Der Generatoranschlusskasten mit Feuerwehrschalter (2) schaltet die DC-Leitung (3) zum Wechselrichter (6) stromlos. (1=PV-Generator; 4=Steuerleitung für PVSEC; 5=Not-Aus und Feuermelder; 7=Verkabelung AC-Seite; 8=DC-24-V-Versorgung; 9=Netz)

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Mittlerweile gibt es rund 1,2 Millionen Photovoltaik-Anlagen (PV) auf Dächern und Freiflächen in Deutschland mit über 27 GWp (Gigawatt Peak) installierter Leistung. Damit wurden im ersten Halbjahr 2012 rund 14 000 GWh Solarstrom erzeugt – 50 % mehr gegenüber dem vergleichbaren Vorjahreszeitraum. Zum Vergleich: Vor zehn Jahren lag die Solarstromproduktion lediglich bei 162 GWh. Auch nach der Neuregelung der Solarförderung ist davon auszugehen, dass vor allem die Installation kleinerer Photovoltaik-Anlagen etwa bei Eigenheimbesitzern und Energiegenossenschaften weiterhin attraktiv bleibt. Bedingt durch das starke Wachstum steigen die Sicherheitsanforderungen an Photovoltaik-Anlagen – zum einen aufgrund der alternden Anlagenbestände, zum anderen durch die weiterhin zunehmenden Neuinstallationen.

Wichtiger Bestandteil der Sicherheitseinrichtungen jeder PV-Anlage ist der DC-Lasttrennschalter, auch DC-Freischalter genannt, den die DIN VDE 0100-712 bereits vorschreibt: Die Norm fordert eine Einrichtung zum sicheren Trennen von Strömen und Spannungen zwischen dem PV-Generator und dem Wechselrichter – also auf der Gleichstromseite. Allerdings ist der genaue Einbauort auf der DC-Seite nicht festgelegt, so dass die Installationsbandbreite der DC-Lasttrenner von der Integration im Wechselrichter bis hin zur Installation im geschützten Außenbereich in der Nähe des PV-Generators streut.

Ein Schalter für die Feuerwehr

Gerade in Hinblick auf den Brandschutz und die daraus resultierenden neuen Anforderungen werden so genannte Feuerwehrschalter, eine Kombination aus DC-Lasttrennschalter mit zusätzlichen Funktionen, interessant. Diese Schalter ermöglichen sowohl unterstützende Maßnahmen bei einer Brandbekämpfung durch das sichere Abschalten der im Gebäude befindlichen DC-Leitungen als auch vorbeugenden Brandschutz durch eine permanente aktive Anlagenüberwachung.

Konzeptionelle Grundlage für die Feuerwehrschalter der Firma E-T-A sind beispielsweise die von der Expertenkommission „Brandschutzgerechte Planung, Installation und Betrieb von PV-Anlagen“ gesammelten Informationen. Hinzu kommen Norm-Entwürfe und der gemeinsam vom VDE und GDV erarbeitete „Technische Leitfaden Photovoltaikanlagen“.

Nach wie vor überwiegt die Meinung, dass die Feuerwehr ein Gebäude mit Solarzellen auf dem Dach bei einem Brand nicht löscht. Dabei stellt der Löscheinsatz einer PV-Anlage die Feuerwehr vor keine unlösbare Aufgabe. Mit den Sicherheitsmaßnahmen, wie sie im normalen Umgang mit stromführenden Leitungen immer wieder trainiert werden, sowie durch die Einhaltung bestimmter Verhaltensregeln lässt sich auch den Gefahren einer PV-Anlage begegnen. Hierzu gehören vor allem die Erkundung des Einsatzortes und das Einhalten eines Sicherheitsabstands von 1 m zu elektrischen Anlagenteilen und eines Löschabstands von mindestens 5 m bei Vollstrahl. Jedoch werden diese Abstände bei herkömmlichen PV-Installationen beim Betreten des Hauses leicht unterschritten. Ein „Innenangriff“ ist dann nur mit großer Vorsicht möglich.

Feuerwehrschalter basieren auf dem DC-Lasttrennschalter Typ PV-DIS-…, benötigen aber Zusatzfunktionen wie einen Fernantrieb, Unterspannungsauslösung und Signalkontakte, die seitlich modular angereiht werden.

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Um den Personenschutz der Einsatzkräfte bei einer Brandbekämpfung, bei Hochwasser oder technischen Hilfeleistungen sicherzustellen und zu erleichtern, sind verschiedene Maßnahmen denkbar. Hierzu gehören neben entsprechenden Hinweisschildern beispielsweise:

• eine gegen Feuer geschützte Verlegung von nicht abschaltbaren DC-Leitungen im Gebäude (Unterputzverlegung, Ummantelung mit Brandschutzverkleidungen oder Verlegung in Brandschutzkanälen und -schächten).
• Verlegung und Installation der DC-Leitungen und Wechselrichter außerhalb des Gebäudes. 
• Installation eines Feuerwehrschalters direkt unterhalb der Dacheinführung oder im geschützten Außenbereich in unmittelbarer Nähe zum PV-Generator.

