Die Dimensionierung von Sicherungen und Trennschaltern in PV-Combiner-Boxen erfordert die Anwendung der NEC 156%-Regel: Multiplizieren Sie den String-Kurzschlussstrom (Isc) mit 1,56 und wählen Sie dann den nächsthöheren Standard-Sicherungswert. Diese zweistufige Berechnung berücksichtigt den Dauerbetrieb und Bestrahlungsspitzen. Die korrekte Dimensionierung verhindert Systemausfälle, gewährleistet die Einhaltung der Vorschriften und schützt vor Brandgefahren in Solaranlagen.
PV-Sicherungen und Trennschalter verstehen
Was sind PV-Sicherungen?
PV-Sicherungen– gemäß IEC 60269-6 als gPV-Klasse bezeichnet – sind Überstromschutzgeräte, die speziell für Gleichstromanwendungen in Solaranlagen entwickelt wurden. Im Gegensatz zu Standard-AC-Sicherungen können gPV-Sicherungen DC-Fehlerströme sicher unterbrechen, die aufgrund des Fehlens eines natürlichen Nulldurchgangs des Stroms notorisch schwer zu löschen sind. Diese Sicherungen halten den extremen thermischen Belastungen durch schwankende Sonneneinstrahlung ohne vorzeitigen Ausfall stand. Sie sind so konzipiert, dass sie innerhalb von ein bis zwei Stunden bei dem 1,35- bis 1,45-fachen ihres Nennstroms unterbrechen und so vor Rückwärtsüberströmen schützen, wenn ein String in einen fehlerhaften Parallelstring einspeist.
Was sind DC-Trennschalter?
DC-Trennschalter sind Schalter, die den Ausgang der Combiner-Box von nachgeschalteten Geräten für Wartungsarbeiten und Notabschaltungen isolieren. NEC 690.15 schreibt vor, dass diese Trennschalter für Dachinstallationen unter Last schaltbar sein müssen, d. h. sie können Stromkreise unter Volllaststrom sicher öffnen, ohne gefährliche Störlichtbögen zu erzeugen. Lasttrennschalter verfügen über Lichtbogenlöschkammern und Kontakte, die für die hohe Lichtbogenenergie von DC-Stromkreisen ausgelegt sind. Nicht-Lasttrennschalter – einfache Trennschalter – können nur nach dem Abschalten des Stromkreises betätigt werden und sind für Combiner-Box-Ausgänge ungeeignet.
Schritt-für-Schritt-Methodik zur Sicherungsdimensionierung
Schritt 1: Kurzschlussstrom des Strings berechnen
Beginnen Sie mit dem Kurzschlussstrom (Isc) des Moduls aus dem Datenblatt. Moderne hocheffiziente Module reichen von 9 A bis 18,5 A, abhängig von der Leistungsklasse. Bei Strings mit in Reihe geschalteten Modulen bleibt der Isc konstant (Reihenschaltung addiert keinen Strom). Beispielsweise erzeugt ein 580-W-TOPCon-Modul mit Isc = 14,45 A in einem 10-Modul-String immer noch 14,45 A im Kurzschlussfall.
Schritt 2: Anwenden der NEC 156%-Regel
Artikel 690 des NEC erfordert zwei aufeinanderfolgende 125%-Multiplikatoren:
Erster Multiplikator (NEC 690.8(A)(1)): Maximalen Stromkreisstrom berechnen
- Maximaler Strom = Isc × 1,25
- Berücksichtigt den “Cloud-Edge-Effekt” – wenn Sonnenlicht von Wolkenkanten reflektiert wird, kann die Bestrahlungsstärke kurzzeitig 1.000 W/m² überschreiten, wodurch der Strom über den Nenn-Isc steigt.
Zweiter Multiplikator (NEC 690.9(B)): Überstromschutz für Dauerbetrieb dimensionieren
- OCPD-Nennwert = Maximaler Strom × 1,25
- PV-Stromkreise arbeiten täglich 3+ Stunden mit maximaler Leistung. Standardgeräte können nur 80% des Nennstroms kontinuierlich verarbeiten, sodass der 125%-Faktor (Kehrwert von 80%) unerwünschte Auslösungen verhindert.
Kombinierte Berechnung: Isc × 1,25 × 1,25 = Isc × 1,56
Schritt 3: Standard-Sicherungswert auswählen
Aufrunden auf die nächste verfügbare Standard-Sicherungsgröße: 10 A, 15 A, 20 A, 25 A, 30 A. Die ausgewählte Sicherung darf den maximalen Reihen-Sicherungswert des Moduls (angegeben im Datenblatt, typischerweise 20 A bis 30 A für die meisten Module) nicht überschreiten.
