1. DC-Box
Die DC-Box ist einer der wichtigsten Sicherheitspunkte in einem Solarsystem. Hier trifft die Energie von den Solarmodulen zusammen, und bevor sie den Eingang des Wechselrichters erreicht, erhält sie an diesem Punkt den notwendigen Schutz und die Trennmöglichkeit. Bei mehreren Strings, hoher Spannung oder längerer Verkabelung im Außenbereich ist die DC-Box praktisch die primäre Schutzlinie des Systems.
Aus elektrischer Sicht geschieht hier:
- das Sammeln der Strings,
- falls erforderlich, deren Parallelschaltung,
- der Überstrom- und Überspannungsschutz,
- sowie die Möglichkeit der Trennung zum Wechselrichter hin.
Die DC-Box verändert die Spannung nicht. Die volle Stringspannung ist in ihr vorhanden. Die darin enthaltenen Elemente dienen ausschließlich Schutz- und Trennfunktionen.
DC-Sicherungen
Die Rolle der DC-Sicherung besteht hauptsächlich darin, Rückströme zu begrenzen. Dieses Problem wird relevant, wenn mehrere Strings parallel geschaltet sind. Wenn ein String teilweise kurzgeschlossen ist, können die anderen Stränge einen großen Strom in den fehlerhaften Stromkreis zurückspeisen. In diesem Fall geht die Gefahr nicht vom Wechselrichter aus, sondern von den anderen Solarmodulreihen.
Allgemeiner Fachgrundsatz:
- Ein einzelner, unabhängiger String benötigt in der Regel keine Sicherung.
- Bei zwei oder mehr parallelen Strings kann der Schutz bereits gerechtfertigt sein.
Die Auswahl der Sicherung ist keine Routineangelegenheit. Der maximale Rückstrom auf dem Panel-Datenblatt und die Anzahl der parallelen Stränge sind der Ausgangspunkt. Es dürfen nur ausdrücklich für DC-Lichtbogenlöschung geeignete PV-Sicherungen verwendet werden, herkömmliche AC-Typen sind nicht zulässig.
DC-Überspannungsschutz
Der DC-seitige Überspannungsschutz ist nicht für normale Betriebsspannungsschwankungen erforderlich. Ziel ist es, kurzzeitige, energiereiche Spannungsspitzen zu bewältigen, die durch Blitzeinschläge oder Schalttransienten verursacht werden. Im Normalbetrieb ist der SPD praktisch "unsichtbar". Wenn jedoch eine Überspannung auftritt, wird er zwischen dem positiven und negativen Leiter sowie der Erde leitend und leitet die Spannungsspitze zur Erdung ab.
Die Wirksamkeit des Schutzes hängt nicht nur von der Qualität des Geräts ab, sondern auch von der Gestaltung des Erdungssystems. Bei langen Erdungsleitern mit hoher Impedanz ist die Ableitung nicht ausreichend, und ein Teil der Energie kann weiter in Richtung Wechselrichter geleitet werden.
DC-Trennschalter
Der Zweck des DC-Trennschalters ist die galvanische Trennung des Wechselrichters vom Solarmodulfeld. Bei Wartungsarbeiten oder im Fehlerfall ist dies unerlässlich. Es ist wichtig, ein häufiges Missverständnis auszuräumen: Der Trennschalter schaltet die Spannung an den Strings nicht ab. Die Solarmodule erzeugen so lange Strom, wie sie Licht empfangen. Der Schalter unterbricht den Stromweg zum Wechselrichter.
Der DC-Trennschalter muss in der Lage sein, die volle Betriebsspannung und den Strom ohne Lichtbogenbildung zu unterbrechen. Daher ist ein AC-Schalter auf dieser Seite nicht anwendbar. DC-Trennschalter sind mit speziellen Kontakt- und Lichtbogenlöschkonstruktionen ausgestattet.
Vormontierte oder individuelle DC-Box?
Bei einer vormontierten DC-Box hat der Hersteller die Sicherungen, den SPD und den Trennschalter bereits aufeinander abgestimmt. Dies bedeutet eine schnelle Installation und vorhersehbare Konformität.
Bei einem individuellen Design ist die Freiheit größer, aber auch die Verantwortung. In diesem Fall muss besonders darauf geachtet werden, dass:
- die elektrischen Parameter der Komponenten zum System passen,
- die Nennspannungs- und Stromwerte angemessen sind,
- die Wärmeableitung und der IP-Schutz der Box der Umgebung entsprechen.
Bei komplexen Systemen kann eine individuelle Lösung sinnvoll sein, ersetzt jedoch keine fachgerechte Planung.
