Für mehr Betriebssicherheit und Ertragsstabilität Blitz- und Überspannungsschutz in PV-Anlagen

In der Praxis wird bei der Planung und  Errichtung von PV-Anlagen der Blitz- und Überspannungsschutzes oft umgangen bzw. ausgeklammert. Obwohl gerade für die PV-Anlage die Installation eines Blitz- und Überspannungsschutzes ein lukratives Geschäft darstellt, liegt der Grund des Aktivitäts-mangels in diesem Geschäftsfeld einerseits in der Unwissenheit über die Thematik –
und teilweise auch in der Unsicherheit dieser Technologie gegenüber.
Die Strahlungsenergie der Sonne schwankt vorhersehbar tages- und jahreszeitlich sowie täglich je nach Wetterlage. Aus diesem Grund ist in Deutschland mit einer PV-Anlage über die Sommermonate betrachtet (insbesondere im Juli) ein bis zu fünfmal höherer Ertrag gegenüber der Wintermonate zu erwarten, der natürlich auch mit einer optimalen Anlagenbetriebssicherheit „geerntet“ werden kann. Insbesondere in den Gebieten mit erhöhter Blitzeinschlaghäufigkeit wird sich der Ertrag u.a. durch einen PV-Anlagenausfall reduzieren. Gerade in den Sommermonaten, in denen ein höheres Ertragsergebnis gegenüber dem Winter erreicht wird, sind die  häufigsten Gewitter zu verzeichnen. 

Viele Überspannungsschäden
Die Überspannungsschäden liegen in der Schadensstatistik der Versicherer weit vorn. Es ist zudem nicht unbegründet, dass der Gesamtverband der Deutschen Versicherungsgesellschaft e.V. (GDV) in seiner Richtlinie 2010 für Gebäude mit einer PV-Anlage über 10 kW einen äußeren und inneren Blitzschutz nach der Schutzklasse III fordert. Um die Betriebssicherheit und Ertragsstabilität zu optimieren, sollte grundsätzlich bereits in der Planungsphase geklärt werden, ob für das Objekt spezielle Blitzschutzanforderungen seitens der Versicherer bestehen oder ob im Bauschein die Regelungen einer Landesbauordnung vorgeschrieben sind. Durch die Integration eines technisch und wirtschaftlich ausgewogenen Überspannungs-Schutzkonzepts werden die permanente Verfügbarkeit der PV-Anlage, die Sicherung der Investition und deren Ertrag wesentlich erhöht.
Zu beachten sind die Verordnungen der einzelnen Bundesländer, die für bestimmte bauliche Anlagen einen Blitzschutz fordern.
Einen Überblick über die Vorgaben gibt die VdS-Richtlinie 2010, Ausgabe: 07-2005; Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz, Richtlinie zur Schadenverhütung. Versicherungsrichtlinie der VdS-Schadenverhütung GmbH (früher Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e.V.). Die VdS-Richtline 2010 enthält eine tabellarische Übersicht der baurechtlichen Vorgaben der einzelnen Bundesländer zum Blitzschutz wie Landesbauordnung (LBO), Sonderbauverordnungen und -Richtlinien bzw. die Prüfverordnungen und spezielle bundesweite Regelungen.
Die Landesbauordnungen treffen klar formulierte Aussagen, welche Gebäude mit einer Blitzschutzanlage ausgerüstet sein müssen und welche nicht. Sobald es sich um ein öffentliches Gebäude handelt, besteht eine Pflicht.
Die Planung und Errichtung erfolgt auf der Basis der DIN EN 62305-1 bis 4 (VDE 0185-305-1 bis 4), Ausgabe: 10-2006.


Prinzipschaltbild des Citel Überstromableiters Typ 2 „DS50PV“.

