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31.03.2014 Christian Strobl
© E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH 1
3. Photovoltaik Brandschutz-
Workshop 03.04.2014 beim TÜV Rheinland, Köln
Störlichtbögen und ihre Detektion:
Schutz für PV-Anlagen
Christian Strobl, E-T-A GmbH
Motivation und allgemeine Grundlagen - Gefahrenpotential von Störlichtbögen
- Physikalische Grundlagen von Lichtbögen
- Lichtbogencharakteristika
- Allgemeine Methoden der Störlichtbogendetektion
Störlichtbogendetektion in der Photovoltaik
- Situation
- PV-spezifische Voraussetzungen und Anforderungen
- Allgemeine Hinweise zur Lichtbogendetektierbarkeit
- Einfluss des Wechselrichters auf Gefährdungspotential und Detektierbarkeit
- Kleinsignalübertragungsverhalten
- Lichtbogenkategorisierbarkeit
Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen
- Kennlinien-Modellierung
- Wandlermodell und Arbeitspunktübergang
- Plausibilitätsanalyse für Lichtbogen an Fehlerstelle
- Fallbeispiele teilverschatteter Solaranlagen
Ausblick
Störlichtbögen und ihre Detektion: Schutz für PV-Anlagen
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Gliederung
Motivation und allgemeine Grundlagen
Störlichtbögen und ihre Detektion: Schutz für PV-Anlagen
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Motivation und allgemeine Grundlagen
Gefahrenpotential von Störlichtbögen
Luftfahrt
Mehrere Flugzeugabstürze bedingt durch Lichtbögen:
TWA 800, Boeing 747, 1996, New York: Kabelvorschädigung im Center
Wing Tank, Störlichtbogen löst Explosion aus
Swissair flight 111, MD-11, 1998, Halifax: Cockpitbrand durch Störlichtbogen
Karbonisierung der Polyimid-Kabelisolierung
(Kapton ) ab 800°C durch Lichtbögen
Automotive
Busunglücke:
Rubingen: Lichtbögen am Anlasserkabel
Garbsen: 20 Tote nach Brand, Kurzschluss Kabelbaum Bordküche
Nieder-/Mittel-/Hochspannungsschaltanlagen
AC-Hausinstallation
…
Quelle:
Schlussbericht der Unfalluntersuchungsstelle Bahnen und Schiffe über den Brand eines Linienbusses von BERNMOBIL
vom Dienstag, 19. Juni 2007 in Kerzers
Motivation und allgemeine Grundlagen
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Gefahrenpotential von
Störlichtbögen
Photovoltaik
Mögliche Schadstellen:
- Modulbeschädigung (Transport,
Schneelast, Steinwurf)
- Lötverbindungen in Modulen
- Verbindungstechnik in
Anschlussdosen
- Bypassdioden
- Steckverbinderfehlpaarungen
(Imitate, Plagiate)
- Kabelbeschädigungen
- Hochwasser
- …
Motivation und allgemeine Grundlagen
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Physikalische Grundlagen von Lichtbögen
- Lichtbogen = Plasma = ionisiertes Gas
- Lichtbogenspannung = Kathodenfall + Säulenspannung + Anodenfall
- Dichten der Elektronen und positiven Ionen gleich, aber Strom
hauptsächlich von Elektronen getragen
- Einfaches quasistationäres Modell nach Ayrton:
u = a + b · L + (c + d · L) / i
L = Lichtbogenlänge
a, b, c, d = material- u. geometrieabhängige Parameter
Quelle: M. Lindmayer: Schaltgeräte, Springer-Verlag 1987
Motivation und allgemeine Grundlagen
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Lichtbogencharakteristika
Physikalische Rahmenbedingungen ergeben allgemein gültige Charakteristika
- Spannungsabfall über Lichtbogen ab ca. 12 V (je nach Kontaktmaterial, entspricht Summe aus Anoden-
und Kathodenfall)
- Mindeststrom notwendig (ab ca. 0.4 A)
- Bogenverlängerung erhöht Spannungsabfall und verringert Strom
