Bei den meisten Photovoltaikanlagen schaltet der Wechselrichter die Anlage sofort ab, wenn ein Isolationsfehler auftritt. Diese Abschaltung wird jedoch nur für den AC-Teil eines Photovoltaiksystems wirksam. Der DC-Teil der Solaranlage lässt sich in den meisten Systemen nicht abschalten. Solange die Sonne auf die Module scheint, stehen diese unter Spannung.
Die neueste Version der Norm DIN VDE 0100-712 vom Oktober 2016 fordert daher die doppelte oder verstärkte Isolierung als alleinige Schutzmaßnahme gegen elektrischen Schlag. Eine Aufweichung dieser Anforderung durch die Anwendung der Anhänge B und C des Standards DIN VDE 0100-410 ist hierbei ausdrücklich nicht mehr erlaubt.
Im Abschnitt 412.1.3 fordert die Norm DIN VDE 0100-410 außerdem eine wirksame Überwachung der Isolierung, denn viele Umwelteinflüsse oder Bauarbeiten an der Anlage können dazu führen, dass die Isolierung geschwächt oder gar zerstört wird. Kein von Nagetieren angeknabbertes Kabel, kein mangelhaft ausgeführter Steckverbinder, der eventuell bei einer Wartung eingebaut wird, soll unerkannt bleiben. Die Aufzählung könnte fortgeführt werden – Ursachen für nachlassende Isolierung gibt es viele.
Nicht zuletzt kann es vorkommen, dass bei Schneefall oder Regen nicht alle Module gleich befeuchtet werden, sodass durch unterschiedliche Netzableitkapazitäten der Module eine ungleiche Ableitstromverteilung entsteht.
Lückenlose Überwachung möglich
Wirksamer und dauerhafter Schutz vor Isolationsfehlern über einen langen Zeitraum ist kaum möglich. An Solaranlagen können UV-Strahlung, Hitze, Frost, Feuchtigkeit oder auch Nagerbisse den Kabeln so sehr zusetzen, dass Isolationsfehler auftreten.
Aber auch andere Komponenten können Auslöser für Isolationsfehler sein. Eine Überwachung des Isolationszustands von isoliert aufgebauten Systemen bieten Isolationsüberwachungsgeräte entsprechend DIN EN 61557-8 (VDE 0413-8) (international IEC 61557-8:2014). Für die Überwachung von Photovoltaiksystemen sind die Spezifikationen im Anhang C dieser Norm definiert.
Die Isolationsüberwachung von ungeerdeten Systemen kann kontinuierlich und lückenlos erfolgen. Der Isolationswiderstandsverlauf kann über verschiedene Betriebszustände hinweg beobachtet werden, bevor eine Abschaltung durch den Wechselrichter erfolgt. Wenn es zum Beispiel am Nachmittag regnet und Wasser in einen nicht mehr ganz dichten Stecker läuft, wird das Überwachungsgerät dies als abnehmenden Isolationswiderstandswert wahrnehmen.
Mehr als eine Momentaufnahme
Die Isolationsüberwachung von funktionsgeerdeten Systemen erfolgt meistens morgens vor dem Hochfahren der Anlage. Während der Isolationsmessung wird die Funktionserdung des DC-Teils aufgetrennt. Die Anlage wird nur in Betrieb genommen, wenn ein ausreichend hoher Isolationswiderstandswert ermittelt wird.
Diese Art der Isolationsüberwachung bildet den Isolationszustand in diesem Moment ab. Die Aussagekräftigkeit dieser Messung über den Anlagenzustand ist entsprechend geringer. Denn im oben erwähnten Beispielszenario würde der Zustand der Anlage nach dem Trocknen augenscheinlich einwandfrei sein. Zyklische Überprüfungen erfassen Zwischenzustände nicht. Weil bei größeren Anlagen die Schutzabschaltung beziehungsweise das Nicht-in-Betrieb-Nehmen von fehlerbehafteten Systemen große Ertragsausfälle bedeutet, lohnt sich ein Abwägen, welches System errichtet wird.
