Licht­bogen­detektoren bei PV-Anlagen

Gleichstrom ist bezüglich der Lichtbogengefahr gefährlicher als Wechselstrom, da er keine Nulldurchgänge hat. Um die entsprechenden Risiken zu reduzieren, werden für neue PV-Anlagen in den USA bereits über zehn Jahre Licht­bogen­detektoren verlangt. In Europa war man diesbezüglich zurückhaltender, weil Mehrkosten und Fehldetektionen befürchtet wurden. Bislang gibt es keine einheitliche europäische Forderung, solche Detektoren einzusetzen. Immer mehr Hersteller von Wechsel­richtern bieten nun aber auch in ihren europäischen Geräten Licht­bogen­detektoren an. Nicht zuletzt, weil seit Mai 2023 mit der neuen IEC 63027 eine internationale Norm für die Prüfung von Licht­bogen­detektoren verfügbar ist.

In diesem Artikel werden die relevantesten Arten von Lichtbögen und die Funktionsweise der Detektoren aufgezeigt sowie Messergebnisse von Tests an drei handelsüblichen Geräten vorgestellt.

Serie- und Parallellichtbogen

Ein Lichtbogen kann auto­matisch gelöscht werden, indem der Stromfluss lang genug unterbrochen wird. Bei Wechselstrom geschieht dies beim Nulldurchgang 100-mal pro Sekunde, was eine Selbstlöschung begünstigt. Bei Gleichstrom muss der Stromunterbruch durch einen bewussten Schaltvorgang ausgelöst werden.

Die überwiegende Mehrheit von in einer PV-Anlage auftretenden Lichtbögen sind Serie­licht­bögen. Sie entstehen, wenn beispielsweise ein Stecker unter Strom getrennt wird oder ein Kabel aus einer Crimpung oder losen Schraubverbindung herausgezogen wird.

Für die Entstehung eines Serie­licht­bogens kann ein Einzelfehler ausreichen. Serie­licht­bögen können von einem Wechsel­richter mit Licht­bogen­detektor detektiert und durch Trennung des Stromkreises gelöscht werden.

Parallellichtbögen sind viel seltener, denn sie entstehen nur bei einem Mehr­fach­fehler. Ein Beispiel dafür ist, dass an zwei Stellen in einer Strang­ver­kabelung gleichzeitig die Isolation versagt und es dadurch zur Bildung eines Parallel­licht­bogens zwischen Plus- und Minus-Leiter kommt. Ein Parallel­licht­bogen kann nicht aktiv vom Wechsel­richter gelöscht werden, sondern der Wechsel­richter kann nur einen Beitrag zur Selbst­löschung leisten. Hierfür müsste der Wechsel­richter den betroffenen Strang kurzschliessen.¹⁾

Im Folgenden befasst sich dieser Artikel nur mit Serie­licht­bögen und damit, wie Wechsel­richter mit integrierten Licht­bogen­detektoren diese erkennen und löschen können. Licht­bogen­detektoren (LBD) werden im Englischen übrigens auch als «Arc Fault Protective Equipment» (AFPE), «Arc Fault Detection Device» (AFDD) oder «Arc Fault Circuit Interrupter» (AFCI) bezeichnet.

Funktion der Licht­bogen­detektoren

Licht­bogen­detektoren in PV-Wechsel­richtern kommen in der Regel als Kombination einer Detektions- und einer Trenneinheit vor. Der Detektor misst Strom und Spannung und verarbeitet die Daten. Die Trenneinheit besteht meist aus einer halbleiterbasierten Trennstelle, die den Nennstrom einer PV-Anlage unterbrechen kann. Im Wesentlichen kann ein Licht­bogen­detektor zwei Phänomene detektieren:

Wenn ein Lichtbogen entsteht, fällt die Strangspannung schrittartig um rund 20 V, wobei sich der MPP-Arbeitspunkt im PV-Strang sofort verändert.

Ein brennender Lichtbogen sendet hochfrequente Störungen auf das Kabel aus.

Während ältere Detektoren in der Regel nur den Spannungsfall respektive die Arbeits­punkt­verän­derung detektieren, analysieren neuere Detektoren hochfrequent den Strom-Spannungs­verlauf und erkennen dabei typische Muster der Lichtbögen. Bei nieder­frequenten Detektions­methoden kommen die Wechsel­richter meist ohne zusätzliche Hardware aus. Werden hingegen hoch­frequente Signale zur Erkennung des Lichtbogens verwendet, so ist in der Regel zusätzliche Sensorik nötig. Dank der Fortschritte im Bereich der computer­gestützten Muster­erkennung darf man davon ausgehen, dass Licht­bogen­detektoren immer besser werden und damit die Fehl­detektionen abnehmen.

