Blitze sind eine häufige Ursache für Ausfälle in Photovoltaik- (PV) und Windkraftanlagen.Eine schädliche Überspannung kann durch Blitze entstehen, die in großer Entfernung vom System oder sogar zwischen Wolken einschlagen.Die meisten Blitzschäden sind jedoch vermeidbar.Hier sind einige der kostengünstigsten Techniken, die aufgrund jahrzehntelanger Erfahrung allgemein von Installateuren von Energiesystemen akzeptiert werden.Befolgen Sie diese Ratschläge und Sie haben sehr gute Chancen, Blitzschäden an Ihrem System für erneuerbare Energien (EE) zu vermeiden.
Bleiben Sie auf dem Boden
Die Erdung ist die grundlegendste Technik zum Schutz vor Blitzschäden.Sie können einen Blitzstoß nicht stoppen, aber Sie können ihm einen direkten Weg zur Erde geben, der Ihre wertvolle Ausrüstung umgeht und den Stoß sicher in die Erde ableitet.Ein elektrischer Weg zur Erde leitet ständig statische Elektrizität ab, die sich in einer oberirdischen Struktur ansammelt.Oft wird dadurch die Anziehungskraft von Blitzen überhaupt erst verhindert.
Blitzableiter und Überspannungsschutz dienen dem Schutz elektronischer Geräte durch die Absorption elektrischer Überspannungen.Diese Geräte sind jedoch kein Ersatz für eine gute Erdung.Sie funktionieren nur in Verbindung mit einer wirksamen Erdung.Das Erdungssystem ist ein wichtiger Bestandteil Ihrer Verkabelungsinfrastruktur.Installieren Sie es vor oder während der Installation der Stromkabel.Andernfalls kann es sein, dass diese wichtige Komponente, sobald das System funktioniert, nie auf der „To-do“-Liste abgehakt wird.
Der erste Schritt bei der Erdung besteht darin, einen Entladungspfad zur Erde zu schaffen, indem alle metallischen Strukturkomponenten und elektrischen Gehäuse, wie z. B. PV-Modulrahmen, Montagegestelle und Windgeneratortürme, miteinander verbunden (verbunden) werden.Der National Electrical Code (NEC), Artikel 250 und Artikel 690.41 bis 690.47 legen normkonforme Drahtgrößen, Materialien und Techniken fest.Vermeiden Sie scharfe Biegungen in den Erdungskabeln – starke Stromstöße biegen nicht gerne um enge Kurven und können leicht auf nahegelegene Kabel überspringen.Achten Sie besonders auf die Befestigung von Kupferdrähten an Strukturelementen aus Aluminium (insbesondere an den PV-Modulrahmen).Verwenden Sie Steckverbinder mit der Aufschrift „AL/CU“ und Edelstahlbefestigungen, um die Korrosionsgefahr zu verringern.An dieses Erdungssystem werden auch die Erdungskabel der Gleich- und Wechselstromkreise angeschlossen.(Weitere Ratschläge finden Sie in den Code Corner-Artikeln zur PV-Array-Erdung in HP102 und HP103.)
Erdungsstangen
Der schwächste Aspekt vieler Installationen ist die Verbindung zur Erde.Schließlich kann man nicht einfach einen Draht an den Planeten schrauben!Stattdessen müssen Sie einen Stab aus leitfähigem, nicht korrosivem Metall (im Allgemeinen Kupfer) in den Boden vergraben oder einschlagen und sicherstellen, dass der größte Teil seiner Oberfläche Kontakt mit leitfähigem (d. h. feuchtem) Boden hat.Auf diese Weise können die Elektronen mit minimalem Widerstand in den Boden abfließen, wenn statische Elektrizität oder eine Überspannung durch die Leitung gelangt.
