März 2011

Varistoren für die Photovoltaik

Wertvolle Solaranlagen zuverlässig schützen

Photovoltaik-Anlagen und die darin verbaute Elektronik stellen hohe Vermögenswerte dar. Umso wichtiger ist für Besitzer und Betreiber der sichere Schutz ihrer Systeme und Anlagen vor Überspannungen und -strömen. TDK-EPC bietet dafür zuverlässige kostengünstige Lösungen: thermisch geschützte Varistoren und gasgefüllte Überspannungsableiter von EPCOS.

Photovoltaik-Anlagen werden an exponierten Positionen wie Dächern und zunehmend auch auf Freiflächen errichtet. In der Folge ergeben sich hohe Risiken durch Überspannungen, die durch lange Leitungen zwischen Solarmodulen und Wechselrichtern auf DC-Ebene sowie Zuleitungen zum Netz auf AC-Ebene noch weiter erhöht werden. Abbildung 1 zeigt den Aufbau eines Solarinverters. Dieser wandelt die Gleichspannung der Solarmodule in Wechselspannung um, die sich dann in das Netz einspeisen lässt.

Abbildung 1: Blockschaltbild eines Solarinverters

Links: Überspannungsschutz (OVP) der Solarmodule und des Invertereingangs;

rechts: netzseitiger Überspannungsschutz einschließlich EMV-Befilterung.

Umfassender Schutz am Invertereingang

Üblicherweise werden für den Gleichspannungseingang des Solarinverters Metalloxid-Varistoren mit einer Nennspannung von 1000 V DC verwendet. Je nach zu bedienender Netzspannung kommen für den Ausgang des Inverters Varistoren mit einer Spannung von beispielsweise 300 VRMS in Frage. In beiden Fällen können zusätzlich noch gasgefüllte Überspannungsableiter für weiterführenden Schutz sorgen. Abbildung 2 zeigt häufige Schaltungsvarianten für den Gleichspannungseingang von Solarinvertern. In der einfachsten Ausführung (Abbildung 2a) wird nur ein Varistor zum Beispiel mit einer Nennspannung von 1000 VRMS und einem Scheibendurchmesser von 20 mm verwendet. Die Nenngleichspannung beträgt in diesem Fall 1414 V DC und die Klemmspannung 2970 V bei 100 A. Die Schaltung nach Abbildung 2b arbeitet mit zwei in Serie geschalteten Varistoren. Sie sollten, um denselben Schutz zu bieten, für 550 VRMS (745 V DC) ausgelegt sein. Diese Variante bietet den Vorteil, dass die Klemmspannung bei einem Ableitstrom von 100 A nur noch 2710 V beträgt und damit die Überspannung weiter begrenzt. Außerdem wird die zu absorbierende Energie auf beide Bauelemente verteilt, wodurch der Stressfaktor sinkt. Bei der Variante nach Abbildung 2c wird zusätzlich ein gasgefüllter Überspannungsableiter zwischen den Varistoren gegen Erde geschaltet. Gerade beim Versagen oder stressbedingter Alterung eines oder beider Varistoren schafft diese Variante Abhilfe und bietet noch ausreichenden Schutz. Der Ableiter muss so ausgewählt werden, dass er selbst beim Ausfall beider Varistoren nicht in einen dauerhaft leitenden Zustand übergeht.

Abbildung 2: Schaltungsvarianten zum Überspannungsschutz
Schutz vor Überspannung bieten Schaltungen mit einem (a), zwei (b) oder zwei Varistoren mit zusätzlichem gasgefüllten Überspannungsableiter (c).

Im Prinzip gibt es auf der Netzseite die gleichen Beschaltungsmöglichkeiten. Für die in Europa üblichen Netzspannungen von bis zu 240 VRMS sollten hierbei Varistoren mit Ansprechspannungen von 300 VRMS oder 320 VRMS gewählt werden. Im Wesentlichen sind diese Beschaltungen weitgehend identisch mit den Eingangsbeschaltungen von Standard-Stromversorgungen für den Netzbetrieb.