Um eine bestehende Anlage mit einem Licht­bogen­detektor auszurüsten, kann auf externe Detektoren zurückgegriffen werden. Als Alternative bietet sich in diesem Fall auch der Ersatz des Wechsel­richters durch einen mit integriertem Licht­bogen­detektor an.

Fehlauslösung von Licht­bogen­detektoren

Während Licht­bogen­detektoren in den USA bereits seit 2011 für PV-Anlagen auf Gebäuden gefordert werden (NEC 690.11), gibt es in Europa keine einheitliche Forderung. Dieser Unterschied beruht vor allem auf unter­schied­lichen Sicherheits­philo­sophien. In den USA war man ursprünglich der Meinung, dass nur im grossen Stil eingesetzte Licht­bogen­detektoren ohne auto­matische Wieder­einschaltung das Sicherheits­niveau von PV-Anlagen anheben würden. In Europa vertrat man den liberalen Ansatz, Licht­bogen­detektoren – falls verfügbar – freiwillig einzusetzen.

Diese beiden Philosophien sind auf den Umgang mit Fehl­aus­lösungen zurück­zuführen, denn beim Aufkommen der Licht­bogen­detektoren haben Fehlauslösungen, sogenannte «False Trippings», die Akzeptanz von Licht­bogen­detektoren geschmälert. In den USA waren wegen der fehlenden auto­matischen Wiedereinschaltung viele PV-Anlagen nach Fehlauslösungen unproduktiv und etliche Anlagenbetreiber verloren einen Teil des Energieertrags. So lag die Massnahme nahe, den Licht­bogen­detektor auszuschalten, statt durch Fehlauslösungen die Gefahr weiterer Produktionsausfälle zu riskieren.

Es ist klar, dass sich die Deaktivierung der Licht­bogen­detektoren negativ auf die Anlagensicherheit auswirkt und sich diese Massnahme nicht etablieren darf. Die Wiedereinschaltung nach einer erwiesenen Fehlauslösung scheint aber sinnvoll und setzt sich durch, womit sich der durch Licht­bogen­detektoren erhoffte Sicherheitsgewinn realisieren lässt. Zudem leisten die Hersteller mit immer besserer Mustererkennung ihren Beitrag zur Akzeptanz von Licht­bogen­detektoren und schaffen es, Fehlauslösungen weiter zu minimieren. Die Unterscheidung von echten Lichtbögen gegenüber fehlinterpretierten Signalen in PV-Anlagen wird aber auch künftig eine Herausforderung bleiben. Im Umkehrschluss kann somit auch nicht restlos jeder Lichtbogen detektiert werden.

Prüfung nach IEC 63027:2023

Die IEC 63027 «Photovoltaic power systems – DC arc detection and interruption» erschien im Mai 2023 als internationale Norm, die den Test von Licht­bogen­detektoren beschreibt. Während früher beispielsweise in der UL 1699B ein Lichtbogen mit einer Stahlwolle gezündet wurde, was zwar recht einfach detektiert werden kann, aber nicht besonders praxisnah ist, wird der Lichtbogen heute sowohl in der UL-Norm als auch in der IEC 63027:2023 zwischen einem Wolframring und einer Wolframkugel gezündet. Dieses Verfahren, bei welchem die Kugel im aktiven System aus dem Ring bis zu einem definierten Abstand gezogen wird, ist schwerer detektierbar und einfacher replizierbar.

Im Labor werden zur Prüfung von Licht­bogen­detektoren statt PV-Modulen sogenannte Kenn­linien­simula­toren verwendet, also DC-Quellen, welchen die Charakteristik eines PV-Moduls einprogrammiert wird. Verglichen mit PV-Modulen haben sie architekturbedingt meist eine hohe Kapazität gegenüber dem Erdpotenzial, die zu Verfälschungen der Lichtbogendetektion in den Wechsel­richtern führen kann. Ein sogenanntes «Decoupling Network» (Bild 1) wird zur Kompensation dieser unerwünschten Einflüsse zwischen DC-Quelle und Wechsel­richter geschaltet [1]. Die Tests der Licht­bogen­detek­toren erfolgen bei verschiedenen Systemströmen für Serie­licht­bögen an unter­schiedlichen Positionen im Strang. Die zu überprüfenden Kriterien sind die Energie und die Zeit bis zur Löschung respektive Meldung des Lichtbogens.

Wechsel­richter müssen Lichtbögen nach IEC 63027:2023 innerhalb von 2,5 s oder bevor die Licht­bogen­energie 750 J erreicht, löschen – je nachdem, was früher eintritt. Das Gerät muss dabei immer eine entsprechende Fehlermeldung verschicken, ausser wenn der Lichtbogen rechtzeitig erlöscht, bevor die Licht­bogen­energie 200 J überschreitet. In diesem Fall muss der Lichtbogen nicht gemeldet werden [1] (Bild 2).

