Verschiedene Varianten für den NA-Schutz

Kategorie: 11 / 2012, Fachwissen & Technik Volker Schmidt

Netzanschluss: Um Stromnetze und Photovoltaikanlagen in Störfällen vor Schäden zu schützen, schreibt die Niederspannungsrichtlinie seit dem Jahr 2012 bestimmte Schutzeinrichtungen vor. Volker Schmidt von der Firma Jean Müller erklärt, dass dabei je nach Energieversorger und Stromnetztyp unterschiedliche Dinge zu beachten sind.

Ein Netz- und Anlagenschutz hilft unter anderem dabei, Niederspannungsnetze bei Bedarf für Wartungsarbeiten abzuschalten.
Foto: Jean Müller GmbH

Die Niederspannungsrichtlinie (VDE AR N 4105) wirft seit ihrem Inkrafttreten im August 2011 viele Fragen auf, die noch immer nicht alle eindeutig beantwortet sind. Ähnliches gilt auch für die Neufassung des Erneuerbare-Energien-Gesetzes. Eigentlich sollte man annehmen, dass eine Anwendungsregel des VDE oder ein Bundesgesetz so formuliert sind, dass sie deutschlandweit einheitlich umgesetzt werden können. Doch zum Teil ist es erstaunlich, wie vielfältig ihre Auslegungen im deutschen Strommarkt ausfallen können. Daher soll hier nun der aktuelle Stand der technischen Erfordernisse beim „netzparallelen Betrieb von Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz“ mit Fokus auf den in der VDE AR N 4105 beschriebenen Netz- und Anlagenschutz (NA-Schutz) möglichst umfassend dargestellt werden.

Beim NA-Schutz handelt es sich nach der VDE 4105 um eine „typgeprüfte Schutzeinrichtung mit Konformitätsnachweis“, welche ständig Spannung und Frequenz des Versorgungsnetzes auf Einhaltung der vorgegebenen Toleranzen (siehe Tabelle, Seite 77) überwacht. Im Prinzip besteht er aus nur zwei Komponenten. Diese sind ein Netz- und Anlagenschutzrelais, das das Stromnetz überwacht, und ein Kuppelschalter, der über das Relais gesteuert wird. Der Kuppelschalter besteht entsprechend der Niederspannungsrichtlinie aus zwei in Reihe geschalteten elektrischen Schaltgeräten. Für jedes dieser Schaltgeräte gibt es am Überwachungsrelais einen eigenen Ausgang, der auch intern getrennt angesteuert wird. Die einzelnen Schaltgeräte melden die aktuelle Schaltstellung an das Überwachungsrelais zurück. Damit soll die geforderte „Einfehlersicherheit“ gewährleistet werden. Der NA-Schutz soll zwei grundsätzliche Probleme bei der Einspeisung dezentral erzeugter Energie in das Niederspannungsnetz lösen: Erstens die Einhaltung von Spannungs- und Frequenzgrenzen im Stromnetz und zweitens die Abschaltung von Inselnetzen im Falle von nötigen Wartungsarbeiten.

Grenzen einhalten

Häufig sind Anlagen zur Erzeugung regenerativer Energie relativ klein und weit über das Netzgebiet verstreut. Eine bedarfsgerechte Steuerung der eingespeisten Energie ist für die Energieversorger daher nahezu unmöglich. Nun hat Strom als Energieträger aber die unangenehme Eigenschaft, dass er nicht so ohne Weiteres gespeichert werden kann. Er muss also praktisch in dem Moment verbraucht werden, in dem er erzeugt wird. Wird nun mehr Leistung ins Netz eingespeist, als an anderer Stelle wieder entnommen wird, steigen Spannung und Frequenz.

Die Energieversorger sind nun aber verpflichtet, sowohl Spannung als auch Frequenz in den durch die DIN EN 50160 vorgegebenen Grenzen stabil zu halten. Aus diesem Grund wurde in der VDE 4105 erstmals die automatische Leistungsreduzierung gefordert. Sollten Spannung und/oder Frequenz trotz dieser automatischen Regelung nicht in den vorgegebenen Grenzen bleiben, bleibt nur noch die Option, die Erzeugungsanlagen komplett vom Netz zu trennen. Wenn dann die Parameter des Netzes für eine bestimmte Zeit wieder in den vorgegebenen Grenzen liegen, dürfen die Erzeugungsanlagen automatisch wieder zuschalten. Die überwachten Parameter werden später noch genauer beschrieben.

