So vermeiden Sie den falschen Einsatz von AC-Sicherungen in DC-Schaltkreisen

Die Verwendung einer falschen Sicherung in einem Stromkreis kann potenziell verheerende Folgen für Mensch und Anlage haben. In einer Solaranlage mit mehreren Strängen von Photovoltaikmodulen (PV) werden die Stränge durch Gleichstrom -Sicherungseinsätze geschützt, die in einem Combiner oder in einem Array-Anschlusskasten installiert sind. Dieser Artikel gibt einen kleinen Einblick in die Gründe für die Auswahl von Sicherungen für ein PV-Gleichstromsystem.

Wie wählt man die richtige Sicherung für Wechsel- und Gleichstrom?

Wechselstrom (AC) kann eine Sicherung leicht zum Durchbruch bringen, da die Wechselstromquelle in 50-Hz-Schaltkreisen den Elektronenfluss 100 Mal pro Sekunde umkehrt. Bei der Umkehrung des Stromflusses sinkt seine Stärke auf Null. Ein Nullstromfluss kann von einer Sicherung sehr leicht unterbrochen werden; an diesem Punkt stoppt der Stromfluss und es ist keine Energie mehr vorhanden, um den Lichtbogen über dem geschmolzenen Sicherungselement aufrechtzuerhalten.

Gleichstrom hingegen kann für eine Sicherung sehr schwer zu brechen sein. Hier fließt der Strom nur in eine Richtung. Es gibt keinen Nullpunkt, der der Sicherung beim Löschen des Lichtbogens hilft. Gleichstromsicherungen sind relativ komplexe Geräte, die sich im Vergleich zu einfachen Wechselstromsicherungen unterscheiden. Gleichstromsicherungen enthalten zusätzliche Elemente zum Löschen des Lichtbogens.

Bei AC- und DC-Sicherungen unterscheiden sich die Nennspannungen, und es besteht keine strenge mathematische Beziehung zwischen ihnen. Eine Sicherung mit 1000 V AC kann je nach Bauart eine Nennspannung von 500 V DC oder 750 V DC aufweisen. Als Faustregel gilt, dass eine Standard-AC-Sicherung um 50 % reduziert werden muss, d. h. 1000 V AC wären aus Sicherheitsgründen mit 500 V DC zu bewerten. Sie sollten sich jedoch vor der Annahme an den Hersteller der Sicherung wenden, um Testergebnisse oder weitere Spezifikationen zu jeder Sicherung zu erhalten.

Wechselstromsicherungen sind in der Regel für eine Belastung ausgelegt, die ihren Nennstrom übersteigt, manchmal 160 bis 200 Prozent ihres Nennwerts für bis zu zehn Sekunden. In einer Photovoltaikanlage wird der Strom durch die Konstantstromquelle der PV-Module begrenzt. Daher kann es schwierig sein, in angemessener Zeit genügend Strom zu erhalten, um eine Wechselstromsicherung auszulösen.

Speziell für PV-Anwendungen entwickelte DC-Sicherungen sollen bei Nennstrom in kurzer Zeit auslösen und so maximalen Schutz für Kabel, Anschlussdosen und PV-Module bieten. Ist die DC-Nennleistung der Sicherung nicht angegeben oder nicht im Produktdatenblatt aufgeführt, ist sie möglicherweise nicht für den Einsatz in DC-Anwendungen zugelassen. Oder das Produkt wurde nicht von einer international anerkannten elektrischen Zulassungsstelle oder vom Hersteller zugelassen, der möglicherweise nicht über die entsprechenden Prüfeinrichtungen verfügt. Sicherungshalter sollten ebenfalls auf ihre DC-Nennleistung geprüft werden.

Um sich und Ihre Kunden zu schützen, verwenden Sie für Ihre PV-Anlagen stets das richtige DC-Produkt. Bei Verwendung eines falsch ausgelegten Produkts können Sie für Schäden oder im Falle eines Problems für den Verlust von Menschenleben haftbar gemacht werden.

Welchen Nutzen hat die Sicherung in der Photovoltaikanlage?

Sicherungen spielen bei Solarstromprojekten eine sehr wichtige Rolle. Sie kommen in verschiedenen PV-Anlagen zum Einsatz. Dazu gehören beispielsweise String-Combiner-Boxen, Array-Boxen und sogar die Gleichstromseite des Wechselrichtersystems.

Sicherungen werden auch auf der Wechselstromseite des Systems verwendet. Wechselstromsicherungen unterscheiden sich vonGleichstromsicherungen . In diesem Artikel betrachten wir jedoch nur das Design von Gleichstromsicherungen.