Vier Schutzklassen
Als Basis für den Umfang des Blitz- und Überspannungsschutzes in PV-Anlagen dient die Risikoanalyse, die sich aufgrund der speziellen geometrischen Abmessungen und der örtlichen Umgebungssituation unter Berücksichtigung der DIN EN 62305, Teil 2 „Risikomanagement“ abschätzen lässt. Entsprechend dem ermittelten Gefährdungspotenzial nach DIN EN 62305-2 (VDE 0185-305-2), Ausgabe: 10-2006 sind die Schutzmaßnahmen für die PV-Anlage nach DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) und Teil 4 auszuwählen.
Der Blitzschutz wird in Deutschland in vier Schutzklassen eingeteilt (SK I bis IV), wobei die Schutzklasse IV die geringsten Anforderungen stellt. Die meisten blitzschutzpflichtigen Gebäude werden in die  Klasse I oder II eingestuft. Die Schutzklasse wird in einer Risikoanalyse nach DIN EN 62305-2 (VDE 0185-305-2), Ausgabe: 10-2006 ermittelt oder lässt sich aus der VdS-Richtlinie 2010 (Juli 2005) ableiten.
Wird eine PV-Anlage durch die Montage auf dem Schrägdach zum Bestandteil des Gebäudes, dann gilt für sie die Blitzschutzklasse des Gebäudes. Eine nachträglich montierte PV-Anlage mit Blitzschutz muss daher in den Blitzschutz integriert werden. Besteht dagegen für das Gebäude keine Blitzschutzpflicht, dann muss auch die nachträglich installierte PV-Anlage keinen Blitzschutz enthalten, da die PV-Anlage das Gebäude lediglich um 15 bis 20 cm überragt und auch der betroffene Flächenanteil die Blitzschlaggefahr nicht erhöht. Dennoch kann es, wenn das Gebäude selbst keinen Blitzschutz hat, in gewitterintensiven Gebieten  wirtschaftlich und sinnvoll sein, die PV-Anlage mit zusätzlich externen Überspannungsableitern vor Spannungseinkopplungen zu schützen.
Ausnahme bildet die Installation einer PV-Anlage auf einem Flachdach, weil dieses Dach durch die aufgeständerten Module erhöht wird. Hier sollten einige Argumente beachtet werden:

• Eine fehlerhaft installierte PV-Anlage kann den Blitzschutz eines Gebäudes schwächen oder sogar aufheben.
• Ein Blitz kann sich in das Gebäude einkoppeln und zu Überspannungsschäden an elektronischen und elektrischen Ge-
• räten bzw. Leitungen hervorrufen.
• Ein Blitz kann zudem auch direkt in die PV-Anlage einschlagen, diese zerstören und durch den Lichtbogen das gesamte Gebäude in Brand setzen.
• Ein bis zu einigen Kilometern entfernt eingeschlagener Blitz kann Überspannungsschäden an einer PV-Anlage hervorrufen und zum Ausfall der Anlage führen, wobei hier durch die Zerstörung der Platinen- und Bypassdioden die Modulstränge oder Wechselrichter ausfallen. Die indirekt verursachten Überspannungsschäden durch einen fernen Blitzeinschlag können unbemerkt bleiben, weil sich das Erscheinungsbild der PV-Anlage optisch nicht zwangsläufig verändern muss. In der Praxis werden die Schäden nur aufgrund einer regelmäßig durchgeführten Ertragskontrolle erfasst.

SDS-Schalteinheit

Äußerer Blitzschutz
Mit dem äußeren Blitzschutz wird der Blitz eingefangen und ins Erdreich abgeleitet. Zu diesem Zweck werden konventionelle Fangstangen auf das Dach und oberhalb der Dachaufbauten, wie überhöhter Aufzugsmaschinenraum, Schornsteine, Dach-RLT-Geräte, Dachventilatoren etc., montiert. Die-se Fangstangen werden über Ableitungen am Gebäude mit der Erdungsanlage verbunden. Durch die Anpassung der Fangeinrichtungen wird erreicht, dass mit hoher Wahrscheinlichkeit die Fangeinrichtung und nicht die PV-Anlage getroffen wird. Die PV-Anlage befindet sich insofern innerhalb des Schutzbereiches der äußeren Blitzschutzanlage. Die Fangeinrichtung muss in Übereinstimmung mit der festgelegten Schutzklasse des Blitzschutzsystems errichtet werden.
Bei der Festlegung der Anordnung und der Lage der Fangeinrichtung können drei Varianten genutzt werden:

• Blitzkugelverfahren,
• Maschenverfahren,
• Schutzwinkelverfahren.

