Blitz- und Überspannungsschutz bei PV-Anlagen

Die Erfahrung der Autoren aus der täglichen Praxis zeigt: Wenn es in der praktischen Umsetzung Unsicherheiten gibt, erfolgt die Umsetzung leider trotz aller Vorschriften bestenfalls halbherzig, meist aber widerwillig und falsch.

Von entscheidender Bedeutung für die Elektrofachkraft ist es, die im Bereich der elektrotechnischen Normen verwendeten Begrifflichkeiten (die sogenannten Hilfsverben) korrekt zu interpretieren bzw. anzuwenden. Siehe hierzu die Tabellen H1-H4 im Anhang H (normativ) der DIN 820-2 [1] zu den Verbformen zur Formulierung von Festlegungen.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Anwendung von Normen in Deutschland grundsätzlich freiwillig ist. Verpflichtend werden Normen dann, wenn ihre Einhaltung in Gesetzen, Verordnungen oder Verträgen gefordert wird. Kritisch wird es in einem Schadensfall bei Nichteinhaltung der technischen Regeln, falls ein Gutachter vor Gericht zu dem Schluss kommt, dass bei deren Einhaltung der Schaden hätte vermieden werden können. In diesem Fall muss der Errichter nachweisen, dass eine gleichwertige Lösung realisiert worden ist. Dabei gilt nach § 49 ENWG (Energiewirtschaftsgesetz) [2]: „Die Einhaltung der allgemein anerkannten Regeln der Technik wird vermutet, wenn bei Anlagen zur Erzeugung, Fortleitung und Abgabe von Elektrizität die technischen Regeln des Verbandes der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e. V. (VDE) eingehalten worden sind.“

So wird von den Autoren in den nachfolgenden Praxisfällen grundsätzlich der technische und normative „Mindeststandart“ herausgearbeitet, aber auch weiterführende Empfehlungen gegeben und diese entsprechend kommentiert.

Hierzu werden in diesem Fachbeitrag folgende Schwerpunkte (Fragestellungen) gebildet:

• Wie wird ein Schutz gegen direkte Blitzeinschläge, falls notwendig, sichergestellt?

Gebäude ohne äußeren Blitzschutz

Die Errichtung einer üblichen PV-Anlage auf einem Gebäude erhöht, wie in DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5) [3] ausgeführt, die Wahrscheinlichkeit eines direkten Blitzeinschlages in die Gebäudestruktur nicht. Es werden in der Praxis auch keine weiteren wesentlichen Risikoelemente durch die Errichtung einer PV-Anlage auf einem Gebäude erzeugt. Durch die Errichtung einer PV-Anlage auf einem Gebäude ergibt sich in der Regel keine Verpflichtung zur Errichtung eines kompletten Blitzschutzsystems, es sei denn, dass diese Verpflichtung schon vorab bestand.

Die Aussage in VDS 2010 [4] zur Errichtung eines kompletten Blitzschutzsystems bei der Überschreitung der Anlagengröße von 10 kWp ist nur bei privatrechtlicher Vereinbarung zwischen Versicherungsnehmer und Versicherungsgeber bindend.

In Zweifelsfällen wird von den Autoren zur Beantwortung der Frage, ob eine äußere Blitzschutzanlage notwendig ist, eine Risikoanalyse nach der aktuellen DIN EN 62305-2 (VDE 0185-305-2) [5] zur Klärung der Notwendigkeit eines kompletten Blitzschutzsystems nach DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) [6] empfohlen.

Die Notwendigkeit von Überspannungsschutzmaßnahmen leitet sich für die AC-Seite der PV-Anlage von den Kriterien nach DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443) [7] und für die DC-Seite zusätzlich von den Vorgaben nach DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5) [3] ab.

Sowohl die vereinfachte Risikoanalyse zur Entscheidungsfindung über den Einsatz von Überspannungsschutz entsprechend Anhang ZB von DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712) [8], als auch die vereinfachte Risikoanalyse entsprechend Anhang ZA von DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443) [7] wird in Deutschland nichtangewendet (entgegen [9]).

Wichtiger Hinweis. Der im Abschnitt 712.542.101 der aktuellen DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712) [8] aufgeführte „Potentialausgleich von Metallkonstruktionen der PV-Anlage“ wir ebenfalls als Funktionspotentialausgleich bzw. Funktionserdung definiert, da er nicht dem Schutz gegen elektrischen Schlag dient.

In Bild 1 wird die zu realisierende Funktionserdung bzw. der Funktionspotentialausgleich aufgeführt.

DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5) [3] empfiehlt auch bei PV-Anlagen auf Gebäuden ohne äußeren Blitzschutz unabhängig einer Leistungsgröße des Wechselrichters die Umsetzung der Funktionserdung bzw. des Funktionspotentialausgleichs. Dabei sind die Vorgaben des Wechselrichter- und Solarmodul-Herstellers zu beachten.

Bei PV-Anlagen auf Gebäuden mit äußerem Blitzschutz ist diese Funktionserdung bzw. der Funktionspotentialausgleich ohnehin normativ verpflichtend.