- Ladungsbewegungen im Plasma, Abschmelzvorgänge, Oxidschichtbildungen und -absprengungen:
● leitungsgebundenes Rauschen in Spannung und Strom
● Strahlung bis in UV-Frequenzbereiche
● Temperaturanstieg
→ Druckerhöhung
→ Schall
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:
Electromagnetic_spectrum_c.svg&
filetimestamp=20090611090004
Motivation und allgemeine Grundlagen
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Lichtbogencharakteristika
• DC 40, 45, 50, 55 V
• Last: 5 Ω
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Lichtbogencharakteristika
„Lichtbogengenerator“ für Testzwecke:
Motivation und allgemeine Grundlagen
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Allgemeine Methoden der Störlichtbogendetektion
Zuallererst: Lichtbogenvermeidung durch
- fachgerechte Installation
- qualitativ hochwertige und geeignete Komponenten
- ausgebildetes Fachpersonal
- regelmäßige Inspektionen
Je nach Netz spezifische
- Notwendigkeiten
- Möglichkeiten der Störlichtbogendetektion
- Methoden
- Abschaltstrategien / Sicherheitskonzepte
}
Typ des Netzes: stationär / Bordnetz
Art des zu überwachenden Netzbereichs:
Erzeugung / Übertragung / Verteilung
Quellenart: AC oder DC
Min / Nenn / Max von Strom und Spannung
Lasten: ohmsch / induktiv / kapazitiv / komplex
interne und externe Sondereffekte und Störungen
Eigenschaften von Leiter- und Isolationsmaterial
Installationsqualität
Gefährdungspotential durch Lichtbögen
Kostenbedingungen
Motivation und allgemeine Grundlagen
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Allgemeine Methoden der Störlichtbogendetektion
Detektionsverfahren:
- optische Verfahren
Fotodioden
optisch leitende Schicht im Kabel
- akustische Verfahren
Piezosensorik
- Messung elektromagnetischer Felder
Teilentladungsmessung mittels Rogowski-Spule
- elektrisch leitungsgebunden
Mehrpunktmessungen: Vergleich von Strömen und Spannungen an beiden Enden einer
Übertragungsleitung
Einpunktmessung: Analyse eines Strom- bzw. Spannungsverlaufs an einer Stelle
Kombinationsleiter CONDUS, FH Nordhausen http://www.elektronikpraxis.vogel.de/index.cfm? pid=5496&pk=187770§or=3
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Allgemeine Methoden der Störlichtbogendetektion
Einpunktmessung:
je nach Applikation
- niederfrequente Analysen:
Strom-, Spannungs-, Leistungsveränderungen
- höherfrequente Analysen:
Rauscheffekte in Strom / Spannung
induktiv / kapazitiv eingekoppelte Sensoren
analoge Vorfilterung zur Analyse ausgewählter
Frequenzbereiche (Signal-Conditioning)
Mustererkennungsalgorithmen zur Unterscheidung der Störlichtbögen von Lichtbögen während
Schaltprozessen, in Motoren und Gasentladungslampen und von anderen Effekten
(Quellen- und Lastverhalten, elektromagnetische Einstrahlung, Crosstalk)
Motivation und allgemeine Grundlagen
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Allgemeine Methoden der Störlichtbogendetektion
AC-Applikation:
- lichtbogenfreie Bereiche um Stromnulldurchgang
- einzelnes Lichtbogenereignis auf Halbwelle begrenzt
- ggf. Wiederzünden in nächster Halbwelle
→ Statistische Auswertung von Zünd- und
Verlöschereignissen über Analyse höherfrequenter
Anteile oft ausreichend
AC mit ohmscher Last
störlichtbogenfrei
AC mit ohmscher Last
Motivation und allgemeine Grundlagen
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Allgemeine Methoden der Störlichtbogendetektion
DC-Applikation:
- dauerhaftes Brennen des Lichtbogens möglich
