Fraunhofer ISE testet Lichtbogendetektoren von Wechselrichtern

Integrierte Lichtbogendetektoren schalten Wechselrichter automatisch stromlos, wenn es zu Lichtbögen kommt. So erhöhen sie die Sicherheit von Photovoltaik-Anlagen. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE hat nun einen modularen Prüfstand entwickelt, der es möglich macht, die Detektorenfunktion der damit ausgerüsteten Wechselrichter zu prüfen.

Serielle Lichtbögen in Photovoltaik-Anlagen entstehen als Folge von Kontaktproblemen, etwa durch fehlerhafte Lötstellen im Modul oder in der Gleichstromverdrahtung des Wechselrichters. Die hohen Temperaturen an mangelhaften Kontaktstellen können im Ernstfall zum Brand der Anlage führen. Lichtbogendetektoren (LBD) in Wechselrichtern machen sich zunutze, dass der Lichtbogen zu einem Stromsprung im Wechselrichter beziehungsweise zu einem charakteristischen breitbandigen Rauschen führt: Sie erkennen den Lichtbogen und schalten die Anlage stromlos, bevor eine kritische Energie erreicht wird.

Diese Detektoren sind in den USA bereits seit 2011 Vorschrift in neu installierten PV-Anlagen. „Nationale und internationale Studien haben gezeigt, dass Lichtbögen in Photovoltaik-Anlagen mit einer hohen Installationsqualität sehr selten auftreten“, erklärt Felix Kulenkampff vom Fraunhofer ISE. Auf freiwilliger Basis böten jedoch auch Hersteller auf dem europäischen Markt Lichtbogendetektoren an. „Einige Gebäudeversicherer haben aus Brandschutzgründen darauf gepocht“, so Kulenkampff. Ein realitätsnaher Prüfaufbau könne das Risiko von nicht erkannten Lichtbögen und Fehlauslösungen deutlich senken. „Im Test sollte der Lichtbogen möglichst realistisch und unter wiederholbaren Bedingungen gezündet werden können.“

Maßgeblich für das ordnungsgemäße Funktionieren des Lichtbogendetektors ist die Zeit bis zum Abschalten des Wechselrichters: Je kürzer ein Lichtbogen brennt, desto geringer ist der Energieeintrag in die fehlerhafte Kontaktstelle – das heißt kurze Abschaltzeiten verhindern eine Brandentstehung sicher. Bei einer Energie zwischen 200 und 750 Joule und einer Abschaltzeit unter 2,5 Sekunden hat der Detektor die Prüfung bestanden. Eine automatische Wiederzuschaltung nach Detektor-Auslösung ist innerhalb von 24 Stunden vier Mal erlaubt, beim fünften Mal muss sie manuell erfolgen.

Neue Norm für bessere Detektion

Das Fraunhofer ISE testet die Lichtbogendetektoren nach Maßgabe der Anfang Mai veröffentlichten internationalen Norm IEC 63027. Fraunhofer-Forscher Kulenkampff war Mitglied der Normungskommission. Nach Darstellung des ISE räumt sie einige Schwächen der alten, bis dato maßgeblichen US-Norm aus, die den Realbetrieb nicht ausreichend realitätsnah simuliert habe. Dadurch seien viele Lichtbögen unerkannt geblieben, weil sie die Grenzwerte nicht erreichten, oder aber es seien Fehlalarme ausgelöst worden.

Für den Test gemäß IEC-Norm 63027 wird anstelle echter Module eine elektronische DC-Quelle als Photovoltaik-Simulator eingesetzt. Der Strom fließt vom Simulator über eine präzise trennbare Kontaktstelle in den Wechselrichter. Die Kontaktstelle wird durch zwei Elektroden aus Wolfram in Form eines Kugelgelenks gebildet, die mit einer definierten Geschwindigkeit auseinandergezogen werden. So wird ein charakteristischer Lichtbogen gezündet. Für den Testablauf können feste Testparameter (Elektrodenabstand und -geschwindigkeit) eingespeichert und angewählt werden. Damit das Messergebnis nicht durch den Simulator beeinflusst wird, ist zwischen Wechselrichter und simulierter Photovoltaik-Anlage ein Filternetzwerk geschaltet.

Erfahrungen auf Batterietechnik und Elektromobilität übertragen

Der im TestLab Power Electronics aufgebaute Prüfstand setzt dem Fraunhofer ISE zufolge nicht nur die genannten Testanforderungen normgerecht um, sondern erlaubt darüber hinaus dank des modularen Aufbaus verschiedene Testszenarien für String-Wechselrichter mit unterschiedlich verschalteten Photovoltaik-Modulstrings. Auch der Test von Modul-Wechselrichtern und Strang-Sammlern ist möglich. Der Prüfstand ist für Wechselrichter-DC-Spannungen bis 1.500 Volt geeignet, er verfügt über drei DC-Eingänge für bis zu 16 Ampere und einen DC-Eingang für bis zu 32 Ampere.

„Mit dem neuen Prüfstand erweitern wir das Angebot unseres TestLabs Power Electronics, in dem wir akkreditierte Prüfungen gemäß Netzanschlussrichtlinien, Wirkungs-gradmessungen sowie Impedanzspektroskopie-Untersuchungen von Wechselrichtern durchführen können“, erklärt Steffen Eyhorn, Leiter des TestLabs Power Electronics am Fraunhofer ISE.

Nicht nur für die Photovoltaik, sondern auch für andere Technologien wie Batterietechnik, Luftfahrt oder Elektromobilität ist der Schutz vor Schäden durch Gleichstromlichtbögen relevant. In allen Anwendungen ist eine Tendenz zu höheren Spannungen zu sehen. Die Wahrscheinlichkeit von elektrischen Überschlägen und daraus resultierenden parallelen oder seriellen Lichtbögen nimmt damit zu. Im Rahmen abgeschlossener und laufender Forschungsprojekte adaptiert das Fraunhofer ISE die Erfahrungen aus dem Photovoltaik-Bereich auch auf diese Anwendungen, um für verschiedene Branchen Beratungsdienstleistungen anzubieten. „Für die Problemlösung kann unser Team auf eine Datenbank aus Lichtbogensignalen in verschiedenen realen Anlagenkonfigurationen zurückgreifen. Damit können wir Fehlerquellen auf den Grund gehen“, so Kulenkampff.

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