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Blitzschutz und Überspannungsschutz vonPhotovoltaik-Anlagen

2. Die Abmessungen des Gebäudes:Jedes Gebäude hat eine „Einfang-wirkung“ auf Blitzentladungen. Die-se ist nicht nur von der Grundflächedes Gebäudes abhängig, sondernentscheidend auch von dessenHöhe (Bild 2). Je höher das Gebäude,desto größer ist die äquivalente Ein-fangfläche und damit das Risiko,vom Blitz getroffen zu werden.

In Deutschland waren Ende2017 PV-Module mit einerNennleistung von 43 GW installiert, die sich auf etwa1,6 Millionen Anlagen vertei-len [1]. Lohnender Eigenver-brauch und das Streben nachUnabhängigkeit bei der Energieversorgung werdenPV-Anlagen künftig zu einemfesten Bestandteil der Elek-troinstallation von Wohn-und Zweckbauten machen.Sowohl bei der Nachrüstungvon PV-Anlagen auf beste-henden Gebäuden und derdamit verbundenen Integra-tion der PV-Anlage in die be-stehende elektrische Anlageals auch bei der Errichtungvon PV-Anlagen auf Neu-bauten sind die Aspekte derelektrischen Sicherheit unddes Brandschutzes zu beach-ten. Ein Teilaspekt dabei sindMaßnahmen zum Blitz- undÜberspannungsschutz.

Eine Gebäude-Blitzschutzanlage solldas betreffende Gebäude vor Brand(zündender Blitz) und/oder mecha-nischer Beschädigung (nicht zün-dender Blitz) bewahren. Das Risikofür ein Gebäude, vom Blitz getroffenzu werden, hängt von mehrerenFaktoren ab:

BlitzschutzmaßnahmenNotwendigkeit von

für Gebäude1. Die durchschnittliche jährliche Erd -blitzdichte:Die Erdblitzdichte in Deutschland istlokal unterschiedlich und zum größ-ten Teil von geografischen Bedin-gungen beeinflusst. Informationendazu können dem Beiblatt 1 der DINEN 62305-2 [2] entnommen werden(Bild 1).

Vorschriften und Maßnahmen

AUTOREN: DIPL.-ING. VEIKO RAAB, CHRISTIAN VÖGERL

Die Autoren dieses Beitrags:Dipl.-Ing. Veiko Raabist Leiter CustomerService Centerbei der DEHN +SÖHNE GmbH +Co. KG, Neumarkt.

Kontakt:Veiko.Raab@dehn.de

Christian Vögerlist Business Deve-lopment ManagerEnergy bei derDEHN + SÖHNEGmbH + Co. KG,Neumarkt.

Kontakt:Christian.Voegerl@dehn.de

Bild 1: Blitzdichte in Deutschland, Durchschnitt der Jahre 1999–2014 (Quelle: Blitz-Informations-Dienst von Siemens)

Dieser Beitrag erschien im s+s report Nummer 02.2018Herausgeber: VdS Schadenverhütung GmbH

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3. Die bauliche Umgebung des Ge -bäudes:Die Art der umgebenden Bebauungdes Gebäudes hat ebenfalls Einflussauf das Risiko, vom Blitz getroffenzu werden. Ein Gebäude in geschlos-sener Bebauung besitzt dabei eingeringeres Risiko, vom Blitz getrof-fen zu werden, als wenn ein gleiches Gebäude auf einem exponiertenPlatz (z. B. einer Bergkuppe) errich-tet wird.

Durch die Errichtung einer PV-Anla-ge auf einem Gebäude wird keinerder drei o. g. Einflussfaktoren so ver-ändert, dass eine Erhöhung des Ein-schlagrisikos für das Gebäude ein-tritt. Kommt es jedoch bei einem un-veränderten Einschlagrisiko für dasGebäude zu einem Blitzeinschlag indie PV-Anlage auf einem Gebäude,so besteht dadurch ein höheresSchadenrisiko für die elektrische An-lage und damit für das gesamte Ge-bäude als ohne PV-Anlage.

Dieses erhöhte Schadenrisiko ent-steht vor allem dadurch, dass derBlitzstrom unbeeinflusst seinenWeg durch die PV-Installationnimmt und dort Zerstörungen her-vorruft. Durch PV-Anlagen könnenalso schwerwiegende blitzbedingteStörungen in Gebäuden hervorge-rufen werden. Insbesondere bei ge-werblich genutzten Gebäuden istdeshalb das Schadenrisiko durchBlitzeinschlag entsprechend DIN EN62305-2 (VDE 0185-305-2) [3] zu er-mitteln. Die daraus abgeleitetenSchutzmaßnahmen sind bei der Er-richtung der PV-Anlage umzuset-zen. In der DIN EN 62305-3 (VDE0185-305-3) Beiblatt 5 [4] wird be-schrieben, dass ein Blitzschutzsy-stem, welches für Schutzklasse III(LPL III) ausgelegt ist, den normalen Anforderungen zumSchutz von PV-Anlagen entspricht.