Auf der Gleich- und Wechselstromseite der PV-Anlage werden hier Überspannungsableiter vom Typ 2 installiert. Die PV-Anlage kann dennoch beschädigt werden, wenn z.B. bei der Errichtung der PV-Anlage versäumt wurde, den Sicherheitsabstand (Trennungsabstand) zwischen den Fangstangen und der Anlage einzuhalten. In diesem Fall können Teilblitze unkontrolliert auf die PV-Anlage überschlagen. Ursache zur Zerstörung mittels Teilblitzen kann auch dann gegeben sein, wenn auf dem Dach das Einhalten des Trennungsabstandes aus baulichen Gegebenheiten nicht möglich ist. Wenn die PV-Anlage keinen ausreichenden Abstand zu den Fangspitzen bzw. Ableitungen enthält und ergänzende Blitzschutzmaßnahmen ausbleiben, kann diese PV-Anlage den Blitzschutz aufheben und die Blitzstrom- sowie Überspannungsschäden noch begünstigen. Nur wenn beide Randbedingungen erfüllt werden, d.h. Einhaltung des Trennungsabstandes und Schutzbereich, kann auf  kostenintensive innere Blitzschutzmaßnahmen verzichtet werden.
Zur Ermittlung des Trennungsabstandes einer PV-Anlage zu den Fangstangen auf dem Dach muss die DIN EN 62305-3 berücksichtigt werden. Der Trennungsabstand sorgt dafür, dass bei einem Direkteinschlag in das Gebäude kein Überschlag auf die PV-Anlage stattfindet. Bei diesem „teilisolierten Blitzschutz“ können auch die PV-Strangleitungen keinen Blitzteilstrom ins Gebäudeinnere leiten.
Bei Gebäuden, deren Dachfläche zur Fangeinrichtung gehört, wie z.B. bei Metalldächern, lässt sich eine „teilisolierte Blitzschutzanlage“ nicht realisieren. Die PV-Anlage wird dann direkt mit der äußeren  Blitzschutzanlage blitzstromtragfähig elektrisch leitend verbunden. Weil in diesem Fall die Leitungen der PV-Anlage blitzstrombehaftet sind, muss hier die fachgerechte Leitungsführung beachtet werden, um den technischen und kostenintensiven Aufwand in Grenzen zu halten.
Bei den PV-Anlagen müssen die ins Gebäude führenden blitzstrombehafteten Strangleitungen durch Blitzstromableiter vom Typ 1 geschützt werden.