Inselnetze abschalten

Erzeugungsanlagen am Niederspannungsnetz speisen, wie der Name schon sagt, in das Niederspannungsnetz ein. Wird mehr Energie erzeugt, als in diesem Teil des Niederspannungsnetzes verbraucht wird, wird diese Energie in den Ortsnetzstationen an die nächsthöhere Spannungsebene weitergeleitet. Zu der Zeit, als es noch keine nennenswerte Einspeisung von regenerativ erzeugter Energie gab, konnten die Verteilnetzbetreiber im Falle von Wartungsarbeiten diesen Bereich an den Niederspannungskabeln in der Ortsnetzstation abschalten. Dann konnten sie davon ausgehen, dass ein sicheres Arbeiten an der Installation möglich ist.

Durch die vielen Eigenerzeugungsanlagen, die heutzutage an das Niederspannungsnetz angeschlossen sind, kann es nun passieren, dass sich in einem begrenzten Bereich des Netzes Einspeisung und Verbrauch die Waage halten. Dieser Teil des Netzes kann dann auch bei abgeschalteter Ortsnetzstation einigermaßen stabil weiterlaufen. Dann ist sozusagen ein Inselnetz entstanden. Wartungsarbeiten wären unter diesen Umständen äußerst gefährlich.

Der Plan ist nun, dass vor Wartungsarbeiten ein sogenannter Netzersatzbetrieb gefahren wird. Hierfür wird ein leistungsstarker (Diesel-)Generator angeschlossen und mit dem Netz synchronisiert. Danach wird die Ortsnetzstation abgeschaltet, das Netz wird aber durch den Generator weiter am Leben gehalten. Im nächsten Schritt wird die Frequenz des Generators auf deutlich über 51,5 Hertz erhöht. Dies hat zur Folge, dass alle Erzeugungsanlagen automatisch vom jeweiligen NA-Schutz der Anlagen abgeschaltet werden. Nach kurzer Zeit wird der Generator dann ebenfalls abgeschaltet, und es kann gefahrlos (unter Beachtung der üblichen Sicherheitsvorkehrungen) gearbeitet werden.

Korrekt installiert

Der NA-Schutz kann zentral am Zählerplatz integriert werden. Bei Photovoltaikanlagen mit weniger als 30 Kilowatt Leistung oder bei Blockheizkraftwerken ist auch eine dezentrale Installation in Unterverteilungen oder eine Integration in die programmierbare Steuerung der Erzeugungsanlagen, zum Beispiel im Solarwechselrichter, möglich. Wird ein Blockheizkraftwerk mit dezentralem oder integriertem NA-Schutz ausgerüstet, ist am Netzübergabepunkt unbedingt eine „jederzeit zugängliche Trennstelle“ vorzusehen. Hierfür eignen sich zum Beispiel die von der Firma Jean Müller angebotenen vierpoligen NH-Sicherungslasttrennschalter und NH-Sicherungslastschaltleisten. Die Trennstelle soll gewährleisten, dass der Energieversorger die Erzeugungsanlage jederzeit manuell vom Netz trennen kann.

Der Grund für die Aufteilung in zentral, dezentral und integriert liegt zum einen in der Physik, zum anderen im Aufbau der Erzeugungsanlagen. Man geht davon aus, dass kleinere Anlagen relativ dicht am Netzanschlusspunkt installiert werden. Durch die kurzen Kabelstrecken und den relativ geringen Strom kann man den Spannungsabfall an der Verbindungsleitung von der Erzeugungsanlage zum Anschlusspunkt vernachlässigen, so dass nicht von einer signifikanten Verfälschung des Messergebnisses ausgegangen werden muss. Bei größeren Anlagen kann aufgrund der längeren Kabelstrecken und des größeren Stroms die Verfälschung der Spannungswerte zu Fehlabschaltungen führen.

Geräte für den zentralen oder dezentralen NA-Schutz werden von vielen verschiedenen Herstellern angeboten. Die Geräte sind in der Regel auf Hutschienen montierbar und passen in die gängigen Verteilerfelder. Allerdings unterscheiden sie sich zum Teil deutlich im Platzbedarf, sowohl in der Breite als auch in der Höhe und teilweise auch in den Funktionen.

Grundsätzlich sind die Sollwerte der zu überwachenden Parameter entsprechend den Vorgaben der Niederspannungsrichtlinie ab Werk voreingestellt. Je nach Gerätehersteller lassen sich einige Vorgabewerte auch nachträglich verändern. Bei allen Geräten können die änderbaren Werte dann durch Plombieren oder Passwort geschützt werden.

