3. Photovoltaik Brandschutz- Workshop · - Crosstalk-Effekte (andere Strings) und externe Störungen Somit erforderlich: - Beherrschung eines weiten Bereiches von Arbeitspunkten (Spannung,

31.03.2014 Christian Strobl

© E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH 1

3. Photovoltaik Brandschutz-

Workshop 03.04.2014 beim TÜV Rheinland, Köln

Störlichtbögen und ihre Detektion:

Schutz für PV-Anlagen

Christian Strobl, E-T-A GmbH

Motivation und allgemeine Grundlagen - Gefahrenpotential von Störlichtbögen

- Physikalische Grundlagen von Lichtbögen

- Lichtbogencharakteristika

- Allgemeine Methoden der Störlichtbogendetektion

Störlichtbogendetektion in der Photovoltaik

- Situation

- PV-spezifische Voraussetzungen und Anforderungen

- Allgemeine Hinweise zur Lichtbogendetektierbarkeit

- Einfluss des Wechselrichters auf Gefährdungspotential und Detektierbarkeit

- Kleinsignalübertragungsverhalten

- Lichtbogenkategorisierbarkeit

Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen

- Kennlinien-Modellierung

- Wandlermodell und Arbeitspunktübergang

- Plausibilitätsanalyse für Lichtbogen an Fehlerstelle

- Fallbeispiele teilverschatteter Solaranlagen

Ausblick

Störlichtbögen und ihre Detektion: Schutz für PV-Anlagen



Gliederung

Motivation und allgemeine Grundlagen





Gefahrenpotential von Störlichtbögen

Luftfahrt

Mehrere Flugzeugabstürze bedingt durch Lichtbögen:

TWA 800, Boeing 747, 1996, New York: Kabelvorschädigung im Center

Wing Tank, Störlichtbogen löst Explosion aus

Swissair flight 111, MD-11, 1998, Halifax: Cockpitbrand durch Störlichtbogen

Karbonisierung der Polyimid-Kabelisolierung

(Kapton ) ab 800°C durch Lichtbögen

Automotive

Busunglücke:

Rubingen: Lichtbögen am Anlasserkabel

Garbsen: 20 Tote nach Brand, Kurzschluss Kabelbaum Bordküche

Nieder-/Mittel-/Hochspannungsschaltanlagen

AC-Hausinstallation

…

Quelle:

Schlussbericht der Unfalluntersuchungsstelle Bahnen und Schiffe über den Brand eines Linienbusses von BERNMOBIL

vom Dienstag, 19. Juni 2007 in Kerzers





Gefahrenpotential von

Störlichtbögen

Photovoltaik

Mögliche Schadstellen:

- Modulbeschädigung (Transport,

Schneelast, Steinwurf)

- Lötverbindungen in Modulen

- Verbindungstechnik in

Anschlussdosen

- Bypassdioden

- Steckverbinderfehlpaarungen

(Imitate, Plagiate)

- Kabelbeschädigungen

- Hochwasser

- …





Physikalische Grundlagen von Lichtbögen

- Lichtbogen = Plasma = ionisiertes Gas

- Lichtbogenspannung = Kathodenfall + Säulenspannung + Anodenfall

- Dichten der Elektronen und positiven Ionen gleich, aber Strom

hauptsächlich von Elektronen getragen

- Einfaches quasistationäres Modell nach Ayrton:

u = a + b · L + (c + d · L) / i

L = Lichtbogenlänge

a, b, c, d = material- u. geometrieabhängige Parameter

Quelle: M. Lindmayer: Schaltgeräte, Springer-Verlag 1987





Lichtbogencharakteristika

Physikalische Rahmenbedingungen ergeben allgemein gültige Charakteristika

- Spannungsabfall über Lichtbogen ab ca. 12 V (je nach Kontaktmaterial, entspricht Summe aus Anoden-

und Kathodenfall)

- Mindeststrom notwendig (ab ca. 0.4 A)

- Bogenverlängerung erhöht Spannungsabfall und verringert Strom

- Ladungsbewegungen im Plasma, Abschmelzvorgänge, Oxidschichtbildungen und -absprengungen:

● leitungsgebundenes Rauschen in Spannung und Strom

● Strahlung bis in UV-Frequenzbereiche

● Temperaturanstieg

→ Druckerhöhung

→ Schall

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:

Electromagnetic_spectrum_c.svg&

filetimestamp=20090611090004






• DC 40, 45, 50, 55 V

• Last: 5 Ω






„Lichtbogengenerator“ für Testzwecke:





Allgemeine Methoden der Störlichtbogendetektion

Zuallererst: Lichtbogenvermeidung durch

- fachgerechte Installation

- qualitativ hochwertige und geeignete Komponenten

- ausgebildetes Fachpersonal

- regelmäßige Inspektionen

Je nach Netz spezifische

- Notwendigkeiten

- Möglichkeiten der Störlichtbogendetektion

- Methoden

- Abschaltstrategien / Sicherheitskonzepte

}

Typ des Netzes: stationär / Bordnetz

Art des zu überwachenden Netzbereichs:

Erzeugung / Übertragung / Verteilung

Quellenart: AC oder DC

Min / Nenn / Max von Strom und Spannung

Lasten: ohmsch / induktiv / kapazitiv / komplex

interne und externe Sondereffekte und Störungen

Eigenschaften von Leiter- und Isolationsmaterial

Installationsqualität

Gefährdungspotential durch Lichtbögen

Kostenbedingungen






Detektionsverfahren:

- optische Verfahren

Fotodioden

optisch leitende Schicht im Kabel

- akustische Verfahren

Piezosensorik

- Messung elektromagnetischer Felder

Teilentladungsmessung mittels Rogowski-Spule

- elektrisch leitungsgebunden

Mehrpunktmessungen: Vergleich von Strömen und Spannungen an beiden Enden einer

Übertragungsleitung

Einpunktmessung: Analyse eines Strom- bzw. Spannungsverlaufs an einer Stelle

Kombinationsleiter CONDUS, FH Nordhausen http://www.elektronikpraxis.vogel.de/index.cfm? pid=5496&pk=187770&sector=3






Einpunktmessung:

je nach Applikation

- niederfrequente Analysen:

Strom-, Spannungs-, Leistungsveränderungen

- höherfrequente Analysen:

Rauscheffekte in Strom / Spannung

induktiv / kapazitiv eingekoppelte Sensoren

analoge Vorfilterung zur Analyse ausgewählter

Frequenzbereiche (Signal-Conditioning)

Mustererkennungsalgorithmen zur Unterscheidung der Störlichtbögen von Lichtbögen während

Schaltprozessen, in Motoren und Gasentladungslampen und von anderen Effekten

(Quellen- und Lastverhalten, elektromagnetische Einstrahlung, Crosstalk)






AC-Applikation:

- lichtbogenfreie Bereiche um Stromnulldurchgang

- einzelnes Lichtbogenereignis auf Halbwelle begrenzt

- ggf. Wiederzünden in nächster Halbwelle

→ Statistische Auswertung von Zünd- und

Verlöschereignissen über Analyse höherfrequenter

Anteile oft ausreichend

AC mit ohmscher Last

störlichtbogenfrei

AC mit ohmscher Last






DC-Applikation:

- dauerhaftes Brennen des Lichtbogens möglich

→ Breitbandige Verfahren mit aufwendiger Mustererkennungs-

Algorithmik zur Analyse der Rauscheffekte während des

Lichtbogens nötig

Lichtbogen

DC mit ohmscher Last

PV-Feuerwehrschalter mit Lichtbogensensor, E-T-A GmbH






Situation

Schadensfälle:

170 Brände von PV-Anlagen in 30 Jahren in D, meist bedingt durch fehlerhafte Installation oder

Produktqualität, häufig in Verbindung mit DC-Lichtbogen (Fraunhofer ISE, 2. PV-Brandschutz Workshop

2013)

Verschiedene Systeme zur Lichtbogendetektion auf dem Markt:

- Wechselrichterexternes Zusatzgerät, meist in Kombination mit DC-Trenner / Feuerwehrschalter

- Zusatzgerät in Kombination mit Modulelektronik

- Integration in Wechselrichter

Erste Prüfnorm für Lichtbogendetektoren:

UL1699b (Outline of Investigation), Weiterentwicklung u.A. durch „Task Force“ zum Thema

Lichtbogenzündung





PV-spezifische Voraussetzungen und Anforderungen

Rahmenbedingungen und Herausforderungen in der Praxis:

- Unterschiedliche Anlagengrößen und -strukturen

- Wechselnde Einstrahlungsbedingungen und Arbeitspunkte

- Vielzahl unterschiedlicher Wechselrichtertopologien: je nach Schaltungsaufbau und MPP-Tracking-

