Schutz und Sicherheit: Fehlerströme bei PV Anlagen

Wie entsteht ein Fehlerstrom?

Im allgemeinen tritt ein Fehlerstrom aufgrund eines Isolationsfehler auf. Wenn unter Spannung stehende Leitungen einen direkten Kontakt mit anderen Teilen oder Körpern haben, fließt über Erde ein Fehlerstrom ab. Kommt man mit einem dieser spannungsführenden Teilen in Berührung, kann man einen Stromschlag bekommen der zum einen dazu führen kann, dass es auch Schreck zu einem Folgeunfall kommt oder kann ab einer gewissen Stromstärke auch tödlich sein.

Bei einer PV Anlage kann es mehrere Ursachen für Fehlerströme geben. Auf der einen Seite gibt es hier die PV Module und die DC Leitungen, die zum Wechselrichter führen.

Da diese Leitungen oft auf Dächern und im freien verlegt sind, gibt es hier eine erhöhte Gefahr eines Isolationsfehlers. Grund dafür können z.B. Maderbisse auf frei liegenden Leitungen sein.

Eine weitere Fehlerquelle auf der Modulseite können beschädigte oder schlechte Steckverbindungen sein. Kommt es zum Wassereintritt können ebenfalls unerwünschte Fehlerströme entstehen.

Es ist wichtig zu wissen, dass es auch trotz einwandfreier Isolierung und Installation bei PV Anlagen trotzdem immer zu Ableitströmen kommen kann. Alle PV-Module haben konstruktiv bedingt eine elektrische Kapazität gegen ihre Umgebung. Ein PV-Modul bildet eine elektrisch leitende Fläche, die einem geerdeten Gestell gegenüber steht. Solch eine Anordnung, die bei angelegter Spannung Ladung speichert, kann man auch als Kondensator sehen, deshalb spricht man hier auch von kapazitiven Ableitströmen die über das Modulgestell in Erde fließen.

Zudem gibt es die Fehlerströme, die auf der Wechselstromseite entstehen. Auch hier kann es zu Isolationsfehlern und Fehlerströmen kommen. Ein Fehlerstrom tritt auf wenn ein Strom aufgrund eines Isolationsproblems oder Gerätefehlers einen unerwünschten Strompfad nimmt. Gibt es wegen eines Gerätefehlers eine Verbindung zwischen einem aktiven Leiter und einem metallenen Gehäuse, so ist auch das Gehäuse unter Strom und kann bei Berührung wiederum zum Stromschlag führen.

Um diese Fehlerströme früh genug zu erkennen, gibt es Sicherheitsvorkehrungen und Schutzmaßnahmen.

Nun ist die Frage: Wie schützt man sich vor Fehlerströmen?

Zum einen gibt es den Fehlerstromschutzschalter (FI). Dieser misst den Differenzstrom und erkennt wenn es zu Fehlerströmen kommt, die über die Erde abfließen. Erreicht dieser Fehlerstrom den Auslösestrom des FI, kommt es zur Abschaltung.

Beim FI gibt es verschiedene Typen, für die Anwendung bei PV Anlagen sind zwei Typen relevant, der FI Typ A und der FI Typ B.

Unterschied:

Der FI Typ A erkennt im wesentlichen Wechselstrom-Fehlerströme und pulsierende Gleichströme, der FI Typ B hingegen ist allstromsensitiv und erkennt somit auch jegliche Gleichstrom-Fehlerströme.

Wir haben oben schon besprochen, dass die Fehler sowohl auf der Gleichstromseite als auch auf der Wechselstromseite auftreten können, daher muss es auch für beides einen Schutz geben.

Welcher von beiden eingesetzt wird, hängt auch vom verwendeten Wechselrichter-Typ ab. Bei Wechselrichter ohne Trafo kann es aufgrund der nicht vorhandenen galvanischen Trennung auch dazu kommen, dass Gleichstrom-Fehlerströme die AC Installation erreichen. Für diesen Fall muss der allstromsensitive FI Typ B verwendet werden.

Manche Wechselrichter Hersteller haben diesen bereits integriert. Auch wenn dieser bereits vorhanden ist, wird ein zusätzlicher externer FI auf alle Fälle empfohlen bzw. vorgeschrieben. Man stelle sich vor der Wechselrichter ist ausgeschaltet, in dem Fall ist natürlich auch die interne Fehlerstromerkennung nicht aktiv. Um hier dennoch Fehlerströme erkennen zu können, ist ein externer FI notwendig.

Die Erdung

Damit ein Fehlerstromschutzschalter auch korrekt funktionieren kann, müssen alle nicht betriebsmäßig unter Spannung stehenden leitfähigen Teile (z. B. Gehäuseteile) über den Schutzleiter mit dem Erdpotential verbunden sein. Das gilt auch für das metallene Gestell der PV Module. Die Maßnahme dient dazu, dass ein auftretender Fehlerstrom direkt über die Erde abfließen kann und der FI die Differenz erkennt und die Anlage abschaltet.

Die Isolationsüberwachung

Diese wird ebenfalls dazu verwendet um Isolationsfehler und Fehlerströme zu erkennen.

Die im Wechselrichter integrierte Isolationsüberwachung misst den Isolationswert der PV Leitungen gegen Erde. Bei einer Systemspannung bis 1000V muss dieser Isolationswert über 1MOhm pro Modulstrang liegen. Damit stellt man sicher, dass es zu keinen gefährlichen Berührungsstrom kommen kann.

Neue Anlagen sollten ohnehin einen weit höheren Isolationswiderstand besitzen. Dieser kann mit der Zeit durch Alterung der Anlage leicht abnehmen.

Wird von der Isolationsüberwachung ein zu geringer Wert gemessen, muss die Anlage abschalten.

Oft kommt es vor, dass ein Isolationsfehler nur unter feuchten Bedingungen oder bei Regen erkannt wird. Gibt es ein Isolationsproblem an einem Kabel und dringt Wasser ein, kann eine Verbindung gegen Erde entstehen und ein Isolationsfehler wird erkannt. Ähnlich ist das auch wenn Wasser in schlechten Klemmstellen oder Steckverbindungen eintritt.

Bei Wechselrichtern mit Trafo also mit galvanischer Trennung zwischen AC und DC, wird der Isolationswert permanent gemessen. Das ist bei Trafo-losen Wechselrichter nicht möglich. Hier darf der Wechselrichter während der Isolationsmessung nicht mit dem Netz verbunden sein, da es aufgrund der nicht vorhandenen galvanischen Trennung sonst zu einem Kurzschluss kommen kann. Trafo-lose Wechselrichter benötigen daher die allstromsensitive Fehlerstromerkennung während diese bei Wechselrichter mit Trafo aufgrund der permanenten Isolationsüberwachung nicht zwingend notwendig ist.

Zusammenfassend können wir also sagen, dass es nie ausgeschlossen werden kann, dass es zu Fehlerströmen bei einer PV Anlage kommt. Wichtig ist nur, dass man gut davor geschützt ist. Das fängt bei der Verlegung der Leitungen und bei einer korrekten Erdung an und geht bis zur Auswahl geeigneter Fehlerstromschutz-Einrichtungen. Dazu müssen auf in jedem Fall die Gegebenheiten vor Ort berücksichtigt werden.