Messungen der Kurzschluss-Schleifenimpedanz in Photovoltaik-Anlagen in IT-Netzen bei Spannungen bis 900 V AC

Die Messung der Schleifenimpedanz auf Photovoltaik-Freiflächenanlagen in IT-Systemen mit Spannungen bis zu 900 V AC gehört zu den größten Herausforderungen der modernen Diagnostik von PV-Anlagen. Hohe Spannungen, die Besonderheiten des IT-Netzes, die Präsenz von Wechselrichtern und die weiträumige Ausdehnung der Anlagen erfordern nicht nur spezielle Messtechnik, sondern auch Fachwissen, Erfahrung und eine präzise geplante Messmethodik. Wie lassen sich solche Messungen sicher und zuverlässig durchführen? Welche Normen sind zu erfüllen – und worauf ist besonders zu achten?

Einleitung

Die dynamische Entwicklung des Sektors der erneuerbaren Energien, insbesondere der Fotovoltaik, hat zu einer starken Zunahme großer Fotovoltaikanlagen geführt. Trotz periodischer Schwankungen in der Energiewirtschaft bleiben die Investitionen auf einem hohen Niveau. Gleichzeitig steigt die Nachfrage nach einer präzisen Diagnose der Betriebsparameter der Anlagen, einschließlich der Messung der Kurzschlussschleifenimpedanz (Z_S). Dieser Parameter ist für die Überprüfung der korrekten Funktionsweise der Stromschlag- und Kurzschlussschutzsysteme sowie der Übereinstimmung der PV-Anlage mit den Betreiberspezifikationen von wesentlicher Bedeutung.

Die Messung der Kurzschlussschleifenimpedanz in Photovoltaikanlagen, insbesondere in IT-Netzen, stößt jedoch aufgrund der besonderen Merkmale solcher Anlagen auf zahlreiche Schwierigkeiten, wie z. B:

das Vorhandensein von Wechselrichtern, die die klassischen Messmethoden stören können,
variable Energieerzeugungsbedingungen, die sich aus den Schwankungen der Sonneneinstrahlung ergeben, was die Stabilität der Messergebnisse beeinträchtigt
große Entfernungen und lange Kabelleitungen, wie sie für PV-Anlagen mit einer Fläche von mehreren Hektar und einer Leistung von mehreren hundert MWp typisch sind (pro 1 MWp installierter Leistung werden etwa 1,5 ha Land benötigt),
die Verwendung eines IT-Netzsystems, bei dem die Impedanz der Kurzschlussschleife und die Erdungsmethode von grundlegender Bedeutung für die Wirksamkeit des Stromschlagschutzes sind,
die tatsächliche Spannung am Wechselrichterausgang übersteigt 800 V AC, was die Verfügbarkeit von speziellen Messgeräten einschränkt

In diesem Artikel werden die Art der Kurzschluss-Schleifenimpedanzmessungen in IT-Systemen von Photovoltaikanlagen, die Messmethodik und die Interpretation der Ergebnisse in Systemen mit Spannungen bis zu 900 V AC erörtert.

Sollten Kurzschlussschleifenimpedanzmessungen in IT-Netzen von PV-Anlagen durchgeführt werden?

Fachleute der Branche und Messtechnik bezweifeln häufig die Notwendigkeit der Messung der Kurzschlussschleifenimpedanz (Z_S) in Photovoltaikanlagen, die in IT-Netzen betrieben werden. Zudem ist die Zuverlässigkeit der erzielten Ergebnisse in Gegenwart von Wechselrichtern, die die Stabilität der Messungen beeinträchtigen können, ein Problem. Zusätzliche Herausforderungen ergeben sich auch aus den anderen in der Einleitung genannten Punkten.

Die Antwort auf die Frage ist eindeutig: Ja, die Messung der Kurzschlussschleifenimpedanz ist notwendig und sollte umfassend durchgeführt werden. Darüber hinaus ist eine einzige Messung möglicherweise nicht ausreichend; es sollten mehrere Tests unter verschiedenen simulierten, plausiblen Szenarien durchgeführt werden, um ein umfassendes Verständnis der Netzparameter und der Wirksamkeit der vorhandenen Schutzsysteme zu erhalten.

Die Grundlage für die Durchführung der genannten Prüfungen sind die geltenden Normen, darunter:

HD 60364-6 - Festlegung der Anforderungen für die Abnahme und die wiederkehrende Prüfung elektrischer Anlagen,
HD 60364-7-712 - Elektrische Niederspannungsinstallationen - Teil 7-712: Anforderungen für besondere Installationen oder Standorte - Solar-Photovoltaik (PV) Stromversorgungssysteme
HD 60364-4-41 - Elektrische Niederspannungsanlagen - Teil 4-41: Schutz für die Sicherheit - Schutz gegen elektrischen Schlag
EN 62446 - betreffend die Anforderungen an die Prüfungen, Inspektionen und Tests von Photovoltaikanlagen

Die Anforderungen der oben genannten Normen sollten erfüllt werden, um die Sicherheit der Anlage zu gewährleisten und die Übereinstimmung des geprüften Systems mit den Konstruktionsspezifikationen zu überprüfen. In den folgenden Abschnitten des Artikels werden die spezifischen Aspekte der Durchführung von Impedanzmessungen in IT-Netzen von Photovoltaikanlagen behandelt.

