DC-Fehlerströme in Photovoltaikanlagen – Ursachen, Risiken und Schutzmaßnahmen

Gleichstrom in Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen erzeugen elektrische Energie in Form von Gleichstrom. Dieser Gleichstrom entsteht direkt in den PV-Modulen, wenn Sonnenlicht auf die Solarzellen trifft.

Die einzelnen Module werden zu sogenannten Strings zusammengeschaltet, wodurch sich die Spannung der Anlage erhöht. In modernen Photovoltaikanlagen können dabei Gleichspannungen von mehreren hundert Volt auftreten.

Damit der erzeugte Strom im Gebäude genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden kann, muss er anschließend in Wechselstrom umgewandelt werden. Diese Aufgabe übernimmt der Wechselrichter.

Durch diese Kombination aus Gleichstromerzeugung und elektronischer Umwandlung entstehen in Photovoltaikanlagen besondere elektrische Bedingungen, die auch das Verhalten von Fehlerströmen beeinflussen können.

Was sind DC-Fehlerströme?

Ein DC-Fehlerstrom ist ein Fehlerstrom, der dauerhaft in eine Richtung fließt. Anders als bei Wechselstrom ändert der Strom dabei nicht regelmäßig seine Richtung.

Solche Gleichfehlerströme können entstehen, wenn Strom über einen ungewollten Pfad abfließt, beispielsweise über geerdete Teile der Anlage oder über beschädigte Isolationen.

DC-Fehlerströme können beispielsweise entstehen durch:

• Isolationsfehler in Leitungen
• beschädigte Kabel
• defekte elektronische Bauteile
• Fehler in der Leistungselektronik
• Feuchtigkeit in elektrischen Verbindungen

In Photovoltaikanlagen können diese Fehlerströme sowohl auf der Gleichstromseite als auch indirekt auf der Wechselstromseite auftreten.

Unterschiede zwischen AC- und DC-Fehlerströmen

Der wichtigste Unterschied zwischen Wechselstrom- und Gleichstromfehlern liegt in der Stromrichtung.

Wechselstrom verändert seine Richtung regelmäßig. Dadurch entstehen periodische Stromverläufe.

Gleichstrom hingegen fließt dauerhaft in eine Richtung.

Diese Eigenschaft hat direkte Auswirkungen auf die Funktion von Schutzgeräten.

Fehlerstromschutzschalter arbeiten mit magnetischen Sensoren, die auf Differenzströme reagieren. Diese Sensoren sind ursprünglich für Wechselstrom ausgelegt.

Wenn Gleichstromanteile auftreten, kann dies das Verhalten der Schutzgeräte beeinflussen.

Ursachen für DC-Fehlerströme in PV-Anlagen

In Photovoltaikanlagen können DC-Fehlerströme durch verschiedene technische Ursachen entstehen.

Isolationsfehler in PV-Strings

Die Gleichstromleitungen zwischen PV-Modulen und Wechselrichter sind hohen Spannungen ausgesetzt. Beschädigte Isolationen können dazu führen, dass Strom gegen Erde abfließt.

Defekte Steckverbinder

Fehlerhafte oder schlecht montierte Steckverbindungen können ebenfalls Isolationsprobleme verursachen.

Fehler in der Leistungselektronik

Wechselrichter arbeiten mit komplexer Leistungselektronik. Defekte Bauteile oder Fehlfunktionen können Gleichstromanteile im Fehlerstrom erzeugen.

Feuchtigkeit in elektrischen Komponenten

Feuchtigkeit kann Isolationswiderstände verringern und damit Fehlerströme begünstigen.

Einfluss moderner Wechselrichtertechnologie

Moderne Wechselrichter arbeiten mit elektronischen Schaltelementen wie IGBTs oder MOSFETs.

Diese Leistungshalbleiter ermöglichen eine effiziente Umwandlung elektrischer Energie. Gleichzeitig können sie jedoch auch Stromformen erzeugen, die sich von klassischen Netzströmen unterscheiden.

Durch elektronische Schaltprozesse können beispielsweise entstehen:

• pulsierende Gleichströme
• hochfrequente Stromanteile
• Gleichstromanteile im Fehlerstrom

Diese Stromformen müssen bei der Planung des Fehlerstromschutzes berücksichtigt werden.

DC-Vormagnetisierung von FI-Schaltern

Ein wichtiger Effekt im Zusammenhang mit Gleichfehlerströmen ist die sogenannte DC-Vormagnetisierung.

Fehlerstromschutzschalter arbeiten mit einem Summenstromwandler. Dieser enthält einen magnetischen Kern, der auf Differenzströme reagiert.

Wenn Gleichstrom durch diesen Kern fließt, kann er magnetisch gesättigt werden.

