Blitzschlag ist eine häufige Ursache für Ausfälle in Photovoltaik- (PV) und Windkraftanlagen. Ein Blitz, der weit entfernt von der Anlage oder sogar zwischen Wolken einschlägt, kann eine schädliche Überspannung verursachen. Die meisten Blitzschäden sind jedoch vermeidbar. Hier sind einige der kostengünstigsten Techniken, die von Strominstallateuren aufgrund jahrzehntelanger Erfahrung allgemein anerkannt sind. Befolgen Sie diese Ratschläge, und Sie haben gute Chancen, Blitzschäden an Ihrer Anlage für erneuerbare Energien (EE) zu vermeiden.
Erden Sie sich
Erdung ist die grundlegendste Maßnahme zum Schutz vor Blitzschäden. Sie können einen Blitzschlag nicht stoppen, aber Sie können ihm einen direkten Weg zur Erde geben, der Ihre wertvollen Geräte umgeht und den Blitz sicher in die Erde ableitet. Ein elektrischer Erdungspfad leitet die statische Elektrizität, die sich in oberirdischen Gebäuden ansammelt, kontinuierlich ab. Dies verhindert oft von vornherein, dass Blitze überhaupt erst einschlagen.
Blitzableiter und Überspannungsschutzgeräte dienen dem Schutz elektronischer Geräte durch die Absorption von Überspannungen. Diese Geräte sind jedoch kein Ersatz für eine gute Erdung. Sie funktionieren nur in Verbindung mit einer effektiven Erdung. Das Erdungssystem ist ein wichtiger Bestandteil Ihrer Verkabelungsinfrastruktur. Installieren Sie es vor oder während der Installation der Stromverkabelung. Andernfalls wird diese wichtige Komponente möglicherweise nie auf Ihrer To-do-Liste abgehakt, sobald das System in Betrieb ist.
Der erste Schritt bei der Erdung besteht darin, einen Ableitpfad zur Erde zu schaffen, indem alle metallischen Strukturkomponenten und elektrischen Gehäuse, wie z. B. PV-Modulrahmen, Montagegestelle und Windkrafttürme, miteinander verbunden werden. Der National Electrical Code (NEC), Artikel 250 und Artikel 690.41 bis 690.47, schreibt normgerechte Kabelquerschnitte, Materialien und Techniken vor. Vermeiden Sie scharfe Biegungen in Erdungskabeln – hohe Stromstöße mögen keine engen Kurven und können leicht auf benachbarte Leitungen überspringen. Achten Sie besonders auf die Befestigung von Kupferkabeln an Aluminium-Strukturelementen (insbesondere an den PV-Modulrahmen). Verwenden Sie Steckverbinder mit der Bezeichnung „AL/CU“ und Edelstahlbefestigungen, um das Korrosionsrisiko zu verringern. Die Erdungskabel von Gleich- und Wechselstromkreisen werden ebenfalls an dieses Erdungssystem angeschlossen. (Weitere Hinweise finden Sie in den Code Corner-Artikeln zur PV-Anlagenerdung in HP102 und HP103.)
Erdungsstäbe
Die größte Schwachstelle vieler Installationen ist die Erdung. Schließlich lässt sich ein Kabel nicht einfach mit der Erde verbinden! Stattdessen muss ein Stab aus leitfähigem, korrosionsbeständigem Metall (meist Kupfer) in den Boden eingetrieben werden. Dabei muss sichergestellt werden, dass die Oberfläche größtenteils mit leitfähigem (also feuchtem) Boden in Kontakt kommt. So können die Elektronen bei statischer Elektrizität oder einem Überspannungsstoß mit minimalem Widerstand in den Boden abfließen.
Ähnlich wie ein Abflussfeld Wasser ableitet, leitet die Erdung Elektronen ab. Wenn ein Abflussrohr nicht ausreichend in den Boden ableitet, kommt es zu Rückstaus. Wenn sich Elektronen stauen, überspringen sie die Lücke (und bilden einen Lichtbogen) zu Ihrer Stromleitung, durch Ihre Geräte und erst dann zur Erde.
Um dies zu verhindern, installieren Sie einen oder mehrere 2,4 m lange und 16 mm dicke, kupferbeschichtete Erdungsstäbe, vorzugsweise in feuchter Erde. Ein einzelner Stab ist normalerweise nicht ausreichend, insbesondere in trockenem Boden. In Gebieten mit sehr trockenem Boden installieren Sie mehrere Stäbe im Abstand von mindestens 3 m und verbinden Sie sie mit blankem Kupferdraht, der im Boden vergraben ist. Eine alternative Methode besteht darin, blanke Kupferdrähte der Stärke 6 (13 mm²), doppelte 8 mm² (#8) oder stärker in einem mindestens 30 m langen Graben zu vergraben. (Der blanke Kupfererdungsdraht kann auch am Boden eines Grabens entlanggeführt werden, in dem Wasser- oder Abwasserrohre oder andere elektrische Leitungen verlaufen.) Oder schneiden Sie den Erdungsdraht in zwei Hälften und verteilen Sie ihn in zwei Richtungen. Schließen Sie ein Ende jedes vergrabenen Drahtes an das Erdungssystem an.