Innerer Blitzschutz
Teil des inneren Blitzschutzes ist es, das die Teilblitzströme beherrscht und die Überspannungen ausgekoppelt werden. Hierzu ist aufgrund eines komplexen Konzepts eine Installation von aufeinander abgestimmten Überspannungs-Schutzgeräten erforderlich. Die Schutzgeräte eliminieren nacheinander den Blitzstrom und die Überspannung. Um einen kompletten Schutz aufzubauen, werden zum Schutz vor Blitzstrom Schutzgeräte vom Typ 1 installiert. Wenn mit diesem Typ 1 auch die Teilblitzströme abgefangen werden, können dennoch im weiteren Leitungsweg Überspannungen übertragen werden. Aus diesem Grund werden in diesem Bereich Schutzgeräte vom Typ 2 installiert, die vor Überspannungen schützen. Da lange Kabel hinter dem Schutzgerät wie Antennen wirken und neue Spannung induzieren, müssen als letzte Sicherheitsstufe Überspannungs-Schutzgeräte vom Typ 3 integriert werden.
Der Einsatz von Überspannungs-Schutzeinrichtungen birgt einige Besonderheiten, ohne deren Kenntnis und Beachtung eine mögliche Anlagengefährdung nicht auszuschließen ist. Primär ist hier die Höhe der Systemspannung moderner PV-Anlagen zu beachten. Um die Leistungsverluste so gering wie möglich zu halten, sind heute Spannungen von 1000 V DC und höher gebräuchlich. Eine weitere Besonderheit von PV-Anlagen liegt in der Behandlung von Fehlerzuständen im PV-Generatorstromkreis.
An welcher Stelle einer PV-Anlage der Einsatz von Überspannungs-Schutzgeräten technisch sinnvoll ist, muss von Anlage zu Anlage beurteilt werden und hängt zudem vom Anlagenkonzept sowie von der räumlichen Ausdehnung der PV-Anlage ab. Zur Integration der Überspannungsschutzgeräte müssen zudem die örtlichen Netzverhältnisse (TN- bzw. TT-Netz) beachtet werden.
Da sich lediglich im Bereich der Verkabelung eine partielle Leitungsschirmung des PV-Generators realisieren lässt, kann die PV-Anlage nur durch eine Integration von Überspannungs-Schutzgeräten wirksam gegen die Auswirkungen der eingekoppelten Störenergie geschützt werden. Wenn Überspannungs-Schutzgeräte in PV-Generator-Stromkreisen integriert werden, müssen eine Reihe technischer Besonderheiten beachtet werden. Die neueren Erfahrungen haben ergeben, dass Überspannungs-Schutzgeräte, die für den AC-Einsatz entwickelt wurden, nur bedingt für PV-Anlagen eingesetzt werden können. Dieses liegt darin begründet, dass in Abhängigkeit von der Anlagekonzeption bei Überlastung des Ableiters das Risiko einer Brandgefahr nicht ausgeschlossen werden kann.
Im Falle eines Büro- oder Wohngebäudes mit einer äußeren Blitzschutzanlage müssen die Überspannungsableiter für eine optimale Wirksamkeit am Wechselrichter der PV-Anlage (auf der AC- und auf der DC-Seite) integriert werden. Die Blitzstromableiter in der Hauptleitung ergänzen die Schutzmaßnahme.
Beim Einsatz der Überspannungs-Schutzgeräte auf der Gleichspannungsseite von PV-Anlagen bestehen gravierende Unterschiede gegenüber der Anwendung auf der Wechselspannungsseite. Die Nichtbeachtung kann folgenschwere Auswirkungen insbesondere unter Fehlerbedingungen haben. Die Besonderheiten sowie die in der Praxis prinzipiell angewendeten Möglichkeiten von unterschiedlich ausgeführtem Überspannungsschutz der PV-Wechselrichter können den technischen Unterlagen der Produkthersteller entnommen werden.
Demgegenüber sind die Überspannungs-Schutzgeräte bei weitläufigen PV-Großanlagen sowohl im Generatoranschlusskasten der einzelnen PV-Module als auch am Wechselrichter zu integrieren.


DC- und AC-Überspannungsschutzableiter Typ 2 mit Potenzialsausgleich am Wechselrichter.