Bei der Verlegung außerhalb des Gebäudes ist zu beachten, dass die DC-Leitung und Wechselrichter für Einsatzkräfte durch Übersichtspläne erkennbar sind und im Betrieb keine Beschädigungen an der Isolation der DC-Leitungen zu erwarten sind. Zudem sollten DC-Leitungen und Wechselrichter außerhalb der Rettungswege und Zugänge für Einsatzkräfte montiert sein.

Bei einer Installation des Feuerwehrschalters direkt unterhalb der Dacheinführung oder im geschützten Außenbereich in unmittelbarer Nähe zum PV-Generator sind für einen sicheren Betrieb verschiedene Aspekte wichtig:

• Langzeitzuverlässigkeit bei entsprechenden Witterungseinflüssen,
• Auslöser am Hausanschluss oder der Brandmeldezentrale,
• erkennbarer Schaltzustand am Schalter und Auslöser,
• Kennzeichnung des Schalters und der abgeschalteten Bereiche,
• manipulationssichere Befestigung,
• Sicherung gegen Wiedereinschalten nach gewollter Auslösung,
• automatisches Zuschalten nach Spannungsunterbrechungen,
• Fail-Safe-Prinzip bei Auftreten eines internen Fehlers im Feuerwehrschalter.
• Die Anforderungen an ein Schaltgerät nach DIN EN 60947-3 müssen erfüllt sein.

Durch diese Maßnahmen bleibt das Gebäude-Innere im Brandfall frei von berührbaren und gefährlichen Spannungen. Das ermöglicht den Einsatzkräften ein sicheres Arbeiten.

Funktionserweiterungen notwendig

Angesichts der Anforderungen ist klar, dass die bisher gebräuchlichen DC-Lasttrennschalter nicht ohne weiteres als Feuerwehrschalter bezeichnet und eingesetzt werden können. Nimmt man diese genannten Mindestanforderungen in das Lastenheft eines neu zu entwickelnden Feuerwehrschalters für den PV-Markt auf, resultieren hieraus mehrere notwendige Zusatzfunktionen:

• Ferngesteuerter Antrieb (Aus/Ein),
• Unterspannungsauslösung (Remote Trip),
• Signalkontakte
• sowie „Intelligente“ Elektronikkomponenten zum Beispiel zur Lichtbogen-Erkennung.

Da die Trenneinrichtungen auf der Gleichstromseite einer Photovoltaik-Anlage bisher meistens direkt im Wechselrichter oder in dessen Nähe montiert werden, können die DC-Leitungen auf der Seite des PV-Generators selbst bei abgeschaltetem DC-Lasttrennschalter weiterhin Spannung führen. Um diese spannungsführenden Kabellängen zu reduzieren, ist eine Installation der DC-Lasttrennschalter in der Nähe des PV-Generators im geschützten Außenbereich oder direkt unterhalb der Dacheinführung sinnvoll. Das Problem: Ein manuelles Abschalten im Notfall direkt am Lasttrennschalter ist aufgrund des Einbauortes somit nicht möglich. Deshalb braucht es eine Fernabschaltung mittels eines im Schalter integrierten Antriebs. Zudem sollte der Fern­antrieb das automatische Wiedereinschalten unterstützen, um im Falle von ungewollten Spannungsunterbrechungen auf der Netzseite einen reibungslosen Betrieb der PV-Anlage zu gewährleisten – ohne wie bisher notwendig den DC-Lasttrenner von Hand wieder einschalten zu müssen. Durch den automatischen oder ferngesteuerten Wiederanlauf können außerdem mehrere oder schwer zugängliche Feuerwehrschalter einfach und sicher betätigt werden. Auf diese Weise lassen sich die DC-Lei­tungen innerhalb des gesamten Gebäudes zuverlässig spannungsfrei schalten und die Gefährdung durch einen elektrischen Stromschlag minimieren.

Darüber hinaus muss beim Feuerwehrschalter die Freischaltung des DC-Kreises bei Trennung der Netzver­sorgung oder bei einer manuellen Betätigung (Not-Aus und/oder Feuermelder) automatisch erfolgen. Auch bei einer Unterbrechung der Steuerleitungen sollten die DC-Leitungen stromlos geschaltet werden. Dies ist durch eine zusätzliche Unterspannungsauslösung (Remote-Trip) möglich. Um die Funk­tionen flexibel kombinieren zu können, braucht es einen modularen Aufbau und eine gewisse „Intelligenz“ des gesamten Systems durch Elektronik-Komponenten. Als Basis für die Integration von weiteren Elektronikbauteilen kann die von E-T-A Elektrotechnische Apparate entwickelte Hybrid-Technologie – eine Kombination aus mechanischem und elektronischem Schaltelement – verwendet werden. Integrierte Signalkontakte übermitteln bei Bedarf die Informationen über den Betriebszustand an eine zentrale Leitstelle.