→ Breitbandige Verfahren mit aufwendiger Mustererkennungs-
Algorithmik zur Analyse der Rauscheffekte während des
Lichtbogens nötig
Lichtbogen
DC mit ohmscher Last
PV-Feuerwehrschalter mit Lichtbogensensor, E-T-A GmbH
Störlichtbogendetektion in der Photovoltaik
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Störlichtbogendetektion in der Photovoltaik
Situation
Schadensfälle:
170 Brände von PV-Anlagen in 30 Jahren in D, meist bedingt durch fehlerhafte Installation oder
Produktqualität, häufig in Verbindung mit DC-Lichtbogen (Fraunhofer ISE, 2. PV-Brandschutz Workshop
2013)
Verschiedene Systeme zur Lichtbogendetektion auf dem Markt:
- Wechselrichterexternes Zusatzgerät, meist in Kombination mit DC-Trenner / Feuerwehrschalter
- Zusatzgerät in Kombination mit Modulelektronik
- Integration in Wechselrichter
Erste Prüfnorm für Lichtbogendetektoren:
UL1699b (Outline of Investigation), Weiterentwicklung u.A. durch „Task Force“ zum Thema
Lichtbogenzündung
Störlichtbogendetektion in der Photovoltaik
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PV-spezifische Voraussetzungen und Anforderungen
Rahmenbedingungen und Herausforderungen in der Praxis:
- Unterschiedliche Anlagengrößen und -strukturen
- Wechselnde Einstrahlungsbedingungen und Arbeitspunkte
- Vielzahl unterschiedlicher Wechselrichtertopologien: je nach Schaltungsaufbau und MPP-Tracking-
Konzept unterschiedliche Lichtbogengefährdung und -detektierbarkeit
- Spezielle wechselrichterinterne Prozesse (z.B. Isolationsüberwachung, Zuschaltvorgänge,
Leistungsbegrenzung)
- Crosstalk-Effekte (andere Strings) und externe Störungen
Somit erforderlich:
- Beherrschung eines weiten Bereiches von Arbeitspunkten (Spannung, Strom, Systemimpedanz)
- Unabhängigkeit der Auslösekriterien von Wechselrichterschaltfrequenzen
- Einbeziehung von Signalmerkmalen wechselrichterinterner Prozesse zur Erhöhung der Sensitivität bei
gleichzeitiger Robustheit gegen Fehlauslösungen
- Umfangreiche allgemeine Feldtests und Überprüfung spezieller Betriebszustände
- Modellbasierte Analysen zur Simulation einer Vielfachheit von Konstellationen und Betriebszuständen
sinnvoll: Hinweise zur fallspezifischen Lichtbogengefährdung und -detektierbarkeit
Störlichtbogendetektion in der Photovoltaik
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Allgemeine Hinweise zur Lichtbogendetektierbarkeit
Durch unterschiedliche Teildynamiken Aufteilung in Groß- und Kleinsignalverhalten sinnvoll:
Großsignalverhalten: Arbeitspunktsprünge bei einsetzendem Lichtbogen
→ Fallabhängige Strom- bzw. Spannungsverringerung am Wechselrichtereingang
Kleinsignalverhalten entscheidend für Übertragung der durch Leitfähigkeitsveränderung bedingten
Rauscheffekte beim Lichtbogen:
→ Wahl eines geeigneten Frequenzbereichs für höherfrequente Lichtbogensensorik
→ Impedanzveränderung bei Arbeitspunktsprung
Störlichtbogendetektion in der Photovoltaik
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Einfluss des Wechselrichters auf
Gefährdungspotential und Detektierbarkeit
Je nach Regelungskonzept (MPP-Tracking) und Schaltungsaufbau
unterschiedliches Gefährdungspotential durch serielle Lichtbögen
und unterschiedliche Detektierbarkeit:
(a) Bei spannungsstabilisierendem Effekt durch Regelung bzw.
hoher Wechselrichtereingangskapazität muss PV-Generator
Spannungsdifferenz durch Lichtbogen aufnehmen. Somit schnelles
Verlassen des MPP des PV-Generators, zügige Verringerung des
Stroms und der Lichtbogenleistung.
