Kernaussagen
- Einschaltstrombegrenzer dienen dazu, kurzzeitige Stromspitzen beim Einschalten oder Neustarten elektrischer Geräte zu begrenzen und können so die elektrische Belastung von PV-Komponenten reduzieren.
- Blitzbedingte Überspannungen stellen ein relevantes Risiko für Solarparks dar und können unter bestimmten Bedingungen über klassische Überspannungsschutzgeräte (SPD) hinausgehende Effekte verursachen.
- Leistungselektronische, nicht-NTC-basierte Einschaltstrombegrenzer sind für wiederholte Schaltvorgänge und erhöhte Umgebungstemperaturen ausgelegt.
- Ein gestaffeltes Schutzkonzept kombiniert typischerweise Typ-1+2-SPDs am AC-Anschluss mit einem Einschaltstrombegrenzer am Wechselrichtereingang.
- Wichtige Auswahlkriterien sind Nennstrom, Spitzenstromfähigkeit, Hutschienenmontage, integriertes Überbrückungsrelais sowie die Konformität mit CE und RoHS.
Ein praxisnahes Risikoszenario
Ein abgelegener Solarpark arbeitet unter normalen Netzbedingungen. In einiger Entfernung tritt ein Gewitter auf, bei dem ein Blitz in die Nähe der Netzinfrastruktur einschlägt. Überspannungsschutzgeräte begrenzen die Spitzenspannung, dennoch kann ein Teil der transienten Energie in das System eingekoppelt werden.
Bei einem anschließenden Neustart werden die Eingangskondensatoren der Wechselrichter erneut geladen. Dabei entstehen kurzzeitige Einschaltstromspitzen, die – wenn sie nicht berücksichtigt werden – zusätzliche elektrische Belastungen für leistungselektronische Komponenten darstellen können. Solche Szenarien verdeutlichen, warum Einschaltstrombegrenzung häufig als Ergänzung zum klassischen Überspannungsschutz betrachtet wird.
Einschaltstrombegrenzung als ergänzende Schutzebene
Dieser Beitrag beleuchtet die Rolle von Einschaltstrombegrenzern innerhalb eines umfassenderen Schutzkonzepts für Solar-PV-Anlagen. Sie ersetzen keine Überspannungsschutzgeräte, sondern können dazu beitragen, strombezogene Belastungen bei Einschalt-, Wiederanlauf- oder Nach-Überspannungsereignissen zu begrenzen.
Inhalt und Zielsetzung dieses Leitfadens
Die folgenden Abschnitte:
- erläutern funktionale Grenzen klassischer NTC-basierter Einschaltstrombegrenzer,
- beschreiben nicht-NTC-basierte, elektronisch gesteuerte Alternativen, und
- zeigen Integrationsansätze für Solar-PV-Wechselrichter auf.
Ziel ist es, eine sachliche Entscheidungsgrundlage für Planung und Systemauslegung bereitzustellen.
Solar-PV-Systeme: Leistungsdichte und Empfindlichkeit
Moderne PV-Anlagen basieren auf Leistungselektronik mit Bauelementen wie IGBTs und SiC-MOSFETs. Große DC-Zwischenkreiskondensatoren stabilisieren die Spannung, verursachen jedoch beim Einschalten einen hohen Anfangsstrom.
Unter Standardbedingungen lässt sich dieser Strom begrenzen. Solar-PV-Anlagen sind jedoch häufig folgenden Einflüssen ausgesetzt:
- Netzstörungen und wiederholten Neustarts,
- großen Temperaturbereichen,
- Anforderungen an hohe Verfügbarkeit bei geringem Wartungsaufwand.
NTC-Thermistoren nutzen Selbsterwärmung zur Strombegrenzung. Bei kurzen Neustartintervallen kann der Thermistor jedoch noch warm sein, wodurch seine Begrenzungswirkung reduziert ist. Dieses Verhalten wird oft als Hot-Start-Effekt bezeichnet.
Blitz- und Überspannungseinflüsse in PV-Anlagen
Blitzereignisse können PV-Systeme auf unterschiedlichen Wegen beeinflussen:
- Eingeleitete Überspannungen über Netzanschlüsse,
- Induzierte Spannungen in langen AC- oder DC-Leitungen,
- Erdpotenzialanhebungen (GPR) bei Einschlägen in der Nähe der Erdungsanlage.