IT Netze

Das IT-Netzsystem wird dort eingesetzt, wo maximale Personensicherheit und hohe Versorgungssicherheit erforderlich sind – auch in Fehlerfällen, die in TN- oder TT-Netzsystemen Überstromschutzschalter auslösen würden.

Die Konfiguration eines IT-Netzes ist von besonderer Bedeutung: Alle stromführenden Teile (L1, L2, L3 und, falls vorhanden, N) sind von Erde isoliert oder über eine hohe Impedanz (z. B. eine Funkenstrecke oder einen Widerstand von 1500 Ω) mit Erde verbunden, während freiliegende leitfähige Teile direkt geerdet sind.

Abb. 1. Schematische Darstellung einer PV-Anlage mit Transformator in einem IT-Netz. Der Sternpunkt des Transformators ist über eine Funkenstrecke geerdet

Abb. 2. Mögliche IT-Netzwerkkonfigurationen gemäß der Norm IEC 60364-1:
a) 1-phasiges IT-System mit durch hohe Impedanz Z geerdetem Transformator-Neutralpunkt
b) 3-phasiges IT-System ohne Neutralleiter, mit durch eine Funkenstrecke geerdetem Transformator-Neutralpunkt
c) 3-phasiges IT-System mit Neutralleiter, mit durch hohe Impedanz Z geerdetem Transformator-Neutralpunkt

Um einen störungsfreien Betrieb eines IT-Systems zu gewährleisten, müssen freiliegende leitfähige Teile ordnungsgemäß geerdet werden. Dies kann auf verschiedene Weise erfolgen: einzeln, in Gruppen oder gemeinsam.

Abb. 3. Mögliche Methoden zur Umsetzung der Schutzerdung in einer Photovoltaikanlage:
a) Einzelerdung, b) Gruppenerdung, c) Sammelerdung

Der Schutz freiliegender stromführender Teile wird durch deren Anschluss an das Erdungssystem gewährleistet – siehe Abb. 1 und Abb. 2.

Überwachung des Status des IT-Netzbetriebs

Die folgenden Überwachungs- und Schutzvorrichtungen können in IT-Systemen verwendet werden:

IMD – Isolationsüberwachungsgeräte (insulation monitoring devices)
RCM – Fehlerstromüberwachungsgeräte (residual current monitoring devices)
IFLS – Isolationsfehlersuchsysteme (insulation fault location systems)
OCPD – Überstromschutzgeräte (overcurrent protective devices)
RCD – Fehlerstromschutzgeräte (residual current devices)

In IT-Netzwerken ist es Standard, ein Gerät zu verwenden, das die Isolation gegenüber Erde ständig überwacht – IMD (Insulation Monitoring Device). IMD erkennt einen Abfall des Isolationswiderstands und meldet einen Fehler (z. B. durch einen optischen und/oder akustischen Alarm), schaltet jedoch nicht sofort die Stromversorgung ab. Dadurch kann das System weiterbetrieben werden (Aufrechterhaltung der Stromversorgung), während der Fehler ohne Ausfallzeit behoben wird. In Extremfällen kann jedoch das Nichtreagieren auf den ersten Fehler zu einem zweiten Fehler führen, der einen Phasen-zu-Phasen-Kurzschluss zur Folge hat und die Überstromschutzvorrichtung zwingt, die Stromversorgung zu unterbrechen.

Dank IMD gewährleistet das IT-System eine hohe Stromversorgungssicherheit, erfordert jedoch eine regelmäßige Überwachung und eine schnelle Reaktion auf den ersten Fehler, um einen schwerwiegenderen Fehler zu vermeiden.

Weitere Informationen über den Aufbau und die Funktionsweise von IT-Netzwerken finden Sie in der Fachliteratur, z. B. in der Veröffentlichung „Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT” (Elektroschlagschutz in IT-Stromversorgungssystemen) von mgr. inż. Julian Wiatr.

Der Einfluss des IT-Systems auf die Messung der Kurzschlussimpedanz

Die Eigenschaften des IT-Systems sind entscheidend für die Methodik zur Messung der Kurzschlussimpedanz in Photovoltaikanlagen. Im Gegensatz zu TN-Systemen, bei denen ein Fehler eines Phasenleiters mit (a) einem freiliegenden leitfähigen Teil oder mit (b) dem Schutzleiter eines Stromkreises/Geräts zu hohen Fehlerströmen führt, erzeugt in einem IT-Netz der erste Fehler an den freiliegenden leitfähigen Teilen nur geringe kapazitive Ströme (in der Regel wenige Milliampere).

