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Wärme messen: Temperaturverteilung in einem Generatoranschlusskasten mit üblichen String-Strömen unter normalen Betriebsbedingungen. Bild: Phoenix Contact
Komponenten für Steuerung, Automatisierung, Elektronik

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Cooles Design für heiße Komponenten

Text: Carsten Plattmann, Phoenix Contact
Design ist nicht nur etwas fürs Auge. Bei PV-Anlagen bestimmt das Design von Generator­anschlusskästen wie gut empfindliche Elektronik-Komponenten vor Hitze geschützt sind. Das Wissen auf diesem Gebiet ist heute noch nicht ausgeprägt, Untersuchungen in diesem Umfeld fördern aber schon jetzt interessante Ergebnisse zutage – und zeigen, wie wichtig das Thema ist.

Generatoranschlusskästen (GAK) verbinden in großen Multi-String-Anlagen die einzelnen PV-Strings mit den Eingangsanschlüssen der PV-Inverter. Heute sind sie auf bis zu 32 Strings ausgelegt und können zusätzlich über DC-Freischalter verfügen, die PV-Module zu Wartungszwecken vom Inverter trennen.

String-Dioden oder String-Sicherungen können die einzelnen PV-Strings gegen Rückströme absichern. Überspannungsschutzgeräte, die in einem Generatoranschlusskasten installiert wurden, schützen effektiv vor Überspannungen und Stoßströmen, die auf der DC-Seite eines PV-Generators auftreten können. Verursacht werden sie beispielsweise durch das elektromagnetische Feld einer Blitzentladung. Einrichtungen zur Zustandsüberwachungs wie String-Strom-Überwachungssysteme sind in GAK ebenfalls üblich.

Die Entwicklung von Generatoranschlusskästen erfordert fundamentale Kenntnisse in der Auslegung von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen (EN 61439-2) – auch im Hinblick auf das thermische Design. So muss beim Design auch die Wärmeabgabe von String-Sicherungen unter üblichen Betriebsbedingungen berücksichtigt werden. Werden Überspannungsschutzgeräte integriert, muss der Hersteller zudem über ein fundiertes Wissen beim Überspannungsschutz verfügen, insbesondere wenn es um die Auswahl geeigneter DC-Freischalter geht, die dem erwarteten Stoßstrom standhalten können. Der komplette Generatoranschlusskasten mitsamt Verkabelung, Anschlussklemmen, einem DC-Freischalter und String-Sicherungen muss dafür ausgelegt sein. Zusätzlich muss die Verkabelung für einen optimalen Überspannungs-Schutzpegel nach speziellen Verdrahtungsregeln erfolgen.

Hot Spots und Hitzequellen gesucht

Verlustwärme, die hauptsächlich durch die String-Dioden oder String-Sicherungen und den DC-Freischalter verursacht wird, kann zu einer starken Aufheizung des Generator­anschlusskastens führen. Damit erhöht sich die Gefahr von Feuer. Aus diesem Grund muss eine thermische Überlastung unter normalen Betriebsbedingungen verhindert werden. Für die Langzeitverfügbarkeit müssen zudem sämtliche Komponenten speziell ausgewählt und im Rahmen ihrer Spezifikationen betrieben werden. Dies gilt insbesondere für die maximal zulässige Betriebstemperatur.

Im Entwicklungsprozess fährt der Hersteller mit den maximal zulässigen String-Strömen Langzeit-Temperaturmessungen, um zu evaluieren, dass die Temperaturen innerhalb des Generatoranschlusskastens keine kritischen Werte erreichen. Dazu ist es von Vorteil, sogenannte Hot Spots (konzentrierte lokale Temperaturspitzen) mittels einer Infrarot­kamera zu ermitteln.

Die Anordnung der einzelnen Komponenten hat einen großen Einfluss auf das thermische Verhalten eines GAK: Bleiben diese Punkte unberücksichtigt, reduziert sich die Verfügbarkeit des gesamten PV-Systems signifikant. So lösen String-Siche­rungen bereits bei normalen Betriebs-String-Strömen aus, wenn sie dauerhaft thermisch überlastet sind.

Stoßstrom-feste Verdrahtung

Die Integration von Überspannungsschutzgeräten in einen GAK erfordert ein spezielles „Stoßstrom-optimiertes“ Design des kompletten Aufbaus. Die gesamte Baugruppe muss dafür ausgelegt sein, einer definierten Stoßstrom-Beanspruchung zu widerstehen. Eine falsch ausgelegte Verkabelung in einem GAK würde im Zusammenhang mit einem Stoßstrom-Ereignis zu einem Verlust der Verfügbarkeit des gesamten PV-Systems führen – selbst dann, wenn innerhalb der Baugruppe Überspannungsschutzgeräte eingebaut sind.

Auch die Verkabelung muss Stoßstrom-fest ausgelegt sein. Transiente Stoßströme verursachen auf der einen Seite eine starke mechanische Beanspruchung über das elektromagnetische Feld und auf der anderen Seite eine hohe thermische Impulsbelastung über den direkten Stromfluss. Zudem müssen die Kabel für den maximalen Betriebsstrom und für die maximal auftretende Kurzschlussbelastung ausgewählt werden.

Die Auslegung der Verdrahtung – insbesondere die Kabellänge – hat einen entscheidenden Einfluss auf den Schutzeffekt installierter Überspannungsschutzgeräte. Da empfindliche elektronische Komponenten vermehrt auch in GAK eingebaut sind, muss auch dieser Faktor berücksichtigt werden.

Um sicher zu sein, dass der Generatoranschlusskasten in seiner Gesamtheit einer definierten Stoßstrom-Beanspruchung widerstehen kann, muss jede Komponente Stoßstrom-fest sein. Selbst DC-Freischalter müssen im Hinblick auf ihre Festigkeit gegen Stoßströme durch Tests qualifiziert werden, die über die Anforderungen der EN 61439-2 hinausgehen.

Für den sicheren Betrieb und die Langzeitverfügbarkeit eines PV-Systems empfiehlt es sich, Überspannungsschutz-Einrichtungen einzubauen, die entsprechend der gültigen Norm für Überspannungsschutzgeräte für den Einsatz in PV-Installationen entwickelt, gefertigt und zertifiziert sind. Überspannungsschutzgeräte, die entsprechend der EN 50539-11 qualifiziert sind, erfüllen die hohen Sicherheitsanforderungen problemlos.

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