Konzept unterschiedliche Lichtbogengefährdung und -detektierbarkeit

- Spezielle wechselrichterinterne Prozesse (z.B. Isolationsüberwachung, Zuschaltvorgänge,

Leistungsbegrenzung)

- Crosstalk-Effekte (andere Strings) und externe Störungen

Somit erforderlich:

- Beherrschung eines weiten Bereiches von Arbeitspunkten (Spannung, Strom, Systemimpedanz)

- Unabhängigkeit der Auslösekriterien von Wechselrichterschaltfrequenzen

- Einbeziehung von Signalmerkmalen wechselrichterinterner Prozesse zur Erhöhung der Sensitivität bei

gleichzeitiger Robustheit gegen Fehlauslösungen

- Umfangreiche allgemeine Feldtests und Überprüfung spezieller Betriebszustände

- Modellbasierte Analysen zur Simulation einer Vielfachheit von Konstellationen und Betriebszuständen

sinnvoll: Hinweise zur fallspezifischen Lichtbogengefährdung und -detektierbarkeit





Allgemeine Hinweise zur Lichtbogendetektierbarkeit

Durch unterschiedliche Teildynamiken Aufteilung in Groß- und Kleinsignalverhalten sinnvoll:

Großsignalverhalten: Arbeitspunktsprünge bei einsetzendem Lichtbogen

→ Fallabhängige Strom- bzw. Spannungsverringerung am Wechselrichtereingang

Kleinsignalverhalten entscheidend für Übertragung der durch Leitfähigkeitsveränderung bedingten

Rauscheffekte beim Lichtbogen:

→ Wahl eines geeigneten Frequenzbereichs für höherfrequente Lichtbogensensorik

→ Impedanzveränderung bei Arbeitspunktsprung





Einfluss des Wechselrichters auf

Gefährdungspotential und Detektierbarkeit

Je nach Regelungskonzept (MPP-Tracking) und Schaltungsaufbau

unterschiedliches Gefährdungspotential durch serielle Lichtbögen

und unterschiedliche Detektierbarkeit:

(a) Bei spannungsstabilisierendem Effekt durch Regelung bzw.

hoher Wechselrichtereingangskapazität muss PV-Generator

Spannungsdifferenz durch Lichtbogen aufnehmen. Somit schnelles

Verlassen des MPP des PV-Generators, zügige Verringerung des

Stroms und der Lichtbogenleistung.

(b) Bei stromstabilisierendem Effekt durch Regelung bzw. niedriger

Wechselrichtereingangskapazität gibt Wechselrichtereingangs-

spannung nach. Somit langsames Verlassen des MPP des PV-

Generators, Lichtbogenleistungsanstieg bis kurz vor Abriss.

Gefährdungspotential durch serielle Störlichtbögen kann

durch geeignete Topologie der Leistungselektronik im

Wechselrichter und durch geeignetes MPP-Trackingverfahren

verringert werden.

ugen = uarc + uinv





Einfluss des

Wechselrichters

auf Gefährdungs-

potential und

Detektierbarkeit

Arbeitspunktübergang am

Wechselrichtereingang beim

Lichtbogenzünden





Einfluss des Wechselrichters auf

Gefährdungspotential und

Detektierbarkeit

Aktive Last:

unterschiedliche Wechselrichterschaltfrequenzen

und Oberwellen,

unterschiedliche Wechselrichterimpedanz

Frequenz in Hz





Einfluss des Wechselrichters auf Gefährdungspotential und

Detektierbarkeit

Signalanalyse von

Sensordaten nach analogem

Signal-Conditioning:

Geeignete Sensitivität und

Mustererkennung zur

Unterscheidung geringer

lichtbogenbedingter

Rauschpegel von

Wechselrichterschalt-

frequenzen und Oberwellen

Ohne Wechselrichter

Mit Wechselrichter





Kleinsignalübertragungsverhalten

Beiträge zur Gesamtimpedanz:

- PV-Module mit arbeitspunktabhängiger Resonanz

- Beitrag der Verkabelung erst ab ca. 100 bis 200kHz mit

größerem Einfluss

- Wechselrichterbeitrag bei ausreichend hoher Frequenz i.Allg.

gering aufgrund von DC-Eingangsfilter

- Vgl. Funktionsprüfungen nach UL1699b:

