Leiterschleife zunehmen. Induzierte Spannungsabfälle in Anschlusskabeln können die Schutzwirkung von Überspannungsschutzgeräten bei transienten Überspannungen untergraben.
Überspannungen sind ein wesentlicher Faktor bei Kabelausfällen. Jeder Impuls auf einem Kabel führt zu einer Verringerung der Festigkeit der Kabelisolierung. Wenn eine Überspannung in ein isoliertes (vom Netz getrenntes) PV-System eingeleitet wird, können alle mit Solarenergie betriebenen Geräte (wie medizinische Geräte oder die Wasserversorgung) unterbrochen werden.
Die Position und die Anzahl der auf der DC-Seite zu installierenden Überspannungsschutzgeräte hängen von der Kabellänge zwischen den Solarmodulen und dem Wechselrichter ab. Bei einer Kabellänge von weniger als 10 Metern ist nur ein Überspannungsschutz erforderlich, der in der Nähe des Wechselrichters angebracht wird. Bei Kabeln, die länger als 10 Meter sind, sollte einer in der Nähe des Wechselrichters und ein zweiter näher an den Solarmodulkästen installiert werden.
Die Kabel sollten so verlegt werden, dass keine großen Leiterschleifen entstehen. Sowohl AC- und DC-Leitungen als auch Datenleitungen müssen auf der gesamten Strecke mit Potentialausgleichsleitern verlegt werden, um sicherzustellen, dass mehrere Leiter verlegt werden oder der Wechselrichter ohne Bildung von Leiterschleifen an das Netz angeschlossen wird.