Blitzschutz und Berechnung von Niederspannungs-Überspannungsschutzgeräten in PV-Anlagen

In PV-Anlagen müssen wir den Standard IEC 62305 als grundlegendes Prinzip für den Schutz vor Überspannung und Blitzschlag zugrunde legen. Der IEC 62305-Standard besteht aus vier Teilen und ist in unserem Land als TSE EN 62305 Teil 1-2-3-4 veröffentlicht. Der IEC 62305-Standard, der uns die Kriterien für den Überspannungs- und Blitzschutz von Bauwerken und Anlagen erläutert, liefert auch detaillierte Informationen für Solarsysteme. Der in Deutschland verwendete Standard VDE 0185 stellt mit dem Zusatz Anhang 5 alle Berechnungen zum Überspannungs- und Blitzschutz sowie zu Erdungsdetails in Solarsystemen umfassend dar. Auch in unserem Land verwenden wir bei Arbeiten zum Schutz von Solarsystemen die Kriterien dieses Standards. Unser Land befindet sich hinsichtlich der Blitzstromdichte in einer als intensiv zu bezeichnenden Lage, und Kraftwerke – insbesondere Regionen, in denen Solarfelder dicht installiert sind – stehen unter Risiko. Daher müssen wir im Bereich Blitzschutz und Erdung die notwendige Sensibilität gewährleisten.

Das Thema Überspannungs- und Blitzschutz in Solarsystemen muss in vier Abschnitten zusammengefasst werden, und wir sind verpflichtet, diese vier Punkte in Anlagen fehlerfrei umzusetzen. Das 4-stufige Schutzprinzip gehört zu den goldenen Regeln, die Solarkraftwerke über viele Jahre hinweg funktionsfähig halten. Zusammengefasst unter den Hauptüberschriften;

1- EXTERNES BLITZSCHUTZSYSTEM

2- NS-ÜBERSPANNUNGSSCHUTZ (INNERER BLITZSCHUTZ)

3- ERDUNGSSYSTEM

4- POTENTIALAUSGLEICHSSYSTEM

Es ist wichtig, dass diese vier Punkte gemäß den IEC-Normen ausgelegt werden, die Produkte nach den relevanten Prüfkriterien ausgewählt werden und die Anwendungen unter Berücksichtigung einer sehr langen Lebensdauer umgesetzt werden. In diesem Abschnitt werden wir die grundlegenden Installationsprinzipien dieser vier Systeme erläutern.

1- EXTERNES BLITZSCHUTZSYSTEM

Externe Blitzschutzsysteme sind äußerst wichtige Systeme, die die Anlage gegen die direkte Wirkung von Blitzschlägen funktionsfähig halten, Module und andere Systemkomponenten vor physikalischen Einwirkungen schützen und das vor Ort tätige Personal sichern. Im Rahmen des IEC-62305-Standards muss das externe Blitzschutzsystem, bei dem das Rollkugelverfahren und die Schutzwinkelmethode angewendet werden, anhand detaillierter ingenieurtechnischer Berechnungen ausgelegt werden. Der Grund, warum in Solarkraftwerken passive Fangeinrichtungen bevorzugt werden, liegt sowohl in der Risikominimierung als auch im Aufbau zuverlässigerer Systeme. Aus diesem Grund wird im Rahmen des IEC-62305-Standards der Einsatz von Blitzableitersystemen in Solarfeldern nicht empfohlen. Systeme, bei denen Schutzwinkel mit Fangeinrichtungen berechnet werden, werden hinter den Modulen installiert, während Systeme, die nach dem Rollkugelverfahren einen Schutzbereich bilden, um das Gelände herum positioniert werden.

Vor der Planung des externen Blitzschutzes in Solarprojekten muss unbedingt eine Blitzrisikoberechnung durchgeführt werden. Die Risikoanalyse, die auch mit Hilfe von Analyseprogrammen durchgeführt werden kann, umfasst Daten wie Standortinformationen, Bodenuntersuchungen, Anlagengröße, MS- und NS-Leitungen in der Umgebung der Anlage, umliegende Bauwerke, bergige Gebiete, Blitzeinfallswinkel sowie die regionale Blitzdichte. Auf Basis dieser Daten wird das Blitzrisiko des vorgesehenen Installationsbereichs berechnet. Als Ergebnis der Berechnung ergeben sich vier Stufen. Die als Stufe I, II, III und IV bezeichnete Risikotabelle gibt uns die Schutzwinkel und die Radien der Rollkugel vor. Der im Rollkugelverfahren zu verwendende Radius wird direkt mit der Risikoanalyse abgeglichen. Die vom IEC-62305-Standard bereitgestellte Tabelle ist unten dargestellt.

