Ein wirksamer und ganzheitlicher Blitz- und Überspannungsschutz ist wichtig, um kostspielige Reparaturarbeiten und Schäden zu vermeiden.

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Blitz- und Überspannungsschutz Batteriespeicher sicher betreiben

10.05.2019

Batteriespeicher zählen zu den Schlüsseltechnologien der Energiewende. Eine nur lückenhafte Verfügbarkeit oder gar ein Ausfall können schwere wirtschaftliche Folgen, nach sich ziehen. Um zudem kostspielige Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten zu vermeiden, ist ein wirksames und ganzheitliches Blitz- und Überspannungsschutzkonzept von großer Bedeutung.

Um bewerten zu können, ob in Abhängigkeit der Anlagennutzung, der Anlagenstrukturen sowie der regional örtlichen Gegebenheiten ein äußeres Blitzschutzsystem erforderlich ist, ist eine Risikoanalyse nach VDE 0185-305-2, beispielsweise mit der Software Dehnsupport Toolbox, durchzuführen. Ergibt sich aus der Risikoanalyse, dass eine Gefährdung durch direkten Blitzeinschlag besteht, so ist zusätzlich ein äußeres Blitzschutzsystem nach VDE 0185-305-3 vorzusehen.

Weiterhin ist es erforderlich, die DIN VDE 0100-443:2016-10 zu berücksichtigen. Diese behandelt den Schutz von elektrischen Anlagen bei transienten Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse, die über das Stromversorgungsnetz übertragen werden, inklusive direkter Blitzeinschläge in die Versorgungsleitungen und transienter Überspannungen infolge von Schaltvorgängen.

Die Norm liefert eine Aussage, ob Überspannungsschutzmaßnahmen erforderlich sind, wägt das Standortrisiko ab, definiert Überspannungskategorien und die dazugehörigen geforderten Bemessungsstehstoßspannungen der Betriebsmittel und definiert, ob zusätzliche Überspannungs-Schutzeinrichtungen notwendig sind.

Zusätzlich ist die Anwendungsregel VDE-AR-E 2510-2 „Stationäre elektrische Energiespeichersysteme vorgesehen zum Anschluss an das Niederspannungsnetz“ zu berücksichtigen. Diese sagt aus, dass im Anschlusskonzept abgestimmte Maßnahmen zum Blitz- und Überspannungsschutz vorgesehen werden müssen. Werden gemäß DIN VDE 0100-443 und VDE 0185-305 Blitz- und Überspannungsschutzmaßnahmen eingesetzt, dann sind diese nach DIN VDE 0100-534 zu installieren. Der Potentialausgleich ist generell nach DIN VDE 0100-410 und DIN VDE 0100-540 auszuführen.

Gefährdungsradius mehr als zwei Kilometer

Die Schadensquellen und Ursachen für die Störung oder gar Zerstörung von Elektronikkomponenten sind sehr vielfältig und reichen von direkten und indirekten Blitzbeeinflussungen bis hin zu Überspannungen durch Schalthandlungen, Erd- und Kurzschlüssen oder Auslösen von Sicherungen. In Bezug auf Blitzeinschläge kann man diese abhängig von der Einschlagstelle nach DIN VDE 0185-305-2 in vier Gruppen unterteilen:

  • S1: Direkter Blitzeinschlag in die bauliche Anlage

  • S2: Blitzeinschlag neben der baulichen Anlage

  • S3: Direkter Blitzeinschlag in eingeführte Versorgungsleitungen

  • S4: Blitzeinschlag neben einer Versorgungsleitung

Der Gefährdungsradius um den Blitzeinschlagort und die damit verbundene schadhafte Auswirkung kann hierbei je nach Blitzintensität und Erdungsbeschaffenheit mehr als zwei Kilometer betragen. Ein direkter Einschlag in den Batteriespeicher oder in die Anschlussleitung wird durch einen Blitzstrom mit der Impulsform 10/350 µs beschrieben.

Ferne Blitzeinschläge oder indirekte Blitzeinschläge führen zu leitungsgebundenen Blitzteilströmen (Impulsform 10/350 µs) in den Versorgungsleitungen oder auch zu induktiven/kapazitiven Kopplungen (Impulsform 8/20 µs) in den elektronischen Komponenten der Speicher selbst, so genannte Lightning Electromagnetic Pulse (LEMP). Zudem können Schalthandlungen, Erd- und Kurzschlüsse oder auch das Auslösen von Sicherungen Überspannungen verursachen, so genannte Switching Electromagnetic Pulse (SEMP).

Äußerer Blitzschutz über Metallcontainer

Ist ein Batteriespeichersystem in einer vollständigen Metallcontainer-Bauweise ausgeführt, kann die Metallfläche, in Abhängigkeit des Metallwerkstoffes sowie der Materialstärke, als natürliche Ableitung verwendet werden. Voraussetzung ist eine dauerhafte, durchgängige und blitzstromtragfähige Verbindung der Elemente bis zum Erdungsanschluss. So wird der Blitzstrom bei einem direkten Einschlag über das Metallgehäuse des Containers ins Erdreich abgeleitet.

In jedem Fall ist jedoch sicher zu stellen, dass es zu keinen Ausschmelzungen des Metallbleches bei einem direkten Blitzeinschlag kommt. Dies kann, etwa durch das Eindringen von Wasser, zu Sekundärschäden führen.

Ist beispielsweise ein Stahlblech mit einer Materialstärke von mehr als vier mm (Dicke t) gegeben, sind bei einem direkten Einschlag keine Ausschmelzungen oder keine unzulässig hohe Erhitzung zu erwarten. In diesem Fall kann das Metalldach des Containers als natürliche Fangeinrichtung genutzt werden.