In Bild 1 ist entsprechend DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5) [3] ein Mindestquerschnitt des Kupferleiters von 6 mm² anstatt von 4 mm² nach DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712) [8] Abschnitt 712.542.3.101 aufgeführt. Diese Anforderungen stehen momentan im Widerspruch zueinander, diese Ungereimtheit soll aber in zukünftigen Normungsprozessen angeglichen werden.

Da in DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712) [8] aber ein eindeutiger Bezug auf das aktuelle Beiblatt 5 [3] der DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) [10] gegeben ist, empfehlen die Autoren dieses Fachbeitrages die Umsetzung entsprechend Bild 1.

Allerdings darf diese Funktionserdung bzw. der Funktionspotentialausgleich nicht in der Farbe Grün-Gelb ausgeführt werden (siehe DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712) [8] Abschnitt 712.542.3.101 (graue Schattierung).

Im nachfolgenden Bild 2 wird die Umsetzung der SPD-Schutzeinrichtungen auf der AC/DC-Seite dargestellt.

Dabei ist zu berücksichtigen, dass entsprechend der nationalen Grauschattierung in DIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712) [8] Abschnitt 712.534 die Auswahl und Errichtung von Überspannungsschutz in PV-Systemen sowohl nach DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5) [3] als auch DIN VDE 0100-534 (VDE 0100-534) [11] zu erfolgen hat.

Auszug aus Abschnitt 5.3 des aktuellen Beiblattes 5 [3]: „Die Notwendigkeit von Überspannungsschutzmaßnahmen auf der Wechselstromseite des PV-Stromversorgungssystems wird entsprechend DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443) ermittelt.

Ergibt sich die Notwendigkeit von Überspannungsschutzmaßnahmen auf der AC-Seite und soll insbesondere ein Schutz des Wechselrichters sichergestellt werden, dann werden auch auf der DC-Seite Überspannungsschutzmaßnahmen benötigt.

Falls im betreffenden PV-Stromversorgungssystem Signal- und Kommunikationskreise vorhanden sind, dann sollen diese Signal- und Kommunikationskreise ebenfalls durch Überspannung-Schutzeinrichtungen (SPDs) geschützt werden.“

Hinweis. Der Schutz der informationstechnischen Einrichtungen des Wechselrichters (im Bild 2 als „Daten-SPD“ bezeichnet) ist im normativen Ansatz als „sollte“ (sollen) Anforderungen aufgeführt, hier hat der Planer bzw. Errichter vorab mit dem Auftraggeber zu klären, ob dieser Schutz realisiert werden soll. Die Ergebnisse dieses Abstimmungsprozesses müssen zur Absicherung beider Vertragsparteien nachweisbar dokumentiert werden.

Dazu stellt der Arbeitskreis (AK) 221.2.2 der DKE fest: „Verpflichtend sind Überspannungsschutzmaßnahmen für die Stromversorgungsleitung. Für eingeführte Internet-, Telefon- und Breitbandkabel-Leitungen kann die DIN VDE 0100-443 (VDE 0100-443) [7] keine Überspannungsschutzmaßnahmen fordern, sondern nur empfehlen.

Jahrzehntelange Erfahrungen zeigen, dass ein sicheres und wirksames Überspannungsschutzkonzept nur erreicht werden kann, wenn Überspannungsableiter für alle eingeführten elektrischen Leitungen und damit auch für Kommunikationsleitungen eingesetzt werden [...]“

Selbstverständlich können in der elektrischen Anlage bereits vorhandene SPD-Schutzeinrichtungen genutzt bzw. in das Schutzkonzept integriert werden.

Dieses Schutzkonzept ist im Grunde auch unabhängig von der Umsetzung eines äußeren Blitzschutzkonzeptes, und kann somit für nahezu alle Anwendungsfälle, wie in Bild 2 aufgeführt, umgesetzt werden. Bei Umsetzung eines äußeren Blitzschutzes muss selbstverständlich der Blitzschutz-Potentialausgleich realisiert werden.

Hierzu die Ableitung des Sachverhaltes aus der internen Diskussion im AK 221.2.2 der DKE: „Wird eine PV-Anlage nachträglich an eine bestehende elektrische Anlage angeschlossen, erfolgt dies über einen neuen Stromkreis, welcher nach den aktuell gültigen Normen zu errichten ist. Damit ergibt sich die Notwendigkeit des Überspannungsschutzes auf der AC-Seite nach DIN VDE 0100-443:2016-10. Durch den Verweis in VDE 0100-712, Abschnitte 712.443 und 712.534 auf DIN VDE 0185-305-3 Beiblatt 5 wird dann – insbesondere zum Schutz des Wechselrichters – zusätzlich der Einbau von Überspannungsschutz auf der DC-Seite erforderlich [...] Zusätzlich wird bereits in DIN VDE 0100-443:2016-10 Überspannungsschutz für die Informations- und Kommunikationstechnik empfohlen.“

Hinweis der Autoren. Eine Nachrüstpflicht für bereits bestehende und nicht geänderte PV-Anlagen ist hierdurch allerdings nicht gegeben.

