Lichtbögen in der Photovoltaik – Lichtbogendetektoren eliminieren Restrisiko

Wie in jeder elektrotechnischen Anlage besteht auch in PV-Anlagen grundsätzlich das Risiko der Entstehung eines Lichtbogens. Dieser kann auftreten, wenn zwischen zwei Elektroden, die sich in einem gewissen Abstand zueinander befinden, eine ausreichend hohe Spannung auftritt.

Charakteristik des Lichtbogens
Durch die elektrische Spannung wird das Gas zwischen den Elektroden (in der Regel handelt es sich um Luft) ionisiert. Das heißt, dass Elektronen aus den Atomen und Molekülen des Gases „herausgeschlagen“ werden. In Folge entsteht ein sogenanntes Plasma aus positiv geladenen Ionen und Elektronen. Dieses Plasma kann mehrere 1000°C heiß werden, führt zu einem Stromfluss zwischen den Elektroden und leuchtet in Form des charakteristisch hellen Lichtbogens. Die hohen Temperaturen im Lichtbogen können im weiteren Verlauf zu einer schwerwiegenden Beschädigung der Anlage oder im Extremfall auch zu einem Brand führen.

Entstehung von Lichtbögen
Wird in einem Stromkreis ein Leiter durchtrennt, so werden die beiden Enden des Leiters zu den bereits erwähnten Elektroden, zwischen denen sich das Gas Luft befindet. Abhängig von der Spannung und dem Abstand der beiden Leiter-Enden kann in der Folge ein Lichtbogen entstehen (Bild 1). Verschiedene Untersuchungen haben gezeigt, dass Lichtbögen bereits bei Spannungen von 20 V und Stromstärken von wenigen Ampere entstehen können.
Die Entstehung des Lichtbogens ist dabei unabhängig davon, ob sich in diesem Stromkreis eine Gleich- oder Wechselspannungsquelle befindet, die für die erforderliche Spannung zwischen den Elektroden sorgt. Der Unterschied zwischen Gleich- und Wechselspannungssystemen zeigt sich im Wesentlichen dadurch, dass ein Lichtbogen im Wechselstromsystem leichter wieder verlöscht.
Aufgrund der periodischen Spannungsänderung kann der Lichtbogen in jedem Spannungsnulldurchgang von selbst verlöschen. Zwar kann er in der darauf folgenden Periode auch wieder gezündet werden, aber langfristig sind derartige Lichtbögen aufgrund des ständigen Löschens nicht so stabil wie sie in Gleichspannungssystemen sein können.

Arten von Lichtbögen in PV-Anlagen
Abhängig von ihrer Position im PV-System unterscheidet man zwei grundsätzliche Arten von Lichtbögen (Bild 2).

Parallele Lichtbögen
Als parallele Lichtbögen bezeichnet man jene, die entweder zwischen dem Plus- und Minuspol oder von einem der beiden aktiven Leiter gegen Erde in geerdeten Systemen auftreten können.
Typische Fehlerquellen für parallele Lichtbögen in PV-Systemen sind:

• Kurzschlüsse (zwischen + und -) in DC-Sammelkästen,
• defekte Isolierungen der DC-Hauptleitungen (+ gegen –, oder aktiver Leiter gegen Erde).

Serielle Lichtbögen
Ein solcher Lichtbogen entsteht typischerweise durch Öffnen von Kontaktstellen in Stromkreisen.
Typische Fehlerquellen für serielle Lichtbögen in PV-Systemen sind:

• schlecht gecrimpte / zusammengesteckte DC-Stecker,
• defekte Modulanschlussdosen,
• hochohmige Lötverbindungen zwischen den Zellen eines Moduls,
• schlecht geklemmte Kabel auf der DC-Seite,
• falsch dimensionierte bzw. für PV-Anwendungen nicht zugelassene Strangsicherungen.

Vermeidung von Lichtbögen in PV-Anlagen
Aufgrund der unterschiedlichen Fehlerursachen von seriellen und parallelen Lichtbögen sind auch die möglichen Gegenmaßnahmen differenziert zu betrachten. Generell lässt sich allerdings sagen, dass das Auftreten paralleler Lichtbögen unwahrscheinlicher ist.

Parallele Lichtbögen
Dank einer umfangreichen Kombination verschiedener Schutzkonzepte, die in den einschlägigen Normen beschrieben sind, hat sich die Entstehung solcher Lichtbögen als höchst unwahrscheinlich dargestellt. Die Ausführung des PV-Generators als Schutzklasse 2 Stromkreis (doppelte Isolierung der DC-Kabel, Erd- und kurzschlusssichere Installation der Leitungen) verhindert in hohem Maße die für einen Lichtbogen notwendigen Kurzschlüsse. Zusätzlich bieten die Wechselrichter durch Isolationsüberwachung und Fehlerstromüberwachung ergänzende Sicherheitsfunktionen. Diese sorgen dafür, dass das Auftreten des ersten Fehlers (z.B. defekte Isolierung eines aktiven Leiters), welcher noch zu keiner unmittelbaren Gefährdung führt, sicher erkannt wird. Durch entsprechende Behebung dieses ersten Fehlers kann sicher verhindert werden, dass das Auftreten eines weiteren Defekts zu einem parallelen Lichtbogen führen kann.

