Schutz vor Überspannungen und –strömen
Varistoren für die Photovoltaik
Für den Schutz von Photovoltaik-Anlagen und der darin verbauten Elektronik vor Überspannungen und –strömen bietet TDK zuverlässige und kostengünstige Lösungen in Form von thermisch geschützten Varistoren und gasgefüllten Überspannungsableitern von Epcos.
Photovoltaik-Anlagen werden an exponierten Positionen wie Dächern und zunehmend auch auf Freiflächen errichtet. In der Folge ergeben sich hohe Risiken durch Überspannungen, die sich durch lange Leitungen zwischen Solarmodulen und Wechselrichtern auf DC-Ebene sowie Zuleitungen zum Netz auf AC-Ebene noch weiter erhöhen. Abbildung 1 zeigt den Aufbau eines Solarinverters. Dieser wandelt die Gleichspannung der Solarmodule in Wechselspannung um, die sich dann in das Netz einspeisen lässt.
Umfassender Schutz am Invertereingang
Üblicherweise werden für den Gleichspannungseingang des Solarinverters Metalloxid-Varistoren mit einer Nennspannung von 1000 V DC verwendet. Je nach zu bedienender Netzspannung kommen für den Ausgang des Inverters Varistoren mit einer Spannung von beispielsweise 300 VRMS in Frage. In beiden Fällen können zusätzlich noch gasgefüllte Überspannungsableiter für weiterführenden Schutz sorgen. Abbildung 2 zeigt häufige Schaltungsvarianten für den Gleichspannungseingang von Solarinvertern. In der einfachsten Ausführung (Abbildung 2a) wird nur ein Varistor zum Beispiel mit einer Nennspannung von 1000 VRMS und einem Scheibendurchmesser von 20 mm verwendet. Die Nenngleichspannung beträgt in diesem Fall 1414 V DC und die Klemmspannung 2970 V bei 100 A.
Dagegen arbeitet die Schaltung in Abbildung 2b mit zwei in Serie geschalteten Varistoren. Sie sollten, um denselben Schutz zu bieten, für 550 VRMS (745 V DC) ausgelegt sein. Diese Variante bietet den Vorteil, dass die Klemmspannung bei einem Ableitstrom von 100 A nur noch 2710 V beträgt und damit die Überspannung weiter begrenzt. Außerdem wird die zu absorbierende Energie auf beide Bauelemente verteilt, wodurch der Stressfaktor sinkt. Bei der Variante nach Abbildung 2c wird zusätzlich ein gasgefüllter Überspannungsableiter zwischen den Varistoren gegen Erde geschaltet. Gerade beim Versagen oder stressbedingter Alterung eines oder beider Varistoren schafft diese Variante Abhilfe und bietet noch ausreichenden Schutz. Der Ableiter muss so ausgewählt werden, dass er selbst beim Ausfall beider Varistoren nicht in einen dauerhaft leitenden Zustand übergeht.
Im Prinzip gibt es auf der Netzseite die gleichen Beschaltungsmöglichkeiten. Für die in Europa üblichen Netzspannungen von bis zu 240 VRMS sollte der Entwickler hierbei Varistoren mit Ansprechspannungen von 300 VRMS oder 320 VRMS wählen. Im Wesentlichen sind diese Beschaltungen weitgehend identisch mit den Eingangsbeschaltungen von Standard-Stromversorgungen für den Netzbetrieb.
Da Solarinverter zu einem verhältnismäßig jungen Technologiegebiet gehören, existieren noch keine Langzeitstudien über ihr Alterungsverhalten und wie sich dies auf die darin verwendeten Schutzbauelemente auswirkt. Von Stromversorgungen und anderen Geräten ist jedoch bekannt, dass es bei Halbleiter-basierten Bauelementen wie keramischen Varistoren zu einer Degradation kommen kann. Ursache dafür sind sich ständig wiederholende Pulsbelastungen mit geringer Amplitude. Die Degradation äußert sich in einem Ansteigen des Leckstroms. Ist die dadurch ansteigende Verlustleistung in dem Bauelement nicht durch Konvektion abführbar, kommt es in Extremfällen zu einer ständig steigenden Erhitzung, die zu einem Kurzschluss und der Zerstörung des Varistors führen kann.
- Varistoren für die Photovoltaik
- Erhöhte Anforderungen von Normen und Versicherungen
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