Dieser Zustand wird als Vormagnetisierung bezeichnet.

Eine solche Vormagnetisierung kann dazu führen, dass der Fehlerstromschutzschalter weniger empfindlich auf Wechselstromfehler reagiert.

Im ungünstigsten Fall kann ein Fehlerstrom auftreten, ohne dass der Schutzschalter auslöst.

FI-Schalter und ihre Fehlerstromerkennung

Fehlerstromschutzschalter unterscheiden sich hinsichtlich der Fehlerstromarten, die sie erkennen können.

Ein FI Typ A erkennt:

• Wechselstromfehlerströme
• pulsierende Gleichfehlerströme

Ein FI Typ B erkennt zusätzlich:

• glatte Gleichfehlerströme
• hochfrequente Fehlerstromanteile

Diese erweiterten Eigenschaften machen den FI Typ B besonders geeignet für Anlagen mit Leistungselektronik.

Bedeutung von Gleichstrom-Überwachungssystemen

Viele moderne Wechselrichter verfügen über integrierte Überwachungssysteme für Gleichfehlerströme.

Diese Systeme erkennen Gleichstromanteile im Fehlerstrom und können den Wechselrichter automatisch abschalten.

Dadurch wird verhindert, dass gefährliche Gleichfehlerströme in das angeschlossene Stromnetz gelangen.

Wenn eine solche Überwachung vorhanden ist, kann unter Umständen ein FI-Schalter vom Typ A eingesetzt werden.

Die konkrete Auslegung hängt jedoch immer von den Herstellerangaben ab.

Schutzmaßnahmen gegen DC-Fehlerströme

Zur Vermeidung von Gleichfehlerströmen können verschiedene Maßnahmen eingesetzt werden.

Dazu gehören unter anderem:

• sorgfältige Installation der PV-Strings
• Verwendung geeigneter Steckverbinder
• regelmäßige Wartung der Anlage
• Einsatz geeigneter Fehlerstromschutzschalter
• Verwendung von Wechselrichtern mit integrierter Fehlerstromüberwachung

Diese Maßnahmen tragen dazu bei, das Risiko elektrischer Fehler zu reduzieren.

Normative Anforderungen

Die Planung und Installation von Photovoltaikanlagen erfolgt auf Grundlage verschiedener elektrotechnischer Normen.

Zu den wichtigsten gehören:

DIN VDE 0100-410
Schutz gegen elektrischen Schlag.

DIN VDE 0100-530
Auswahl und Errichtung von Schalt- und Schutzgeräten.

DIN VDE 0100-712
Elektrische Anlagen von Photovoltaik-Stromversorgungssystemen.

Diese Normen definieren grundlegende Anforderungen an Schutzmaßnahmen in elektrischen Anlagen.

Bedeutung für Installateure und Planer

Installateure und Planer müssen bei der Planung von Photovoltaikanlagen berücksichtigen, welche Fehlerstromarten auftreten können.

Besonders Anlagen mit moderner Leistungselektronik erfordern eine sorgfältige Auswahl der Schutzgeräte.

Dabei spielen mehrere Faktoren eine Rolle:

• Wechselrichtertechnologie
• Aufbau der Anlage
• mögliche Gleichfehlerströme
• Herstellerangaben

Eine fachgerechte Planung trägt wesentlich zur Sicherheit und Zuverlässigkeit der Anlage bei.

Fazit

DC-Fehlerströme können in Photovoltaikanlagen unter bestimmten Bedingungen auftreten.

Sie entstehen häufig durch Leistungselektronik, Isolationsfehler oder defekte Bauteile.

Da Gleichstrom das Verhalten von Fehlerstromschutzschaltern beeinflussen kann, müssen solche Fehlerströme bei der Planung von Schutzmaßnahmen berücksichtigt werden.

Die Auswahl geeigneter Schutzgeräte sowie die Beachtung der Herstellerangaben tragen wesentlich zur elektrischen Sicherheit der Anlage bei.

Weiterführende Informationen

Wenn Sie sich intensiver mit der Auswahl und Installation eines FI Typ B für Photovoltaik-Anlagen beschäftigen möchten, finden Sie hier weiterführende technische Informationen:

• FI Typ B bei PV-Anlagen – Normen, Wechselrichter und richtige Auswahl
• FI Typ B in PV-Anlagen – Schutzmaßnahmen nach DIN VDE 0100-712
• DC-Vormagnetisierung bei Wechselrichtern – warum FI-Schalter beeinflusst werden können
• Fehlerströme bei PV-Wechselrichtern – Ursachen und Auswirkungen
• Warum erzeugen Photovoltaikanlagen Fehlerströme? Technische Hintergründe