Serielle Lichtbögen
Zur Verhinderung serieller Lichtbögen ist es wichtig, dauerhaft stabile Verbindungen zwischen den einzelnen Leitern im gesamten PV-System zu schaffen, um so eine ungewollte Unterbrechung zu verhindern. Um das zu erreichen, sind im Wesentlichen zwei grundlegende Dinge zu berücksichtigen: einerseits die Verwendung von qualitativ hochwertigen Komponenten und andererseits eine sorgfältige, sachgemäße Installation. So sind z.B. hochqualitative Fertigungsprozesse bzgl. der Lötverbindungen im Modul und der Modulanschlussdose ein wesentlicher Faktor, um langlebige stabile Verbindungen zu gewährleisten.
Eine große Verantwortung trägt in diesem Zusammenhang jedoch auch die Elektrofachkraft bei der Installation der Anlage. Neben der Auswahl der richtigen Komponenten (z.B. der Verwendung von Strangsicherungen, die für PV-Anlagen geeignet sein müssen) ist die sachgemäße Installation besonders zu beachten. Dazu gehören u.a. mit korrektem Drehmoment angezogene Schraubklemmen oder auch genau nach Anleitung gecrimpte und zusammengesteckte DC-Stecker.
Jedoch besteht auch bei sachgemäßer Ausführung der PV-Anlage, aufgrund der hohen thermischen Belastung im Tages- und Jahresverlauf und sonstiger Witterungseinflüsse wie Regen, Schnee und Eis, immer ein gewisses Restrisiko für die Entstehung eines Lichtbogens. Um dieses letzte Restrisiko zu eliminieren, wird aktuell der Einsatz sogenannter Lichtbogendetektoren diskutiert.

Lichtbogendetektor
Die Idee des Lichtbogendetektors beruht darauf, dass durch das Auftreten eines Lichtbogens im PV-Generator signifikante Änderungen in den Strom/Spannungs-Signalen der PV-Anlage auftreten (Bild 3). Eine entsprechende Elektronik mit Auswertelogik kann diese Änderungen überwachen und dann den Befehl an geeignete Schalteinrichtungen geben, die Anlage abzuschalten und damit den Lichtbogen zu löschen. Diese Elektronik kann grundsätzlich sowohl in den Wechselrichter integriert sein, als auch als eigenständige Einheit auf der Gleichstromseite der PV-Anlage installiert werden.

Neue Herausforderungen
Obwohl derartige Detektoren auch in anderen Industriebereichen zur Anwendung kommen, stellt die PV die Hersteller vor neue Herausforderungen. Die hohen Spannungen, lange Leitungen und unterschiedliche Modultechnologien mit deren unterschiedlicher elektrischer Charakteristik machen die Detektion des Lichtbogens äußerst schwierig. Aus diesem Grund werden auch vielfach Forschungsanstrengungen unternommen, um diese Aufgaben zu bewältigen. Es ist davon auszugehen, dass in den nächsten Jahren entsprechende Produkte am Markt verfügbar sein werden. Damit wäre ein weiterer Beitrag geleistet, der PV-Anlagen noch hochwertiger und sicherer macht.

Zusammenfassung
Wie in jedem elektrischen Stromkreis besteht auch in PV-Anlagen im Fehlerfall die Möglichkeit der Bildung von Lichtbögen. Bislang angewandte Installations- und Produktnormen sowie entsprechend gefertigte Komponenten bieten ein hohes Maß an Sicherheit, um diese auch zu verhindern. Wesentlich trägt dazu auch die fachgemäße, sorgfältige Installation der Anlage bei. Um auch ein letztes Restrisiko zu eliminieren, wird aktuell an der Entwicklung von Lichtbogendetektoren gearbeitet, die für die spezielle Charakteristik der PV geeignet sind. Mit der Verfügbarkeit von Lichtbogendetektoren, welche PV-Anlagen noch sicherer und hochwertiger machen,  kann in den nächsten Jahren gerechnet werden.

Autor: Dipl.-Ing. Thomas Mühlberger arbeitet bei der Fronius International GmbH. Das österreichische Unternehmen mit Firmensitz in Pettenbach und weiteren Standorten in Wels, Thalheim und Sattledt beschäftigt global 3250 Mitarbeiter und ist in den Bereichen Batterieladesysteme, Schweißtechnik und Solarelektronik tätig.

Bilder: Fronius International

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