Fazit

Nach normativer Sachlage ist es bei der Errichtung einer PV-Anlage notwendig, unabhängig nicht zutreffender alternativer Betrachtungen (siehe vereinfachte Risikoanalyse), Maßnahmen zum Überspannungsschutz entsprechend den in Bild 2 dargestellten und vorab beschriebenen Schutzzielen umzusetzen. Dies gilt gleichermaßen bei der Anordnung des Wechselrichters außerhalb oder innerhalb der baulichen Anlage bzw. des Gebäudes.

Gebäude mit äußerem Blitzschutz

In diesem Ansatz müssen zwei Anwendungsfälle unterschieden werden:

• Der notwendige Trennungsabstand zwischen Bauteilen bzw. Einrichtungen des äußeren Blitzschutzes wird eingehalten. Dieser Sachverhalt wird im Bild 3 dargestellt, bezüglich der Umsetzung der Überspannungsschutzmaßnahmen wird auf die Umsetzung in Bild 2 verwiesen, mit der zusätzlichen Umsetzung des Blitzschutzpotentialausgleichs.

  
  Bild 3: Geb

Tabelle 1 gibt zur Erläuterung der beiden Anwendungsfälle und zur Realisierung der SPD-Anordnung eine Zusammenfassung. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass SPDs für die AC-Seite DIN EN 61643-11 (VDE 0675-6-11) [12] entsprechen müssen und SPDs für die DC-Seite der DIN EN 50539-11 (VDE 0675-39-11) [13].

Anmerkung. Zur Umsetzung der SPD Nr.1 aus Bild 5 bzw. Tabelle 1: In Abschnitt 5.4 von DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5) [3] heißt es: „Wenn ein Blitzschutz-Potentialausgleich mit dem inneren System eingerichtet wird, kann ein Teil des Blitzstromes in solche Systeme hineinfließen, und dieser Effekt ist zu berücksichtigen.“

Verbindungsmaßnahmen können sein:

• Potentialausgleichsleitungen, wenn ein elektrischer Durchgang nicht durch die natürlichen Verbindungen erreicht wird;

Beträgt der Abstand zwischen SPD und dem zu schützenden Wechselrichter mehr als 10 m, dann werden zusätzliche Überspannungsschutzgeräte in der Nähe des zu schützenden Wechselrichters eingebaut.“

Fazit

In diesem Fall, wenn also der Trennungsabstand nicht eingehalten ist und der Abstand von 10 m des SPD Nr. 4 aus Bild 5 bzw. Tabelle 1 zum Wechselrichter überschritten wird, ist die Anordnung des SPD Nr. 1 aus Bild 5 bzw. Tabelle 1 notwendig.

PV-Anlagen mit Speicher

In den aktuellen Normen ist die Auswahl von Überspannungs-Schutzeinrichtungen bei PV-Anlagen mit Batteriespeichern noch nicht explizit erwähnt. Wesentlicher Unterschied zu PV-Generatoren ohne Speicher ist dabei der am Einbauort des SPDs möglicherweise auftretende erhöhte Kurzschlussstrom – Bild 6. Bei PV-Generatoren ist der Kurzschlussstrom üblicherweise nicht wesentlich höher als der Nennstrom des Generators. Deswegen wird im Produktstandard DIN EN 50539-11 (VDE 0675-39-11) [13] von PV-SPDs keine explizite Kurzschlussstromfestigkeit gefordert. Jedoch können bei PV-Anlagen mit Speichern, abhängig von der Anlagentopologie, der Kapazität und Art des Batteriespeichers, möglichen Überstrom-Schutzeinrichtungen am Einbauort des SPDs Kurzschlussströme von mehreren zig Kiloampere auftreten. Hier sind also die Vorgaben der DIN VDE 0100-534 (VDE 0100-534) [11] zu beachten, dass die vom Hersteller der Überspannungs-Schutzeinrichtungen (SPDs) ausgewiesene Kurzschlussfestigkeit I_SCCR (SCCR, Short Circuit Current Rating) der Überspannungs-Schutzeinrichtung (SPD) mindestens dem an den Anschlusspunkten der SPD-Kombination zu erwartendem maximalem Kurzschlussstrom entsprechen muss.

Gesamt-Fazit

Die Autoren haben mit diesem Fachbeitrag versucht, nach eingehender Diskussion im normativen Umfeld eine handlungsorientierte Zusammenfassung zum sehr umfassenden Themenfeld des Blitz-Überspannungsschutzes von PV-Anlagen zu erstellen. Im Ergebnis wurde im Rahmen dieses Fachbeitrages der aktuelle Stand der normativen Anforderungen an mehreren typischen Praxisfällen bzw. Praxisfragen aufgezeigt. Die wesentlichen Aussagen finden sich auch in der ZVEH-Informationsschrift „Schutz bei Überspannungen in Niederspannungsanlagen“ [14] wieder.

Literatur