Beispiel: String Isc = 14,45 A
- Minimaler Sicherungswert: 14,45 A × 1,56 = 22,54 A
- Ausgewählte Sicherung: 25 A gPV-Nennwert
Schritt 4: DC-Trennschalter dimensionieren
Summieren Sie die maximalen Ströme aller parallelen Strings und wenden Sie dann einen Sicherheitsfaktor von 125% an:
Trennschalter-Nennwert = (Anzahl der Strings × Isc × 1,25) × 1,25
Für 6 Strings mit je 14,45 A:
- Gesamtstrom: 6 × 14,45 A × 1,25 = 108,4 A
- Trennschalter-Nennwert: 108,4 A × 1,25 = 135,5 A
- Ausgewählter Trennschalter: 150 A unter Last schaltbar
Tabelle 1: Beispiele zur Sicherungsdimensionierung für gängige PV-Module
| Modulleistung | Modul Isc | Min. Sicherungswert (×1,56) | Standard-Sicherung ausgewählt | Max. Strings pro 30 A Schutzschalter |
|---|---|---|---|---|
| 400 W | 10,5 A | 16,38 A | 20A | 8 |
| 500 W | 13,0 A | 20,28 A | 25A | 6 |
| 580 W | 14,45 A | 22,54 A | 25A | 6 |
| 600 W (TOPCon) | 18,5 A | 28,86 A | 30A | 4 |
| 750 W (HJT) | 15,8 A | 24,65 A | 25A | 5 |
Kurzübersichtstabellen zur Dimensionierung
Standardkonfigurationen und Trennschalter-Nennwerte
Tabelle 2: Trennschalter-Dimensionierung nach String-Konfiguration
| Anzahl der Strings | String Isc | Maximaler Gesamtstrom (×1,25) | Minimale Abschaltleistung (×1,56) | Empfohlene Abschaltung |
|---|---|---|---|---|
| 4 | 10A | 50A | 62,4A | 80A |
| 6 | 10A | 75A | 93,6A | 100A |
| 8 | 10A | 100A | 124,8A | 150A |
| 4 | 14A | 70A | 87,4A | 100A |
| 6 | 14A | 105A | 131,0A | 150A |
| 8 | 14A | 140A | 174,8A | 200A |
NEC vs. IEC: Wesentliche Unterschiede bei der Dimensionierung
Obwohl beide Normen der Sicherheit Priorität einräumen, unterscheiden sich ihre Ansätze zur Dimensionierung:
NEC 690.8/690.9 (Nordamerika):
- Sicherungsdimensionierung: Isc × 1,56 (156%)
- Begründung: Dauerbetrieb + Bestrahlungsspitzen
- Ausnahme: Geräte mit 100%-Nennleistung benötigen nur einen Multiplikator von 1,25×
IEC 62548 (International):
- Sicherungsdimensionierungsbereich: 1,5 × Isc ≤ In ≤ 2,4 × Isc
- Flexibler, ermöglicht Optimierung für spezifische Bedingungen
- Temperaturreduzierung erforderlich über 45 °C Umgebungstemperatur
Tabelle 3: Vergleich der Normen für einen 12A-String
| Standard | Minimale Sicherungsnennstrom | Typische Auswahl | Designphilosophie |
|---|---|---|---|
| NEC | 18,72A (12A × 1,56) | 20A | Konservativ, einfacher Multiplikator |
| IEC | 18,0A bis 28,8A (12A × 1,5 bis 2,4) | 20A bis 25A | Flexibler Bereich basierend auf den Bedingungen |
Kritische Auswahlkriterien
Voltage Rating
Die Spannungsfestigkeit von Sicherungen und Trennschaltern muss die maximale Leerlaufspannung (Voc) des Systems bei der niedrigsten erwarteten Umgebungstemperatur überschreiten.
Berechnung: Voc_max = Modul Voc × Anzahl der in Reihe geschalteten Module × Temperaturkoeffizient
- Bei -40 °C: 49 V × 10 × [1 + 0,0027 × (25 – (-40))] = 576 V
- Erforderliche Nennleistung: 600V Minimum (Standard: 600 V, 1000 V, 1500 V). IEC 60269-6 empfiehlt eine Sicherungsspannung ≥ 1,2 × Voc_max für zusätzliche Sicherheitsmarge.