Bei einer großen Anzahl parallel geschalteter Strings ist ein Schutz der PV-Module und des Systems vor Rückstrom und Überstrom (OC) erforderlich.

Sicherungen dienen in erster Linie dem Schutz des Systems vor Kurzschluss und Brandgefahr. Sicherungen in PV-Anlagen sind extremen Umweltbedingungen wie Sonneneinstrahlung ausgesetzt, die zu einer anormalen Temperatur der Sicherung führt und deren Leistung beeinträchtigt. Daher müssen die Dimensionierung und Auswahl der richtigen Sicherungen und Kabel sichergestellt werden.

Darüber hinaus erzeugen PV-Module auch Dauerstrom. Umso wichtiger ist die richtige Dimensionierung der Sicherung.

Eine Sicherung ist ein Überstromschutzgerät, das sich selbst opfert, um elektrische Systeme zu schützen. Sicherungen öffnen Stromkreise, wenn sie durch übermäßigen Stromfluss aufgrund von Überlastung oder Fehlern belastet werden. Die Wahl der richtigen Sicherung für eine Anwendung verhindert Brände und andere Schäden, die durch Fehler entstehen können. Typische Probleme können ein sich lösendes Kabel im Wechselrichterstromkreis, ein Erdschluss, ein versehentliches Durchtrennen eines Kabels, das Durchnagen von Kabeln durch Tiere oder Nagetiere, Wetterschäden usw. sein.

Abb. 1 zeigt ein typisches Solarsystem von den PV-Modulen bis zum Wechselrichter.

Wie wählt man die richtige Sicherung mit der richtigen Nennleistung aus?

Sicherungen werden nach Stromstärke und Spannung bewertet und sind in der Regel nur für Wechselstrom, nur für Gleichstrom oder für Wechsel- und Gleichstrom ausgelegt. Bei Verwendung falscher Sicherungen für Gleichstromanwendungen muss die Nennspannung möglicherweise reduziert werden. Wenden Sie sich für weitere Informationen an den Sicherungshersteller. Dies liegt an der höheren Lichtbogenenergie, die beim Ausschaltvorgang absorbiert werden muss.

Wichtige Schritte zur Dimensionierung von Sicherungen für die Auswahl von Solar-PV-Sicherungen

Zur richtigen Dimensionierung einer Sicherung eines Strings gemäß Artikel 690.8 des National Electrical Code 2011 sollten die folgenden Schritte verwendet werden.

1. Berechnen Sie den maximalen Stromkreisstrom.
2. Berechnen Sie die Nennamperezahl der Sicherung.
3. Reduzieren Sie den Sicherungswert aufgrund abnormaler Temperaturbedingungen auf einen nicht ausreichenden Wert.
4. Berechnen Sie die Amperezahl der Sicherung laut Typenschild.
5. Überprüfen Sie die Sicherungsnennleistung im Hinblick auf die Leiternennleistung.

Ein Überstromschutz (Sicherungen oder Leistungsschalter) muss nur dann in die PV-Quelle oder den Ausgangskreis integriert werden, wenn drei oder mehr Strings vorhanden sind. Hersteller von PV-Modulen geben in der Regel die maximale Anzahl von Strings an, die ohne zusätzlichen Sicherungsschutz parallel geschaltet werden können. Diese wird durch die maximale Rückstromkapazität eines PV-Moduls bestimmt.

Sicherungen befinden sich normalerweise in einem Combiner-Kasten (wenn Ihr System einen Combiner-Kasten verwendet) oder im DC-Trennschalter oder einem Array-Anschlusskasten.

Die meisten Überstromschutzschalter sind für eine maximale Betriebstemperatur von 45 °C ausgelegt. Dies ist für die normale Haushaltsverkabelung kein Problem. Da PV-Komponenten jedoch im Freien oder auf Dachböden installiert werden, können sie deutlich höherer Hitze ausgesetzt sein. Wenn Sie Sicherungen oder Leistungsschalter in Bereichen mit großer Hitze einsetzen möchten, beachten Sie daher die Produktdatenblätter und Temperaturanpassungsfaktoren. Andernfalls kann es bei Hitze zu Fehlauslösungen oder durchgebrannten Sicherungen kommen.

Um die normale OC-Gerätebewertung zu bestimmen, beginnen Sie mit der folgenden Gleichung:

Stromkreisnennstrom = Imax
OC-Stromkapazität =Imax × Anzahl der Modulstränge × 1,56

Auf der Gleichstromseite des Stromkreises wird für diese Berechnung der Kurzschlussstrom (Isc) verwendet. Wenn Ihre Sicherung beispielsweise in einem Combiner oder einer Array-Anschlussdose platziert wird, entspricht Isc der Kurzschlussstromspezifikation für die Module.