Nachdem das Schutzniveau des Solarfeldes festgelegt wurde, wird das externe Blitzschutzsystem definiert, das installiert werden soll. Unabhängig davon, ob das System als Modulfeldschutz oder als Flächenschutz ausgewählt wird, ist der wichtigste zu beachtende Punkt der S-Trennungsabstand. Blitzableitungen und Systemkomponenten müssen mindestens im berechneten Abstand „s“ zu den Modulen positioniert werden. Der S-Trennungsabstand kann mit der untenstehenden Formel berechnet werden. Eine Beispielrechnung kann wie folgt durchgeführt werden.

Auch bei Dachsystemen ist der „s“-Trennungsabstand von großer Bedeutung;

Die Blitzschutzkonzepte für Dach- und Freiflächenanlagen weisen große Ähnlichkeiten auf. In diesem Zusammenhang ist es bei Modulen mit rückseitiger Installation wichtig, auch den Verschattungsfaktor zu berücksichtigen. Bei nach dem Rollkugelverfahren ausgelegten Systemen können Zäune und Eckpunkte unter Berücksichtigung des Potentialausgleichs als ideale Bereiche für die Positionierung von Fangeinrichtungen dienen.

Gemäß der im Juni 2007 vom Türkischen Normeninstitut veröffentlichten Norm TS EN 62305-2 (Blitzschutz – Teil 2: Risikomanagement) gibt es kein Berechnungsverfahren für den Blitzschutz von außerhalb von Gebäuden installierten Photovoltaik-(PV)-Systemen. Im Jahr 2010 wurde jedoch der Norm TS EN 62305-3 (Blitzschutz – Teil 3: Physikalische Schäden an Bauwerken und Lebensgefahr) der Abschnitt 5 mit dem Titel Photovoltaische Energieversorgungssysteme hinzugefügt.

In diesem hinzugefügten Abschnitt wird festgelegt, dass Photovoltaikanlagen mit einer Leistung von mehr als 10 kW im Freien gemäß Schutzklasse IV (R:60 m) mit einer Blitzschutzanlage auszustatten sind. Da eine Blitzschutzanlage errichtet wird, ist keine zusätzliche Risikobewertung erforderlich. Bei Risikostudien in Solarsystemen nach dem Rollkugelverfahren ergeben sich in der Regel die Stufen III und IV, wodurch ein Rollkugelradius von 45 Metern bzw. 60 Metern verwendet werden kann.

Bei der Schutzwinkelmethode müssen die Schutzwinkel der hinter den Modulen installierten Fangeinrichtungen die Module vollständig in den Schutzbereich einschließen. Auch hier ist der oben erwähnte „s“-Trennungsabstand von Bedeutung.

Zusammenfassend gilt: Wird bei der Planung des Blitzschutzsystems von Solarmodulen die Schutzwinkelmethode angewendet, kommen Fangeinrichtungen hinter den Modulen zum Einsatz; wird ein Flächenschutz bevorzugt, werden nach dem Rollkugelverfahren berechnete Tripod-Fangeinrichtungen mit einer Höhe von bis zu 8000 mm verwendet. Aufgrund des Verschattungsfaktors können die hinter den Modulen installierten Fangeinrichtungen die Module um bis zu 50 cm überragen, und es können bodenfixierte Fangeinrichtungen für jeweils fünf Module eingesetzt werden. Das Thema Potentialausgleich, das wir im Rahmen des externen Blitzschutzsystems detailliert erläutern werden, ist von großer Bedeutung. Alle Erdungen des externen Blitzschutzsystems müssen zwingend in ein gemeinsames Potentialausgleichssystem mit der Haupterdung der Anlage eingebunden werden. In der Phase des Potentialausgleichs können Funkenstrecken-Überspannungsableitersysteme eingesetzt werden.