Daneben führt der Gesamtverbandder Deutschen Versicherungswirt-schaft (GDV) in seiner VdS-Richt -linie 2010 „Risikoorientierter Blitz-und Überspannungsschutz“ [5] ent -sprechende Blitzschutzmaßnahmenauf. Auch hieraus ist für PV-Anlagen(> 10 kWp) auf Gebäuden der Ge-fährdungspegel LPL III anzusetzenund somit die Blitzschutzanlagenach Schutzklasse III zu errichten.

PV-Anlagen auf Gebäuden dürfenbereits vorhandene Blitzschutz-maßnahmen weder beeinträchti-gen noch unwirksam machen.

Mit dem Erscheinen der DIN VDE0100-443 (VDE 0100-443) [6] im Ok-tober 2016 ist Überspannungschutzin allen neu geplanten Gebäuden(auch Wohngebäuden) verpflich-tend. Der spezifische Überspan-nungsschutz von PV-Anlagen ist inDIN VDE 0100-712 (VDE 0100-712) [7]geregelt und verweist hinsichtlichder Verwendung von Überspan-nungsschutzeinrichtungen auf DINEN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5) [4].

Somit sind in PV-Anlagen auf derAC- und DC-Seite insbesondere zumSchutz des Wechselrichters sowie inSignal- und Kommunikationskreisen(falls vorhanden) Überspannungs-schutzmaßnahmen vorzusehen.

Hinsichtlich des Blitz- und Über-spannungsschutzkonzeptes von PV-Anlagen ergeben sich daher drei un-terschiedliche Szenarien:

1. PV-Anlage auf einem Gebäude oh-ne äußeren Blitzschutz. Dieser An-wendungsfall ist der Regelfall beider Errichtung von PV-Anlagen aufWohngebäuden und wird in der DINEN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5) [4] als Situation Abeschrieben.

maß nahmen für elektrischeÜberspannungsschutz -

Anlagen in Gebäuden

2. PV-Anlage auf einem Gebäude mitäußerem Blitzschutz, bei der dernotwendige räumliche Trennungs-abstand zwischen dem äußerenBlitzschutz und der PV-Anlage ein-gehalten ist.

Zur Vermeidung von unkontrollier-ten Überschlägen zwischen demäußeren Blitzschutz und den metal-lenen Montagesystemen der PV-Module im Falle eines Blitzeinschla-ges ist bei der Errichtung der beidenAnlagen ein Trennungsabstand ein-zuhalten. Dieser ist entsprechendder Vorgaben von DIN EN 62305-3(VDE 0185-305-3) [8] zu ermitteln.Dieser Anwendungsfall wird in derDIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt 5) [4] als Situation Bbeschrieben.

3. PV-Anlage auf einem Gebäude mitäußerem Blitzschutz, bei der dernotwendige räumliche Trennungs-abstand zwischen dem äußerenBlitzschutz und der PV-Anlage nichteingehalten ist.

Bild 2: ÄquivalenteEinfangflächeAD fur direkteBlitzeinschlägein eine freiste-hende baulicheAnlage (Quelle:DEHN + SÖHNE)

Bild 3: PV-Anlage aufGebäude ohneäußeren Blitz-schutz – Situation A(entsprechendBeiblatt 5 derDIN EN 62305-3)(Quelle: DEHN +SÖHNE)

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Aufgrund baulicher Gegebenheitenkann es vorkommen, dass der erfor-derliche Trennungsabstand zwischenPV-Anlage und Blitzschutz nicht ein-gehalten werden kann. Zur Vermei-dung unkontrollierter Überschlägezwischen dem äußeren Blitzschutzund den metallenen Montagesyste-men der PV-Module im Falle einesBlitzeinschlages ist deshalb hier einPotentialausgleich zwischen demäußeren Blitzschutz und den metal-lenen Montagesystemen der PV-An-lage herzustellen. Dieser Anwen-dungsfall wird in der DIN EN 62305-3 Beiblatt 5 (VDE 0185-305-3 Beiblatt5) [4] als Situation C beschrieben.

Lösungen zum Schutz der PV-Anla-ge und der elektrischen Anlage fürdiese drei Szenarien werden in dennachfolgenden Anwendungsbei-spielen beschrieben.