Ein vollständig ungeerdetes System, das kontinuierlich durch ein Isolationsfehlerüberwachungsgerät überwacht wird, kann sich lohnen. Denn hier erhält der Anlagenbetreiber frühzeitig vor einem kritischen Systemzustand Informationen, denen er nachgehen kann. Ist sogar ein Fehlersuchgerät integriert, kann der betreffende String schnell lokalisiert und überprüft werden. Die Norm DIN VDE 0100-530 vom Oktober 2014 empfiehlt für IT-Systeme, die Isolationsüberwachung mit einem System zur Fehlersuche zu kombinieren. Der fehlerhafte Stromkreis soll angezeigt werden, wenn die Überwachung einen Isolationsfehler meldet. Der internationale Standard IEC 60364-7-712 Edition 2.0 2017-04 fordert im Abschnitt 712.31.101.51 für Photovoltaiksysteme, dass die Quelle von Fehlerströmen ermittelt werden muss.
Schäden durch Nagetiere entdecken
Isolationsüberwachungsgeräte nach DIN EN 61557-8 sind in der Lage, den Gesamtisolationswiderstand eines ungeerdeten Netzes im Betrieb zu bestimmen, ohne dass Betriebsmittel abgeklemmt werden müssen.
Die Messung erfolgt mit kleinen Spannungen und funktioniert auch im normalen Betriebszustand einer Anlage. Bei modernen Isolationsüberwachungsgeräten kann der Verlauf des Isolationswiderstandsniveaus aufgezeichnet und visualisiert werden. Wird zum Beispiel eine Korrelation mit der über Nacht zunehmenden Betauung festgestellt und daraufhin eine Fehlersuche gestartet, wird ein Nagetierfraß wahrscheinlich schneller entdeckt als bei einer seltener stattfindenden Wiederholungsprüfung.
Gerade diese Schäden können bei einer Isolationswiderstandsmessung unentdeckt bleiben, da der zwischen den blanken Leitern verbleibende Luftabstand sehr hochohmig ist. Dem Messgerät wird so eine intakte Isolierung vorgetäuscht. Erst bei hinzukommender Luftfeuchtigkeit oder Verschmutzungen kommt es zu gefährlichen Kriechströmen.
Für die Fehlersuche existieren sehr unterschiedliche Methoden, die in der Praxis mehr oder weniger effizient funktionieren. Häufig werden die Strings nacheinander außer Betrieb genommen, um anhand der Änderung des Isolationswiderstandswertes einzuschätzen, ob der abgeschaltete String fehlerhaft war.
Hier werden mit normgerechten Überwachungsgeräten immerhin symmetrische Fehler entdeckt, die zum Beispiel bei der Verlagerungsspannungsmessung nicht gefunden werden.
Bis zu 20 Strings automatisch scannen
Fehlerhafte Strings durch selektives Abschalten zu suchen, ist mit Gefahren verbunden, da manuell geschaltet werden muss.
Dagegen bieten moderne Geräte zur Isolationsfehlersuche speziell für Photovoltaikanlagen eine schnelle und zuverlässige Lokalisierung von Fehlern bis auf die Modulebene hinunter, selbst in großen und weitläufigen Anlagen. Der im Überwachungsgerät integrierte Prüfstromgenerator sendet einen Prüfstrom gegen Erde, der auf ein ungefährliches Niveau begrenzt ist. Dieser aktive Lokalisierungsstrom wird in alle aktiven Anlagenteile geleitet.
Bis zu 20 Strings können automatisiert abgescannt und der String gefunden werden, der den größten Strom gegen Erde durchfließen lässt. Ist dieser identifiziert, können mit einer mobilen Auswerteinrichtung, zum Beispiel einem Handgerät mit zwei Stromzangen, vor Ort die einzelnen Komponenten geprüft werden. Dabei ist unerheblich, ob es sich um Module, Stecker oder Leitungen handelt.