Ähnlich wie ein Drain-Feld Wasser ableitet, wirkt die Erdung auf die Ableitung von Elektronen.Wenn ein Abflussrohr nicht ausreichend in den Boden abfließt, kommt es zu Rückstaus.Wenn die Elektronen zurückfließen, springen sie über die Lücke (und bilden einen Lichtbogen) zu Ihrer Stromverkabelung, durch Ihre Ausrüstung und erst dann zur Erde.
Um dies zu verhindern, installieren Sie einen oder mehrere 8 Fuß lange (2,4 m) und 5/8 Zoll (16 mm) verkupferte Erdungsstäbe, vorzugsweise in feuchter Erde.Eine einzelne Rute reicht insbesondere bei trockenem Boden meist nicht aus.Installieren Sie in Bereichen, in denen der Boden extrem trocken ist, mehrere Stangen mit einem Abstand von mindestens 3 m und verbinden Sie sie mit vergrabenem, blankem Kupferdraht.Ein alternativer Ansatz besteht darin, blanken Kupferdraht Nr. 6 (13 mm2), Doppeldraht Nr. 8 (8 mm2) oder größer in einem mindestens 30 m langen Graben zu vergraben.(Das blanke Erdungskabel aus Kupfer kann auch am Boden eines Grabens verlegt werden, der Wasser- oder Abwasserrohre oder andere elektrische Leitungen führt.) Oder schneiden Sie das Erdungskabel in zwei Hälften und verteilen Sie es in zwei Richtungen.Verbinden Sie ein Ende jedes vergrabenen Kabels mit dem Erdungssystem.
Versuchen Sie, einen Teil des Systems in feuchtere Bereiche zu verlegen, z. B. dort, wo ein Dach abfließt oder Pflanzen bewässert werden müssen.Wenn sich in der Nähe ein Brunnengehäuse aus Stahl befindet, können Sie es als Erdungsstab verwenden (stellen Sie eine stabile, verschraubte Verbindung zum Gehäuse her).
In feuchten Klimazonen bieten die Betonfüße einer boden- oder mastmontierten Anlage oder eines Windgeneratorturms oder in Beton ummantelte Erdungsstäbe keine ideale Erdung.An diesen Stellen ist Beton typischerweise weniger leitend als der feuchte Boden, der die Fundamente umgibt.Wenn dies der Fall ist, installieren Sie einen Erdungsstab in der Erde neben dem Beton am Fuß einer Anlage oder am Fuß Ihres Windgeneratorturms und an jedem Abspanndrahtanker und verbinden Sie sie dann alle mit blankem, vergrabenem Draht miteinander.
In trockenen oder trockenen Klimazonen ist oft das Gegenteil der Fall: Betonfundamente können einen höheren Feuchtigkeitsgehalt als der umgebende Boden haben und bieten eine kostengünstige Möglichkeit zur Erdung.Wenn 20 Fuß lange (oder längere) Bewehrungsstäbe in Beton eingebettet werden sollen, kann der Bewehrungsstab selbst als Erdungsstab dienen.(Hinweis: Dies muss geplant werden, bevor der Beton gegossen wird.) Diese Erdungsmethode ist an trockenen Orten üblich und wird im NEC, Artikel 250.52 (A3), „Concrete-Encased Electrode“ beschrieben.
Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Erdungsmethode für Ihren Standort am besten geeignet ist, sprechen Sie während der Entwurfsphase Ihres Systems mit Ihrem Elektroinspektor.Man kann nicht zu viel Erdung haben.Nutzen Sie an einem trockenen Ort jede Gelegenheit, um redundante Erdungsstäbe, Erdkabel usw. zu installieren. Um Korrosion zu vermeiden, verwenden Sie für die Verbindung mit Erdungsstäben nur zugelassene Hardware.Verwenden Sie Kupfer-Spaltbolzen, um Erdungskabel zuverlässig zu verbinden.