 

Da Solarinverter zu einem verhältnismäßig jungen Technologiegebiet gehören, existieren noch keine Langzeitstudien über ihr Alterungsverhalten und wie sich dies auf die darin verwendeten Schutzbauelemente auswirkt. Von Stromversorgungen und anderen Geräten ist jedoch bekannt, dass es bei Halbleiter-basierten Bauelementen wie keramischen Varistoren zu einer Degradation kommen kann. Ursache dafür sind sich ständig wiederholende Pulsbelastungen mit geringer Amplitude. Die Degradation äußert sich in einem Ansteigen des Leckstroms. Kann die dadurch ansteigende Verlustleistung in dem Bauelement nicht durch Konvektion abgeführt werden, kommt es in Extremfällen zu einer ständig steigenden Erhitzung, die zu einem Kurzschluss und der Zerstörung des Varistors führen kann.

Abbildung 3: Schaltbild des EPCOS ETFV
Der EPCOS ETFV verfügt über einen Monitor-Ausgang. Die LED signalisiert den intakten Zustand des Varistors.

Erhöhte Anforderungen von Normen und Versicherungen

Verschiedene Normungsausschüsse wie UL und IEC haben dieses Sicherheitsrisiko erkannt und fordern für die Zukunft eine thermische Überwachung der Varistoren sowie eine Freischaltung im Fehlerfall. Die jüngst veröffentlichte IEC 62109-1 „Safety of power converters for use in photovoltaic power systems – Part 1: General requirements“ behandelt diese Problematik allerdings nicht explizit. Andere Normen wie die jüngste Revision der IEC 60950-1 schreiben vor, dass ausschließlich Varistoren verwendet werden dürfen, die IEC 61051-2-2 sowie Annex Q (IEC 60950-1) erfüllen. Außerdem ist eine entsprechende Sicherung für Varistoren vorzusehen.

Forderungen von Versicherungsunternehmen verschärfen die Situation zusätzlich: Diese beinhalten unter anderem, dass für Photovoltaik-Anlagen mit einer Leistung von mehr als 50 kW ein Überspannungsschutz gemäß IEC 61643-11 „Category 2“ (Grobschutz) eingesetzt werden muss.

EPCOS ETFV-Serie im Überblick

Parameter/Typ
Nennspannung [V AC]130 bis 420; 115 bis 1000
(20 mm disk)
Stoßstrombelastbarkeit [kA]6, 10 und 20
Ansprechzeit [ns]<25
Max. Energieabsorption (2 ms) [J]50 bis 700
Betriebstemperatur [°C]–40 bis +85
Die Pins der ETFV-Serie sind so konzipiert, dass sie auch über eine Schraubklemme auf der Leiterplatte oder außerhalb des Geräts montiert werden können. Dadurch wird ein Austausch im Fehlerfall deutlich vereinfacht.

Damit Hersteller von Solarinvertern die strengen Forderungen von Normen und Versicherungen kostengünstig erfüllen können, hat TDK-EPC die Serie ETFV (EPCOS ThermoFuse Varistor) entwickelt. Diese Bauelemente sind aus einer Serienschaltung von Varistor und Thermosicherung aufgebaut. Sollte die Degradation des Varistors soweit fortgeschritten sein, dass der gestiegene Leckstrom zu einer Überhitzung führt, spricht die Sicherung an und schaltet den Varistor frei. Eine Besonderheit dieser Bauelemente ist der Monitor-Anschluss: Die Kontaktstelle zwischen Varistor und Thermosicherung ist herausgeführt und kann eine Leuchtdiode treiben (Abbildung 3).

Varistoren für bidirektionalen Schutz
Varistoren sind spannungsabhängige monolithische Keramik-Widerstände. Ihr Verhalten wird durch die Nennspannung und die Stromtragfähigkeit definiert. Unterhalb der Ansprechspannung ist das Bauelement sehr hochohmig. Es fließt nur ein vernachlässigbarer Leckstrom im µA-Bereich. Übersteigt die anliegende Spannung die Nennspannung des Bauelements, wird der Varistor leitend, wobei Ströme im Bereich von einigen A bis kurzfristig auch kA bewältigt werden.
Ab einer bestimmten Nennspannung wird der Varistor leitend und begrenzt so einen weiteren Spannungsanstieg. Dieses Verhalten gilt für positive wie negative Spannungen, wodurch ein bidirektionaler Schutz gewährleistet ist.

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