Ausschaltvermögen (Schaltvermögen)
Das DC-Schaltvermögen (Icn oder Icu) muss den maximalen prospektiven Fehlerstrom am Installationsort überschreiten. Für Combiner-Box-Eingänge ist dies typischerweise der kombinierte Isc aller anderen parallelen Strings. Für 8 Strings mit je 14 A:
- Prospektiver Fehlerstrom: 7 × 14 A = 98 A (Worst Case: 7 intakte Strings speisen in 1 fehlerhaften String)
- Erforderliches Icu: ≥ 150 A (Standard-gPV-Sicherungen: 200 A bis 1500 A Icu)
Temperatur-Derating
Combiner-Boxen in direkter Sonneneinstrahlung können eine interne Temperatur von 65 °C bis 75 °C erreichen. Die meisten gPV-Sicherungen sind für 40 °C Umgebungstemperatur ausgelegt. Darüber nimmt die Strombelastbarkeit ab:
- Bei 50 °C: Reduzierung auf 95% des Nennstroms
- Bei 60 °C: Reduzierung auf 90% des Nennstroms
- Bei 70 °C: Reduzierung auf 85% des Nennstroms
Wenn Ihre 20A-Sicherung bei 65 °C Umgebungstemperatur betrieben wird, beträgt die effektive Nennleistung = 20 A × 0,87 = 17,4 A. Stellen Sie sicher, dass dies Ihren berechneten Mindestwert übersteigt.
Tabelle 4: Checkliste zur Komponentenauswahl
| Auswahlfaktor | Spezifikationsanforderung | Codereferenz | Verifikationsmethode |
|---|---|---|---|
| Sicherungsnennstrom | ≥ Isc × 1,56 (NEC) oder 1,5-2,4 (IEC) | NEC 690.9(B), IEC 62548 | Datenblatt Isc × Multiplikator |
| Sicherungsspannung | ≥ 1,2 × Voc_max bei minimaler Temperatur | IEC 60269-6 | Modul Voc × Anzahl in Reihe × Temperaturfaktor |
| Sicherungsklasse | gPV-Nennleistung (IEC 60269-6) | NEC 690.9(D) | Überprüfen Sie die “gPV”-Kennzeichnung |
| Max. Reihensicherung | ≤ Maximale Sicherungsnennleistung des Moduls | Moduldatenblatt | Typenschild prüfen |
| Trennschalterstrom | ≥ Gesamt-Isc × 1,56 | NEC 690.13 | Summe aller Strangströme |
| Trennschaltertyp | Lastschaltvermögen (Dach) | NEC 690.15 | Lastschaltzertifizierung überprüfen |
| Unterbrechungskapazität | ≥ Maximaler Fehlerstrom | NEC 690.9(C) | Parallelschaltung Beitrag berechnen |
| Temperaturbereich | Umgebungstemperatur-Reduzierung berücksichtigen | IEC 60269-6 | Interne Temperatur des Combiner-Box messen |
Häufige Dimensionierungsfehler, die vermieden werden sollten
Fehler 1: Verwendung von AC-Sicherungen in DC-Anwendungen
AC-Sicherungen können DC-Ströme nicht sicher unterbrechen. DC-Lichtbögen erlöschen nicht selbsttätig beim Stromnulldurchgang (es gibt keinen in DC). Geben Sie immer gPV-Sicherungen mit DC-Spannungswerten an, die zu Ihrem System passen.
Fehler 2: Unterdimensionierung für Dauerbetrieb
Die Anwendung nur des ersten 1,25-fachen Multiplikators (Isc × 1,25) ohne den zweiten führt zu einer Sicherung, die nur für 80 % Dauerbetrieb ausgelegt ist. Das Gerät überhitzt und fällt während der Spitzenstunden vorzeitig aus. Verwenden Sie immer den vollen Faktor von 1,56, es sei denn, Sie verwenden Geräte mit einer Nennleistung von 100 %.
Fehler 3: Ignorieren der maximalen Reihenschaltungs-Sicherungsnennleistung des Moduls
Selbst wenn Berechnungen eine 30A-Sicherung nahelegen, müssen Sie 20A verwenden, wenn das Moduldatenblatt die Reihenschaltungs-Sicherungen auf 20A begrenzt. Das Überschreiten dieses Wertes führt zum Erlöschen der Garantie und birgt Brandgefahr. Lösung: Reduzieren Sie die Anzahl der Stränge pro Combiner oder verwenden Sie Module mit höheren Sicherungsnennwerten.