Versuchen Sie, einen Teil des Systems in feuchtere Bereiche zu verlegen, z. B. in Bereiche, in denen ein Dach entwässert oder Pflanzen bewässert werden sollen. Befindet sich in der Nähe ein Stahlrohr für einen Brunnen, können Sie dieses als Erdungsstab verwenden (stellen Sie eine stabile, verschraubte Verbindung zum Rohr her).
In feuchten Klimazonen bieten die Betonfundamente einer boden- oder mastmontierten Anlage, eines Windkraftturms oder einbetonierte Erdungsstäbe keine optimale Erdung. An diesen Standorten ist Beton typischerweise weniger leitfähig als der feuchte Boden, der die Fundamente umgibt. Installieren Sie in diesem Fall einen Erdungsstab in der Erde neben dem Beton am Fuß der Anlage oder am Fuß Ihres Windkraftturms und an jedem Abspannseilanker und verbinden Sie diese anschließend mit blankem, vergrabenem Draht.
In trockenen oder ariden Klimazonen ist oft das Gegenteil der Fall: Betonfundamente können einen höheren Feuchtigkeitsgehalt als der umgebende Boden aufweisen und bieten eine kostengünstige Erdungsmöglichkeit. Wenn 6 Meter (oder länger) Bewehrungsstäbe in Beton eingebettet werden sollen, können diese selbst als Erdungsstab dienen. (Hinweis: Dies muss vor dem Betonieren geplant werden.) Diese Erdungsmethode ist in trockenen Gebieten üblich und wird im NEC, Artikel 250.52 (A3), „Betonummantelte Elektrode“, beschrieben.
Wenn Sie sich über die optimale Erdungsmethode für Ihren Standort nicht sicher sind, sprechen Sie bereits während der Planungsphase mit Ihrem Elektroinstallateur. Es gibt nie genug Erdung. Nutzen Sie an trockenen Standorten jede Möglichkeit, redundante Erdungsstäbe, Erdkabel usw. zu installieren. Um Korrosion zu vermeiden, verwenden Sie für den Anschluss von Erdungsstäben nur zugelassene Befestigungselemente. Verwenden Sie Kupfer-Spaltbolzen für eine zuverlässige Verbindung von Erdungsleitungen.
Erdung von Stromkreisen
Für die Gebäudeverkabelung schreibt der NEC vor, dass eine Seite eines Gleichstromsystems geerdet werden muss. Der Wechselstromteil eines solchen Systems muss ebenfalls wie jedes netzgekoppelte System geerdet werden. (Dies gilt für die USA. In anderen Ländern sind ungeerdete Stromkreise die Regel.) Die Erdung des Stromsystems ist für ein modernes Haussystem in den USA vorgeschrieben. Es ist wichtig, dass der negative Gleichstrom- und der neutrale Wechselstromleiter nur an einem Punkt im jeweiligen System und beide am selben Punkt im Erdungssystem geerdet werden. Dies erfolgt am zentralen Stromverteiler.
Hersteller einiger eigenständiger Systeme (wie Solarwasserpumpen und Funkverstärker) empfehlen, den Stromkreis nicht zu erden. Genauere Empfehlungen finden Sie in den Anweisungen des Herstellers.
Array-Verdrahtung und „Twisted Pair“-Technik
Die Verkabelung der Anlage sollte möglichst kurz sein und im Metallrahmen verlegt werden. Plus- und Minusleitungen sollten gleich lang sein und möglichst zusammen verlegt werden. Dies minimiert die Induktion von Überspannungen zwischen den Leitern. Metallrohre (geerdet) bieten zusätzlichen Schutz. Verlegen Sie lange Kabel im Freien lieber unterirdisch, anstatt sie oberirdisch zu verlegen. Eine Kabellänge von 30 m oder mehr wirkt wie eine Antenne – sie empfängt selbst Blitzeinschläge in den Wolken. Ähnliche Überspannungen können auch bei unterirdischer Verlegung auftreten. Die meisten Installateure sind sich jedoch einig, dass unterirdische Übertragungsleitungen das Risiko von Blitzschäden weiter verringern.
Eine einfache Strategie zur Verringerung der Überspannungsanfälligkeit ist die „Twisted Pair“-Technik, mit der induzierte Spannungen zwischen zwei oder mehr Leitern ausgeglichen und aufgehoben werden. Es kann schwierig sein, ein geeignetes, bereits verdrilltes Stromkabel zu finden. Gehen Sie daher wie folgt vor: Legen Sie ein Paar Stromkabel auf dem Boden aus. Stecken Sie einen Stock zwischen die Drähte und verdrillen Sie sie miteinander. Wechseln Sie alle 10 m die Richtung. (Dies ist viel einfacher, als zu versuchen, die gesamte Strecke in eine Richtung zu verdrillen.) Je nach Kabelgröße kann manchmal auch eine Bohrmaschine zum Verdrillen von Kabeln verwendet werden. Befestigen Sie einfach die Enden der Kabel im Bohrfutter der Bohrmaschine und lassen Sie die Bohrmaschine die Kabel miteinander verdrillen. Lassen Sie die Bohrmaschine bei dieser Technik unbedingt mit der niedrigstmöglichen Geschwindigkeit laufen.
