Was bei Solarstrom bezüglich Blitzschutz zu beachten ist 1

Das Photovoltaik-System ist installiert und die regenerative Energie ergänzt unseren täglichen Strombedarf. So weit, so gut. Doch die Anlage im Freien birgt bei Blitzschlag ein Gefahrenpotenzial – nicht nur für sich, auch für das Gebäude.

Elektrische Anlagen im Freien sind gefährdet. Nicht nur Wind und Regen, vor allem auch Blitzschläge sind ein Risiko. Das gilt umso mehr, je exponierter eine entsprechende Installation ist. Für Photovoltaikanlagen, egal ob im Freiland oder auf dem Hausdach, gilt das ganz besonders. Nach einer Installation müssen daher einige Fragen beantwortet werden: Wurde bezüglich des Gesamtsystems (Gebäude, PV-Anlage) alles bezüglich Blitz- und Überspannungsschutz beachtet?

Was passiert, wenn in der Nähe oder vielleicht direkt in das Gebäude der Blitz einschlägt? Besteht eine Gefahr, dass dadurch Teile der Photovoltaikanlage zerstört werden oder werden sogar durch unsachgemäße Installation der Anlage zusätzliche Gefahrenpotenziale für die Gebäude und Elektroanlagen geschaffen? Schutz tut also not. Zudem bleibt die Frage, ob eine Blitzschutzanlage am Ende die Funktion der Photo­voltaikanlage beeinträchtigt.

Auch die Normenwelt hat sich dieser Thematik angenommen. Im Oktober 2009 wurde eigens dafür VDE 0185-305 Teil 3, Beiblatt 5, erstellt. Wichtig: Die Nichtbeachtung dieses Beiblattes kann nicht nur empfindliche Ausfallkosten und Schäden bedeuten, zusätzlich sind auch rechtliche Konsequenzen möglich. Daher ist es für alle Beteiligten wichtig, sich mit diesem neuen VDE Beiblatt 5 aus der DIN 0185 Serie vertraut zu machen.

Unterschiedliche Blitzbedrohungen

Risiken für die Anlage entstehen in erster Linie durch nahe oder entfernte Blitzentladungen. Sobald die statische Aufladung in den Gewitterwolken einen Wert von einigen Millionen Volt erreicht hat, bewegen sich negative Ladungen stufenweise voran.

Aufgrund dieser Vorentladung bildet sich durch fortschreitende Ionisierung ein leitfähiger Kanal. Nähert sich nun der etwa 5 cm dicke Leitkanal dem Erdboden, dann schlägt ihm von dort eine Fangentladung entgegen und leitet den Hauptblitz ein. Bis zu 200000 A werden so in nur wenigen Millisekunden umgeleitet – möglicherweise auch in ein Gebäude. Dort hängt es nun davon ab, ob das Gebäude mit einer äußeren Blitzschutzanlage ausgestattet ist oder nicht.

Gebäude ohne äußere Blitzschutzanlage

Aufgrund der baulichen Gegebenheiten oder der Art der Nutzung des Gebäudes hat sich der Gebäudebetreiber dafür entschieden, keine äußere Blitzschutzanlage zu installieren. Wurde diese Festlegung aufgrund der Blitzschutzklassenberechnung nach VDE 0185-305 Teil 2 (alternativ gemäß VdS 2010: ab 10kW) durchgeführt, so sollte diese Risikoanalyse nach Montage einer Photovoltaikanlage unter der Prämisse „Gebäudeabmessungen“ sowie „elektrische Dachaufbauten“ wiederholt werden. Es ist durchaus möglich, dass nun zusätzlich die Installation einer äußeren Blitzschutzanlage notwendig wird.

Die Notwendigkeit einer Blitzschutzanlage wird festgelegt durch die regionale Bauverordnung (für Schulen, Krankenhäuser etc.) oder aufgrund einer Risiko-Klassenberechnung gemäß VDE 0185-305-2. Bei dieser Klassenberechnung werden sämtliche relevanten Details eines Gebäudes zugrunde gelegt, woraus sich eine sichere Aussage über die Bedürftigkeit einer Blitzschutzanlage machen lässt.

Grundsätzlich gilt: Durch Naheinschläge, aber auch durch Wolke-Wolke-Blitze werden durch das Magnet- und das kapazitive Feld Spannungsspitzen in die Solarmodule sowie in deren Zuleitungen eingekoppelt.

Diese Spannungsspitzen können kurzzeitig mehrere tausend Volt erreichen. Um hier keine Zerstörungen des Wechselrichters oder Ladereglers zu riskieren, gehört direkt vor sowie auch hinter den Laderegler eine geeignete Überspannungsschutzlösung. Aber auch auf der 230-V-AC-Seite bedarf es einer Beschaltung mit Ableitern vom Typ 2. Schutzgeräte wie das OBO V20C/3+NPE schützen vor Überspannungen seitens des Stromversorgungsnetzes und sind universell einsetzbar für 3-Phasen TN- und TT-Systeme.