Für Wohngebäude wird durch bau-rechtliche Vorschriften in der Regelkein Blitzschutz gefordert. Das in

Gebäude ohne äußerenPV-Anlage auf einem

Blitzschutz

Bild 3 dargestellte Überspannungs-schutzkonzept umfasst deshalb nurden Schutz gegen Überspannun-gen, die durch die Blitzentladung in-duktiv in die PV-Anlage eingekop-pelt werden, sowie die Schutzmaß-nahmen nach DIN VDE 0100-443(VDE 0100-443) [6] zum Schutz vorÜberspannungen, die vom Versor-gungsnetz über den Hausanschlussauf die Verbraucheranlage einwir-ken und den Schutz vor Schaltüber-spannungen. Dieser wird durch dasmit (3) in Bild 3 bezeichnete Über-spannungsschutzgerät (SPD) sicher-gestellt.

Dieser zentrale Überspannungs-schutz (Bild 4) kann bei Einhaltungder Anforderungen der VDN-Richtli-nie [9] im Hauptstromversorgungs-system, d. h. im Vorzählerbereichder Verbraucheranlage installiertwerden. Ist die Leitungslänge l2 zwi-schen dem Einbauort des SPD (3)und dem Wechselrichter der PV-An-lage größer als 10 m, so ist am AC-Ausgang des Wechselrichters einSPD Typ 2 nach DIN EN 61643-11 [10]vorzusehen. Dieses SPD Typ 2 ist inBild 3 mit (2) gekennzeichnet. Ein

entsprechendes Gerät ist in Bild 5gezeigt.

Grundlegender Bestandteil desSchutzkonzeptes nach Bild 3 ist dasSPD (1) zum Einsatz im DC-Strom-kreis. Bei einer Kabellänge l1 vonmehr als 10 m wird das Konzeptdurch ein weiteres SPD (1) ergänzt,welches in Bild 6 dargestellt ist.

Betrachten wir eine PV-Anlage aufeinem Gebäude mit äußerem Blitz-schutz, bei der der notwendige räumliche Trennungsabstand zwi-schen dem äußeren Blitzschutz undder PV-Anlage eingehalten ist.

Das Schutzkonzept in dieser Anla-genkonfiguration (Bild 7) ist vomPrinzip her gleich aufgebaut wie beieiner PV-Anlage auf einem Gebäudeohne Blitzschutz (Bild 3). Der Haupt-unterschied besteht jedoch in dernotwendigen Leistungsfähigkeit desSPD (3). Da in dieser Anlagenkonfi-guration mit dem Auftreten vonBlitzströmen zu rechnen ist, mussein Typ-1-SPD (3) eine Blitzstrom-tragfähigkeit entsprechend der ge-wählten Blitzschutzklasse der Blitz-schutzanlage aufweisen. Für dieBlitzschutzklasse III besteht hier dieForderung nach einem Mindestab -leitvermögen von 12,5 kA (10/350 µs)pro Pol bei einem vierpoligen Gerät.

Anders bei einer PV-Anlage auf ei-nem Gebäude mit äußerem Blitz-schutz, bei der der notwendige räumliche Trennungsabstand zwi-schen dem äußeren Blitzschutz undder PV-Anlage nicht eingehalten ist.

Trennungsabstandist eingehalten

Trennungsabstandist nicht eingehalten

v. l. n. r.:Bild 4:

AnwendungDEHN shield ZP

Basic im Zähler-platz

Bild 5: Überspan-

nungsschutz-gerät SPD Typ 2zum Schutz der

AC-Seite desWechselrichters

Bild 6: Überspan-

nungsschutz-gerät SPD Typ 2zum Schutz der

DC-Seite desWechselrichters(Quelle: DEHN +

SÖHNE)

Bild 7: PV-Anlage auf

Gebäude mitäußerem Blitz-

schutz unterEinhaltung des

Trennungs-abstands – Situation B

(entsprechendBeiblatt 5 der

DIN EN 62305-3)(Quelle: DEHN +

SÖHNE)

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Das grundlegende Schutzkonzept indieser Konfiguration (Bild 8) ist mitden bisher beschriebenen vergleich-bar. Der Hauptunterschied bestehthier jedoch darin, dass alle in diesemKonzept verwendeten SPDs eineBlitzstromtragfähigkeit mit Prüf-strömen der Wellenform 10/350 µsnachweisen müssen. Das liegt darinbegründet, dass durch den Potenti-alausgleich zwischen der Blitz-schutzanlage und den PV-Modulge-stellen auf der Dachfläche zwangs-läufig auch ein Teil des Blitzstromesim Inneren des Gebäudes fließt.Deshalb müssen die verwendetenSPDs in dieser Anwendung in jedemFall blitzstromtauglich sein. EineAusführung des SPD (1) ist in Bild 9gezeigt. Eine blitzstromtragfähigeAusfüh rung für SPD (2) in Bild 8 zeigtBild 10.