Eine dünne Beschichtung mit Farbe, einen mm Bitumen oder 0,5 mm PVC sind bei einem direkten Blitzeinschlag nicht als Isolierung zu betrachten. Durch die hohe Energie bei einem direkten Blitzeinschlag werden derartige Beschichtungen durchschlagen.

Ist die Materialstärke geringer als vier mm (Dickea t), so sind metallische Fangspitzen als definierte Einschlagpunkte zu installieren, um Ausschmelzungen zu verhindern. Deren Länge ist abhängig von den Containermaßen, so dass die gesamte Fläche sowie die angebrachten Betriebsmittel in deren Schutzbereich positioniert sind. Das Equipment im Inneren des Containers ist ähnlich eines Faradayschen Käfigs geschützt. Somit müssen keine Trennungsabstände zu den im Inneren befindlichen elektrischen Komponenten eingehalten werden.

Oftmals werden aber an den Batteriestationen Betriebsmittel wie Klimageräte, Außenbeleuchtung, Antennen oder Wechselrichter extern, beispielsweise auf dem Dach, installiert. Um gefährliche Überschläge zwischen Teilen des äußeren Blitzschutzes und den Betriebsmitteln zu verhindern, ist die Einhaltung des Trennungsabstandes bei der Planung und Realisierung des Blitzschutzsystems unabdingbar.

Da dies in derartigen Konstellationen mit reinen konventionellen Blitzschutzmaßnahmen häufig sehr aufwändig oder auch nicht realisierbar ist, empfiehlt sich der Einsatz eines isolierten Blitzschutzsystems HVI (High Voltage Insulation). Der blitzstromführende Leiter der HVI-Leitung ist mit einem speziellen Isolierstoff ummantelt, so dass der notwendige Trennungsabstand zu anderen leitfähigen Teilen oder Betriebsmitteln sicher eingehalten und der Blitzstrom ohne Überschläge zur Erdungsanlage geführt werden kann.

Das Erdungssystem wird mit einem Flachband mit den Maßen 30 x 3,5 mm oder alternativ mit einem Runddraht mit einem Durchmesser von 10 mm in Form eines Ringerders errichtet. Um die Langlebigkeit und Funktionalität der Erdungsanlage sicher zu stellen, empfiehlt sich ein dauerhaft korrosionsbeständiges Material, wie Niro V4A.

Innerer Blitzschutzpotentialausgleich und Überspannungsschutzkonzept

Um die sich über die kupferbasierenden Energie- und Datenleitungen einkoppelnden Störimpulse abzuleiten, sollte so nahe wie möglich am Containereintritt dafür geeignete Blitzstrom- und Überspannungsableiter installiert werden. Hier empfiehlt sich beispielsweise zum Schutz der Hauptzuleitung (230/400 V) der Einsatz von Dehn Shield.

Dabei handelt es sich um einen anschlussfertigen kompakten Typ 1+2-Kombiableiter, basierend auf rein mechanischer Funkenstreckentechnologie mit einem Ableitvermögen von 50 kA (10/350µs). Dieser ermöglicht aufgrund seines hervorragenden Schutzpegels und Energieabsorbtionsvermögens zudem Endgeräteschutz.

Für kupferbasierende Datenschnittstellen, wie RS 485, eignet sich der Typ 1-Kombiableiter der Produktfamilie Blitzductor XT. Durch die integrierte LifeCheck-Funktion, die bereits eine Vorschädigung erkennt, bietet sich die Möglichkeit für ein Predictive-Maintenance-Konzept.

Die jeweiligen Signalzustände der Überspannungsschutzeinrichtungen lassen sich mittels Dehn Record Alert über Modbus TCP / RTU über ein IoT-Gateway an die Leitwarte kommunizieren. Werden koaxiale Leitungen zu externen Antennen geführt, sind diese mit Überspannungsableitern der Produktfamilie Dehn Gate mit SMA-Anschlusstechnik sicher geschützt.

Besteht das Risiko, dass sich auf der DC-Seite zur Batterie galvanische oder induktive/kapazitive Einkopplungen ergeben, da sich zum Beispiel die Batterien und die Wechselrichtereinheiten in unterschiedlichen Containern befinden, sollte man zusätzlich geeignete Blitzstrom- und Überspannungsableiter vorsehen. Dabei ist darauf zu achten, dass diese speziell für DC-Stromcharakteristiken konzipiert sind. Dies trifft beispielsweise für den modularen Typ 1+2-Kombiableiter Dehnguard ME DC Y 950 FM zu, der mit einer leistungsfähigen DC-Schaltvorrichtung DCD ausgestattet ist, um Brandschäden in Folge von DC-Schaltlichtbögen zu vermeiden.

Bildergalerie

  • Ursachen von Überspannungen bei Blitzentladungen.

    Bild: DEHN + SÖHNE GmbH + Co.KG.

  • Ganzheitliches Blitz- und Überspannungsschutzkonzept sowie Erdung für ein Batteriespeichersystem.

    Bild: DEHN + SÖHNE GmbH + Co.KG.

  • Blitzstromtragfähige Fangspitzen als definierte Einschlagpunkte.

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  • Die 25 kV Filterkreisanlage, geschützt mit HVI-Blitzschutz, um Trennungsabstände einzuhalten.

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  • Kombiableiter Typ 1+2 Dehnshield basierend auf mechanischer Funkenstreckentechnologie

    Bild: DEHN + SÖHNE GmbH + Co.KG.

  • Predictive Maintenance Concept mit Fernsignalisierung durch Dehnrecord Alert und IoT-Gateway.

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  • Dehngate mit SMA-Anschlusstechnik, installiert auf einer geerdeten Montageplatte.

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