Fehlerstromschutz in Photovoltaikanlagen – Grundlagen, Technik und Schutzkonzepte

Bedeutung des Fehlerstromschutzes

Der Fehlerstromschutz gehört zu den wichtigsten Sicherheitsmaßnahmen in elektrischen Anlagen. Er schützt Menschen vor gefährlichen Stromunfällen und reduziert gleichzeitig das Risiko elektrischer Brände.

Fehlerstromschutzschalter überwachen kontinuierlich den Stromfluss innerhalb eines Stromkreises. Dabei wird überprüft, ob der Strom über die vorgesehenen Leiter zurückfließt.

In einem fehlerfreien Stromkreis ist der Strom, der über die Phase fließt, identisch mit dem Strom, der über den Neutralleiter zurückkehrt.

Wenn ein Teil des Stroms über einen anderen Weg abfließt, entsteht eine Differenz zwischen Hin- und Rückstrom.

Ein Fehlerstromschutzschalter erkennt diese Differenz und schaltet den Stromkreis automatisch ab.

Aufbau einer Photovoltaikanlage

Photovoltaikanlagen bestehen aus mehreren technischen Komponenten, die zusammenarbeiten, um elektrische Energie aus Sonnenlicht zu erzeugen.

Zu den wichtigsten Bestandteilen gehören:

• Photovoltaikmodule
• DC-Verkabelung
• Wechselrichter
• AC-Anschluss an das Hausnetz
• Schutz- und Schaltgeräte

Die Solarmodule erzeugen Gleichstrom. Dieser Strom wird über DC-Leitungen zum Wechselrichter geführt.

Der Wechselrichter wandelt den Gleichstrom anschließend in Wechselstrom um.

Dieser Wechselstrom kann im Gebäude genutzt oder in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

Fehlerstromarten in elektrischen Anlagen

In elektrischen Anlagen können verschiedene Arten von Fehlerströmen auftreten.

Zu den wichtigsten gehören:

• Wechselstromfehlerströme
• pulsierende Gleichfehlerströme
• glatte Gleichfehlerströme
• hochfrequente Fehlerstromanteile

Die Art der möglichen Fehlerströme spielt eine wichtige Rolle bei der Auswahl geeigneter Schutzgeräte.

Besonderheiten von Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen unterscheiden sich in einigen Punkten von klassischen elektrischen Installationen.

Ein wichtiger Unterschied besteht darin, dass Photovoltaikanlagen zunächst Gleichstrom erzeugen.

Dieser Gleichstrom wird im Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt.

Die dafür verwendete Leistungselektronik kann unterschiedliche Fehlerstromformen erzeugen.

Diese Effekte müssen bei der Planung des Fehlerstromschutzes berücksichtigt werden.

Leistungselektronik im Wechselrichter

Der Wechselrichter ist eine zentrale Komponente jeder Photovoltaikanlage.

Er enthält elektronische Bauteile zur Energieumwandlung.

Zu diesen Bauteilen gehören beispielsweise:

• Leistungshalbleiter
• elektronische Schalter
• Gleichrichterstufen
• Filterschaltungen

Diese Bauteile arbeiten mit schnellen Schaltvorgängen.

Durch diese Prozesse können unter bestimmten Bedingungen elektrische Nebeneffekte entstehen.

Dazu gehören beispielsweise Ableitströme oder Gleichfehlerströme.

Ableitströme in Photovoltaikanlagen

Ein häufiger Effekt in elektrischen Anlagen sind sogenannte Ableitströme.

Dabei handelt es sich um kleine elektrische Ströme, die über alternative Wege abfließen.

Solche Ströme können beispielsweise entstehen durch:

• kapazitive Effekte der Solarmodule
• Filterschaltungen im Wechselrichter
• parasitäre Kapazitäten der Leitungen

Ableitströme sind grundsätzlich normal und treten in vielen elektronischen Geräten auf.

Wenn jedoch mehrere Geräte gleichzeitig Ableitströme erzeugen, kann ihre Summe einen Fehlerstromschutzschalter auslösen.

Gleichfehlerströme

Neben klassischen Ableitströmen können in Photovoltaikanlagen auch Gleichfehlerströme auftreten.