Die Bedeutung der dezentralen Ener -gieerzeugung durch PV-Anlagenwird weiter zunehmen. Ein stabilerund sicherer Betrieb dieser Anlagenist damit essenziell für eine stabileEnergieversorgung. Schutzkonzep-te für PV-Anlagen gegen Blitzströ-me und Überspannungen sind be-reits heute vorhanden und umsetz-bar. Damit kann ein wertvollerBeitrag zur Versorgungssicherheitvon PV-Anlagen geleistet werden.

[1] Aktuelle Fakten zur Photovol-taik in Deutschland, Fraunhofer-Institut für SolareEnergiesysteme ISE, Fassungvom 21.02.2018, Aktuelle Fassung abrufbar unterwww.pv-fakten.de

[2] DIN EN 62305-2 Beiblatt 1:2013-02; VDE 0185-305-2 Beiblatt1:2013-02 Blitzschutz – Teil 2: Risiko-Ma-nagement – Beiblatt 1: Blitzge-fährdung in Deutschland

[3] DIN EN 62305-2:2013-02; VDE0185-305-2:2013-02 Blitzschutz – Teil 2: Risiko-Ma-nagement (IEC 62305-2:2010,modifiziert); Deutsche FassungEN 62305-2:2012

[4] DIN EN 62305-3 Beiblatt 5:2014-02; VDE 0185-305-3 Beiblatt5:2014-02

Fazit

Literatur

Blitzschutz – Teil 3: Schutz vonbaulichen Anlagen und Perso-nen; Beiblatt 5: Blitz- und Über-spannungsschutz für PV-Stromversorgungssysteme

[5] Risikoorientierter Blitz- und Überspannungsschutz, VdS 2010 : 2015-04Publikation der deutschen Ver-sicherer (GDV e. V.) zur Scha-denverhütung

[6] DIN VDE 0100-443; VDE 0100-443:2016-10 Errichten von Niederspan-nungsanlagen – Teil 4-44:Schutzmaßnahmen – Schutzbei Störspannungen und elek-tromagnetischen Störgrößen –Abschnitt 443: Schutz bei tran-sienten Überspannungen infol-ge atmosphärischer Einflüsseoder von Schaltvorgängen

[7] DIN VDE 0100-712:2016-10; VDE 0100-712:2016-10Errichten von Niederspan-nungsanlagen – Teil 7-712: Anforderungen für Betriebs-stätten, Räume und Anlagenbesonderer Art – Photovoltaik-(PV)-Stromversorgungssyste-me; Deutsche Übernahme HD 60364-7-712:2016

[8] DIN EN 62305-3:2011-10; VDE 0185-305-3:2011-10Blitzschutz – Teil 3: Schutz vonbaulichen Anlagen und Perso-nen (IEC 62305-3:2010, modifi-ziert); Deutsche Fassung EN 62305-3:2011

[9] Überspannungs-Schutzein -richtungen Typ 1Richtlinie für den Einsatz vonÜberspannungs-Schutzeinrich-

tungen (ÜSE) Typ 1 (bisher An-forderungsklasse B) in Haupt-stromversorgungssystemenVerband der Netzbetreiber, 2. Auflage 2004

[10]DIN EN 61643-11:2013-04; VDE 0675-6-11:2013-04Überspannungsschutzgerätefür Niederspannung – Teil 11:Überspannungsschutzgerätefür den Einsatz in Niederspan-nungsanlagen – Anforderun-gen und Prüfungen (IEC 61643-11:2011, modifiziert); DeutscheFassung EN 61643-11:2012

Bild 8: PV-Anlage aufGebäude mitäußerem Blitz-schutz ohneEinhaltung desTrennungsab-stands – Situation C(entsprechendBeiblatt 5 derDIN EN 62305-3)(Quelle: DEHN +SÖHNE)

Bild 9: Blitzstromtrag-fähiges SPD Typ1 zum Schutzder DC-Seite desWechselrichtersbei nicht einge-haltenem Tren-nungsabstandzwischen Blitz-schutzanlageund PV-System

Bild 10: Blitzstromtrag-fähiges SPD Typ1 zum Schutzder AC-Seite desWechselrichtersbei nicht einge-haltenem Tren-nungsabstandzwischen Blitz-schutzanlageund PV-System(Quelle: DEHN +SÖHNE)

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