DC-Vormagnetisierung bei Wechselrichtern – warum FI-Schalter beeinflusst werden könne

Fehlerströme in elektrischen Anlagen

In elektrischen Installationen können unterschiedliche Arten von Fehlerströmen auftreten. Diese entstehen beispielsweise durch Isolationsfehler, beschädigte Leitungen oder Fehler in elektrischen Geräten.

Ein Fehlerstrom liegt vor, wenn Strom nicht über den vorgesehenen Rückleiter zurückfließt, sondern einen anderen Weg nimmt, beispielsweise über das Gehäuse eines Geräts oder über den Schutzleiter.

Fehlerstromschutzschalter überwachen kontinuierlich die Ströme in einem Stromkreis. Sobald eine Differenz zwischen Hin- und Rückstrom erkannt wird, schaltet der Schutzschalter den Stromkreis ab.

In klassischen Haushaltsinstallationen treten überwiegend Wechselstromfehlerströme auf. Moderne elektronische Geräte können jedoch komplexere Fehlerstromformen erzeugen.

Besonders in Anlagen mit Leistungselektronik – wie Photovoltaikanlagen – können auch Gleichstromanteile im Fehlerstrom auftreten.

Rolle von Wechselrichtern in Photovoltaikanlagen

Der Wechselrichter ist das zentrale Element einer Photovoltaikanlage.

Photovoltaikmodule erzeugen Gleichstrom. Dieser kann jedoch nicht direkt in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden, da dort Wechselstrom verwendet wird. Der Wechselrichter übernimmt daher die Aufgabe, den erzeugten Gleichstrom in netzkonformen Wechselstrom umzuwandeln.

Moderne Wechselrichter arbeiten mit Leistungshalbleitern, beispielsweise:

• IGBTs
• MOSFETs
• Gleichrichterstufen

Diese Bauteile ermöglichen eine sehr effiziente Energieumwandlung. Gleichzeitig können sie jedoch auch Einfluss auf das Fehlerstromverhalten der Anlage haben.

Durch elektronische Schaltvorgänge können unter bestimmten Bedingungen Gleichstromanteile entstehen, die in den Schutzleiter oder andere leitfähige Teile der Anlage fließen.

Entstehung von Gleichfehlerströmen

Gleichfehlerströme können in Photovoltaikanlagen auf verschiedene Weise entstehen.

Mögliche Ursachen sind:

• Fehler in der Leistungselektronik
• Isolationsfehler im Wechselrichter
• Defekte Bauteile
• Fehler in der DC-Seite der Anlage

Auch bestimmte Betriebszustände der Leistungselektronik können Gleichstromanteile erzeugen.

Diese Gleichströme unterscheiden sich deutlich von den Fehlerstromformen, die in klassischen Haushaltsinstallationen auftreten.

Während Wechselstromfehler periodisch ihre Richtung ändern, bleibt ein Gleichstrom konstant in einer Richtung bestehen.

Diese Eigenschaft hat Auswirkungen auf das Verhalten von Fehlerstromschutzschaltern.

Funktionsprinzip von FI-Schaltern

Fehlerstromschutzschalter arbeiten mit einem sogenannten Summenstromwandler.

Alle Leiter eines Stromkreises – Außenleiter und Neutralleiter – werden gemeinsam durch diesen Wandler geführt. Unter normalen Betriebsbedingungen ist die Summe der Ströme null.

Wenn ein Fehlerstrom auftritt, entsteht eine Differenz zwischen den Strömen. Diese Differenz erzeugt ein magnetisches Feld im Summenstromwandler.

Sobald dieses Feld einen bestimmten Grenzwert überschreitet, löst der Fehlerstromschutzschalter aus und trennt den Stromkreis.

Dieses Prinzip funktioniert sehr zuverlässig bei Wechselstromfehlern.

Bei Gleichstromanteilen kann jedoch ein besonderer Effekt auftreten.

Was ist DC-Vormagnetisierung?

DC-Vormagnetisierung beschreibt einen Zustand, bei dem ein Gleichstromanteil den magnetischen Kern des Summenstromwandlers beeinflusst.