Erdung von Stromkreisen
Für die Gebäudeverkabelung verlangt der NEC, dass eine Seite eines Gleichstromsystems mit der Erde verbunden – oder „verbunden“ – ist.Der Wechselstromteil eines solchen Systems muss ebenfalls auf die herkömmliche Weise eines netzgekoppelten Systems geerdet werden.(Dies trifft auf die Vereinigten Staaten zu. In anderen Ländern sind ungeerdete Stromkreise die Norm.) Die Erdung des Stromnetzes ist für ein modernes Heimsystem in den Vereinigten Staaten erforderlich.Es ist wichtig, dass der DC-Minuspol und der AC-Neutralleiter nur an einem Punkt in ihren jeweiligen Systemen mit der Erde verbunden sind und beide mit demselben Punkt im Erdungssystem.Dies geschieht am zentralen Schaltschrank.
Hersteller einiger eigenständiger Einzwecksysteme (z. B. Solarwasserpumpen und Funk-Repeater) empfehlen, den Stromkreis nicht zu erden.Spezifische Empfehlungen finden Sie in den Anweisungen des Herstellers.
Array-Verkabelung und „Twisted Pair“-Technik
Für die Array-Verkabelung sollten minimale Kabellängen verwendet werden, die im Metallrahmen untergebracht sind.Positive und negative Drähte sollten gleich lang sein und nach Möglichkeit gemeinsam verlegt werden.Dadurch wird die Induktion übermäßiger Spannung zwischen den Leitern minimiert.Ein Metallrohr (geerdet) bietet außerdem zusätzlichen Schutz.Verlegen Sie lange Kabel im Freien, anstatt sie über den Kopf zu verlegen.Eine Kabelstrecke von 100 Fuß (30 m) oder mehr ist wie eine Antenne – sie empfängt Überspannungen sogar von Blitzen in den Wolken.Ähnliche Überspannungen können auch dann auftreten, wenn die Leitungen vergraben sind. Die meisten Installateure sind sich jedoch einig, dass vergrabene Übertragungsleitungen die Möglichkeit von Blitzschäden weiter einschränken.
Eine einfache Strategie zur Verringerung der Anfälligkeit für Überspannungen ist die „Twisted-Pair“-Technik, die dabei hilft, induzierte Spannungen zwischen zwei oder mehr Leitern auszugleichen und aufzuheben.Es kann schwierig sein, ein geeignetes Stromkabel zu finden, das bereits verdrillt ist. Gehen Sie daher wie folgt vor: Verlegen Sie ein Paar Stromkabel am Boden entlang.Stecken Sie einen Stock zwischen die Drähte und drehen Sie sie zusammen.Wechseln Sie alle 10 m die Richtung.(Dies ist viel einfacher, als zu versuchen, die gesamte Strecke in eine Richtung zu verdrehen.) Abhängig von der Drahtgröße kann manchmal auch eine Bohrmaschine zum Verdrillen der Drähte verwendet werden.Befestigen Sie einfach die Enden der Kabel im Bohrfutter und lassen Sie die Kabel durch die Bewegung des Bohrers zusammendrehen.Stellen Sie sicher, dass Sie die Bohrmaschine mit der niedrigstmöglichen Geschwindigkeit laufen lassen, wenn Sie diese Technik ausprobieren.
Das Erdungskabel muss nicht mit den Stromkabeln verdrillt werden.Verwenden Sie für Erdverlegungen blanken Kupferdraht;Wenn Sie ein Kabelrohr verwenden, verlegen Sie das Erdungskabel außerhalb des Kabelrohrs.Durch den zusätzlichen Erdkontakt wird die Erdung der Anlage verbessert.
Verwenden Sie für alle Kommunikations- oder Steuerkabel ein Twisted-Pair-Kabel (z. B. ein Schwimmerschalterkabel für die Volltankabschaltung einer Solarwasserpumpe).Dieser Draht mit kleinerem Durchmesser ist in vorverdrillten, mehradrigen oder einpaarigen Kabeln erhältlich.Sie können auch abgeschirmte Twisted-Pair-Kabel kaufen, bei denen die verdrillten Drähte von einer Metallfolie umgeben sind und in der Regel auch ein separater, blanker „Drain“-Draht vorhanden ist.Erden Sie die Kabelabschirmung und den Erdungsdraht nur an einem Ende, um die Möglichkeit der Bildung einer Erdschleife (weniger direkten Weg zur Erde) in der Verkabelung auszuschließen.
