Erdschlüsse gehören zu den gefährlichsten elektrischen Ausfällen in Photovoltaikanlagen. Eine durch Sonnenlicht gespeiste PV-Anlage verhält sich wie eine Stromquelle – im Gegensatz zu einem herkömmlichen Stromkreis führt das Öffnen eines Leistungsschalters nicht dazu, dass die DC-Seite stromlos wird. Wenn ein Erdschluss auftritt, kann der Fehlerstrom kontinuierlich fließen und Brände entzünden, die Dächer, Gebäude und Anlagen im Versorgungsbereich zerstört haben. Die korrekte Konstruktion und Prüfung von Geräten zur Erdschlusserkennungsunterbrechung (GFDI) und Lichtbogenstromkreisunterbrechung (AFCI) ist nicht optional.
Was ist ein PV-Erdschluss?
Ein Erdschluss in einem PV-System tritt auf, wenn ein stromführender Leiter (normalerweise ein DC-Strangleiter) mit dem geerdeten Metallgehäuse, der Leitung oder der Struktur in Kontakt kommt und so einen unbeabsichtigten Strompfad zur Erde schafft. Erdschlüsse entstehen durch:
- Beschädigte Kabelisolierung (UV-Abbau, Schäden durch Nagetiere, mechanischer Abrieb im Kabelkanal)
- Eindringen von Wasser in Anschlusskästen oder Leitungsstränge
- Lose oder unsachgemäß hergestellte Anschlüsse, die den Kontakt zwischen Leiter und Gehäuse ermöglichen
- Physische Schäden an Modulen – rissige Rückseitenfolien, die Leiter freilegen
Ein Erdschluss am Minusleiter einer PV-Anlage mit geerdetem Minuspol (herkömmliche Bauart) führt zu einem zweiter Grund – bekannt als „verschraubter Fehler“. Die gefährliche Eigenschaft von PV-Erdschlüssen besteht darin, dass die Stärke des Fehlerstroms von der Anzahl der parallel geschalteten Strings abhängt: Eine große Anlage kann einen Fehlerstrom von mehr als 100 Ampere auf unbestimmte Zeit aushalten, solange Sonnenlicht vorhanden ist.
NEC 690.5: Anforderungen an den Erdschlussschutz
Artikel 690.5 des National Electrical Code (US) schreibt einen Erdschlussschutz für PV-Systeme vor, die auf oder in der Nähe von Gebäuden installiert sind. Die Anforderungen unterscheiden sich je nach Systemtyp:
| Systemtyp | NEC 690.5-Anforderung |
|---|---|
| Geerdete PV-Anlagen auf Gebäuden | GFDI-Gerät erforderlich; muss einen Fehlerstrom ≥1 A erkennen |
| Ungeerdete (schwimmende) PV-Systeme | Erdschlusserkennung UND Isolierung erforderlich (beide Pole) |
| Freiflächen-PV (nicht am Gebäude) | GFDI erforderlich, wenn Leiter für unqualifizierte Personen zugänglich sind |
| Gebäudeintegrierte PV (BIPV) | GFDI erforderlich; Es gelten zusätzliche Anforderungen an die Feuerisolierung |
Das GFDI-Gerät überwacht das Stromungleichgewicht zwischen den stromführenden Leitern und dem Erdungsleiter des Geräts. Wenn ein Erdschluss erkannt wird, muss das Gerät: (1) den Fehlerzustand anzeigen; und (2) das Array deaktivieren (den fehlerhaften Stromkreis öffnen oder die Spannung unter den Schwellenwert reduzieren, der eine Lichtbogenbildung aufrechterhalten würde).
Das „Stolperfallen“- und Brandrisiko-Paradoxon
Frühe PV-Systeme (vor 2010) verwendeten GFDI-Sicherungen mit einer Nennleistung von 1 A. Eine Analyse der Sandia National Laboratories aus dem Jahr 2012 ergab einen beunruhigenden Fehlermodus: Unter bestimmten Erdschlussbedingungen in großen Anlagen konnte die GFDI-Sicherung durchbrennen, ohne den Fehlerstrom zu unterbrechen – und das Signal der durchgebrannten Sicherung wurde als „Kein Fehler erkannt“ interpretiert, sodass das System mit einem aktiven Brandrisikofehler betrieben wurde. Dies führte dazu, dass die NEC-Revisionen von 2014 vorschrieben, dass GFDI-Geräte den Fehler nicht nur erkennen, sondern auch positiv unterbrechen müssen.
Moderne Stringwechselrichter und Zentralwechselrichter integrieren die GFDI-Erkennung in den Wechselrichter; Der Wechselrichter schaltet bei Erkennung eines Fehlers ab. Dies ist zuverlässiger als externe GFDI-Sicherungen für private und kleine gewerbliche Systeme. Bei großen Versorgungsanlagen mit mehreren Anschlusskästen sorgt eine zusätzliche Erdschlussüberwachung auf der Anschlussebene für eine schnellere Fehlerlokalisierung.
NEC 690.11: Anforderungen an Lichtbogenfehler-Schutzschalter
Lichtbogenfehler – unbeabsichtigte Lichtbögen zwischen Leitern oder zwischen einem Leiter und Erde – erzeugen Temperaturen über 5.000 °C und sind die häufigste Ursache für Brände von PV-Anlagen. NEC 690.11 erfordert einen AFCI-Schutz für PV-Systeme mit Gleichstromquellen- oder Ausgangsstromkreisleitern, die mit 80 V oder mehr betrieben werden und innerhalb oder an Gebäuden liegen:
- Das AFCI-Gerät muss Lichtbögen bereits bei 500 mA erkennen
- Muss innerhalb von 30 Zyklen nach der Lichtbogenauslösung unterbrochen werden
- Muss gemäß UL 1699B (PV AFCI-Standard) gelistet sein.
- Viele moderne Stringwechselrichter (Sungrow SG-Serie, SMA Sunny Boy) integrieren AFCI standardmäßig; Zur Nachrüstung sind auch eigenständige AFCI-Geräte erhältlich
Prüfung des Erdschlussschutzes
Der Erdschlussschutz muss bei der Inbetriebnahme und in regelmäßigen Abständen während der Betriebs- und Wartungsarbeiten getestet werden:
- Inbetriebnahmetest: Führen Sie bei einem System mit geringer Einstrahlung (oder unter Verwendung einer Abschattungsvorrichtung) einen bekannten Fehler mit niedrigem Widerstand ein, indem Sie einen Testwiderstand zwischen einem String-Leiter und dem Erdungsleiter des Geräts verwenden. Überprüfen Sie, ob das GFDI-Gerät auslöst und einen Fehler anzeigt
- Jährlicher Funktionstest: Lösen Sie die GFDI-Testfunktion aus (in modernen Wechselrichtern integriert) und überprüfen Sie Alarm und Abschaltung
- Prüfung des Isolationswiderstands (IR): Jährlicher Megger-Test (500 V DC, mindestens 1 MΩ zwischen Leitern und Erde), um eine Verschlechterung der Isolierung zu erkennen, bevor sie einen Erdschluss verursacht
- Wärmebild: Jährlicher IR-Scan von Anschlusskästen, Wechselrichtern und Anschlusskästen – Hotspots weisen auf hochohmige Verbindungen hin, die zu Lichtbögen führen können