Innovationen der Produkthersteller
Die Langlebigkeit zählt neben dem Wirkungsgrad und dem störungsfreien Betrieb zu den Hauptforderungen, die an die PV-Anlage wie auch den Überspannungsschutz selbst gestellt werden. Die derzeitigen Überspannungschutzgeräte vom Typ 2 mit Varistoren kommen aus der Wechselstromtechnik. Erfahrungen und langjährige Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass der Schutz zwar gut funktioniert, jedoch einige Anlagetypen in Bezug auf den Leckstrom nur eine kurze Lebensdauer haben, zudem die Leckstromrate bei erhöhter Umgebungstemperatur und Feuchtigkeit schneller ansteigt. Aus diesem Grund hat der französische Hersteller Citel mit Sitz in Bochum einen neuen  leckstromfreien Ableiter vom Typ 2 entwickelt.
Durch speziell entwickelte gasgefüllte Funkenstrecken, die in Reihe zu Varistoren geschaltet werden, wird eine komplett galvanische Trennung realisiert. Die Funkenstrecken sprechen nur bei Überspannung an. Über eine fehlerresistente Y-Schaltung wird auch im Falle eines Isolationsfehlers der Weiterbetrieb des Überspannungsschutzes sichergestellt. Zudem werden bei einer galvanischen Trennung keine Komponenten beeinträchtigt.
Der neue „Citel-DS50PV“ ist der erste Typ 2-Ableiter, der die Anforderung einer hohen Lebensdauer, Anlagenkompatibilität und Sicherheit gegen Überspannungsschutz in sich vereint. Zudem verfügt der neue „DS50PV-1000/G“ über eine optische und fernauslesbare Fehlersignalisierung und über austauschbare Schutzmodule.
Das Blitzschutzkonzept „Dehn-limit PV 100“ von Dehn + Söhne, Neumarkt,  verhindert Überspannungsschäden in PV-Anlagen, wobei die Generatoren und Wechselrichter auch bei direkten Blitzeinschlägen durch eine Gleichstromunterbrechung der Funkenstrecke geschützt werden.  Als neue Innovation gilt der Überspannungsableiter „Dehnguard-PV 500 SCP“, der eine zweifach wirksame Überwachungs- und Abtrennvorrichtung garantiert, die den Kurzschlussstrom bis zur Instandsetzung der Anlage selbstständig führen kann.
Der DC-Überspannungsschutz „SPPT2PA“ von Eaton-Moeller, Bonn, ist für PV-Anwendungen geeignet und schützt die Anlage vor kurzzeitigen Überspannungen durch indirekten Blitzschlag. Im Programm sind Ausführungen für geerdete und nicht geerdete Anlagen enthalten, wobei die integrierten Funkenstrecken die galvanische Trennung in nicht geerdeten Anlagen gewährleistet.
Wird eine Blitzschutzanlage nicht durch die örtliche Landesbauordnung oder den Versicherer gefordert, dann kann die Verfügbarkeit der PV-Anlage durch eine fachgerechte Installation erhöht werden. Durch eine geeignete Montage und eine sichere Leitungsführung mit Kabeltragsystemen können die Schäden und Ausfälle minimiert werden. Eine Erdung des PV-Systems sollte mit den metallenen Teilen des PV-Generators wie Rahmen, Gestelle und Schienen und mit mindestens 6 mm² (Kupfer) in den Potenzialausgleich erfolgen. Die Induktionen sind hierbei durch eine enge und parallele Verlegung der Potenzialausgleichs- mit den DC-Leitungen zu minimieren. Der Einsatz von Überspannungsschutzgeräten (Typ 2) am Wechselrichter, z.B. von OBO-Bettermann, Menden, verhindert Schäden durch Induktion. DC-Überspannungsschutzgeräte müssen auf die maximale Leerlaufspannung ausgelegt werden, die in der Regel bis zu 20% über der angegebenen Leerlaufspannung UOC STC liegt.


Steckbare Module “PV-SET”.

Die Ableiterserien „PV-SET“ und „VAL-MS 1000DC“ von Phoenix Contact Deutschland, Blomberg, schützen die PV-Anlagen wirkungsvoll vor Überspannungen. Die „PV-Sets“ sind fertig vormontierte Anschlusskästen für Einzel-String- oder Fünf-Stringanlagen bis 1000 V DC in Schutzart IP 65. Die Schutzgeräte „VAL-MS 1000DC“ lassen sich individuell auf Tragschienen der Größe NS 35 installieren und basieren auf steckbaren Ableitern. In jedem Stecker ist eine Funktionsüberwachung und Statusanzeige integriert. In Abhängigkeit vom Gerätetyp werden zusätzliche Besonderheiten, wie Generatorfreischalter, Fernmeldekontakt, Prüfklemmen etc. angeboten.