Vorbeugender Brandschutz per Lichtbogen-Sensor

Noch einen Schritt weiter, das heißt von der reinen Hilfestellung bei Gefahrensituationen hin zu vorbeugendem Brandschutz, gehen Produkte wie der Typ PVSEC-…-AF1 oder kundenspezifische Lösungen auf Leiterplattenbasis mit integrierter elektronischer Lichtbogen-Erkennung, zum Beispiel für den Einbau in Wechselrichtern. Solche Störlichtbogen-Sensoren – kurz: AFD-Sensoren (Arc Fault Detection) – steigern die Sicherheit von PV-Anlagen gerade in Hinsicht auf die Brandschutz-Thematik.

Beispiel einer kunden­spezifischen Lichtbogen-Erkennung für die Integration in Wechselrichter.

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Aufgrund der hohen Gleichspannungen und Ströme stellen Störlichtbögen in Photovoltaik-Anlagen eine besondere potenzielle Gefahr dar: Die sehr hohen Temperaturen im Plasma des Lichtbogens können zu einem Brand von weiteren Anlagenkomponenten und der Umgebung (Hausdach/Dachstuhl) führen. Auslöser der schädlichen Lichtbögen sind zumeist defekte PV-Module, Steckverbinder oder Kabel. Die ersten Normen bezüglich AFD für Hausinstallationen gibt es schon seit mehr als zehn Jahren. Im Bereich PV-Anlagen wird der Sensor durch die National Fire Protection Association (NFPA 70, NEC2011) für den nordamerikanischen Markt gefordert: Die NEC2011 verlangt in Artikel 690.11 die Erkennung und Unterbrechung von Lichtbögen, die durch Systemfehler verursacht werden. Zudem wird bereits an der UL1699B gearbeitet, die das Thema AFD in Bezug auf Artikel 690.11 noch stärker thematisiert und konkretisiert. Das Problem: Bis dato gibt es noch keine serienreifen AFD-Sensoren für Photovoltaik-Anlagen, so dass die Vorschrift nicht umgesetzt werden kann. Getrieben durch die speziellen Brandschutzanforderungen des amerikanischen Markts mit seiner weit verbreiteten Holzbauweise, wird es wohl nicht mehr lange dauern, bis AFD-Sensoren für PV-Anlagen als Serienprodukt verfügbar sind. Zudem arbeiten bereits europäische Gremien an einer ähnlichen Norm, da durch das zunehmende Alter der Anlagen und den immer noch steigenden Installationszahlen auch in Europa der Einsatz von AFD-Anwendungen sinnvoll erscheint.

Neben den Möglichkeiten einer brandschutzgerechten Installation in Brandschutzkanälen und/oder Verlegung im Außenbereich reduzieren die speziell für den PV-Markt entwickelten und abgestimmten Schaltgeräte von E-T-A mög­liche Erschwernisse bei der Brand­bekämpfung, bei Hochwasser oder technischen Hilfestellungen. Durch zusätzliche und integrierte elektronische Funktionen, die unter anderem permanent die komplette DC-Seite einer Photovoltaik-Anlage auf Störlichtbögen überwachen, lässt sich der Sicherheitsstandard von PV-Anlagen weiter optimieren und – mehr noch – ein vorbeugender Brandschutz realisieren. Hierbei wird die AFD-Technologie den zunehmend steigenden Sicherheitsanforderungen gerecht und schaltet die PV-Anlage frei, bevor potenzielle oder sicherheitskritische Gefahrensituationen durch DC-Störlichtbögen überhaupt entstehen können. Da sowohl der DC-Lasttrennschalter mit Fernantrieb als auch der Feuerwehrschalter (inklusive Lichtbogen-Erkennung) nach der DIN EN 60947-3 geprüft sind, kann zudem auf einen weiteren DC-Freischalter, zum Beispiel im Wechselrichter, verzichtet werden.

Insgesamt resultiert daraus ein Mehr an Sicherheit, Funktionalität und Anlagenverfügbarkeit. Dies sollte schon bei der Planung einer PV-Anlage mit in Betracht gezogen werden. Lieferbar ist die komplette Produktfamilie ab Oktober 2012.

Autor: Markus Wiersch ist Geschäftsfeldmanager für Energie & Umwelt­technik bei der Firma E-T-A Elektrotechnische Apparate in Altdorf.