Wenn Gleichstrom durch den Wandler fließt, kann der magnetische Kern in eine bestimmte Richtung magnetisiert werden. Dieser Zustand wird als magnetische Sättigung bezeichnet.

Ein gesättigter Kern reagiert weniger empfindlich auf zusätzliche magnetische Felder.

Das bedeutet, dass der Fehlerstromschutzschalter möglicherweise weniger empfindlich auf Wechselstromfehler reagiert.

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

Dieser Effekt ist der Grund, warum Gleichfehlerströme in elektrischen Anlagen besonders berücksichtigt werden müssen.

Auswirkungen auf FI Typ A

FI-Schalter vom Typ A sind für Wechselstromfehlerströme und pulsierende Gleichfehlerströme ausgelegt.

Sie sind jedoch nicht dafür konzipiert, glatte Gleichfehlerströme zu erkennen.

Wenn ein solcher Gleichstromanteil auftritt, kann der Summenstromwandler magnetisch beeinflusst werden. Dadurch kann die Empfindlichkeit des Geräts gegenüber Wechselstromfehlern reduziert werden.

Dieser Effekt ist genau der Hintergrund der DC-Vormagnetisierung.

Aus diesem Grund müssen Anlagen mit möglicher Gleichstromerzeugung besonders betrachtet werden.

FI Typ B als Lösung

Fehlerstromschutzschalter vom Typ B sind speziell dafür entwickelt worden, auch Gleichfehlerströme zuverlässig zu erkennen.

Sie verfügen über eine zusätzliche elektronische Auswertung der Ströme und können daher verschiedene Fehlerstromformen erkennen:

• Wechselstromfehler
• pulsierende Gleichfehlerströme
• glatte Gleichfehlerströme
• hochfrequente Fehlerstromanteile

Dadurch können sie auch in Anlagen mit Leistungselektronik zuverlässig arbeiten.

FI Typ B wird daher häufig eingesetzt in:

• Photovoltaikanlagen
• Frequenzumrichtern
• industriellen Maschinen
• Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge

Wechselrichter mit integrierter Fehlerstromüberwachung

Viele moderne Wechselrichter besitzen bereits integrierte Schutzfunktionen.

Eine wichtige Funktion ist die Gleichstrom-Fehlerstromüberwachung.

Diese erkennt Gleichfehlerströme und kann den Wechselrichter abschalten, bevor gefährliche Zustände entstehen.

Wenn ein Wechselrichter über eine solche Überwachung verfügt, kann unter Umständen ein FI-Schalter vom Typ A eingesetzt werden.

Die konkrete Auslegung hängt jedoch immer von den Herstellerangaben und den normativen Anforderungen ab.

Bedeutung für Planung und Installation

Bei der Planung von Photovoltaikanlagen muss geprüft werden, welche Fehlerstromformen auftreten können.

Dabei spielen mehrere Faktoren eine Rolle:

• Wechselrichtertechnologie
• Herstellerangaben
• Aufbau der Anlage
• vorhandene Schutzmaßnahmen

Installateure müssen sicherstellen, dass die eingesetzten Schutzgeräte für die möglichen Fehlerstromformen geeignet sind.

Eine sorgfältige Planung trägt wesentlich zur elektrischen Sicherheit der Anlage bei.

Fazit

DC-Vormagnetisierung ist ein wichtiger Effekt, der bei Anlagen mit Leistungselektronik auftreten kann.

Gleichfehlerströme können den magnetischen Kern eines Fehlerstromschutzschalters beeinflussen und seine Empfindlichkeit gegenüber Wechselstromfehlern reduzieren.

Aus diesem Grund müssen Photovoltaikanlagen hinsichtlich möglicher Gleichfehlerströme sorgfältig betrachtet werden.

In Anlagen mit entsprechender Leistungselektronik kann der Einsatz eines FI Typ B erforderlich sein, um einen zuverlässigen Fehlerstromschutz sicherzustellen.

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
• Fehlerströme bei PV-Wechselrichtern – Ursachen und Auswirkungen
• DC-Fehlerströme in Photovoltaikanlagen – Ursachen, Risiken und Schutzmaßnahmen
• Ableitstrom bei PV-Wechselrichtern – Ursachen und Auswirkungen