Hier ist eine kurze Erläuterung dazu: Kapazitätsströme entstehen durch die Kapazität der Kabel und der empfangenden Geräte gegen Erde. In einem IT-System ist der Sternpunkt des Transformators nicht direkt geerdet, sodass bei einem Einfachfehler (z. B. einem Phase-Erde-Fehler) der Fehlerstrom nicht durch die Erdungsimpedanz begrenzt wird, sondern in erster Linie durch die Leitung-Erde Kapazität bestimmt wird. Aus diesem Grund liefern herkömmliche Messmethoden möglicherweise keine zuverlässigen Ergebnisse und die Interpretation der erhaltenen Werte erfordert eine eingehende Analyse der Netzwerkkonfiguration zum Zeitpunkt der Prüfung.

Es ist zu betonen, dass ein Fehler im Stromkreis nicht unbedingt ein metallischer Kurzschluss zwischen Phase und Erde sein muss; in diesem Zusammenhang bezieht sich HD 60364-4-41 auf einen Fehler, an dem ein freiliegendes leitfähiges Teil beteiligt ist. In diesem Artikel beziehen sich die Begriffe „Erdschluss“ und „Erdungsfehler“ auf die in der Norm angegebene Bedeutung. Es ist anzumerken, dass in der Fachliteratur häufig die Begriffe „erster“ und „zweiter Erdschluss“ verwendet werden; dieser Artikel folgt jedoch der in der oben genannten Norm verwendeten Terminologie.

Abb. 4. IT-Netzbetrieb a) unter normalen Bedingungen, b) beim ersten Fehler im Stromkreis

Erster Fehler im Stromkreis

Ein einzelner Fehler im Stromkreis verursacht keine großen Fehlerströme, da diese über die Kapazitäten der übrigen Phasenleiter gegen Erde und über den Schutzleiter PE fließen und so einen geschlossenen Stromkreis innerhalb des galvanisch verbundenen Netzes bilden. Der Wert dieses Stroms hängt nicht von der Fehlerstelle ab, sondern von der Stromkonfiguration der gesamten Anlage.

Um einen wirksamen Schutz gegen elektrischer Schlag in einem IT-System nach dem ersten Fehler im Stromkreis zu gewährleisten, muss folgende Bedingung erfüllt sein:

R_a·I_k1 ≤ 50 V AC
R_a·I_k1 ≤ 120 V DC

mit:

R_a – Gesamtwiderstand der Erde und Widerstand des Schutzleiters für freiliegende leitfähige Teile [Ω],
I_k1 – erster Fehlerstrom [A], unter Berücksichtigung von Ableitströmen und Erdungsimpedanz.

Wenn die freiliegenden leitfähigen Elemente ordnungsgemäß geerdet sind, besteht bei einem ersten Fehler im Stromkreis keine Stromschlaggefahr, sodass der beschädigte Stromkreis nicht sofort getrennt wird (dieser Zustand wird nur durch das IMD/UKSI gemeldet).

Ein IT-Netz im Zustand des ersten Fehlers kann je nach Erdungsart seiner Komponenten einem TN- oder TT-Netz ähneln (siehe Abb. 3).

TT – wenn die Erdung einzelner Geräte separat oder in Gruppen erfolgt – Abb. 3a, Abb. 3b. Ein Beispiel für die Umwandlung ist in Abb. 5a dargestellt.
TN – wenn alle Geräte an ein gemeinsames Erdungssystem angeschlossen sind – Abb. 3c. Ein Beispiel für die Umwandlung ist in Abb. 5b dargestellt.

Abb. 5. Umwandlung des IT-Netzes infolge des ersten Fehlers:
a) im TT-System (Einzel- oder Gruppenerde – vgl. Abb. 3a, Abb. 3b), b) im TN-System (Sammelerde – vgl. Abb. 3c)

Um die erforderliche automatische Abschaltzeit gemäß den Anforderungen der Norm HD 60364-4-41 korrekt zu bestimmen, muss der PV-Anlagenplaner angeben, in welches System das IT-Netz nach dem ersten Fehler im Stromkreis übergeht.

Gemäß dieser Norm gilt für Endstromkreise mit einem Strom nicht über:

63 A für Versorgungsstromkreise mit mindestens einer Steckdose,
32 A für Stromkreise, die nur fest angeschlossene elektrische Betriebsmittel versorgen

die maximale Abschaltzeit ist in Tabelle 1 angegeben. Dieselbe Norm besagt, dass für TN- und TT-Systeme mit Endstromkreisen, die Ströme über den oben genannten Werten führen, die Abschaltzeit folgende Werte nicht überschreiten darf:

5 Sekunden für TN-Netze,
1 Sekunde für TT-Netze.

Wir betrachten einen großen Photovoltaikpark (Leistung 1 MWp) als ein System, in dem die Ströme in den Stromversorgungskreisen 63 A überschreiten, sodass eine maximale Abschaltzeit von 1 Sekunde oder 5 Sekunden angenommen wird.