SPDs leiten Überspannungen gegen Erde ab. Dabei können jedoch hohe Ableitströme auftreten, deren Auswirkungen sich stromseitig in nachgelagerten Baugruppen bemerkbar machen können. Einschaltstrombegrenzer werden in diesem Zusammenhang eingesetzt, um kurzzeitige Stromspitzen zu begrenzen.
Blitz- und Überspannungseinflüsse in PV-Anlagen
Blitzereignisse können PV-Systeme auf unterschiedlichen Wegen beeinflussen:
- Eingeleitete Überspannungen über Netzanschlüsse,
- Induzierte Spannungen in langen AC- oder DC-Leitungen,
- Erdpotenzialanhebungen (GPR) bei Einschlägen in der Nähe der Erdungsanlage.
SPDs leiten Überspannungen gegen Erde ab. Dabei können jedoch hohe Ableitströme auftreten, deren Auswirkungen sich stromseitig in nachgelagerten Baugruppen bemerkbar machen können. Einschaltstrombegrenzer werden in diesem Zusammenhang eingesetzt, um kurzzeitige Stromspitzen zu begrenzen.
Relevante Auswahlkriterien für Solar-Anwendungen
Typische technische Kriterien sind:
- Spitzenstromfähigkeit bei transienten Ereignissen,
- Kompatibilität mit der Eingangsspannung des Wechselrichters,
- Thermische Stabilität im vorgesehenen Temperaturbereich,
- Mechanische Integration, z. B. Hutschienenmontage,
- Regulatorische Konformität (CE, RoHS).
Integrationsstrategie: Aufbau eines gestaffelten Schutzes für SGestaffeltes Schutzkonzept für Solar-PV-Anlagen
In der Praxis wird Schutz häufig zonenweise umgesetzt:
- Zone 0: Externe Blitzschutz- und Erdungssysteme
- Zone 1: Typ-1+2-SPDs am AC-Anschluss
- Zone 2: Einschaltstrombegrenzer am Wechselrichtereingang
- Zone 3: Interne Schutzmaßnahmen auf DC- und Steuerebene
Jede Stufe reduziert Belastungen für nachgelagerte Komponenten.
Vergleich: NTC- vs. nicht-NTC-Einschaltstrombegrenzer
| Merkmal | NTC-Begrenzer | Nicht-NTC-Begrenzer |
|---|---|---|
| Funktionsprinzip | Thermisch | Elektronisch gesteuert |
| Verhalten bei Neustart | Abkühlzeit erforderlich | Direkt wieder einsatzbereit |
| Verluste im Dauerbetrieb | Vorhanden | Reduziert durch Überbrückung |
| Temperaturabhängigkeit | Hoch | Gering |
| Typische Anwendung | Einfache Lasten | Anspruchsvolle, zyklische Anwendungen |
Betriebstechnische Einordnung
Eine kontrollierte Einschaltstrombegrenzung kann:
- die elektrische Belastung von Komponenten reduzieren,
- die Planbarkeit von Schutzkonzepten unterstützen,
- zu stabileren Start- und Wiederanlaufbedingungen beitragen.
Die tatsächlichen Effekte hängen jedoch stets vom Gesamtsystem und den Betriebsbedingungen ab.
Ausblick
Mit steigenden Systemspannungen und zunehmender Digitalisierung entwickeln sich auch Einschaltstrombegrenzungskonzepte weiter. Diskutierte Ansätze umfassen:
- Diagnose- und Monitoring-Funktionen,
- höhere Spannungs- und Stromklassen,
- verstärkte Nutzung leistungselektronischer Schaltelemente.
Fazit
Einschaltstrombegrenzer stellen eine ergänzende Maßnahme innerhalb eines ganzheitlichen Schutzkonzepts für Solar-PV-Anlagen dar. In Kombination mit geeigneten Überspannungsschutzgeräten können sie dazu beitragen, kurzzeitige strombedingte Belastungen bei Blitzereignissen oder Neustarts zu begrenzen. Eine sachgerechte Auswahl und Integration ist dabei entscheidend für die technische Wirksamkeit.