(b) Bei stromstabilisierendem Effekt durch Regelung bzw. niedriger
Wechselrichtereingangskapazität gibt Wechselrichtereingangs-
spannung nach. Somit langsames Verlassen des MPP des PV-
Generators, Lichtbogenleistungsanstieg bis kurz vor Abriss.
Gefährdungspotential durch serielle Störlichtbögen kann
durch geeignete Topologie der Leistungselektronik im
Wechselrichter und durch geeignetes MPP-Trackingverfahren
verringert werden.
ugen = uarc + uinv
Störlichtbogendetektion in der Photovoltaik
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Einfluss des
Wechselrichters
auf Gefährdungs-
potential und
Detektierbarkeit
Arbeitspunktübergang am
Wechselrichtereingang beim
Lichtbogenzünden
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Einfluss des Wechselrichters auf
Gefährdungspotential und
Detektierbarkeit
Aktive Last:
unterschiedliche Wechselrichterschaltfrequenzen
und Oberwellen,
unterschiedliche Wechselrichterimpedanz
Frequenz in Hz
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Einfluss des Wechselrichters auf Gefährdungspotential und
Detektierbarkeit
Signalanalyse von
Sensordaten nach analogem
Signal-Conditioning:
Geeignete Sensitivität und
Mustererkennung zur
Unterscheidung geringer
lichtbogenbedingter
Rauschpegel von
Wechselrichterschalt-
frequenzen und Oberwellen
Ohne Wechselrichter
Mit Wechselrichter
Störlichtbogendetektion in der Photovoltaik
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Kleinsignalübertragungsverhalten
Beiträge zur Gesamtimpedanz:
- PV-Module mit arbeitspunktabhängiger Resonanz
- Beitrag der Verkabelung erst ab ca. 100 bis 200kHz mit
größerem Einfluss
- Wechselrichterbeitrag bei ausreichend hoher Frequenz i.Allg.
gering aufgrund von DC-Eingangsfilter
- Vgl. Funktionsprüfungen nach UL1699b:
PV-Simulatoren haben zwar ähnliches Großsignalverhalten,
aber i.d.R. anderes Kleinsignalverhalten, stellen Realität nur
ansatzweise dar!!!
konstant
abhängig von U, T, E
Kleinsignalersatzschaltbild
einer Solarzelle
Störlichtbogendetektion in der Photovoltaik
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Lichtbogenkategorisierbarkeit
Kategorisierung in serielle und parallele Fehler:
→ Parallele Fehler in ungeerdeten Anlagen durch nötigen Doppelfehler wesentlich unwahrscheinlicher
→ Löschen des seriellen Lichtbogens durch Trennen, des parallelen durch kurzzeitiges
Kurzschließen (VDE-AR-E 2100-712: max. 15s), alternativ Verwendung von Modulelektronik
Bei zentraler Sensierung am Wechselrichtereingang ist eindeutige Unterscheidung paralleler Fehler von
seriellen Fehlern nur in Extremfällen (Überbrückung mehrerer Module im String) möglich.