Tab. 1. Erforderliche automatische Abschaltzeiten gemäß den Anforderungen der HD 60364-4-41 für Steckdosen mit einem Nennstrom von ≤63 A und fest installierten Verbrauchern mit einem Nennstrom von ≤32 A

Network system	50 V < U₀ ≤ 120 V [s] - AC	50 V < U₀ ≤ 120 V [s] - DC	120 V < U₀ ≤ 230 V [s] - AC	120 V < U₀ ≤ 230 V [s] - DC	230 V < U₀ ≤ 400 V [s] - AC	230 V < U₀ ≤ 400 V [s] - DC	U₀ > 400 V [s] - AC	U₀ > 400 V [s] - DC
TN	0,8	Hinweis 1*)	0,4	5 oder 1**)	0,2	0,4	0,1	0,1
TT	0,3	Hinweis 1*)	0,2	0,4	0,07	0,2	0,04	0,1

U₀ – Nennwechsel- oder Gleichspannung des Leiters gegenüber Erde

*) Hinweis 1. Eine Trennung vom Stromnetz kann aus anderen Gründen als zum Schutz vor Stromschlag erforderlich sein.

**) Die Trennungszeit von 1 s ist in der neueren Norm HD 60364-4-41:2017-09 festgelegt.

Zweiter Fehler im Stromkreis

Im Gegensatz zum ersten Fehler im Stromkreis führt der zweite Fehler zur Bildung einer klassischen Kurzschlussschleife, wodurch ein wesentlich höherer Fehlerstrom entsteht. Daher erfordert die Messung der Kurzschlussimpedanz in einem IT-Netzwerk die Analyse verschiedener Szenarien unter Berücksichtigung unterschiedlicher Erdungskonfigurationen und möglicher Fehlerzustände.

Abb. 6. Fehlerstrom in einem gemeinsam geerdeten IT-System bei einem doppelten Fehler:
a) zwei Fehler: L3-GND (#1), L1-GND (#2), b) Fehler von L3-GND (#1) und Phasenfehler L1-L2 (#2)

Zweiter Fehler im IT-Netzwerk, das als TN-System betrachtet wird

Wenn alle leitfähigen Teile im System an einen gemeinsamen Schutzleiter angeschlossen sind (Abb. 3c), wird bei einem zweiten Fehler im Stromkreis der Fehlerstrom durch die Kurzschlussimpedanz bestimmt. Es muss unbedingt vom ungünstigsten Fall ausgegangen werden, d. h. vom gleichzeitigen Auftreten zweier Fehler, die in verschiedenen Stromkreisen auftreten können. Ein Beispiel wäre eine Situation, in der ein Fehler einer Phase mit einem freiliegenden leitenden Teil an einem vom Transformator weit entfernten Wechselrichter auftritt und ein Fehler einer anderen Phase an einem anderen Wechselrichter (ebenfalls in erheblicher Entfernung vom Transformator) auftritt, wobei der Fehlerstrom für diese beiden Fehler größtenteils durch unterschiedliche Abschnitte der Potentialausgleichsverbindung fließt. Dies bezieht sich auf die Systemausführung mit einem einzigen Potentialausgleichsleiter, wie in Abb. 3c dargestellt. In dieser Konfiguration verdoppelt sich die Länge des Fehlerweges (weshalb in beiden Formeln der Wert 2 im Nenner steht).

IT-Systeme sind mit einem Neutralleiter ausgestattet (siehe Abb. 2), aber Systeme ohne Neutralleiter sind häufiger anzutreffen. Beide Fälle müssen mit den entsprechenden Formeln berücksichtigt werden.

IT-System ohne Neutralleiter
Z_S ≤ U / (2·I_a)

IT-System mit Neutralleiter
Z’_S ≤ U₀ / (2·I_a)

mit:

Z_S, Z’_S - Kurzschlussimpedanz der Schleife, bestehend aus dem Phasenleiter und dem Schutzleiter (Z_L+Z_PE),
U₀ - Nennspannung zwischen Phase und Neutralleiter (U_L-N),
U - Nennspannung zwischen den Phasen (U_L-L),
I_a - Strom, der erforderlich ist, um die Schutzvorrichtung innerhalb der festgelegten Zeit auszulösen, gemäß den Anforderungen für TN-Netze (siehe Abschnitt Erster Fehler im Stromkreis dieses Artikels).

Zweiter Fehler im IT-Netz, das als TT-System betrachtet wird

Wenn in einem IT-Netz freiliegende leitende Teile einzeln oder gruppenweise mit der Erde verbunden sind (Abb. 3a, Abb. 3b), ist dies als Konfiguration zu betrachten, die zu einem TT-System wird. Um eine automatische Trennung der Stromversorgung unabhängig von der verwendeten Schutzvorrichtung (Überstrom- oder Fehlerstromschutzvorrichtungen) zu gewährleisten, muss die folgende Bedingung für den Schutz gegen elektrischen Schlag erfüllt sein:

R_a ≤ U_L / I_a

mit:

R_a – Widerstand der Erdungselektrode und der Schutzleiter,
U_L – zulässige Berührungsspannung (in der Regel 50 V oder 25 V / 12 V in Umgebungen mit erhöhtem Risiko),
I_a – Strom, der innerhalb der für TT-Netze vorgeschriebenen Zeit die automatische Auslösung der Schutzvorrichtung bewirkt (siehe Abschnitt Erster Fehler im Stromkreis dieses Artikels).