Platzierungsaspekte
Der Standort der DC-Box ist keine ästhetische Entscheidung. Es muss eine Position gewählt werden, wo:
- sie bei Wartungsarbeiten zugänglich ist,
- sie keiner dauerhaften direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist,
- sie vor Regen und mechanischen Beschädigungen geschützt ist,
- die Länge der DC-Kabel vernünftig kurz bleibt.
Bei Außeninstallationen ist ein angemessener IP-Schutz erforderlich, in Innenräumen ist darauf zu achten, dass die Box nicht in unmittelbarer Nähe von brennbaren Materialien platziert wird.
2. AC-Box
Die AC-Box ist der Sicherheitspunkt auf der Wechselstromseite des Solarsystems. Hier verbinden sich der Wechselrichter und das elektrische Netz des Gebäudes, und an diesem Punkt muss sichergestellt werden, dass das System sowohl den Normen, dem Berührungsschutz als auch den Netzanforderungen entspricht.
Während die DC-Seite eher die Besonderheiten des PV-Feldes behandelt, ist die AC-Seite bereits ein klassisches elektrisches Fachgebiet. Hier können Fehler nicht nur zu einem Wechselrichterausfall, sondern auch zu einer vollständigen Gebäudeabschaltung oder Berührungsschutzproblemen führen.
Die Rolle der AC-Verteilung
Elektrisch gesehen ist die AC-Box ein Schutz- und Trennpunkt. Sie ist nicht nur eine Verteilung, sondern eine Einheit, die den Wechselrichter vom Netz trennbar macht, den Wechselrichter und die Anschlussleitung bei Überlast und Kurzschluss schützt und die Anforderungen an Überspannungs- und Berührungsschutz sicherstellt.
Die AC-Box kann eine separate Einheit sein, kann aber bei kleineren Systemen in den Hauptverteiler integriert werden. Das Wesentliche ist nicht das physische Design, sondern dass der Wechselrichterkreis als eigenständiger, gut identifizierbarer und ausreichend geschützter Stromkreis erscheint.
Miniatur-Leistungsschalter
Der Wechselrichter ist kein typischer Verbraucher. Er kann über lange Zeiträume nahe seinem Nennstrom produzieren. Daher kann der zugehörige Miniatur-Leistungsschalter nicht nach "Haushaltslogik" ausgewählt werden.
Bei der Dimensionierung müssen folgende Punkte berücksichtigt werden:
- der maximale AC-Ausgangsstrom des Wechselrichters,
- die Charakteristik (typischerweise C),
- bei dreiphasigen Systemen die dreipolige Abschaltung.
Wichtig ist, dass der Schutzschalter die zum Wechselrichter gehörende Leitung und den Wechselrichter schützt. Ist er zu klein, führt dies zu unnötigen Auslösungen. Ist er zu groß, schaltet er im Fehlerfall nicht rechtzeitig ab.
AC-Überspannungsschutz
Der AC-seitige Überspannungsschutz dient dem Schutz des Wechselrichters und des Gebäudenetzes vor Transienten aus dem Netz. Diese können von nahen Blitzeinschlägen, Schaltvorgängen oder sogar Netzstörungen herrühren.
Der AC-SPD ist typischerweise zwischen den Phasenleitern und der Erde platziert. Im Normalbetrieb ist er nicht aktiv, im Falle einer Überspannung fängt er jedoch die Spannungsspitze ab und leitet sie zur Erde ab. Auch hier gilt, dass die Wirksamkeit des Schutzes maßgeblich von der Qualität des Erdungssystems abhängt. Bei langen oder hochohmigen Erdungsleitern kann ein Teil der Überspannung im System weitergeleitet werden.
FI-Schutzschalter
Die Auswahl eines Fehlerstromschutzschalters für Solaranlagen ist keine Routinefrage. Aufgrund der internen Struktur des Wechselrichters können Gleichstromkomponenten von Fehlerströmen im Netz auftreten. Die Entscheidung sollte nicht auf einer allgemeinen Regel basieren, sondern auf den Herstellerangaben des Wechselrichters. Viele moderne Wechselrichter verfügen über eine eingebaute DC-Fehlerstromüberwachung, die beeinflusst, welche Art von RCD verwendet werden kann.
Selektivität
Das Wesentliche der Selektivität ist, dass im Fehlerfall nur der betroffene Stromkreis abgeschaltet wird. Wenn die Schutzvorrichtungen der AC-Box nicht ordnungsgemäß mit den Schutzvorrichtungen des Hauptverteilers abgestimmt sind, kann ein kleinerer Fehler die gesamte Stromversorgung des Gebäudes unterbrechen.
Dies kann folgende Folgen haben:
- vollständiger Gebäudeausfall,
- unnötiger Ausfall des Wechselrichters,
- schwer zu lokalisierender Fehlerort.
Die Nennströme und Charakteristiken der Leistungsschalter müssen daher systemweit ausgewählt werden. Es muss in einer gesamten Schutzkette gedacht werden, nicht in einzelnen Komponenten.