Dann ist beobachtbar:
→ Starker Stromeinbruch bis hin zum Rückstrom
→ Ggf. Abschalten des Wechselrichters bei starkem Spannungseinbruch
→ Deutliche und schnelle Verringerung der Generatorimpedanz, v.a. im unteren Frequenzbereich
Störlichtbogendetektion in der Photovoltaik
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Lichtbogenkategorisierbarkeit
Allgemein gültige Klassifizierung mittels passiver Verfahren bei zentraler Sensierung erschwert durch:
→ Kontakteigenschaften der Fehlerstelle
→ Lichtbogendynamik (schnelle Bogenverlängerung, Schauerentladungen)
→ Teilverschattungseffekte am PV-Generator: stark variierende Arbeitspunkte der Zellen
Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen
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Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen
(Zellendiskrete) Modellierung ermöglicht Analyse realistischer Szenarien:
unterschiedliche Einstrahlungs- und Temperaturbedingungen an den Zellen / Modulen aufgrund
von Teilverschattung, versch. Montagewinkel, versch. Hinterlüftung, Bauteilstreuung, …
Modellkonzept
Lichtbogen wegen großer Zahl von Einflussfaktoren schwer modellhaft erfassbar, deshalb:
Zunächst kennlinienbasierte Modellierung mit einer allgemeinen Fehlersituation definiert über
Spannungsabfall, dann Plausibilitätsüberprüfung bzgl. Lichtbogengrenzdaten
Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen
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Kennlinien-Modellierung
Zelle
Zellstring /
Substring
Bypassdiode
mono-/polykristallines Si-PV-Modul:
PV-Feld:
String
Modul
Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen
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Kennlinien-Modellierung
Mehrdiodenmodell einer Solarzelle:
Integration von Durchbruchsmodell für negative Zellspannungen
𝐼𝑍𝐸 = 𝐼𝑃ℎ − 𝐼𝑆𝑖 exp𝑈𝑍𝐸 + 𝐼𝑍𝐸𝑅𝑍𝐸,𝑆𝑚𝑖𝑈𝑇
− 1
𝑛
𝑖=1
− 𝑈𝑍𝐸 + 𝐼𝑍𝐸𝑅𝑍𝐸,𝑆𝑅𝑍𝐸,𝑃
Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen
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Kennlinien-Modellierung
(1) Definition des Szenarios
(2) Erstellung der spezifischen Zellkennlinien
(3) Sukzessive Kennlinien-Additionsschritte zur
Gesamtkennlinie des PV-Feldes - Seriell (U-Addition): Zellen zum Zellstring
- Parallel (I-Addition): Zellstring mit Bypassdiode zum erweiterten Zellstring
- Seriell (U-Addition): erweiterte Zellstrings zum Modul
- Seriell (U-Addition): Module, ggf. Strangsicherung bzw. Rückstromdiode zum String
- Parallel (I-Addition): alle Strings der Last (Wechselrichterkanal) zum Feld
Wegen Wechsel der Additionsrichtungen und abschnittsweise stromquellenähnlichem
Verlauf der Zellkennlinien: interpolative numerische Verfahren mit Neuberechnung
von nicht-äquidistanten Stützpunkten erforderlich.
(4) Modellerweiterung um Fehlerstelle
(Störlichtbogen, Glühen)
(a) seriell im String bzw. in Sammelleitung
(b) parallel zu einem oder mehreren Modulen
eines Strings
(c) parallel zu Zellstring in Gegenrichtung zur
Bypassdiode
(d) parallel zu Zellstring seriell zur aktiven
Bypassdiode bei neg. Zellstringspannung
Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen
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Kennlinien-Modellierung
Kennlinienschar für verschiedene Spannungsabfälle über
Fehlerstelle
Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen
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Wandlermodell und Arbeitspunktübergang
- I. Allg. schnelles Einschwingen (parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten bedingt
durch Module und Leitungen, Eingangsfilter am Wechselrichter)
- Meist langsame MPP-Regelung des PV-Wechselrichters: quasi konstante