Das Erdungskabel muss nicht mit den Stromkabeln verdrillt werden. Verwenden Sie für die Erdverlegung blanken Kupferdraht. Bei Verwendung von Rohrleitungen verlegen Sie das Erdungskabel außerhalb der Rohrleitung. Der zusätzliche Erdungskontakt verbessert die Erdung des Systems.
Verwenden Sie Twisted-Pair-Kabel für Kommunikations- und Steuerkabel (z. B. ein Schwimmerschalterkabel für die Tankabschaltung einer Solarwasserpumpe bei vollem Tank). Diese Kabel mit geringerem Querschnitt sind als vorverdrillte, mehradrige oder einadrige Kabel erhältlich. Alternativ können Sie auch geschirmte Twisted-Pair-Kabel erwerben, die mit einer Metallfolie um die verdrillten Adern und in der Regel auch mit einem separaten, blanken Erdungsdraht versehen sind. Erden Sie Kabelschirm und Erdungsdraht nur an einem Ende, um die Bildung einer Erdschleife (einen weniger direkten Erdungspfad) in der Verkabelung zu verhindern.
Zusätzlicher Blitzschutz
Zusätzlich zu umfassenden Erdungsmaßnahmen werden spezielle Überspannungsschutzgeräte und (eventuell) Blitzableiter für Standorte mit einer der folgenden Bedingungen empfohlen:
• Isolierte Lage auf einer Anhöhe in einem Gebiet mit starker Blitzeinschlagsgefahr
• Trockener, steiniger oder anderweitig schlecht leitfähiger Boden
• Kabelstrecken mit einer Länge von mehr als 30 m
Blitzableiter
Blitzableiter dienen dazu, Spannungsspitzen durch Gewitter (oder nicht den Spezifikationen entsprechende Netzspannungen) abzufangen und die Überspannung effektiv an Stromleitungen und Geräten vorbeizuführen. Überspannungsschutzgeräte sollten an beiden Enden jeder langen Kabelstrecke installiert werden, die mit einem Teil Ihres Systems verbunden ist, einschließlich der Wechselstromleitungen eines Wechselrichters. Ableiter sind für verschiedene Spannungen (Wechsel- und Gleichstrom) ausgelegt. Achten Sie darauf, die passenden Ableiter für Ihre Anwendung zu verwenden. Viele Systeminstallateure verwenden routinemäßig Delta-Überspannungsableiter. Diese sind kostengünstig und bieten einen gewissen Schutz bei mittlerer Blitzgefahr. Diese Geräte sind jedoch nicht mehr UL-zertifiziert.
PolyPhaser- und Transtector-Ableiter sind hochwertige Produkte für blitzgefährdete Standorte und größere Anlagen. Diese langlebigen Geräte bieten zuverlässigen Schutz und sind mit einer Vielzahl von Systemspannungen kompatibel. Einige Geräte verfügen über Anzeigen zur Anzeige von Fehlerzuständen.
Blitzableiter
Blitzableiter sind elektrostatische Entladungsvorrichtungen, die über Gebäuden und Solaranlagen angebracht und mit der Erde verbunden werden. Sie sollen die Bildung statischer Ladung und die damit verbundene Ionisierung der umgebenden Atmosphäre verhindern. Sie können einen Blitzeinschlag verhindern und im Falle eines Blitzeinschlags einen Weg für sehr hohe Ströme zur Erde schaffen. Moderne Blitzableiter haben eine spitzenförmige Form, oft mit mehreren Spitzen.
Blitzableiter werden üblicherweise nur an Standorten eingesetzt, die starken Gewittern ausgesetzt sind. Wenn Ihr Standort in diese Kategorie fällt, beauftragen Sie einen erfahrenen Blitzschutzinstallateur. Sollte Ihr Anlageninstallateur nicht über die entsprechende Qualifikation verfügen, sollten Sie vor der Installation einen Blitzschutzspezialisten konsultieren. Wählen Sie nach Möglichkeit einen vom North American Board of Certified Energy Practitioners (NABCEP) zertifizierten PV-Installateur (siehe Zugang). Obwohl diese Zertifizierung nicht speziell auf Blitzschutz ausgerichtet ist, kann sie ein Hinweis auf die allgemeine Kompetenz des Installateurs sein.
Aus den Augen, nicht aus dem Sinn
Viele Blitzschutzarbeiten werden verdeckt und außer Sichtweite durchgeführt. Um eine korrekte Ausführung zu gewährleisten, sollten Sie dies in Ihren Verträgen mit dem Systeminstallateur, Elektriker, Bagger, Klempner, Brunnenbauer oder allen anderen, die Erdarbeiten für Ihr Erdungssystem durchführen, schriftlich festhalten.
Veröffentlichungszeit: 10. August 2020