09.06.2023 • Energie

Photovoltaik sicher machen

Lichtbogendetektoren sollen als Warnsystem für Wechselrichter dienen.

Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat einen einzigartigen modularen Prüfstand entwickelt, an dem Photovoltaik-Wechselrichter mit integrierten Licht­bogen­detektoren getestet werden. Diese im Wechsel­richter integrierten Warnsysteme erhöhen die Sicherheit von Solaranlagen, da sie bei Licht­bögen automatisch stromlos schalten. Mit der nun veröffentlichten inter­nationalen Norm IEC 63027 sollen die Detektoren noch zuverlässiger und realitäts­naher getestet werden. Das Fraunhofer ISE war auch an der Entwicklung der Prüfnorm beteiligt, die am 3. Mai 2023 erschienen ist.

 

Abb.: Auslösung eines Licht­bogens im Prüfstand des TestLabs Power...
Abb.: Auslösung eines Licht­bogens im Prüfstand des TestLabs Power Electronics zum Test von Licht­bogen­detektoren (Bild: Fh.-ISE)

Serielle Lichtbögen in PV-Anlagen entstehen als Folge von Kontakt­problemen, etwa durch fehlerhafte Lötstellen im Modul oder in der Gleichstrom­verdrahtung des Wechsel­richters. Die hohen Temperaturen an fehlerhaften Kontakt­stellen können im Ernstfall zum Brand der Anlage führen. Dass der Lichtbogen zu einem Strom­sprung im Wechsel­richter beziehungs­weise einem charakteristischen breitbandigen Rauschen führt, machen sich Licht­bogen­detektoren (LBD) in Wechsel­richtern zu Nutze: Sie erkennen den Lichtbogen und schalten die Anlage stromlos, bevor eine kritische Energie erreicht wird. Diese Detektoren sind in den USA bereits seit 2011 Vorschrift in neu installierten PV-Anlagen.

„Nationale und internationale Studien haben gezeigt, dass Lichtbögen in PV-Anlagen mit einer hohen Installations­qualität sehr selten auftreten. Auf freiwilliger Basis bieten jedoch auch Hersteller auf dem europäischen Markt Lichtbogen­detektoren an. Einige Gebäudeversicherer haben aus Brandschutz­gründen darauf gepocht“, erklärt Felix Kulenkampff vom Fraunhofer ISE, der in der Normungs­kommission gemeinsam mit Vertretern aus Industrie, Prüf­gesellschaften und Wissenschaft die neue IEC-Norm entwickelt hat. Sie räumt einige Schwächen der alten US-Norm aus, die den Realbetrieb nicht ausreichend realitätsnah simulierte. Dadurch blieben viele Licht­bögen unerkannt, weil sie die Grenzwerte nicht erreichten, oder aber es wurden Fehlalarme ausgelöst.

„Ein realitätsnaher Prüfaufbau kann das Risiko von nicht erkannten Lichtbögen und Fehl­auslösungen deutlich senken. Im Test sollte der Licht­bogen möglichst realistisch und unter wiederholbaren Bedingungen gezündet werden können“, erklärt Felix Kulenkampff. Für den Test gemäß IEC-Norm 63027 (dessen grundlegende Parameter mit der überarbeiteten US-Norm UL 1699B übereinstimmen) wird anstelle echter PV-Module eine elektronische DC-Quelle als PV-Simulator eingesetzt. Der Strom fließt vom PV-Simulator über eine präzise trennbare Kontaktstelle in den Wechselrichter. Die Kontakt­stelle wird durch zwei Elektroden aus Wolfram in Form eines Kugel­gelenks gebildet, die mit einer definierten Geschwindigkeit auseinandergezogen werden. So wird ein charakteristischer Lichtbogen gezündet. Für den Testablauf können feste Testparameter (Elektroden­abstand und -geschwindigkeit) eingespeichert und angewählt werden. Damit das Messergebnis nicht durch den PV-Simulator beeinflusst wird, ist zwischen Wechsel­richter und simulierter PV-Anlage ein Filter­netzwerk geschaltet.

Maßgeblich für das ordnungsgemäße Funktionieren des Lichtbogendetektors ist die Zeit bis zum Abschalten des Wechsel­richters: Je kürzer ein Lichtbogen brennt, desto geringer ist der Energieeintrag in die fehlerhafte Kontaktstelle, das heißt kurze Abschaltzeiten verhindern eine Brand­entstehung sicher. Bei einer Energie zwischen 200 und 750 Joule und einer Abschaltzeit unter 2,5 Sekunden hat der Detektor die Prüfung bestanden. Eine automatische Wieder­zuschaltung nach Detektor-Auslösung ist innerhalb von 24 Stunden vier Mal erlaubt, beim fünften Mal muss sie manuell erfolgen.

Der im TestLab Power Electronics aufgebaute Prüfstand setzt nicht nur die genannten Testanforderungen normgerecht um, sondern erlaubt darüber hinaus dank des modularen Aufbaus verschiedene Test­szenarien für String-Wechsel­richter mit unterschiedlich verschalteten PV-Modulstrings. Auch der Test von Modul-Wechsel­richtern und Strang-Sammlern ist möglich. Der Prüfstand ist für Wechselrichter-DC-Spannungen bis 1500 V geeignet, er verfügt über drei DC-Eingänge für bis zu 16 Ampere und einen DC-Eingang für bis zu 32 Ampere. „Mit dem neuen Prüfstand erweitern wir das Angebot unseres TestLabs Power Electronics, in dem wir akkreditierte Prüfungen gemäß Netzanschlussrichtlinien, Wirkungs­gradmessungen sowie Impedanz­spektro­skopie-Untersuchungen von Wechselrichtern durchführen können“, so Steffen Eyhorn, Leiter des TestLabs Power Electronics.

Nicht nur für die Photovoltaik, sondern auch für andere Technologien wie Batterietechnik, Luftfahrt oder Elektromobilität ist der Schutz vor Schäden durch Gleich­strom­lichtbögen relevant. In allen Anwendungen ist eine Tendenz zu höheren Spannungen zu sehen. Die Wahrscheinlichkeit von elektrischen Überschlägen und daraus resultierenden parallelen oder seriellen Licht­bögen nimmt damit zu. Im Rahmen abgeschlossener und laufender Forschungsprojekte adaptiert das Fraunhofer ISE die Erfahrungen aus dem PV-Bereich auch auf diese Anwendungen, um für verschiedene Branchen Beratungs­dienst­leistungen anzubieten.

„Für die Problemlösung kann unser Team auf eine Datenbank aus Lichtbogensignalen in verschiedenen realen Anlagen­konfigurationen zurückgreifen. Damit können wir Fehlerquellen auf den Grund gehen“, so Felix Kulenkampff. Während der The smarter E München (14. bis 16. Juni, Messe München, Halle A1, Stand 440), präsentieren die Forscher des Fraunhofer ISE ihre Dienstleistungen zu Licht­bogen­detektion und anderen Photovoltaik-und Leistungs­elektronikthemen.

Fh.-ISE / DE

 

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