Bedingungen durch gleichbleibendes Wandlerübersetzungsverhältnis für oft
mehrere 100 ms
- Sehr langsame Einstrahlungs- und Temperaturdynamik (<< 1Hz)
Modell verlustfreier Wandler am Netz bzw. an fester Zwischenkreisspannung
𝑈2,𝑒𝑓𝑓 = 𝑞−1𝑈1
𝐼2,𝑒𝑓𝑓 = 𝑞𝐼1
𝐼2,𝑒𝑓𝑓𝑅𝑁 + 𝑈𝑁,𝑒𝑓𝑓 = 𝑈2,𝑒𝑓𝑓
𝑞 = −𝑈𝑁,𝑒𝑓𝑓 + 𝑈𝑁,𝑒𝑓𝑓2 + 4𝐼1𝑈1𝑅𝑁 2𝐼1𝑅𝑁
Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen
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Wandlermodell und
Arbeitspunktübergang
- Abbildung der Kennlinienpunkte durch
interpolative Verfahren
- Bestimmung der neuen String- / Modul- /
Zellstring- / Zellenarbeitspunkte
Plausibilitätsanalyse für
Lichtbogen an Fehlerstelle
- Mindestspannung / -strom / -leistung an
Fehlerstelle
- Abschalten des Wechselrichters, falls
Feldspannung unter Mindesteingangsspannung
Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen
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Fallbeispiele teilverschatteter
Solaranlagen
Serieller Störlichtbogen
Fallbsp.: 2 von 10 Modulen mit halber Einstrahlung
Passierung flacher Kennlinienbereiche durch MPP-
Tracking bei Suche nach globalem Leistungsmaximum:
Bei einsetzendem Lichtbogen kaum Spannungs- und
Stromveränderungen am Wechselrichtereingang
Impedanz der verschatteten Module bei aktiven
Bypassdioden im Wesentlichen durch Diodenimpedanz
vorgegeben
Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen
Störlichtbögen und ihre Detektion: Schutz für PV-Anlagen
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Fallbeispiele teilverschatteter
Solaranlagen
Störlichtbogen parallel zum Zellstring seriell zur aktiven
Bypassdiode bei negativer Zellstringspannung
Fallbsp.: 2 von 10 Modulen mit halber Einstrahlung
Häufige thermische Wechselbelastung an Bypassdioden
schädigt Lötkontakte
Lichtbogen bei Stromfluss durch aktivierte Bypassdiode
eines verschatteten Zellstrings möglich
Modellbasierte Szenarien- und Detektierbarkeitsanalysen
Störlichtbögen und ihre Detektion: Schutz für PV-Anlagen
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Fallbeispiele teilverschatteter
Solaranlagen
Störlichtbogen parallel zu einem Modul
Fallbsp.: 9 von 10 Modulen mit halber Einstrahlung
Bei ungeerdeten Anlagen Überbrückung mehrerer Module
unwahrscheinlich, vorstellbar hingegen Überbrückung
eines Moduls durch Beschädigung der Anschlussdose
Bei gleichförmiger Einstrahlung nur instabile Lichtbögen
möglich, bei Verschattung der restlichen Module im String
(typischerweise durch partielle Schneebedeckung) aber
ausreichender Stromfluss für stabilen Lichtbogen
Störlichtbogen parallel zu einem Zellstring in
Gegenrichtung zur Bypassdiode
Bei handelsüblichen Si-Modulen auch bei
Teilverschattung nicht möglich
Ausblick
Störlichtbögen und ihre Detektion: Schutz für PV-Anlagen
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Ausblick
Zur Methodik der Lichtbogendetektion und -klassifizierung weiterhin sinnvoll / in Arbeit:
→ Verfeinerung von Wechselrichtermodellen
→ Verifikation von Teilverschattungsszenarien an PV-Anlage
→ Analyse von Kontaktkonstellationen bzgl. Auswirkung auf Lichtbogendynamik
→ Übertragung Methodik der Kennlinienmodellierung und Impedanzanalyse auf andere
Anwendungen mit verteilten Quellen (Batteriesysteme) bzw. mit unterschiedlichen Lasten
PV-Feuerwehrschalter mit Lichtbogensensor, E-T-A GmbH
Störlichtbögen und ihre Detektion: Schutz für PV-Anlagen
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Christian Strobl InnoLab - Innovation & Technologie E-T-A Elektrotechnische Apparate GmbH Industriestr. 2-8, D-90518 Altdorf 09187-10-563 0171-3335664 Christian.Strobl@e-t-a.de
Vielen Dank!
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