Messverfahren

Nachdem Sie die Konstruktionsunterlagen geprüft (die Diagramme sind in der Regel in der Transformatorstation verfügbar) und alle erforderlichen Informationen eingeholt haben, können Sie mit den Messungen beginnen.

Aber sind wir uns da auch ganz sicher? Verfügen wir über das geeignete Messgerät, die persönliche Schutzausrüstung und die Werkzeuge, um die Tests sicher durchzuführen?

In großen PV-Anlagen (ca. 1 MWp) sind Wechselrichter mit einer Betriebsspannung von 1500 V DC / 800 V AC Standard. Es ist jedoch zu beachten, dass unter tatsächlichen Betriebsbedingungen die Wechselseitenspannung 850 V überschreiten kann, was nicht ungewöhnlich ist. Derzeit ist nur ein Messgerät auf dem Markt erhältlich, das die Kurzschlussimpedanz unter solchen Bedingungen messen kann: Sonel MZC-340-PV. Es ist für Spannungen bis 900 V AC ausgelegt und erfüllt vor allem die Anforderungen der Messkategorie CAT IV 1000 V.

Hinweis: Die Messkategorie des Messgeräts ist nicht alles! Auch das bei den Messungen verwendete Zubehör muss eine entsprechende Kategorie aufweisen. Denn wenn das Produkt mit anderen Geräten oder Zubehörteilen zusammenarbeitet, gilt die niedrigste Messkategorie der angeschlossenen Geräte. Im Fall des Sonel MZC-340-PV ist dies kein Problem: Das spezielle Zubehör ist ebenfalls für CAT IV 1000 V ausgelegt.

Darüber hinaus benötigen Sie persönliche Schutzausrüstung wie dielektrische Handschuhe, einen Helm mit Gesichtsschutz, einen Spannungsprüfer und eine Erdungsvorrichtung (empfohlener Querschnitt des Kurzschlussdrahtes ≥35 mm2).

Hinweis: Obwohl es aus praktischer Sicht einfacher erscheinen mag, die Erdungsvorrichtung an Sicherungshalter, Sicherungslasttrennschaltern oder Sicherungslasttrennschaltern anzubringen, wird davon abgeraten. Der Grund dafür ist, dass der Sicherungselement bei der Einschaltung der geerdeten Leitung im Stromkreis verbleiben muss, was bei einem vorherigen Fehler an einer anderen Phase als der geerdeten (wodurch der erste Fehler im IT-Stromkreis entsteht) zu einer Kurzschlussschleife führen kann.

Messungen von Z_S zwischen einzelnen Phasen

Nach dem Ausschalten des ausgewählten Wechselrichters führen Sie mit dem Gerät Sonel MZC-340-PV Messungen an den Phasenpaaren L1-L2, L1-L3 und L2-L3 durch. Jedes Ergebnis wird im Speicher des Messgeräts gespeichert. Achten Sie bei Messungen mit Krokodilklemmen darauf, dass deren Backen fest an den Schraubklemmen anliegen. Wenn ein Anschluss mit Krokodilklemmen nicht möglich ist (was häufig vorkommt), verwenden Sie spitze Sonden und drücken Sie diese fest gegen die Schraubklemmen jeder Phase.

Abb. 7. Fotos, die zeigen, wie man mit Krokodilklemmen (links) oder spitzen Sonden (rechts) eine Verbindung zu einem ausgewählten Stromkreis herstellt.

Abb. 8. Fehlerschleifenmessung für Messungen in Phasen: a) L1-L2, b) L1-L3, c) L2-L3, d) aufgezeichnete Ergebnisse

Messungen von Z_S am Wechselrichter und Leitungsfehler in der Transformatorstation (Fall eines doppelten Fehlers im Stromkreis)

Wie bei den Messungen zwischen den Phasen wird der Wechselrichter ausgeschaltet. Trennen Sie am anderen Ende der zu prüfenden Leitung, in der Transformatorstation, die Zuleitung von diesem Wechselrichter – schalten Sie dazu den Sicherungslastschalter aus. Alternativ können Sie die gesamte Station von der Stromversorgung trennen. Stellen Sie mit einem Spannungsprüfer sicher, dass im geprüften Stromkreis keine Spannung anliegt (d. h. überprüfen Sie, ob die richtige Leitung getrennt wurde). Verbinden Sie zunächst die Erdungsvorrichtung mit dem Erdpotential (z. B. der Schutzerdung der Unterstation) und dann mit der Phase der getrennten Leitung (z. B. L3). Dadurch wird ein Fehler im Stromkreis dieser Leitung simuliert.v

