Unter Störlichtbogen versteht man unerwünschte Gasentladungen (Plasmen) zwischen zwei elektrischen Leitern. Sie können auch in Solaranlagen auftreten. Eine frühzeitige Erkennung könnte helfen, Schäden oder im schlimmsten Fall sogar Brände zu vermeiden. E-T-A stellt einen Sensor vor, der genau das kann.

Die Kraft der Sonne schätzen immer mehr: Der Photovoltaik (PV)-Markt ist in Deutschland klar im Aufschwung. Auf Basis des Erneuerbare-Energien-Gesetzes (EEG) wurden bis zum Jahresende 2010 insgesamt rund 840.000 PV-Anlagen, vier Fünftel davon auf Dächern, installiert. Die Anlagen haben insgesamt eine Kapazität von 17.000 MWp und entsprechen damit rund 2 % der deutschen Stromproduktion. Dies unterstützt gleichzeitig ganz massiv die Anstrengungen, den CO2-Ausstoß zu reduzieren. So konnten auf diesem Wege allein im Jahr 2010 über 6,4 Mio. t des Klimagases CO2 eingespart werden. Je mehr Anlagen aktiv sind, desto stärker drängt sich allerdings auch die Frage nach der Sicherheit in den Vordergrund. Wie sicher sind die PV-Anlagen mit zunehmendem Alter? Welche Gefahren resultieren hieraus?

Aufgabenstellung
Je nach Verschaltung der einzelnen Solarmodule werden in PV-Anlagen Spannungen und Ströme gebündelt. Dabei wird die Spannung durch die Reihenschaltung einzelner Module zu einem Strang erhöht. So treten in der Praxis auf der Gleichspannungsseite je nach Anlagengröße mehrere hundert Volt eingangseitig am Wechselrichter auf. Im Falle eines Leerlaufs (abgeschalteter oder getrennter Wechselrichter), können im Allgemeinen 600-1.000 V DC erreicht werden, wobei die Niederspannungsrichtlinie die oberste Grenze bei 1.500 V DC legt. Der Strangstrom beträgt im Einspeisebetrieb typischerweise 5 bis ca. 10 A bei voller Einstrahlung. Weiterhin können mehrere Stränge parallel geschaltet werden - diese Ströme addieren sich entsprechend auf. Bei diesen Spannungen und Strömen sind Beschädigungen der Verkabelung oder Fehler bei der Installation aufgrund der Gefahr möglicher Lichtbögen sehr kritisch. So können in erster Linie serielle Lichtbögen in Modulen, lockeren Steckverbindern oder auch in beschädigten Kabeln, sowie Lichtbögen parallel zum Wechselrichter oder zu Modulen (Abb. 1 und 2) durch Alterung, Tierbiss, Hagel, etc. entstehen. Stabile Lichtbögen in DC-Systemen wie dem Generatorkreis einer PV-Anlage können aufgrund der starken Hitzeentwicklung zu einem Brand weiterer Anlagenkomponenten und der Umgebung (z. B. Hausdach) führen.

Lichtbögen erkennen
Eine neue Komponente, die die Sicherheit von PV-Anlagen gerade im Hinsicht auf die Brandschutzthematik steigern soll, ist der sogenannte Störlichtbogensensor (Arc Fault Detection Sensor = AFD Sensor). Die ersten Normen bezüglich AFD für Hausinstallationen existieren bereits seit mehr als 10 Jahren. Im Bereich PV wird der Sensor heute durch die National Fire Protection Association für den nordamerikanischen Markt gefordert. Die NEC2011 verlangt im Artikel 690.11 die Erkennung und Unterbrechung von Lichtbögen verursacht durch Systemfehler. Zudem wird bereits an der UL1699B gearbeitet, die das Thema AFD im Bezug auf Artikel 690.11 noch stärker beleuchtet. Die hier geforderten AFD-Sensoren könnten zukünftig je nach Konzept an den unterschiedlichsten Stellen im PV-Gesamtsystem, vom Wechselrichter bis hin zu den einzelnen Anschlusssystemen der PV-Module, installiert werden und somit für zusätzliche Sicherheit in PV-Anlagen sorgen.

AFD-Sensoren
Der folgend vorgestellte, speziell für DC-Anwendungen entwickelte und optimierte AFD-Sensor ermöglicht das Erkennen und Melden serieller und paralleler Lichtbögen bei Spannungen von bis zu 600 V DC und maximal 35 A auf kleinen Raum und ohne aufwendige Strom- und Spannungsmessungen an vielen verschiedenen Stellen der PV-Anlage. Der Sensor kann zur Überwachung einzelner Stränge oder der Sammelleitung eingesetzt werden und wird zentral im Generatoranschlusskasten bzw. im/am Wechselrichter montiert. Auftretende Lichtbögen sind im Allgemeinen je nach Anlagentopologie und Einstrahlung nicht durch eine niederfrequente Analyse der Verläufe des Stromes bzw. der Spannung zwischen Hin- und Rückleiter an einer zentralen Stelle am Generatoranschlusskasten oder am Wechselrichter erkennbar. Markant sind jedoch die von den Lichtbögen erzeugten hochfrequenten Rauschanteile, die zur weiteren digitalen Verarbeitung mit einem induktiven und galvanisch getrennten Analogsensor verstärkt werden.

Ein adaptives Konzept
Das Know-how des E-T-A-Systems liegt hierbei hauptsächlich in der Technologie der induktiven analogen Datenerfassung sowie in der analogen Signalaufbereitung und im digitalen Mustererkennungs-Algorithmus. Dabei ist besonders das Unterscheiden gefährlicher Störlichtbögen in der PV-Anlage von im Standardbetrieb auftretenden Effekten, die durch Schaltvorgänge und Systemsignale des Wechselrichters oder auch durch externe Störeinflüsse hervorgerufen werden, die größte Herausforderung. Weiterhin muss eine sichere Erkennung bei unterschiedlichen Topologien des PV-Generators und des Wechselrichters (trafolos, NF- oder HF-Trafo) sowie bei allen möglichen Einstrahlungsbedingungen gewährleistet sein, was ein adaptives Konzept der digitalen Signalverarbeitung erforderlich macht.

Fazit
Aktuell gibt es am Markt noch keine in Serie befindlichen AFD-Sensoren für PV-Anlagen. Getrieben durch den amerikanischen Markt (spezielle Brandschutzanforderungen, z. B. wegen Holzbauweise) wird es aber sicherlich nicht mehr lange dauern, bis eine solche Technologie ähnlich dem vorgestellten Konzept frei verfügbar ist und in Serienanwendungen zum Einsatz kommt. Gewiss wird auch der europäische Markt in den nächsten Jahren aufgrund der hohen Installationszahlen und den zunehmenden Alter der Anlagen mit AFD-Anwendungen nachziehen. (gro)