PV-Simulatoren haben zwar ähnliches Großsignalverhalten,

aber i.d.R. anderes Kleinsignalverhalten, stellen Realität nur

ansatzweise dar!!!

konstant

abhängig von U, T, E

Kleinsignalersatzschaltbild

einer Solarzelle





Lichtbogenkategorisierbarkeit

Kategorisierung in serielle und parallele Fehler:

→ Parallele Fehler in ungeerdeten Anlagen durch nötigen Doppelfehler wesentlich unwahrscheinlicher

→ Löschen des seriellen Lichtbogens durch Trennen, des parallelen durch kurzzeitiges

Kurzschließen (VDE-AR-E 2100-712: max. 15s), alternativ Verwendung von Modulelektronik

Bei zentraler Sensierung am Wechselrichtereingang ist eindeutige Unterscheidung paralleler Fehler von

seriellen Fehlern nur in Extremfällen (Überbrückung mehrerer Module im String) möglich.

Dann ist beobachtbar:

→ Starker Stromeinbruch bis hin zum Rückstrom

→ Ggf. Abschalten des Wechselrichters bei starkem Spannungseinbruch

→ Deutliche und schnelle Verringerung der Generatorimpedanz, v.a. im unteren Frequenzbereich





Lichtbogenkategorisierbarkeit

Allgemein gültige Klassifizierung mittels passiver Verfahren bei zentraler Sensierung erschwert durch:

→ Kontakteigenschaften der Fehlerstelle

→ Lichtbogendynamik (schnelle Bogenverlängerung, Schauerentladungen)

→ Teilverschattungseffekte am PV-Generator: stark variierende Arbeitspunkte der Zellen






(Zellendiskrete) Modellierung ermöglicht Analyse realistischer Szenarien:

unterschiedliche Einstrahlungs- und Temperaturbedingungen an den Zellen / Modulen aufgrund

von Teilverschattung, versch. Montagewinkel, versch. Hinterlüftung, Bauteilstreuung, …

Modellkonzept

Lichtbogen wegen großer Zahl von Einflussfaktoren schwer modellhaft erfassbar, deshalb:

Zunächst kennlinienbasierte Modellierung mit einer allgemeinen Fehlersituation definiert über

Spannungsabfall, dann Plausibilitätsüberprüfung bzgl. Lichtbogengrenzdaten





Kennlinien-Modellierung

Zelle

Zellstring /

Substring

Bypassdiode

mono-/polykristallines Si-PV-Modul:

PV-Feld:

String

Modul






Mehrdiodenmodell einer Solarzelle:

Integration von Durchbruchsmodell für negative Zellspannungen

𝐼𝑍𝐸 = 𝐼𝑃ℎ − 𝐼𝑆𝑖 exp𝑈𝑍𝐸 + 𝐼𝑍𝐸𝑅𝑍𝐸,𝑆𝑚𝑖𝑈𝑇

− 1

𝑛

𝑖=1

− 𝑈𝑍𝐸 + 𝐼𝑍𝐸𝑅𝑍𝐸,𝑆𝑅𝑍𝐸,𝑃






(1) Definition des Szenarios

(2) Erstellung der spezifischen Zellkennlinien

(3) Sukzessive Kennlinien-Additionsschritte zur

Gesamtkennlinie des PV-Feldes - Seriell (U-Addition): Zellen zum Zellstring

- Parallel (I-Addition): Zellstring mit Bypassdiode zum erweiterten Zellstring

- Seriell (U-Addition): erweiterte Zellstrings zum Modul

- Seriell (U-Addition): Module, ggf. Strangsicherung bzw. Rückstromdiode zum String

- Parallel (I-Addition): alle Strings der Last (Wechselrichterkanal) zum Feld

Wegen Wechsel der Additionsrichtungen und abschnittsweise stromquellenähnlichem

Verlauf der Zellkennlinien: interpolative numerische Verfahren mit Neuberechnung

von nicht-äquidistanten Stützpunkten erforderlich.

