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

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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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.

AFD-Konzept erkennt die Problematik ohne aufwändige Messungen

Ein speziell für DC-Anwendungen entwickelter und optimierter AFD-Sensor ermöglicht das Erkennen und Melden von seriellen und parallelen Lichtbögen bei Spannungen bis 600 V DC und max. 35 A — auf kleinstem Raum und ohne aufwändige Strom- und Spannungsmessungen an vielen verschiedenen Stellen der PV-Anlage. Der Sensor kann zur Überwachung einzelner Stränge oder der Sammelleitung eingesetzt werden und wird zentral im Generator-Anschlusskasten bzw. im oder am Wechselrichter montiert.

Auftretende Lichtbögen sind im Allgemeinen je nach Anlagentopologie und Einstrahlung nicht durch eine niederfrequente Analyse der Verläufe des Stroms bzw. der Spannung zwischen Hin- und Rückleiter an einer zentralen Stelle am Generatoranschlusskasten oder am Wechselrichter erkennbar. Markant sind jedoch die von den Lichtbögen erzeugten hochfrequenten Rauschanteile, die zur weiteren digitalen Verarbeitung mit einem induktiven und galvanisch getrennten Analogsensor verstärkt werden.

Das Know-how des E-T-A-Systems liegt hierbei hauptsächlich in der Technologie der induktiven analogen Datenerfassung sowie in der analogen Signalaufbereitung und im digitalen Mustererkennungs-Algorithmus. Die größte Herausforderung ist dabei das Unterscheiden gefährlicher Störlichtbögen in der PV-Anlage von im Standardbetrieb auftretenden Effekten, die durch Schaltvorgänge und Systemsignale des Wechselrichters oder auch durch externe Störeinflüsse hervorgerufen werden. Weiterhin muss eine sichere Erkennung bei unterschiedlichen Topologien des PV-Generators und des Wechselrichters (trafolos, NF- oder HF-Trafo) sowie bei allen möglichen Einstrahlungsbedingungen gewährleistet sein, was ein adaptives Konzept der digitalen Signalverarbeitung erforderlich macht.

Fazit: Zurzeit gibt es am Markt noch keine in Serie befindlichen AFD-Sensoren für PV-Anlagen. Getrieben durch den amerikanischen Markt (spezielle Brandschutzanforderungen z.B. wegen Holzbauweise) wird es aber sicher nicht mehr lange dauern, bis eine solche Technologie — ähnlich dem vorgestellten Konzept — frei verfügbar ist und in Serienanwendungen zum Einsatz kommt. Gewiss wird auch der Europäische Markt in den nächsten Jahren mit AFD-Anwendungen nachziehen, allein schon aufgrund der hohen Installationszahlen und des zunehmenden Alters der Anlagen.

intersolar: Halle C3, Stand 159

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