Wichtige Punkte zum Blitzschutz und zur Erdung in Solarkraftwerken

Die Erdung in Solarkraftwerken ist im Rahmen der IEC 62305-5 Norm zwingend erforderlich, um zu verhindern, dass photovoltaische Systeme durch plötzliche Überspannungen und Blitzeinschläge beschädigt werden. Damit als langfristige Investition geplante Anlagen die gewünschte Energieeffizienz erreichen können, müssen alle erforderlichen Schutzmaßnahmen umgesetzt werden – ein Punkt, der von Investoren häufig vernachlässigt wird. In diesem Zusammenhang haben wir die wichtigsten Punkte zur Erdung und zum Blitzschutz von PV-Systemen nachfolgend zusammengefasst.

Allgemeine Grundsätze zum Schutz von Solarkraftwerken

Im Rahmen der einschlägigen Norm wird die Bedeutung des vierstufigen Schutzkonzeptes hervorgehoben. Damit PV-Anlagen keine Schäden durch Blitz- und Überspannungseinwirkungen erleiden, ist die Integration der folgenden vier Systeme von entscheidender Bedeutung.

1-Äußeres Blitzschutzsystem: Im Rahmen der Norm sind auf Basis passiver Systeme geeignete Schutzwinkel nach der Methode der rollenden Kugel zu bilden. Das auf Grundlage der Risikoanalyse zu planende System soll sowohl das Gelände als auch die PV-Systemkomponenten vor den direkten Auswirkungen eines Blitzeinschlags schützen.

2-Innere Blitzschutzsysteme: Der Einsatz innerer Blitzschutzsysteme in AC-, DC- und Koaxialleitungen verhindert, dass die Anlage bei Blitzeinschlägen und plötzlichen Überspannungen durchbrennt und außer Betrieb geht.

3-Potenzialausgleichssystem: Die Herstellung eines durchgängigen Potenzialausgleichs innerhalb der Anlage beseitigt Widerstandsunterschiede und verhindert dadurch auftretende Kopplungseffekte.

4-Erdungssystem: Fundament- und Funktionserdungssysteme, die im und um das Anlagenareal errichtet werden, gewährleisten einen langfristigen Schutz der Anlage vor elektrischen Störeinflüssen.

Die Erdung von Solarkraftwerken erfordert Fachwissen und Erfahrung.

Für die Auswahl der einzusetzenden Produkte sowie für die Auslegung und ingenieurtechnische Planung des Systems ist eine Risikoanalyse zwingend erforderlich.

Zunächst ist die Blitzaktivität „E“ des zu schützenden Bauwerks zu berechnen. Anhand des berechneten Koeffizienten „E“ ist das Schutzniveau aus der entsprechenden Tabelle festzulegen.

Sowohl bei Dach- als auch bei Freiflächenanlagen ist die Integration der oben genannten vier Systeme von entscheidender Bedeutung. Im Lichte der TSE EN 62305 Norm müssen bei allen PV-Anwendungen die Modulflächen sowie das Anlagenareal aus Gründen der Personensicherheit und der elektrischen Betriebssicherheit geschützt werden. Auf Grundlage der Risikoanalyse ist unter Berücksichtigung direkter Blitzeinschlagrisiken ein geeignetes Fangstangensystem zu planen. Dabei ist besonders darauf zu achten, dass Blitzableiter, die in der Nähe von Anlagenteilen verlaufen, als isolierte (blitzstromgeprüfte) Leiter ausgeführt sind. Andernfalls können Kopplungseffekte zu Schäden an der Anlage führen. Die eingesetzten Komponenten des äußeren Blitzschutzsystems müssen Blitzstromprüfungen bis 100 kA erfolgreich bestanden haben.

Errichtung des Erdungssystems

Zur Gewährleistung der elektrischen Sicherheit der Anlagensysteme ist eine Erdung der Anlage zwingend erforderlich. Die Auslegung der Erdungssysteme und deren Komponenten muss gemäß der Erdungsverordnung des Energieministeriums, TS HD 60364-5-54 sowie TSE EN 50164 erfolgen.

Bei Fundamenterdungen sowie Funktions- und Betriebserdungen sind insbesondere die Qualität der verwendeten Materialien und deren langfristige Korrosionsbeständigkeit zu berücksichtigen. Beispielsweise ist für einen Erdungsbandstahl 30×3,5 mm gemäß TSE EN 50164 eine Mindestbeschichtung von 70 Mikron vorgesehen. Das Erdungsprojekt ist unter Berücksichtigung der Bodenbeschaffenheit durch einen qualifizierten Ingenieur zu planen. Der Einsatz von Korrosionsschutzband sowie die bimetallische Verträglichkeit sind von großer Bedeutung. Die auf dem Gelände installierten Wechselrichter sowie die AC-Bereiche der Anlagen müssen geerdet werden. Für an Konstruktionen montierte Betriebsmittel sind zusätzliche Erdungsmaßnahmen zu treffen.

Bei Freiflächenanlagen sind – je nach Eignung – unter den Modulen Maschennetze mit einer Maschenweite von maximal 20×20 m zu bilden und mit einer umlaufenden Ringleitung zu verbinden. Jede Konstruktion und jedes Systembauteil muss über Potenzialausgleichsschienen an diese universelle Erdung angeschlossen werden. Sämtliche Berechnungen sind durch einen Fachingenieur durchzuführen.

Potenzialausgleichsleiter

Der Potenzialausgleich stellt eine Schutzmaßnahme dar, um bei einem Fehlerfall zu verhindern, dass elektrische Anlagen gegenüber dem Erdpotenzial ein höheres Potenzial annehmen. Durch diese Maßnahme werden Potenzialunterschiede zwischen Erde und anderen leitfähigen Teilen beseitigt und das Risiko eines elektrischen Schlags auf ein Minimum reduziert. Die betreffenden Anlagenteile werden als frei zugängliche leitfähige Teile oder fremde leitfähige Teile klassifiziert.

In vielen PV-Systemen sind solche frei zugänglichen oder fremden leitfähigen Teile nicht vorhanden, weshalb ein Potenzialausgleich in der Regel nicht erforderlich ist. Ist ein Potenzialausgleich dennoch notwendig, wird das entsprechende Entscheidungsdiagramm herangezogen. Auf der DC-Seite der PV-Anlage muss bereits in der Entwurfsphase eine doppelte oder verstärkte Isolierung vorgesehen werden. In diesem Fall sind die Komponenten isoliert, sodass kein zusätzlicher Schutzpotenzialausgleich erforderlich ist.

Der isolierte Ableiter ist ein unverzichtbarer Bestandteil eines sicheren und normgerechten Systems.

Alle Anlagenkomponenten müssen über lokale Potenzialausgleichsschienen mit dem Potenzialausgleichsleiter verbunden werden. Auch das äußere Blitzschutzsystem ist in diesen Potenzialausgleich einzubeziehen. Die Anschlüsse an die im Anlagenbereich installierten Potenzialausgleichsschienen müssen jedoch über Spark-Gap-Überspannungsableiter erfolgen, um mögliche Stoßströme sofort zu dämpfen.