Fehler 4: Falsche Berechnung der Parallelstränge
Summieren Sie bei der Dimensionierung des Haupt-Combiner-Trennschalters die maximalen Ströme (Isc × 1,25) aller Stränge und wenden Sie dann den zweiten 1,25-fachen Multiplikator an. Wenden Sie nicht 1,56 auf jeden Strang separat an – der erste Multiplikator gilt pro Strang, der zweite für die kombinierte ÜS-Schutzeinrichtung.
Falsch: (Strang 1: 10A × 1,56) + (Strang 2: 10A × 1,56) = 31,2A
Richtig: [(10A + 10A) × 1,25] × 1,25 = 31,25A
Fehler 5: Überdimensionierung für “zukünftige Erweiterung”
Der Einbau einer 60A-Sicherung für einen 10A-Strang “nur für den Fall” beseitigt den Überstromschutz. Die Sicherung öffnet sich bei Rückwärtsfehlerbedingungen nicht, was zu Kabelschäden oder Bränden führen kann. Dimensionieren Sie die Sicherungen für den tatsächlichen Strangstrom; rüsten Sie Combiner-Boxen auf, wenn Sie die Kapazität erhöhen.
Häufig Gestellte Fragen
F: Welche Sicherungsgröße benötige ich für einen Strang mit 10,5A Isc?
A: Minimale Sicherungsnennleistung = 10,5A × 1,56 = 16,38A. Wählen Sie die nächstgelegene Standardgröße: 20A gPV-Sicherung. Stellen Sie sicher, dass dies die maximale Reihenschaltungs-Sicherungsnennleistung des Moduls im Datenblatt nicht überschreitet.
F: Kann ich Standard-AC-Sicherungen in einer DC-Combiner-Box verwenden?
A: Nein. AC-Sicherungen haben nicht die DC-Schaltleistung, um DC-Fehler sicher zu beheben. DC-Lichtbögen bleiben ohne Stromnulldurchgang unbegrenzt bestehen. Verwenden Sie immer gPV-Sicherungen (IEC 60269-6) mit DC-Spannungswerten, die zu Ihrer Systemspannung passen.
F: Was ist der Unterschied zwischen NEC- und IEC-Sicherungsdimensionierung?
A: NEC erfordert einen festen 1,56-fachen Multiplikator (Isc × 1,56), um Dauerbetrieb und Bestrahlungsspitzen zu berücksichtigen. IEC 62548 erlaubt einen Bereich von 1,5× bis 2,4× Isc, sodass Konstrukteure für bestimmte Umgebungstemperaturen und Moduleigenschaften optimieren können. Beide gewährleisten Sicherheit, bieten aber unterschiedliche Flexibilität.
F: Wie dimensioniere ich einen Combiner für zukünftige Strang-Erweiterung?
A: Dimensionieren Sie die Sicherungen für den tatsächlichen Strom der installierten Stränge. Für den Trennschalter und die Sammelschienen können Sie die Größe basierend auf der geplanten Kapazität überdimensionieren. Beispiel: Installieren Sie 20A-Sicherungen für das aktuelle 4-Strang-System (14A Isc), verwenden Sie aber einen 150A-Trennschalter und eine 6-Positionen-Sammelschiene, um später 2 weitere Stränge hinzuzufügen, ohne das Gehäuse austauschen zu müssen.
F: Benötige ich Lastschalt-Trennschalter für alle Combiner-Boxen?
A: NEC 690.15 erfordert Lastschalt-Trennschalter für Combiner-Boxen, die sich auf Dächern befinden. Combiner auf Bodenebene können nicht-Lastschalt-Isolatoren verwenden, wenn das System an anderer Stelle einen Haupt-Lastschalt-Trennschalter hat. Erkundigen Sie sich immer bei Ihrer örtlichen zuständigen Behörde (AHJ), da die Auslegungen variieren.
Gewährleisten Sie die langfristige Systemsicherheit
Die richtige Dimensionierung von Sicherungen und Trennschaltern schützt Ihre PV-Investition und gewährleistet einen jahrelangen sicheren und zuverlässigen Betrieb. Wenden Sie die NEC 1,56-Regel (Isc × 1,56) für Sicherungen an, wählen Sie die nächstgelegene Standardnennleistung, überprüfen Sie die maximalen Reihenschaltungs-Sicherungsgrenzwerte des Moduls und dimensionieren Sie die Trennschalter für den gesamten kombinierten Strom. Im Zweifelsfall konsultieren Sie die neuesten NEC Artikel 690 und IEC 62548 Standards.
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