Der richtige Schalter

Der Kuppelschalter besteht aus zwei in Reihe geschalteten Schaltgeräten (redundanter Aufbau), welche jeweils mindestens ein der Nennleistung der Erzeugungsanlage entsprechendes Lastschaltvermögen aufweisen müssen. In Anlagen ab 100 Kilowatt sind Motorschutzschalter oder mechanische Leistungs-/Lasttrennschalter zugelassen, in kleineren Anlagen dürfen auch Schütze verwendet werden.

Ein wesentlicher Unterschied zwischen Schütz und Motorschutzschalter beziehungsweise Leistungs-/Lasttrennschalter liegt in der Funktionsweise. Ein Schütz ist ein monostabiles Schaltgerät. Dies bedeutet, dass es in Position „Aus“ verharrt, wenn keine Energie zugeführt wird. Für Position „Ein“ muss aber ständig Energie zugeführt werden. Je nach Baugröße und Ausführung benötigt ein Schütz für den Haltebetrieb etwa 4 bis über 20 Watt. Da die Geräte im Normalfall ständig eingeschaltet sind, bedeutet dies einen Energieverbrauch im Jahresverlauf von 35 bis über 175 Kilowattstunden. Dafür sind sie in den Anschaffungskosten wesentlich günstiger als vergleichbare Motorschutz-/Leistungs-/Lasttrennschalter. Auch ist die Ansteuerung wesentlich einfacher zu realisieren (Schütz EIN = Schalter schließen, Schütz AUS = Schalter öffnen).

Motorschutz- und Leistungsschalter werden üblicherweise manuell eingeschaltet und bleiben dann in dieser Schaltstellung, ohne dass zusätzlich Energie zugeführt werden muss. Sie sind damit bistabil. Normalerweise werden diese Schaltgeräte nicht zum regelmäßigen Schalten genutzt, sondern sollen Geräte (Motorschutzschalter) oder Stromkreise (Leistungsschalter) vor Überlast schützen. Daher müssen diese Schaltgeräte zum automatischen Ein- und Ausschalten mit Zusatzgeräten ausgerüstet werden. Zum automatischen Einschalten wird ein passender Motorantrieb benötigt, zum Ausschalten eine entsprechende Spule. Da sichergestellt sein muss, dass das Schaltgerät bei Ausfall der Spannungsversorgung sicher abschaltet, wird eine sogenannte Unterspannungsauslösung genutzt, welche im normalen Betrieb allerdings auch ständig Energie benötigt. Diese ist aber weniger von der Baugröße des Schaltgerätes als vielmehr vom Fabrikat abhängig und liegt etwa zwischen 2,5 und 10 Watt.

Volker Schmidt ist Produktmanager bei der Firma Jean Müller GmbH Elektrotechnische Fabrik.

www.jeanmueller.de

Schutzfunktion

Schutzrelais-Einstellwerte*

Spannungsrückgangsschutz U<

0,8 Un

< 100 ms

Spannungssteigerungsschutz U> (10 min. Mittelwert)

1,1 Un

< 100 ms

Spannungssteigerungsschutz U>>

1,15 Un

< 100 ms

Frequenzrückgangsschutz f<

47,5 Hz

< 100 ms

Frequenzsteigerungsschutz f>

51,5 Hz

< 100 ms

* Die Gesamtabschaltzeit von NA-Schutz und Kuppelschalter darf 200 Millisekunden betragen. Dadurch werden je 100 Millisekunden für den NA-Schutz und den Kuppelschalter angenommen. Bei Abweichungen ist der entsprechende andere Wert anzupassen.Folgende Werte werden überwacht:U> geben die untere und obere Grenze des Spannungsbandes an.U> ist ein Zehn-Minuten-Mittelwert. Wird der hier vorgegebene Wert im Zehn-Minuten-Mittel überschritten, muss die Anlage ebenfalls abgeschaltet werden.Un entspricht dabei 230 Volt gegen null beziehungsweise 400 Volt zwischen zwei Phasen.f geben die untere und obere Grenze des Frequenzbandes an. fn beträgt 50 Hertz.In der Richtlinie wurde eine Abschaltzeit von 200 Millisekunden festgelegt. Um diese Reaktionszeit zu erreichen, müssen die Schaltgeräte sehr genau ausgewählt und aufeinander abgestimmt werden. Eine kürzere Reaktionszeit ist technisch kaum zu realisieren.


Allpoliges Trennen

Die VDE 0100-460 regelt im Artikel 461.2 wie und was in Verteilnetzen geschaltet werden darf. Um dies genauer betrachten zu können, hier eine kurze Erläuterung zu den verschiedenen Netzformen.