3. String-Sicherungen
Die String-Sicherung ist eines der am häufigsten missverstandenen Schutzelemente in Solaranlagen. Viele betrachten sie als allgemeinen Überstromschutz, dabei ist ihre Rolle viel spezifischer.
- Sie schützt nicht den Wechselrichter.
- Sie reagiert nicht auf den normalen Betriebsstrom.
Die Aufgabe der String-Sicherung ist der Schutz vor Rückströmen aus parallelgeschalteten Strings.
Wann ist eine String-Sicherung erforderlich?
Wenn ein einzelner String an den Wechselrichter angeschlossen ist, ist in der Regel keine separate String-Sicherung erforderlich. In diesem Fall gibt es keine andere Stromquelle, die Rückstrom in den Kreis einspeisen könnte. Der maximale Strom des Strings wird durch die Modulkennlinie selbst bestimmt.
Die Situation ändert sich, wenn zwei oder mehr Strings parallel geschaltet werden.
In diesem Fall wird jeder String potenziell zu einer Stromquelle für den anderen. Wenn in einem Strang ein Fehler auftritt (z. B. ein teilweiser Kurzschluss oder eine schwerwiegendere Beschädigung), können die anderen Strings einen erheblichen Strom in den fehlerhaften Strang "einspeisen".
Dieser Rückstrom kann:
- die internen Leiter des Moduls überlasten
- die Bypass-Dioden beschädigen
- im Extremfall lokale Überhitzung oder Brandgefahr verursachen
Bei parallelen Strings ist die String-Sicherung daher keine zusätzliche Sicherheit, sondern eine grundlegende Schutzanforderung.
Was passiert im Fehlerfall?
Im Normalbetrieb arbeiten parallelgeschaltete Strings mit nahezu gleicher Spannung. Die Ströme sind ausgeglichen, es gibt kein Problem. Im Fehlerfall gerät das Gleichgewicht jedoch ins Wanken.
Typisches Szenario:
- die Spannung eines Strings fällt aufgrund eines Fehlers ab
- die anderen Strings bleiben bei höherer Spannung
- Strom fließt in Richtung des fehlerhaften Strings
Hier kommt die String-Sicherung ins Spiel. Die Sicherung unterbricht den Rückstrom, bevor er ein schädliches Niveau erreicht. Der fehlerhafte String wird abgeschaltet, die anderen können weiterarbeiten. Dies ist ein wichtiger Unterschied zum Haupt-DC-Schutz, da die String-Sicherung lokal eingreift und nicht das gesamte System abschaltet.
Die Logik der Dimensionierung – hier passieren Fehler
Die Dimensionierung von String-Sicherungen wird oft falsch angegangen. Sie muss nicht an den Wechselrichter angepasst werden und nicht einfach an den Betriebsstrom des Strings. Der Ausgangspunkt ist immer das Moduldatenblatt.
Besonders wichtig sind:
- der Kurzschlussstrom (Isc)
- der maximal zulässige Rückstrom
Der Nennstrom der Sicherung:
- muss größer sein als der maximale Betriebsstrom des Strings
- muss aber kleiner sein als der Rückstrom, der das Modul beschädigen würde
Deshalb kommt es vor, dass der Wert der Sicherung nur geringfügig den Isc-Wert übersteigt. Dies ist kein überempfindlicher Schutz, sondern eine präzise Anpassung.
Die andere Grundvoraussetzung: Die Sicherung muss eine für PV-Anwendungen zugelassene DC-Sicherung sein und die volle Stringspannung aushalten.
Warum ist eine AC-Sicherung in einem DC-Kreis nicht gut?
Bei Wechselstrom gibt es in jeder Periode einen Nulldurchgang. Dies hilft beim Löschen des Lichtbogens beim Abschalten. Bei Gleichstrom gibt es dies nicht. Der DC-Lichtbogen kann dauerhaft bestehen bleiben, wenn die Sicherung ihn nicht aktiv unterbrechen kann.
DC-Sicherungen für PV-Systeme verfügen daher über:
- spezielle Lichtbogenlöschkonstruktionen
- sind für eine bestimmte maximale DC-Spannung zertifiziert
- sind speziell für Photovoltaik-Anwendungen zugelassen
Eine herkömmliche AC-Sicherung in einem DC-Kreis ist nicht nur unzulässig, sondern kann auch ausgesprochen gefährlich sein. Dokumentierte Brände wurden bereits durch eine solche fehlerhafte Anwendung verursacht.
4. Brandschutztrennschalter
Der Brandschutztrennschalter ist kein Bestandteil des täglichen Betriebs. Er optimiert nicht, reguliert nicht und verbessert nicht den Wirkungsgrad. Seine Rolle wird ausschließlich im Notfall wirklich wichtig.