Abb. 9. Diagramm der Schritte zur Vorbereitung der Installation für die Messung
1. Schaltkreisunterbrechung mittels eines Sicherungs-Schalters. 2. Anschluss der Erdungsvorrichtung an den PE-Leiter der Station. 3. L3 Leitungserdung. 4. Es ist möglich, aber nicht empfohlen, die Erdung an den V-Anschluss der Phase L3 anzuschließen. 5. Wiederherstellung der Verbindung

Aus Sicherheitsgründen wird davon abgeraten, die Erdungsvorrichtung an die Sammelschienen von Kompaktleistungsschaltern (d. h. zwischen Transformator und Sicherungslasttrennschalter) oder an einen der Niederspannungsanschlüsse des Transformators anzuschließen. Aus dem gleichen Grund raten wir davon ab, die Funkenstrecke des Transformators zu überbrücken.

Abb. 10. Methoden zur Simulation eines Fehlers im Stromkreis: a) am Ausgang des Sicherungslasttrennschalters (sicher), b) an der Sammelschiene des Kompaktleistungsschalters (unsicher), c) Brücke an der Funkenstrecke (unsicher)

Nach der Simulation des ersten Fehlers im Stromkreis kann die Stromversorgung mithilfe des zuvor ausgeschalteten Sicherungslasttrennschalters wiederhergestellt werden. Alternativ kann der kompakte Leistungsschalter ferngeschaltet werden, wenn die Umspannstation vollständig abgeschaltet wurde. Schalten Sie den Wechselrichter nicht ein!

Schließen Sie am Wechselrichter eine der Messleitungen des Sonel MZC-340-PV-Messgeräts – die mit der Krokodilklemme – an die Metallhalterung der PV-Module an, um eine direkte Verbindung zur Erdung (z. B. Erdungsleiste) herzustellen. Schließen Sie die zweite Messleitung an Phase L1 an (gemessene Spannung: 847 V AC). Mit anderen Worten: In einem System, in dem der erste Fehler im Stromkreis an Phase L3 simuliert wurde, legen Sie den zweiten Fehlerpunkt an den Wechselrichterklemmen fest (das Messgerät löst einen kontrollierten Fehler aus), wie in Abb. 6a dargestellt. Speichern Sie das Ergebnis im Speicher des Messgeräts als L1-PE.

Ohne die Leitung mit der Krokodilklemme von der Erdung (PE) zu trennen, verbinden Sie die zweite Leitung von Phase L1 mit Phase L2 und starten Sie eine weitere Messung. Speichern Sie das Ergebnis im Speicher des Messgeräts mit der Bezeichnung „L2-PE“.

Abb. 11. Fernmessungen mit dem Messgerät Sonel MZC-340-PV

Führen Sie die gleichen Anschluss- und Messvorgänge für die übrigen Phasen einer bestimmten Leitung am ausgewählten Wechselrichter durch. Schalten Sie die Stromversorgung an der Unterstation aus und verbinden Sie den Erdungsdraht von Phase L3 wieder mit Phase L2, um einen Fehler im letzteren Stromkreis zu simulieren. Schalten Sie dann die Stromversorgung ein und führen Sie Kurzschlussimpedanzmessungen für L1-PE und L3-PE am Wechselrichter durch und speichern Sie die erhaltenen Werte im Speicher des Messgeräts.

Schalten Sie dann die Stromversorgung in der Station erneut aus und schließen Sie die Erdungsvorrichtung wieder an Phase L1 an. Schalten Sie die Stromversorgung ein und führen Sie Kurzschlussimpedanzmessungen für L2-PE und L3-PE durch und notieren Sie die Ergebnisse.

Nach Abschluss der Messungen sollte die Installation wieder in ihren ursprünglichen Zustand versetzt werden. Stellen Sie sicher, dass alle Leiter und Klemmen (einschließlich V-Klemmen), die zuvor gelöst wurden, mit einem Drehmoment wieder festgezogen wurden, das den in der technischen Dokumentation angegebenen Werten entspricht. Verwenden Sie dazu einen Drehmomentschlüssel.

Diskussion der Messergebnisse

Um die Wirksamkeit des Schutzes gegen elektrischen Schlag und die Selektivität des Schutzes zu beurteilen, werden wir die erhaltenen Messergebnisse am Beispiel der Kurzschlussimpedanz für die L1-PE-Verbindung mit der geerdeten Phase L3 analysieren. Wir gehen davon aus, dass Phasen-zu-Phasen-Messungen (z. B. L1–L2) keiner weiteren Interpretation bedürfen; bei Bedarf kann jedoch für jede beliebige Kombination von Anschlüssen eine detaillierte Analyse erstellt werden.

Gemessene Parameter für L1-PE

Kurzschluss-Schleifenimpedanz: Z_S=170,8 mΩ

Schutzbewertung auf der Grundlage von Zeit-Strom-Kennlinien

Um die Wirksamkeit des Überstromschutzes zu überprüfen, müssen die Eigenschaften der verwendeten Schutzvorrichtung herangezogen werden. In diesem Fall wurde folgende Schutzvorrichtung verwendet:

Schutztyp: Ultra Quick NH1 M1 gS 200A 800V AC
Hersteller: ETI Ultra Quick NH1 M1 gS 200A 800V AC (S. 121).