TN-C-Netz: Der Sternpunkt des Transformators wird geerdet. Vom Transformator werden im Kabel die drei Phasen und ein PEN-Leiter (Kombination aus PE und N) zum Verbraucher geführt. Beim Verbraucher kann nun bei Bedarf der PEN-Leiter in PE („protective earth“ beziehungsweise Schutzleiter) und N (Null- oder Neutralleiter) aufgeteilt werden. Der PEN-Leiter muss einen Querschnitt von mindestens 10 Quadratmillimeter Kupfer oder 16 Quadratmillimeter Aluminium aufweisen. Reine TN-C-Netze werden nur bei leistungsstarken Verbrauchern eingesetzt.

TN-C-S-Netz: Der Sternpunkt des Transformators wird geerdet. Vom Transformator werden im Kabel die drei Phasen und ein PEN-Leiter (Kombination aus PE und N) zur Verteilung vor dem Verbraucher geführt. In der Verteilung wird dann N und PE aufgeteilt und separat zum Verbraucher geführt. N und PE dürfen später nicht wieder zusammengeführt werden. Dies ist die häufigste Netzform im deutschen Niederspannungsnetz.

TN-S-Netz: Der Sternpunkt des Transformators wird geerdet. An diesem Sternpunkt werden N und PE bereits aufgetrennt und zusammen mit den drei Phasen getrennt bis zum Verbraucher geführt. N und PE dürfen nicht mehr zusammengebracht werden. Echte TN-S-Netze sind im deutschen Niederspannungsnetz eher selten. Meist wird diese Netzform in größeren gewerblichen Anlagen mit eigenem Transformator eingesetzt.

TT-Netz: Der Sternpunkt des Transformators wird geerdet. An diesem Sternpunkt wird nur ein N-Leiter abgegriffen und zusammen mit den drei Phasen bis zum Verbraucher geführt. N und PE dürfen nicht mehr zusammengebracht werden. Am Verbraucher ist unbedingt immer ein Anlagenerder vorzusehen. Echte TT-Netze sind im deutschen Niederspannungsnetz eher selten. Auch funktioniert die Schutzart „Schutzerdung“ nicht zuverlässig, da der Widerstand der Erde stark variieren kann. Eine nur geringe Erhöhung des Erdungswiderstandes hat aber zur Folge, dass vorgeschaltete Sicherungselemente nicht mehr schnell genug abschalten können. Daher wird hier dringend empfohlen, die gesamte Anlage mit Fehlerstromschutzschaltern zu sichern.

Die VDE 4105 gibt an, dass der Kuppelschalter die Erzeugungsanlage „allpolig“ vom Netz trennen muss. Da die VDE 0100-460 Artikel 461.2 eindeutig besagt, dass das Schalten beziehungsweise Trennen des PE- oder PEN-Leiters unzulässig ist, bedeutet dies, dass der Kuppelschalter im TN-C-Netz und TN-C-Teil eines TN-C-S-Netzes nur die drei Phasen schalten darf. In den anderen Netzformen muss auch noch der N-Leiter mit geschaltet werden.

Die VDE 4105 lässt nur eine unsymmetrische Einspeisung von maximal 4,6 Kilowatt zu. Dies bedeutet, dass in Anlagen mit mehr als 13,8 Kilowatt einphasige Wechselrichter kommunikativ zu einem Drehstromwechselrichter verschaltet werden müssen. Es darf dann zwar wieder ein weiterer einphasiger Wechselrichter unsymmetrisch einspeisen, dies wird dann aber recht aufwendig. Der Einsatz entsprechend dimensionierter Drehstromwechselrichter wird dann auch schnell wirtschaftlich sinnvoll. In Photovoltaikanlagen mit mehr als 30 Kilowatt Leistung sind daher kaum noch einphasige Wechselrichter zu finden. In symmetrisch einspeisenden Drehstromsystemen wird kein Null-Leiter benötigt. Wird eine solche Anlage nun an ein TN-C-Netz angeschlossen, ist ein dreipolig ausgeführter Kuppelschalter absolut ausreichend. Einige Energieversorger sehen dies allerdings anders. Sie fordern auch in Photovoltaikanlagen mit rein symmetrischer Einspeisung eine vierpolige Abschaltung unabhängig von der Netzform. Es gibt sogar Fälle, wo der PEN-Leiter der Netzanschlussleitung über einen vierpoligen Sicherungslasttrennschalter beziehungsweise eine Sicherungslastschaltleiste zu führen ist, bevor er dann im Zählerschrank in PE und N aufgeteilt wird. Inwieweit dies sicherheitstechnisch sinnvoll ist, muss an dieser Stelle offen bleiben.

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