Im Brandfall darf das Solarsystem für die Einsatzkräfte kein zusätzliches elektrisches Risiko darstellen. So einfach und so ernst ist sein Zweck.
Warum wurde überhaupt ein Brandschutztrennschalter benötigt?
Als Solarsysteme massenhaft auf Wohngebäuden auftauchten, wurde schnell eine grundlegende Besonderheit deutlich: Die DC-Seite steht tagsüber ständig unter Spannung.
- Es hilft nichts, den Wechselrichter abzuschalten.
- Es hilft nichts, wenn das Netz ausfällt.
- Wenn die Module Licht empfangen, produzieren sie Strom.
Dies stellte aus Brandschutzsicht ein Problem dar. Bei einem brennenden Gebäude sind die auf dem Dach verlaufenden DC-Kabel potenziell Hochspannungsleitungen. Die Feuerwehr kann nicht davon ausgehen, dass diese spannungsfrei sind. Dies führte zu Vorschriften, die die Minimierung oder Notfallabschaltung von DC-Spannungsabschnitten innerhalb des Gebäudes vorschreiben. In Deutschland ist dies nicht in einer einzigen Rechtsvorschrift zu finden, sondern mehrere Quellen definieren gemeinsam die Anforderungen:
- die Vorschriften der örtlichen Bauordnung
- die zugehörigen technischen Richtlinien
- sowie die praktischen Anforderungen der Feuerwehr und der Netzbetreiber
Die Sichtweise der Feuerwehr
Für die Feuerwehr ist das Solarsystem keine energietechnische Frage, sondern ein Risikofaktor. Besonders problematisch ist es, wenn hochspannungsführende DC-Leitungen im Gebäudeinneren verlaufen, die Art der Trennung unklar ist oder das Vorhandensein des Systems nicht ausreichend gekennzeichnet ist.
Ziel ist nicht, dass die Module vollständig „ausgeschaltet“ werden können, da dies physikalisch nicht möglich ist, sondern dass die gefährlichen Spannungsabschnitte nicht in den Innenbereichen des Gebäudes auftreten.
Was kann getrennt werden – und was nicht?
Es ist wichtig, eine grundlegende physikalische Tatsache zu benennen, dass das Solarmodul bei Tageslicht immer Spannung erzeugt. Ziel der brandschutztechnischen Trennung ist es daher nicht, das gesamte DC-System abzuschalten, sondern die Spannung zu lokalisieren.
Das Prinzip ist folgendes:
- die Spannung soll auf dem Dach, in der Nähe der Module bleiben
- der DC-Abschnitt innerhalb des Gebäudes soll getrennt werden
Daher befindet sich der Trennschalter typischerweise auf dem Dach oder direkt in der Nähe der Dacheinführung. So können im Brandfall die internen DC-Leitungen spannungsfrei geschaltet werden, während die Module auf dem Dach weiterhin Strom produzieren.
Dies ist ein Kompromiss, aber aus sicherheitstechnischer Sicht ein vernünftiger Kompromiss.
Manuelle und automatische Lösungen
Die brandschutztechnische Trennung kann auf verschiedene Arten realisiert werden.
Bei einer manuellen Lösung kann die DC-Seite über einen gut sichtbaren, gekennzeichneten Schalter getrennt werden. Der Vorteil ist die Einfachheit und Übersichtlichkeit. Der Nachteil ist, dass ein menschlicher Eingriff erforderlich ist, der im Brandfall nicht immer gewährleistet werden kann.
Bei automatischen Systemen erfolgt die Trennung auf ein externes Signal hin. Dieses Signal kann kommen von:
- Netzspannungsausfall
- Brandmeldeanlage
- separatem Not-Aus-Schaltkreis
Bei einer automatischen Lösung erfolgt die Trennung ohne menschliches Eingreifen sofort. Dies ist aus Brandschutzsicht ein großer Vorteil, erfordert aber ein komplexeres System und eine präzisere Integration.
Wo sollte der Trennschalter platziert werden?
Die Platzierung des Trennschalters ist keine ästhetische Frage, sondern eine sicherheitstechnische Entscheidung. Ziel ist es, den Weg der DC-Spannung innerhalb des Gebäudes so kurz wie möglich zu halten.
Daher wird der Trennschalter in der Praxis typischerweise auf dem Dach, im Dachraum oder direkt nach der Dacheinführung platziert.
Befindet sich der Trennschalter neben dem Wechselrichter, tief im Gebäude, so bleiben im Brandfall die gesamte interne DC-Verkabelung weiterhin unter Spannung. Dies entspricht nicht mehr dem Brandschutzprinzip. Die korrekte Platzierung muss daher immer im Verhältnis zur Gebäudestruktur und der DC-Leitungsführung verstanden werden, nicht zum Wechselrichter.