Speziell für die DC-Seite stellt die Firma Obo Bettermann eine Ableitervariante V20-C/PH zur Verfügung, die auf einfachem Wege direkt an Plus-, Minus- und PE-Klemmen angeschlossen wird. Dabei nicht zu vergessen: Weitere Überspannungsschutzmaßnahmen in der Hauptverteilung sowie auch in der DFÜ- oder Datenleitung sind vorzunehmen.

Gebäude mit äußerer Blitzschutzanlage

Handelt es sich hier um ein öffentliches Gebäude, wie gemäß Bauverordnung Blitzschutz vorgeschrieben ist, so ist äußerste Vorsicht geboten. Denn die VDE 0185-305-Teil 3, Beiblatt 5, sagt ganz klar: Die Installation einer PV-Anlage darf die Funktion der bestehenden Blitzschutzanlage nicht beeinträchtigen! Es muss verhindert werden, dass der Blitz direkt in die Solarmodule einschlagen kann. Dies kann geschehen durch Fangstangen, die dafür sorgen, dass der Schutzwinkel gemäß VDE 0185-305 Teil 3 eingehalten wird.

Eine eventuelle Schattenbildung von Fangstangen ist zu vermeiden. Speziell Solarmodule, die in Reihe verschaltet sind, reagieren stark auf kleine Abschattungen. Konkret: Die Leistungsabgabe der Module sinkt enorm. Diesbezüglich ist es vielleicht notwendig, Fangstangen (unter Einhaltung der Blitzschutznormen VDE 0185-305 Teil 3) zu versetzen. Vielleicht kann aber auch eine lange Fangstange gegen mehrere kleine Fangstangen ersetzt werden, um so die Schattenbildung zu vermeiden.

Probleme beim Näherungsabstand

Der Näherungsabstand zwischen den Solarmodulen (und deren Zuleitung) und der äußern Blitzschutzanlage ist gemäß VDE 0185-305 Teil 3 einzuhalten. In der Regel ist zwar bei kleineren Wohngebäuden ein Näherungsabstand von 0,5 m ausreichend. Gemäß Norm ist jedoch stets durch eine autorisierte Person (z. B. Blitzschutzfachkraft) eine korrekte Berechnung durchzuführen.

Ist es möglich, den notwendigen Näherungsabstand einzuhalten, so sollte aus Sicherheitsgründen (statische Aufladungen etc.) ein eventuell vorhandener metallischer Rahmen am inneren Potenzialausgleich angeschlossen werden. Bei nicht schutzisolierten PV-Generatoren ist diese Maßnahmen aus Sicht VDE 0100 Teil 712 bereits gefordert. Eine Empfehlung ist die Erdung der Rahmen allerdings auch bei schutzisolierten PV-Generatoren. Auch hier notwendig: Überspannungsschutzmaßnahmen für den Wechselrichter und Laderegler.

Bei einem Blitzeinschlag in die äußere Blitzschutzanlage fällt über die Induktivität der Anlage eine hohe Differenzspannung zwischen der Blitzschutzanlage und dem internen Potenzialausgleich an. Diese Differenzspannung kann einige 100 kV erreichen. Ein undefinierter Blitz­überschlag zwischen der Blitzschutzanlage und der Photovoltaikanlage ist möglich, der Zerstörungen an den Modulen hervorrufen kann und Teilblitzenergien über die Modulzuleitung und Wechselrichter in das Gebäude einführt. Sekundär sind nun Zerstörungen von anderen elektronischen Geräten sowie Brandschäden auch am Gebäude möglich.

Um das zu verhindern, sollte eine Verbindung der äußeren Blitzschutzanlage mit dem Metallrahmen der Module (blitzstromtragfähiges Material / Querschnitt gemäß VDE 0185-305 Teil 3) hergestellt werden, um den Blitzteilstrom definiert umzuleiten.

Blitzstromtragfähige Ableiter Typ 1 sind auf der DC-Seite einzusetzen. Auf der 230-V-AC-Niederspannungsseite müssen analog dazu ebenfalls blitzstromtragfähige Ableiter, bevorzugt im Vorzählerbereich, eingesetzt werden. Denn ein Teil der Blitzenergie wird von der äußeren Blitzschutzanlage über die Photovoltaikanlage zu dem Wechselrichter fließen. Diese Energie ist um ein Vielfaches höher als die Energie, die sich normal induktiv/kapazitiv einkoppeln könnte.

Fazit

Wie zu erkennen ist, kann bei einem Blitzeinschlag in ein Photovoltaik-System durch nicht fachgerechte Installation mehr Schaden angerichtet werden als vermutet. Bei Gebäuden ohne äußere Blitzschutzanlage sind die vorzunehmenden Maßnahmen relativ einfach und lassen sich von jeder Elektrofachkraft durchführen.

Bei Gebäuden mit äußerer Blitzschutzanlage sollte bereits in der Planungsphase der Photovoltaikanlage eine Blitzschutzfachkraft mit einbezogen werden, um Gefahrenpotenziale frühzeitig zu erkennen und kostengünstig zu bannen. Fakt ist: Nur die konsequente Einhaltung der VDE 0185-305-3, Beiblatt 5 hilft, Ärger zu vermeiden. Wird das Thema nicht im Vorfeld berücksichtigt, kann es teuer werden.

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