Warum erzeugen Photovoltaikanlagen Fehlerströme? Technische Hintergründe

Elektrische Energie in Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen erzeugen elektrische Energie aus Sonnenlicht. Die Solarmodule wandeln die Strahlungsenergie der Sonne in elektrischen Gleichstrom um.

Dieser Gleichstrom wird über DC-Leitungen zum Wechselrichter geführt. Der Wechselrichter wandelt die elektrische Energie anschließend in Wechselstrom um.

Der erzeugte Wechselstrom kann dann:

• im Gebäude genutzt werden
• in Batteriespeichern gespeichert werden
• in das öffentliche Stromnetz eingespeist werden

Damit dieser Prozess sicher funktioniert, müssen verschiedene Schutzmaßnahmen innerhalb der elektrischen Installation vorhanden sein.

Eine wichtige Rolle spielt dabei der Fehlerstromschutz.

Was ist ein Fehlerstrom?

Ein Fehlerstrom entsteht, wenn ein Teil des elektrischen Stroms nicht über den vorgesehenen Stromkreis zurückfließt.

Normalerweise fließt der Strom:

Phase → Verbraucher → Neutralleiter → zurück zur Stromquelle.

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

Dieser unerwünschte Stromfluss wird als Fehlerstrom bezeichnet.

Fehlerströme können beispielsweise über folgende Wege auftreten:

• über geerdete Bauteile
• über Metallgehäuse
• über feuchte Materialien
• über beschädigte Isolierungen

Fehlerstromschutzschalter

Fehlerstromschutzschalter überwachen den Stromfluss in einem Stromkreis.

Sie vergleichen den Strom, der über die Phase fließt, mit dem Strom, der über den Neutralleiter zurückkehrt.

Wenn eine Differenz entsteht, erkennt der Fehlerstromschutzschalter diese Abweichung.

In diesem Fall wird der Stromkreis automatisch abgeschaltet.

Diese Schutzmaßnahme schützt Personen vor gefährlichen Stromunfällen.

Besonderheiten von Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen unterscheiden sich in einigen Punkten von klassischen elektrischen Anlagen.

Eine wichtige Besonderheit besteht darin, dass Photovoltaikanlagen zunächst Gleichstrom erzeugen.

Dieser Gleichstrom wird anschließend durch einen Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt.

Die dafür benötigte Leistungselektronik kann verschiedene elektrische Effekte verursachen, die in klassischen Installationen weniger stark auftreten.

Leistungselektronik im Wechselrichter

Wechselrichter enthalten elektronische Bauteile, die elektrische Energie mit hoher Effizienz umwandeln können.

Zu diesen Bauteilen gehören beispielsweise:

• Leistungshalbleiter
• elektronische Schalter
• Gleichrichterstufen
• Filterschaltungen

Diese Bauteile arbeiten mit schnellen Schaltvorgängen, um den Gleichstrom der Solarmodule in Wechselstrom umzuwandeln.

Durch diese Schaltprozesse können unter bestimmten Bedingungen auch Fehlerströme entstehen.

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.

Diese Ströme können beispielsweise entstehen durch:

• kapazitive Kopplungen zwischen Leitungen
• Filterschaltungen im Wechselrichter
• parasitäre Kapazitäten der Solarmodule

Solche Ableitströme sind in vielen elektronischen Geräten vorhanden und grundsätzlich normal.

Kapazitive Effekte der Solarmodule

Photovoltaikmodule besitzen eine elektrische Kapazität gegenüber Erde.

Wenn elektronische Bauteile im Wechselrichter schnell schalten, können über diese Kapazitäten kleine Ströme fließen.

Dieser Effekt tritt besonders bei großen Photovoltaikanlagen auf, da die Gesamtfläche der Module sehr groß ist.

Je größer die Anlage, desto stärker können solche kapazitiven Effekte werden.

Gleichfehlerströme

Neben klassischen Ableitströmen können in Photovoltaikanlagen auch Gleichfehlerströme auftreten.

Diese können beispielsweise entstehen durch:

• Fehler in der Leistungselektronik
• beschädigte 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 spielt besonders in Anlagen mit moderner Leistungselektronik eine Rolle.

Einfluss der Wechselrichtertechnologie

Die Art des eingesetzten Wechselrichters hat einen großen Einfluss auf das Verhalten der Anlage.

Moderne Wechselrichter verfügen häufig über integrierte Schutzfunktionen.

Diese Systeme können mögliche Gleichfehlerströme erkennen und den Wechselrichter automatisch abschalten.

Dadurch wird verhindert, dass gefährliche Fehlerströme in das elektrische Netz gelangen.

Bedeutung der Herstellerangaben

Bei der Planung einer Photovoltaikanlage spielen die Herstellerangaben der eingesetzten Geräte eine wichtige Rolle.

Installateure sollten insbesondere prüfen:

• mögliche Ableitströme des Wechselrichters
• mögliche Gleichfehlerströme
• empfohlene Schutzgeräte

Diese Angaben helfen dabei, eine sichere und normgerechte Installation zu gewährleisten.

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.

Fazit

Photovoltaikanlagen können aus verschiedenen Gründen Fehlerströme erzeugen. Dazu gehören kapazitive Effekte der Module, Ableitströme der Leistungselektronik sowie mögliche Gleichfehlerströme.

Diese Effekte sind eine Folge der elektronischen Energieumwandlung innerhalb des Wechselrichters.

Bei der Planung und Installation von Photovoltaikanlagen müssen diese technischen Eigenschaften berücksichtigt werden, um eine sichere und zuverlässige elektrische Installation zu gewährleisten.

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-Fehlerströme in Photovoltaikanlagen – Ursachen, Risiken und Schutzmaßnahmen
• Ableitstrom bei PV-Wechselrichtern – Ursachen und Auswirkungen
• Fehlerstromschutz in Photovoltaikanlagen – Grundlagen, Technik und Schutzkonzepte