Prüfungen im PV-Labor

Laborprüfungen sollen möglichst realitätsnah sein, sie müssen jedoch zwingend wiederholbar sein und bei gleichen Prüflingen zu identischen Testergebnissen führen. Gerade um dem letzten Punkt gerecht zu werden, werden in der Normenprüfung einige praxisrelevante Fragestellungen übersprungen. So wird im normativen Test beispielsweise nicht systematisch überprüft, ob ein Licht­bogen­detektor auch bei langen Kabeln oder grossen Induktivitäten vergleichbar funktioniert. Auch Lichtbögen, die nicht über der normativ vorgegebenen Ring-Ball-Trennstelle, sondern beispielsweise im Innern eines Solarsteckers auftreten, werden nicht direkt untersucht.

Am PV-Labor der Berner Fachhochschule wurden solche Situationen exemplarisch nachgestellt und mit den normativen Tests verglichen – teilweise mit erstaunlichen Ergebnissen, wie die folgenden Ausführungen zeigen.

Messresultate im Labor

Die Licht­bogen­detektoren von je einem Wechsel­richter der Haushaltsklasse der Hersteller Huawei, SMA und SolarEdge wurden am PV-Labor der BFH nach IEC 63027:2023 und mit ergänzenden Messungen geprüft.

Alle drei Wechsel­richter löschen die grosse Mehrheit der Lichtbögen im normativen Test ohne Schwächen (Bild 3). Sie können also die Energie eines Serielichtbogens massiv begrenzen und so einen signifikanten Beitrag zur Erhöhung der Sicherheit von PV-Anlagen leisten.

Etwas anders sehen die Testresultate aus, wenn abweichend zu den normativen Vorgaben lange Kabel in den Testaufbau integriert werden. Vom PV-Labor wurden arbiträr 20 m Kabellänge gewählt, die zur Erhöhung der Induktivität lose aufgerollt in den Laboraufbau integriert wurden. Damit wird die Induktivität deutlich längerer Leitungen nachgebildet. Die gemessenen Licht­bogen­energien in Bild 4 zeigen nun, dass nur noch ein Wechsel­richter alle Lichtbögen erkannt respektive gelöscht hat, während sie bei den anderen Wechsel­richtern je nach Licht­bogen­position nicht mehr detektiert werden konnten.

Fazit und Ausblick

Licht­bogen­detektoren in PV-Wechsel­richtern sind nun auch in Europa im Kommen. Die Hersteller von Wechsel­richtern konnten dank dem frühen Obligatorium der Licht­bogen­detektoren in den USA wertvolle Praxiserfahrung sammeln und bieten heute meist gut funktionierende Licht­bogen­detektoren an. Licht­bogen­detektoren sind in modernen Wechsel­richtern bereits jetzt oft eine vorhandene Option, welche sich einfach aktivieren lässt.

Da Licht­bogen­detektoren heute für PV-Anlagen keine hohen zusätzlichen Kosten verursachen und – wie es die Messungen des PV-Labors zeigen – grund­sätzlich gut funktionieren, könnte ihre verstärkte Nutzung die Sicherheit, besonders bei älteren PV-Anlagen, erhöhen. Praktische Einschrän­kungen wie zum Beispiel lange DC-Leitungen wurden in Labor­messungen identifiziert und sollten weiter untersucht werden. Dank bedeutender Fortschritte im Bereich des maschinellen Lernens ist zu erwarten, dass die Licht­bogen­detektoren kontinuierlich verbessert werden und künftig ihren Beitrag zur Sicherheit von vielen verschiedenen PV-Anlagen verlässlich leisten werden.

Nach wie vor gilt es aber, grundsätzlich auf eine hohe Qualität bei den Elektro­installa­tionen zu achten, besonders im DC-Bereich. Nach Einschätzung des PV-Labors sollten Licht­bogen­detektoren derzeit nicht obligatorisch sein, sondern lediglich als zusätzliche, objektspezifische Massnahme für den Brandschutz in Betracht gezogen werden.

Referenz

[1]       IEC 63027 «Photovoltaic power systems – DC arc detection and interruption», IEC, 2023.

Links

DE: bfh.ch/pvlab-projekte-lbd

FR: bfh.ch/pvlab-projets-lbd

EN: bfh.ch/pvlab-projects-lbd

¹⁾ Den Autoren dieses Artikels sind bislang keine Wechsel­richter mit einer entsprechenden Funktionalität bekannt.

Die Licht­bogen­detektortests wurden im Auftrag und mit der Unterstützung der Gebäudeversicherung Bern (GVB) durchgeführt.