Abb. 12. Zeit-Strom-Kennlinie von Sicherungselementen ETI Ultra Quick NH1 M1 gS 800 V AC

Auf Grundlage der Konstruktionsunterlagen der geprüften Anlage kommen wir zu dem Schluss, dass bei einem zweiten Fehler im Stromkreis das IT-Netzsystem zu einem TN-System wird (alle Schalttafel-Trägerkonstruktionen mit Wechselrichtern sind an die gemeinsame PE-Sammelerdung und die Transformatorstation angeschlossen – siehe Abb. 3c, Abb. 4b).
Unter der Annahme der Kriterien für das geprüfte System mit einer Nennspannung von 800 V AC beträgt die erforderliche maximale Trennungszeit im TN-Netz 5 Sekunden.

Überprüfung der automatischen Trennbedingung

Um die Wirksamkeit des Schutzes gegen elektrischen Schlag in einem IT-System sicherzustellen, muss überprüft werden, ob die gemessene Kurzschlussimpedanz Z_S die Installationsanforderung 5 Sekunden erfüllt.

Berechnung der maximal zulässigen Kurzschlussimpedanz

Gemäß der Definition darf die gemessene Kurzschlussimpedanz Z_S den Grenzwert Z_Smax nicht überschreiten, daher gilt:

Z_S ≤ Z_Smax
Z_Smax = U₀/(2·I_a)
Zs≤ U₀/(2·I_a)

mit:

U₀ – Nennphasenspannung gegen Erde. Im Falle des zweiten Fehlers wird die Phase-Phase-Spannung im IT-System in diesem Beispiel zur Phasenspannung des TN-Netzes, in das das analysierte System transformiert wurde (z. B. sollte für ein IT-Netz mit einer Nennphase-Phase-Spannung von 800 V dieser Wert, also 800 V, in der gegebenen Formel verwendet werden).
I_a – der Strom, der die Schutzeinrichtung innerhalb einer maximalen Zeit von 5 s auslöst (877 A für die verwendete Sicherung).

Vergleich mit dem tatsächlichen Wert der Kurzschlussimpedanz

Messwert Z_S: 170,8 mΩ

Grenzwert Z_Smax:

Z_Smax = U₀/(2·I_a) = 800 V / (2*877 A) = 800 V / 1754 A = 456,1 mΩ

Ponieważ Z_S ≤ Z_Smax:

170,8 mΩ ≤ 456,1 mΩ

… daher ist die Bedingung für eine automatische Trennung erfüllt.

Fazit

Die gemessene Kurzschlussimpedanz erfüllt die Anforderungen für eine wirksame automatische Leistungsabschaltung innerhalb der vorgeschriebenen maximalen Zeit 5 s bei Verwendung des Schutzgeräts NH1 M1 gS 200 A.

Zusammenfassung und Empfehlungen für Kurzschlussimpedanzmessungen in IT-Netzwerken von PV-Parks

Die Messung der Schleifenimpedanz in IT-Systemen von Photovoltaikanlagen mit Spannungen über 800 V erfordert besondere Vorsicht, die Verwendung geeigneter Messgeräte und strikt festgelegte Verfahren, um die Sicherheit des Messpersonals zu gewährleisten. Die Nichtbeachtung dieser Richtlinien kann zu Stromschlägen oder schweren Schäden an der Anlage führen.

Sicherheitsempfehlungen und bewährte Messverfahren

Die Messungen müssen von mindestens zwei Personen durchgeführt werden, die über eine entsprechende Qualifikation (VDE E+D oder andere von nationalen technischen Organisationen der Elektroindustrie ausgestellte Lizenzen), eine entsprechende Ausbildung und Erfahrung in der Arbeit mit IT-Netzwerken verfügen.

Vor Arbeitsbeginn sind mögliche Notfallszenarien zu analysieren und Verhaltensregeln für gefährliche Situationen zu besprechen.
Vor Beginn der Messungen sind die technischen Unterlagen des PV-Parks, einschließlich der Schaltpläne, der Erdungsanlage und der Art der Schutzvorrichtungen, zu studieren.
Es muss im Voraus ein Schaltplan erstellt und genehmigt werden, um unkontrollierte Schaltvorgänge zu vermeiden, die zu einem Kurzschluss führen oder eine Gefahr für das Personal darstellen könnten (die Arbeiten sind so auszuführen, dass ein Abschalten des gesamten Parks vermieden wird).
Verwenden Sie immer zertifizierte Schutzausrüstung für Arbeiten unter Spannung, einschließlich:

- elektrisch isolierende Handschuhe (angepasst an die Arbeitsspannung),
- Schutzhelm,
- elektrisch isolierendes Schuhwerk,
- flammhemmende Kleidung,
- elektrisch isolierende Abdeckungen und Matten im Arbeitsbereich.