Für unser Beispielarray von Sharp-Modulen lautet die Berechnung wie folgt:

6,35 A (Kurzschlussstrom) × 1,56 = 9,906 A

Da Sicherungen in Standardgrößen (1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 20, 25, 30 Ampere usw.) verkauft werden, müssen Sie laut UL die Größe wählen, die dem Nennstrom am nächsten kommt oder knapp darüber liegt. Bei 9,906 A entspricht das einer 10-A-Sicherung.

Bei PV-Schaltkreisen mit einem normalen Wechselrichter mit integriertem Transformator sollte nur einer der beiden Pole (positiv oder negativ) eines Paares, normalerweise der ungeerdete oder stromführende Draht, mit einer Sicherung versehen sein. Bei einem Wechselrichter ohne Transformator müssen jedoch beide Drähte des Paares mit einer Sicherung versehen sein.

Falls Sie sich fragen: Der Multiplikator von 1,56 in der Stromstärkenberechnung ist eine Abkürzung, die zwei NEC-Formeln enthält, die für PV-Schaltkreise gelten.

Der erste ist: Imax×1,25, was dem entspricht, was der NEC als Dauerstrom eines Stromkreises bezeichnet.

Die zweite Formel lautet: Dauerstrom x 1,25. Sie bietet einen Puffer über dem ersten Wert, um Fehlauslösungen aufgrund kleiner Stromschwankungen zu vermeiden. Nimmt man nun 1,25 x 1,25 (oder 1,25 zum Quadrat), erhält man 1,56.
Für unser Beispiel eines netzgekoppelten Systems mit einem normalen transformatorlosen Wechselrichter, einem String mit zwei Arrays und einer Spannung (zuvor gemessen) von 420,36 V muss der von uns gekaufte Anschluss- oder Combiner-Kasten für 1000 V DC (das ist die Standardgröße) ausgelegt sein, um den positiven und negativen Leiter für mindestens zwei Strings aufzunehmen und eine Mindeststromstärke von 20 A zu haben. Also

Isc pro Strang = 6,35 A
Anzahl paralleler Strings=2
Gesamtstrom, der durch den Stromkreis fließt = 6,35 × 2 = 12,7 A
Bei einem Sicherungsnennfaktor von 1,56 = 12,7 × 1,56 = 19,81 A
Die zu berücksichtigende Sicherungsleistung sollte daher über 20 A liegen.

Daher wird als 20-A-Leiter ein 6 mm² großes Kupferkabel ausgewählt, das für eine solche Stromstärke geeignet ist.
Das System kann jetzt sicher funktionieren.

Die Sicherungs-Leistungsminderungskurve in Abhängigkeit von der Temperatur ist in Abb. 2 dargestellt.

Abb. 2: Temperaturverlauf der PV-Sicherung

Wählen Sie Sicherungen basierend auf Zertifizierungsstandards aus

Anders als bei typischen netzgekoppelten Wechselstromsystemen ist der verfügbare Kurzschlussstrom in PV-Systemen begrenzt, und die Überstromschutzeinrichtungen müssen bereits bei niedrigen Fehlerströmen wirksam sein. Aus diesem Grund haben die meisten Hersteller umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsarbeiten an Sicherungseinsätzen durchgeführt, die speziell für den sicheren Schutz von PV-Systemen mit hohen Gleichspannungen und niedrigen Fehlerströmen entwickelt und getestet wurden.

Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) erkennt an, dass der Schutz von PV-Systemen anders ist als bei herkömmlichen Elektroinstallationen. Dies spiegelt sich in der Norm IEC 60269-6 (gPV) wider, die spezifische Eigenschaften definiert, die ein Sicherungseinsatz zum Schutz von PV-Systemen erfüllen muss.

Die Produktreihen der Hersteller an String- und Zweig-PV-Sicherungseinsätzen wurden speziell zur Erfüllung dieser Norm entwickelt. Diese PV-Sicherungseinsätze sind vollständig gemäß den Anforderungen der IEC 60269-6 geprüft.

Hersteller von PV-Sicherungseinsätzen übertreffen jedoch die Anforderungen der IEC 60269-6, da diese mit 1,35 x In (dem 1,35-fachen Nennstrom) arbeiten. Sie erfüllen zudem die Anforderungen der UL 2579 und eignen sich somit zum Schutz von PV-Modulen bei Rückstrom. Obwohl die Norm kein spezifisches Symbol kennt, wird häufig eine Kombination aus Symbolen für Sicherungseinsatz und Strings verwendet, um anzuzeigen, dass ein Sicherungseinsatz zum Schutz von Strings in PV-Systemen geeignet ist.