Diese können beispielsweise entstehen durch:

• Fehler in der Leistungselektronik
• defekte elektronische Bauteile
• Isolationsprobleme in der Anlage

Gleichstrom unterscheidet sich von Wechselstrom dadurch, dass er dauerhaft in eine Richtung fließt.

Diese Eigenschaft kann das Verhalten von Fehlerstromschutzschaltern beeinflussen.

DC-Vormagnetisierung

Wenn Gleichstrom durch den Summenstromwandler eines Fehlerstromschutzschalters fließt, kann der magnetische Kern beeinflusst werden.

Dieser Effekt wird als DC-Vormagnetisierung bezeichnet.

Der magnetische Kern kann dabei teilweise gesättigt werden.

In diesem Zustand reagiert der Fehlerstromschutzschalter weniger empfindlich auf Wechselstromfehler.

Dieser Effekt ist einer der Gründe, warum in Anlagen mit moderner Leistungselektronik spezielle Fehlerstromschutzschalter eingesetzt werden.

Unterschiedliche FI-Schaltertypen

Fehlerstromschutzschalter werden nach den Fehlerstromarten unterschieden, die sie erkennen können.

FI Typ AC

Er erkennt ausschließlich Wechselstromfehlerströme.

Dieser Typ wird heute in modernen Installationen nur noch selten eingesetzt.

FI Typ A

Er erkennt:

• Wechselstromfehlerströme
• pulsierende Gleichfehlerströme

Dieser FI-Typ wird häufig in Haushaltsinstallationen eingesetzt.

FI Typ F

Der FI Typ F ist eine Weiterentwicklung des FI Typ A.

Er erkennt zusätzlich bestimmte Fehlerströme mit höheren Frequenzen.

FI Typ B

Der FI Typ B erkennt:

• Wechselstromfehlerströme
• pulsierende Gleichfehlerströme
• glatte Gleichfehlerströme
• hochfrequente Fehlerstromanteile

Diese Eigenschaften machen ihn besonders geeignet für Anlagen mit moderner Leistungselektronik.

Einsatzbereiche von FI Typ B

FI Typ B wird häufig in Anlagen eingesetzt, in denen Gleichfehlerströme auftreten können.

Typische Anwendungen sind:

• Photovoltaikanlagen
• Wechselrichter
• Batteriespeicher
• Ladeeinrichtungen für Elektrofahrzeuge

In solchen Anlagen müssen Schutzgeräte eingesetzt werden, die verschiedene Fehlerstromformen erkennen können.

Bedeutung der Herstellerangaben

Die Installationsanleitungen von Wechselrichtern enthalten häufig Hinweise zur Auswahl geeigneter Schutzgeräte.

Installateure sollten daher prüfen:

• mögliche Gleichfehlerströme
• maximale Ableitströme
• empfohlene Schutzgeräte

Diese Angaben sind eine wichtige Grundlage für eine sichere Installation.

Normative Anforderungen

Die 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.

Planung des Fehlerstromschutzes

Bei der Planung von Photovoltaikanlagen müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden.

Dazu gehören:

• Wechselrichtertechnologie
• mögliche Gleichfehlerströme
• Aufbau der elektrischen Installation
• Herstellerangaben

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

Fazit

Der Fehlerstromschutz ist ein zentraler Bestandteil der elektrischen Sicherheit in Photovoltaikanlagen.

Durch moderne Leistungselektronik können verschiedene Fehlerstromformen auftreten, die bei der Planung der Schutzmaßnahmen berücksichtigt werden müssen.

Die Auswahl geeigneter Fehlerstromschutzschalter sollte daher immer auf Grundlage der technischen Eigenschaften der Anlage sowie der Herstellerangaben erfolgen.

Eine fachgerechte Planung und Installation trägt wesentlich zu einem sicheren und zuverlässigen Betrieb 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
• Unterschied FI Typ B und Typ B+ – Fehlerstromschutz in Photovoltaikanlagen
• Warum erzeugen Photovoltaikanlagen Fehlerströme? Technische Hintergründe
• Funktionsweise eines FI Typ B – Fehlerstromschutz in Photovoltaikanlagen