Überspannungs- und Blitzschutz von Photovoltaik-Anlagen

Schlägt der Blitz direkt in Ihre Photovoltaik-Anlage ohne Blitzschutz ein, verursacht das Schäden an der Anlage und oft auch an der ganzen elektrischen Hausinstallation. Schlimmstenfalls kommt es zu einem zerstörerischen Brand. Auch in der Nähe einschlagende Blitze können einer ungeschützten PV-Anlage immer noch schaden. Effektiver Blitzschutz von Photovoltaik-Anlagen lässt sich in zwei Maßnahmen realisieren, die einander ergänzen: äußerer und innerer Blitzschutz.

Ein Blitz ist eine sogenannte luftelektrische Entladung, die die Spannungen abbaut, die bei einem Gewitter in der Gewitterwolke auftreten. Damit Sie eine Vorstellung von der Größenordnung bekommen: Die Rede ist hier von Spannungen von mehreren zehn Millionen Volt.

In neun von zehn Gewitterwolken bewegen sich negativ geladene Teilchen als sogenannter Leitblitz aus dem Unterteil der Wolke in Richtung Erdoberfläche. Der Leitblitz kommt dabei auf eine Geschwindigkeit von einem Zwanzigstel der Lichtgeschwindigkeit. Er hinterlässt einen dünnen, kaum sichtbaren Kanal, der blitztypisch verästelt ist.

Näherten sich die negativen Teilchen des Leitblitzes der Erde steige die Konzentration positiver Ladungsträger an deren Oberfläche. Sobald dabei ein kritischer Wert überschritten werde, kämen demnach dem Leitblitz schon positive Ladungen entgegen, meist ausgehend von erhöhten Punkten, zum Beispiel einem Hausdach oder einem Baum.

Beim Aufeinandertreffen der unterschiedlichen Ladungen, komme es dann zu einem elektrischen Überschlag, bei dem der Blitzkanal geschlossen werde. Anschließend würden die positiven und negativen Ladungsträger entlang des Blitzkanals (Durchmesser: maximal zwölf Millimeter) in die Wolke aufsteigen.

Wegen des Stromflusses heize sich der Kanal auf und erreiche Temperaturen von bis zu 3.000 Grad Celsius. Die sich dabei extrem schnell und stark erhitzende Luft dehnt sich explosionsartig aus, was eine Schockwelle verursache, die man als Donner hören könne. Im Schnitt würden vier bis fünf solcher Hauptentladungen einen Blitz bilden, der etwa 30 Mikrosekunden (µs), das seien 0,00003 Sekunden andauere.

Aus der obigen Beschreibung eines Blitzes wird klar, warum er der Photovoltaik-Anlage gefährlich werden kann: Er ist eine elektrische Großmacht.

Der VDE, der Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V., klassifiziert Blitze und ihre Bedrohungen für Photovoltaik-Anlagen in vier Einschlagsarten:

1. Sogenannte Ferneinschläge (Einschlag mehr als 1.000 Meter (m) von der Photovoltaik-Anlage entfernt) würden zwar der Anlage nicht gefährlich werden, aber ihre Kapazität beeinträchtigen.
2. Bei sogenannten Naheinschlägen (Einschlag im Umkreis von weniger als 500 m von der Photovoltaik-Anlage entfernt) würden die großen magnetischen Felder Überspannungen in den elektrischen Installationsschleifen induzieren, die Schäden verursachen könnten.
3. Bei sogenannten indirekten Blitzeinschlägen würden Blitzteilströme über die elektrischen Installationen und Versorgungsleitungen fließen, die große Schäden verursachen könnten.
4. Bei sogenannten Direkteinschlägen in Photovoltaik-Anlagen ohne Blitzschutz fließe der Blitzstrom über die hauseigenen Installationen, wobei diese in der Regel zerstört würden. Zudem seien starke mechanische Zerstörungen und Brände bei direkten Blitzeinschlägen nicht auszuschließen.

