Jeder PV-Betriebsführer kennt folgendes Fehlerbild: Ein oder mehrere Wechselrichter starten verspätet, besonders häufig an regnerischen Tagen. Die Meldung des Wechselrichters „Störung – Isolationsfehler“.

Hier schön zu sehen: Der "rote" Wechselrichter springt deutlich später an!

Hier schön zu sehen: Der „rote“ Wechselrichter springt deutlich später an!

Hintergrund ist, dass jeder Wechselrichter einer PV-Anlage vor der Synchronisierung mit dem Strom-Netz eine Isolationsmessung durchführt. Unterschreitet der gemessene Widerstandswert einen Grenzwert, darf der Wechselrichter sich nicht auf das Netz aufschalten.

Technischer Hintergrund

Durch die Reihenschaltung der einzelnen PV-Module zu Strings kommt es bei PV-Anlagen zu sehr hohen System-Spannungen im Bereich von ca. 300 – 1000 V. Damit es nicht zu einem Potentialausgleich gegen Erde kommt müssen alle Anlagenkomponenten eine ausreichende Isolierung aufweisen. Der im Idealfall sehr kleine Strom gegen Erde wird Leck- oder Fehlerstrom genannt. Der Fehlerstrom setzt sich aus den Teil-Fehlerströmen der einzelnen Komponenten (PV-Module, DC-Verkabelung und Wechselrichter) zusammen. Die Isolationswiderstände der Komponenten können als Parallelschaltung gegen Erde betrachtet werden.

formel-isolationsiwderstand-als-parallelschaltung

schaltbild

Ein PV-Modul muss mindestens einen Isolationswiderstand von 40 MOhm/m² (DIN IEC 61215, DIN EN 61646) aufweisen. Der Isolationswiderstand eines Moduls kann wie folgt berechnet werden (mindestwert):

formel-isolationswiderstand
Für ein Modulfeld mit identischen Modultypen ergibt sich:

formel-isolationswiderstand-modulfeld
Alternativ:

formel-isolationswiderstand-alternativ-modulfeld

Wechselrichter messen und überwachen den Gesamt-Isolationswiderstandswert aller angeschlossenen Komponenten. Der Grenzwert liegt bei Riso > 1 kOhm/V, muss aber mindesten 500 kOhm groß sein (gemäß DIN VDE 0126-1-1). Ausgenommen davon sind PV-Anlagen mit galvanischer Trennung vom Netz (durch Transformatoren). Auf Grund des Konflikts der Normen bei Anlagen mit großen Generatorflächen wurde die Bestimmung des Grenzwertes von SMA Solar Technology AG zusammen mit der deutschen Berufsgenossenschaft  neu erarbeitet.

formel-riso-grenzwert

Der Mindestwert wurde in diesem Zuge auf 200 kOhm gesenkt.

Beispiele

Wie die Formel für den RisoModulfeld zeigt, wird der Isolationswiderstand immer kleiner umso größer das Modulfeld wird. Dies kann dazu führen, dass obwohl die Module noch die geforderten 40 MOhm/m² erfüllen der im Wechselrichter hinterlegte Grenzwert unterschritten wird.

Beispiel 1

Wechselrichter-Nennleistung: 9000 W
Modulfläche: 1,58 m x 0,808 m
Modulanzahl: 52

formel-riso-beispiel

Damit liegt der Wert zwar noch knapp oberhalb des geforderten Mindestwerts von 200 kOhm (vor 2010: 500 kOhm), aber hinzu kommen jetzt noch die Isolationswerte der anderen Komponenten. Außerdem sind in älteren Wechselrichtern oft noch höhere Grenzwerte hinterlegt.  Bei der Beispielanlage liegt der Grenzwert bei ca. 1000 kOhm, dies kann aus dem Graphen abgelesen werden.

messkurve2

Widerstandslinie knapp unter 1000 kOhm. Der Peak, der um 9:25 Uhr zu erkennen ist, ist wahrscheinlich auf einen Kommunikationsfehler zurückzuführen.

Der Isolationswert bewegte sich hier bis ca. 9:00 Uhr um die 500 kOhm. Wie die Berechnung gezeigt hat kann der Isolationswert des Modulfeldes bereits auf 602,5 kOhm sinken ohne das die Module einen Defekt aufweisen. In diesem Fall wird man bei einem Einsatz vor Ort vermutlich keinen Fehler an der Anlage finden.

Es ist sehr wichtig, dass Isolationsfehler bevor ein Service-Einsatz geplant wird gut analysiert werden. Dafür ist grundlegend, dass der Datenlogger den vom Wechselrichter gemessenen Isolationswert und idealerweise auch die Fehler und Ereignismeldungen aufzeichnet.

 

Beispiel 2

Wechselrichter Nennleistung: 12.000 W
Modulfläche: 1,58 m x 0,808 m
Modulanzahl: 64

formel-riso-beispiel-2

In diesem Beispiel liegt der Isolationswert bis ca. 11:00 Uhr deutlich unter 100 kOhm, der geringste zugelassene Isolationswert der Module beträgt 489,57 kOhm. Es ist also davon auszugehen, dass es vor Ort wirklich Isolationsprobleme gibt. Durch welches Gerät der Fehler verursacht wird muss in diesem Fall vor Ort geprüft werden.

messkurve3

 

Fazit

Dass Wechselrichter an verregneten Tagen verspätet starten ist kein seltenes Bild in der Photovoltaik, die Ursache muss aber nicht immer ein Defekt sein. Da es sehr aufwendig sein kann einen Isolationsfehler vor Ort zu finden, sollte vor einem Service-Einsatz  geprüft werden, ob wirklich ein Defekt zu Grunde liegt. Zu beachten ist, dass der im Wechselrichter hinterlegte Grenzwert nicht einheitlich ist. Der Wert liegt in der Regel zwischen 200 kOhm und 1000 kOhm (bei Fragen zu dem hinterlegten Grenzwert, kontaktieren Sie einfach den jeweiligen Wechselrichter-Hersteller).

Deutlich wird auch wie wichtig es ist, dass Datenlogger den Wert der Isolationsmessung aufzeichnen und versenden. Gleiches gilt auch für das Ereignisprotokoll des Wechselrichters! Diese Erkenntnis lässt sich auch auf andere Fehler in einer PV-Anlage übertragen: je detaillierte die Analyse des Betriebsführers ausfällt, umso besser lassen sich Service-Einsätze vor Ort vorbereiten oder sogar vermeiden.