Bender
Überwachung mit Differenzstrom
Das Isometer Iso PV 1685P wird zur Isolations- und Differenzstromüberwachung von großen als IT-System ausgeführten Anlagen bis 1.500 Volt eingesetzt. Das speziell für langsame Spannungsschwankungen entwickelte Messverfahren überwacht den Isolationswiderstand auch in Anlagen, die sehr hohe Ableitkapazitäten gegen Erde aufweisen. Die Isolationsüberwachung erfolgt über einen aktiven Messpuls, der über die integrierte Ankopplung dem Photovoltaiknetz gegen Erde überlagert wird.
Unterschreitet der Isolationswiderstand den eingestellten Vorwarnwert, leuchtet eine LED-Anzeige und das Alarmrelais schaltet um. Wird ein weiterer Ansprechwert unterschritten, schaltet ein weiteres Relais um. Der integrierte Prüfstromgenerator für die Fehlersuche wird entweder extern über die BMS-Schnittstelle angesteuert oder über die interne Ersatzmasterfunktion.
Mobiles Prüfstromgerät
Die tragbaren Prüfstromkoffer dienen zur Isolationsfehlersuche in ungeerdeten Netzen (IT-Systemen). In einem stabilen Alukoffer sind ein Prüfstromgenerator, ein Isolationsfehlersuchgerät und zwei verschiedene Messzangen untergebracht. Verschiedene Ausführungen für unterschiedliche Stromkreise sind erhältlich. Der enthaltene Prüfstromgenerator erzeugt ein definiertes Prüfstromsignal. Die zwei Differenzstromzangen erfassen das Prüfstromsignal und identifizieren das fehlerhafte Module oder eine andere Quelle des Isolationsfehlers.
Diese Methode basiert auf folgendem Prinzip: In IT-Systemen fließt bei einem ersten Isolationsfehler ein Differenzstrom, der im Wesentlichen von den Netzableitkapazitäten bestimmt wird. Der Grundgedanke der Fehlersuche ist daher, den Fehlerstromkreis kurzzeitig über einen definierten Widerstand zu schließen. Nach diesem Prinzip wird von der Netzspannung selbst ein Prüfstrom getrieben, der ein auswertbares Signal enthält.
Der Prüfstromimpuls fließt vom Prüfstromgenerator über die spannungsführenden Leitungen auf dem kürzesten Weg zur Isolationsfehlerstelle. Von dort aus fließt er über den Isolationsfehler und die Erdleitung (PE-Leitung) zum Prüfstromgenerator zurück. Dieser Prüfstromimpuls wird von den im Isolationsfehlerpfad liegenden Messzangen oder Messstromwandlern erkannt und durch das angeschlossene Isolationsfehlersuchgerät EDS195P gemeldet.
In TN- oder TT-Wechselspannungsnetzen kann das Gerät ebenfalls eingesetzt werden. In diesem Fall wird mit Differenzstrommessung gearbeitet. Der Prüfstromgenerator wird nicht benötigt.
Ist der String gefunden, der den größten Strom gegen Erde durchfließen lässt, können vor Ort mit einem Handgerät die Komponenten geprüft werden.
Prinzip einer Anlage mit Isolationsüberwachung: Das Isolationsüberwachungsgerät Iso PV 1685 überwacht das gesamte System. Wenn die eingestellten Ansprechwerte unterschritten werden, sendet es ein Prüfstromsignal aus. Das Isolationsfehlersuchgerät EDS460 lokalisiert, in welcher Unterverteilung der Isolationsfehler aufgetreten ist. Ab dann beginnt die Fehlersuche mit dem manuellen Isolationsfehlerprüfgerät EDS195P. In Verbindung mit Messzangen kann damit der Isolationsfehler weiter bis zum fehlerhaften Modul lokalisiert werden.