Für Kurzschlussimpedanzmessungen in IT-Netzen, in denen die Phase-Phase-Spannung 800 V überschreiten kann (z. B. in IT-Netzen mit einer Nennspannung von 800 V), ist die Verwendung eines Messgeräts der Kategorie CAT IV 1000 V unbedingt erforderlich, da bei den oben beschriebenen Messungen die Phase-Phase-Spannung des IT-Netzes zu einer Spannung gegenüber Erde wird. Derzeit ist das einzige Gerät, das diese Anforderung erfüllt, das Messgerät Sonel MZC-340-PV. Andere Geräte (z. B. Metrel Eurotest XC MI 3152, Chauvin Arnoux CA 6117, Sonel MZC-330S) können nicht verwendet werden, da sie der Kategorie CAT IV 600 V angehören und somit für Messungen in IT-Netzen mit einer Spannung bis zu 600 V eingesetzt werden können.

Schließlich sind auch die Schwierigkeiten im Zusammenhang mit der Durchführung von Messaufgaben im Rahmen der Bestimmungen der REN (Rasjonell Elektrisk Nettvirksomhet – eine Organisation, die sich mit Normen und Richtlinien für den Energiesektor in Norwegen befasst) und den Anforderungen an die Messung der Kurzschlussimpedanz in IT-Netzen, insbesondere in Industrieanlagen, Energieinfrastrukturen oder Spezialanlagen wie Fischzuchtanlagen, hervorzuheben. Dieses Problem ist besonders schwierig im Zusammenhang mit der Spannung von 1000 V, die an der Grenze zwischen Niederspannung (LV) und Mittelspannung (MV) liegt.

Gemäß RENblad 9116 ist eine Isolationsüberwachung erforderlich (Fehler können über einen längeren Zeitraum – bis zu 4 Wochen – unentdeckt bleiben) und es sollten geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden. RENblad 4002 LS Nett stellt außerdem Anforderungen an die Stromversorgung von 1000 V in IT-Netzwerksystemen. Diese Spannung stellt Elektriker, die Kurzschlussimpedanzmessungen durchführen, vor zusätzliche Herausforderungen, insbesondere aufgrund der spezifischen Anforderungen der Norm hinsichtlich des Schutzes vor elektrischem Schlag.

Die Messung der Kurzschlussimpedanz ist unter diesen Bedingungen schwierig, da bei einer Spannung von 1000 V, die an der Grenze zwischen Nieder- und Mittelspannung liegt, spezifische Sicherheitsanforderungen zu berücksichtigen sind. Ein zu hoher Wert der Kurzschlussimpedanz kann dazu führen, dass das Schutzsystem nicht rechtzeitig anspricht, wodurch eine Stromschlaggefahr mit weitaus schlimmeren Folgen als bei einem Niederspannungsnetz entsteht. Darüber hinaus ist in solchen Anlagen ein geeigneter zusätzlicher Schutz erforderlich, der zusätzliche Anforderungen an das messtechnische Personal stellt.

Aus diesem Grund erfordert die Messung von Z_S in Anlagen mit einer Spannung von 1000 V besondere Präzision und Sorgfalt, um die vollständige Sicherheit der Benutzer und die Einhaltung der Anforderungen der Normen zum Schutz gegen elektrischen Schlag zu gewährleisten.

Empfohlene Artikel und Quellenmaterialien

https://www.elektro.info.pl/artykul/ochrona-przeciwporazeniowa/157042,ochrona-przeciwporazeniowa-w-sieci-o-ukladzie-zasilania-it
HD 60364-6
HD 60364-4-41
EN 62446
HD 60364-7-712
Technische Dokumentation des Messgeräts Sonel MZC-340-PV
Fachliteratur und Veröffentlichungen zu Messungen in IT-Systemen (verfügbar in polnischer Sprache):
- Pomiar impedancji pętli zwarciowej w instalacjach fotowoltaicznych dużych mocy z magazynowaniem energii
- Pomiary impedancji pętli zwarciowej na farmach fotowoltaicznych
- Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT
- Pomiar impedancji pętli zwarciowej w sieci IT na farmie fotowoltaicznej i przy napięciu 800 V: https://www.youtube.com/watch?v=YrJR7udyHMg
- Pomiar impedancji pętli zwarciowej przy doziemieniu w stacji transformatorowej instalacji PV: https://www.youtube.com/watch?v=0sYoykiI9rs
- Wiatr J., Ochrona przeciwporażeniowa w sieci o układzie zasilania IT: https://elektroenergetyka.pl/upload/file/2020/04/wiatr_kwiecien_2020.pdf
- Eaton-engineering-guide-2023-pl.pdf – Ochrona przed porażeniem prądem elektrycznym – System IT

Autoren:
Dipl.-Ing. Wojciech Siergiej, Dipl.-Ing. Witold Dekiert, Dipl.-Ing. Robert Pawłowski
Sonel S.A.