Zusätzlicher Blitzschutz
Zusätzlich zu umfangreichen Erdungsmaßnahmen werden für Standorte mit folgenden Bedingungen spezielle Überspannungsschutzgeräte und (eventuell) Blitzableiter empfohlen:
• Isolierter Standort auf einer Anhöhe in einem Gebiet mit starkem Blitzschlag
• Trockener, steiniger oder anderweitig schlecht leitender Boden
• Kabellängen über 30 m (100 Fuß)
Blitzableiter
Blitzableiter (Überspannungsableiter) sind so konzipiert, dass sie Spannungsspitzen absorbieren, die durch Gewitter (oder nicht den Spezifikationen entsprechende Netzstromversorgung) verursacht werden, und dafür sorgen, dass die Überspannung die Stromkabel und Ihre Geräte effektiv umgeht.An beiden Enden jeder langen Kabelstrecke, die mit einem beliebigen Teil Ihres Systems verbunden ist, einschließlich Wechselstromleitungen von einem Wechselrichter, sollten Überspannungsschutzgeräte installiert werden.Ableiter werden für verschiedene Spannungen sowohl für Wechselstrom als auch für Gleichstrom hergestellt.Stellen Sie sicher, dass Sie die für Ihre Anwendung geeigneten Ableiter verwenden.Viele Systeminstallateure verwenden routinemäßig Delta-Überspannungsableiter, die kostengünstig sind und einen gewissen Schutz bieten, wenn die Blitzgefahr mäßig ist. Diese Geräte sind jedoch nicht mehr UL-gelistet.
PolyPhaser- und Transtector-Ableiter sind hochwertige Produkte für blitzgefährdete Standorte und größere Installationen.Diese langlebigen Einheiten bieten robusten Schutz und Kompatibilität mit einer Vielzahl von Systemspannungen.Einige Geräte verfügen über Indikatoren zur Anzeige von Fehlermodi.
Blitzableiter
„Blitzableiter“ sind Vorrichtungen zur statischen Entladung, die über Gebäuden und Solaranlagen angebracht und mit der Erde verbunden werden.Sie sollen den Aufbau statischer Aufladung und eventuelle Ionisierung der umgebenden Atmosphäre verhindern.Sie können dazu beitragen, einen Schlag zu verhindern, und im Falle eines Schlags einen Pfad für sehr hohen Strom zur Erde bereitstellen.Moderne Geräte sind spitzenförmig, oft mit mehreren Spitzen.
Beleuchtungsstäbe werden normalerweise nur an Standorten verwendet, an denen es zu extremen Gewittern kommt.Wenn Sie der Meinung sind, dass Ihr Standort in diese Kategorie fällt, beauftragen Sie einen Auftragnehmer mit Erfahrung im Blitzschutz.Wenn Ihr Systeminstallateur nicht so qualifiziert ist, sollten Sie vor der Installation des Systems einen Blitzschutzspezialisten konsultieren.Wenn möglich, wählen Sie einen vom North American Board of Certified Energy Practitioners (NABCEP) zertifizierten PV-Installateur (siehe Zugang).Obwohl sich diese Zertifizierung nicht speziell auf den Blitzschutz bezieht, kann sie ein Hinweis auf die Gesamtkompetenz eines Installateurs sein.
Außer Sicht, nicht außer Sinn
Viele Blitzschutzarbeiten sind vergraben und außer Sichtweite.Um sicherzustellen, dass alles korrekt ausgeführt wird, schreiben Sie es in Ihren Vertrag mit Ihrem Systeminstallateur, Elektriker, Bagger, Klempner, Brunnenbohrer oder jedem anderen, der Erdarbeiten für Ihr Erdungssystem ausführt.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 10. August 2020