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Lichtbogenerkennung AFD-Sensor als neue Sicherheitskomponente verbessert den Brandschutz in Photovoltaikanlagen

Redakteur: Wolfgang Leppert

So genannte Lichtbögen bergen in DC-Systemen wie etwa dem Generatorkreis einer PV-Anlage ein nicht unerhebliches Brandrisiko. Ein Störlichbogensensor, wie er am amerikanischen Markt bereits üblich ist, könnte diese Gefahren rechtzeitig erkennen und damit minimieren.

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Gefahrenstelle: serieller Lichtbogen an einer PV-Testanlage
Gefahrenstelle: serieller Lichtbogen an einer PV-Testanlage
( Archiv: Vogel Business Media )

Der Aufschwung im deutschen Markt für Photovoltaik (PV) hält weiter an. So wurden durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) bis zum Jahresende 2010 insgesamt rund 840.000 PV-Anlagen (davon über 80 Prozent auf Dächern) mit einer Kapazität von 17.000 MWp installiert — das entspricht im Jahresmittel zwei Prozent der deutschen Stromproduktion. Dadurch wurden allein im Jahr 2010 über 6,4 Mio. Tonnen des Klimagases CO2 eingespart. Verbunden mit der steigenden Anlagenzahl rücken jedoch immer mehr auch Sicherheitsfragen in den Vordergrund: Wie sicher etwa PV-Anlagen mit zunehmendem Alter sind und welche Gefahren daraus resultieren.

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Eine neue Sicherheitskomponente insbesondere beim Brandschutz ist ein so genannter Störlichtbogensensor (Arc Fault Detection = AFD-Sensor). Die ersten Normen bezüglich AFD für Hausinstallationen gab es schon vor über zehn Jahren. Im PV-Bereich wird der Sensor heute durch die National Fire Protection Association (NFPA 70, NEC2011) für den nordamerikanischen Markt gefordert. Die NEC2011 verlangt im Artikel 690.11 die Erkennung und Unterbrechung von Lichtbögen, verursacht durch Systemfehler. Zudem wird bereits an der UL1699B gearbeitet, die das Thema AFD in Bezug auf Artikel 690.11 noch stärker beleuchtet. Die hier geforderten AFD-Sensoren könnten künftig je nach Konzept an unterschiedlichsten Stellen im PV-Gesamtsystem installiert werden — vom Wechselrichter bis zu den einzelnen Anschlusssystemen der PV-Module — und somit für zusätzliche Anlagensicherheit sorgen.

Lichtbögen bergen hohes Gefahrenporenzial in DC-Systemen

Je nach Verschaltung der einzelnen Solarmodule werden in PV-Anlagen Spannungen und Ströme gebündelt. Dabei wird die Spannung durch die Reihenschaltung einzelner Module zu einem Strang erhöht. Dadurch treten auf der Gleichspannungsseite je nach Anlagengröße mehrere hundert Volt eingangseitig am Wechselrichter auf. Im Falle eines Leerlaufs (abgeschalteter oder getrennter Wechselrichter) können im Allgemeinen 600 bis 1.000 V DC erreicht werden, wobei die Niederspannungsrichtlinie die oberste Grenze bei 1.500 V DC legt. Der Strangstrom beträgt dabei typischerweise 5 bis ca. 10 A bei voller Einstrahlung. Weiterhin können mehrere Stränge parallel geschaltet werden — diese Ströme addieren sich entsprechend auf.

Bei diesen Spannungen und Strömen ist das ungewollte Auftrennen des Stromkreises wegen der Gefahr eines Lichtbogens sehr kritisch. So können in erster Linie serielle Lichtbögen in Modulen, lockeren Steckverbindern oder auch in beschädigten Kabeln sowie Lichtbögen parallel zum Wechselrichter oder zu Modulen durch Alterung, Tierbiss, Hagel, etc. entstehen. Bei AC-Systemen lassen Stromnulldurchgänge Lichtbögen automatisch verlöschen und ggf. in Gegenrichtung wieder zünden. Lichtbögen in DC-Systemen wie dem Generatorkreis einer PV-Anlage sind hingegen aufgrund ihrer Stabilität und der dadurch möglichen hohen Hitzeentwicklung – die zu einem Brand von weiteren Anlagenkomponenten und der Umgebung (z.B. Hausdach) führen kann – als wesentlich kritischer anzusehen.

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