(4) Modellerweiterung um Fehlerstelle

(Störlichtbogen, Glühen)

(a) seriell im String bzw. in Sammelleitung

(b) parallel zu einem oder mehreren Modulen

eines Strings

(c) parallel zu Zellstring in Gegenrichtung zur

Bypassdiode

(d) parallel zu Zellstring seriell zur aktiven

Bypassdiode bei neg. Zellstringspannung






Kennlinienschar für verschiedene Spannungsabfälle über

Fehlerstelle





Wandlermodell und Arbeitspunktübergang

- I. Allg. schnelles Einschwingen (parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten bedingt

durch Module und Leitungen, Eingangsfilter am Wechselrichter)

- Meist langsame MPP-Regelung des PV-Wechselrichters: quasi konstante

Bedingungen durch gleichbleibendes Wandlerübersetzungsverhältnis für oft

mehrere 100 ms

- Sehr langsame Einstrahlungs- und Temperaturdynamik (<< 1Hz)

Modell verlustfreier Wandler am Netz bzw. an fester Zwischenkreisspannung

𝑈2,𝑒𝑓𝑓 = 𝑞−1𝑈1

𝐼2,𝑒𝑓𝑓 = 𝑞𝐼1

𝐼2,𝑒𝑓𝑓𝑅𝑁 + 𝑈𝑁,𝑒𝑓𝑓 = 𝑈2,𝑒𝑓𝑓

𝑞 = −𝑈𝑁,𝑒𝑓𝑓 + 𝑈𝑁,𝑒𝑓𝑓2 + 4𝐼1𝑈1𝑅𝑁 2𝐼1𝑅𝑁





Wandlermodell und

Arbeitspunktübergang

- Abbildung der Kennlinienpunkte durch

interpolative Verfahren

- Bestimmung der neuen String- / Modul- /

Zellstring- / Zellenarbeitspunkte

Plausibilitätsanalyse für

Lichtbogen an Fehlerstelle

- Mindestspannung / -strom / -leistung an

Fehlerstelle

- Abschalten des Wechselrichters, falls

Feldspannung unter Mindesteingangsspannung





Fallbeispiele teilverschatteter

Solaranlagen

Serieller Störlichtbogen

Fallbsp.: 2 von 10 Modulen mit halber Einstrahlung

Passierung flacher Kennlinienbereiche durch MPP-

Tracking bei Suche nach globalem Leistungsmaximum:

Bei einsetzendem Lichtbogen kaum Spannungs- und

Stromveränderungen am Wechselrichtereingang

Impedanz der verschatteten Module bei aktiven

Bypassdioden im Wesentlichen durch Diodenimpedanz

vorgegeben






Solaranlagen

Störlichtbogen parallel zum Zellstring seriell zur aktiven

Bypassdiode bei negativer Zellstringspannung


Häufige thermische Wechselbelastung an Bypassdioden

schädigt Lötkontakte

Lichtbogen bei Stromfluss durch aktivierte Bypassdiode

eines verschatteten Zellstrings möglich






Solaranlagen

Störlichtbogen parallel zu einem Modul


Bei ungeerdeten Anlagen Überbrückung mehrerer Module

unwahrscheinlich, vorstellbar hingegen Überbrückung

eines Moduls durch Beschädigung der Anschlussdose

Bei gleichförmiger Einstrahlung nur instabile Lichtbögen

möglich, bei Verschattung der restlichen Module im String

(typischerweise durch partielle Schneebedeckung) aber

ausreichender Stromfluss für stabilen Lichtbogen

Störlichtbogen parallel zu einem Zellstring in

Gegenrichtung zur Bypassdiode

Bei handelsüblichen Si-Modulen auch bei

Teilverschattung nicht möglich

Ausblick




Ausblick

Zur Methodik der Lichtbogendetektion und -klassifizierung weiterhin sinnvoll / in Arbeit:

→ Verfeinerung von Wechselrichtermodellen

→ Verifikation von Teilverschattungsszenarien an PV-Anlage

→ Analyse von Kontaktkonstellationen bzgl. Auswirkung auf Lichtbogendynamik

→ Übertragung Methodik der Kennlinienmodellierung und Impedanzanalyse auf andere

Anwendungen mit verteilten Quellen (Batteriesysteme) bzw. mit unterschiedlichen Lasten

PV-Feuerwehrschalter mit Lichtbogensensor, E-T-A GmbH




Christian Strobl InnoLab - Innovation & Technologie E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH Industriestr. 2-8, D-90518 Altdorf 09187-10-563 0171-3335664 [email protected]

Vielen Dank!

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3. Photovoltaik Brandschutz- Workshop · - Crosstalk-Effekte (andere Strings) und externe Störungen Somit erforderlich: - Beherrschung eines weiten Bereiches von Arbeitspunkten (Spannung,