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Blitzschutz für Photovoltaik-Anlagen umfasse laut dem VDE zwei Maßnahmen, die einander ergänzen und sowohl das Gebäude als auch die Photovoltaik-Anlage daran oder darauf schützen würden:

• äußerer Blitzschutz
• innerer Blitzschutz

Mit dem äußeren Blitzschutz soll ein direkter Blitzeinschlag von nach dem sogenannten Blitzkugelverfahren festgelegten Einschlagpunkten abgefangen und der Blitzstrom ins Erdreich abgeleitet werden. Das Ableiten des Blitzstroms soll über mehrere extra Ableitungen um das zu schützende Objekt (Gebäude mit PV-Anlage) und die sogenannte Erdungsanlage erfolgen.

Zum Einfangen des Blitzes dienen entweder leitfähige Fangstangen oder Fangleitungen in Netzmaschenform, die über der zu schützenden Fläche montiert und mit der Erdungsanlage gekoppelt sind. So ergeben sich unter den Fangvorrichtungen sogenannte Schutzräume, wo ein direkter Blitz nicht mehr einschlagen kann – und in die das zu schützende Objekt, hier: die Photovoltaik-Anlage, muss.

Zum Ermitteln der Einschlagpunkte gibt es laut der Norm DIN V VDE V 0185 Teil 3 insgesamt vier Blitzschutzklassen mit zunehmenden "Blitzkugel"-Radien von 20 m, 30 m, 45 m und 60 m.

Mit dem inneren Blitzschutz soll die Überspannungsgefahr im Gebäude gebannt werden. Das funktioniert im Wesentlichen über einen sogenannten Blitzschutz-Potentialausgleich, der dafür sorgt, dass beim Blitzschlag keine unkontrollierten Überschläge in den Gebäudeinstallationen infolge des Spannungsfalls am Erdungswiderstand auftreten. Deshalb verbindet man

• alle metallenen Installationen, darunter Gas- und Wasserleitungen,
• elektrische Anlagen, darunter Energie- und Daten-Leitungen der Haustechnik,
• das Blitzschutzsystem und
• die Erdungsanlage über Leitungen,

Trennfunkenstrecken und Blitzstrom-Ableiter.

Um elektrische Endgeräte zu schützen, schaltet man den Blitzstrom-Ableitern häufig sogenannte Überspannungs-Ableiter nach. Sie mindern sowohl die restliche Überspannung nach dem Blitzstrom-Ableiter als auch Überspannungen, die aus Ferneinschlägen oder Induktionseffekten resultieren.

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• Sollte ein Blitz direkt ins Haus einschlagen, ist die PV-Anlage im Schutzbereich der Fangeinrichtung und laut VDE mit einem Sicherheitsabstand von 0,5 bis 1 m sicher. Dann braucht man jeweils zwei Überspannungs-Ableiter im Generatoranschlusskasten und am Gleichspannungseingang des Wechselrichters.
• Der VDE empfiehlt, das Modulgestell für die PV-Anlageim Potentialausgleich zu berücksichtigen. Das gelingt per Potentialausgleichsleitung (PAL), die mit der Hauptleitung zum Generator geführt wird.
• Um die E-Geräte im Haus zu schützen, sollten Sie an der Energienetz-Einspeisung Blitzstrom-Ableiter (BSA) für alle Phasen installieren.
• Zudem sollten Sie in Abhängigkeit von der Art des Netzes den eingeführten Schutzleiter (PE) und Neutralleiter (N) auf direktem Wege niederimpedant mit der Potentialausgleichsschiene (PAS) verbinden.

Grundsätzlich ist Blitzschutz für Photovoltaik-Anlagen fast immer ratsam. Wissen sollten Sie, dass eine PV-Anlage auf Ihrem Schrägdach die Gefahr für einen Blitzschlag nicht steigert. Aber: Bei einer aufgeständerten Anlage, die infolge der Aufständerung zum höchsten Punkt des Gebäudes wird, ist das Risiko für einen Blitzeinschlag von Natur aus höher.

Große Photovoltaikanlagen und solche, die aus der Kompaktheit des Gebäudes herausstechen, brauchen einen Blitzschutz. Besteht bereits einer, kann die Anlage darin eingebunden werden. Das Errichten vom Blitzschutz für Photovoltaik-Anlagen ist unbedingt Aufgabe eines Fachhandwerkers.

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