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Blitz- und Überspannungsschutz für Batteriespeicher
Gefährdung bei Gewittern
Mehrere Milliarden Blitze gehen jedes Jahr weltweit nieder. Allein in Deutschland werden jährlich mehr als 2 Millionen Blitzereignisse gezählt, mit zunehmender Tendenz. Schlägt der Blitz in unmittelbarer Nähe ein, kommt es zu Schäden an Gebäuden und Infrastruktur: Blitzeinschläge können zu Bränden oder zu Überspannungsschäden an elektrischen Geräten und Systemen führen.
Letztere entstehen, selbst wenn Blitze in einer Entfernung von bis zu 2 km einschlagen. Das Schalten von elektrischer Energie, zum Beispiel an einem Netzspeicher oder auch bei Schalthandlungen in Transformatorstationen erzeugt Schaltüberspannungen und kann dadurch ebenfalls negative Auswirkungen haben. Oft reicht bereits ein geringer Energiegehalt der Überspannungen, um Schäden an elektronischen Betriebsmitteln zu verursachen.
Schäden an Batteriespeichern
Energiespeicher zählen zu den Schlüsseltechnologien der Energiewende, um lokal produzierten Strom auch vor Ort wieder nutzen zu können. Die Container-Batteriespeichersysteme speichern hierbei die erzeugten Erneuerbaren Energien, z. B. aus Photovoltaiksystemen und Windkraftanlagen und geben den Strom bei Bedarf wieder ab. Zudem unterstützen sie durch das dezentrale Speichern die Netzstabilität und können somit zur Bereitstellung von Regelleistung durch den Netzbetreiber genutzt werden.
Der stetig wachsende Anteil von erneuerbaren Energien führt zu einem Anstieg von notwendigen Netzspeichern, dementsprechend wird die Steigerung der Effizienz von erneuerbaren Energien erzielt. Durch den Einsatz von Wechselrichtern mit Netzfiltern wird eine Verbesserung der Spannungsqualität erzeugt. Außerdem stellen Netzspeicher eine Basis im Energiemanagement (sog. „peak shaving“) dar.
Um die im Speichercontainer eingesetzten hochwertige Elektronik optimal zu schützen, ist ein umfassendes Gesamtschutzsystem hinsichtlich Blitz- und Überspannungen erforderlich. Vor allem vor dem Hintergrund, dass der Einsatzort und die Einsatzbedingungen aufgrund der mobilen Containerbauweise und dem geplanten weltweiten Einsatz stark variieren können.
Batteriespeicher werden maßgeblich durch die Auswirkungen von Blitzentladungen gefährdet. Die daraus resultierenden Überspannungen überschreiten dabei um ein vielfaches die Spannungsfestigkeit der verbauten elektronischen Komponenten innerhalb der Speicher. Weiterhin sind netzbedingte Spannungsspitzen z. B. durch Schalthandlungen oder Erd- und Kurzschlüsse als Bedrohungsszenario zu berücksichtigen. Die Folge sind defekte elektronische Bauteile z. B. an der Informations- und Kommunikationstechnik und nicht funktionsfähige Wechselrichter oder Batterieeinheiten. Im Falle eines Direkteinschlages kann es weiterhin auch zur Durchlöcherung des Metalldaches kommen, so dass bei Regenschauer zudem ein Wasserschaden entstehen kann.
Die ständige Verfügbarkeit dieser Speicher ist ein entscheidender Faktor. Da Schäden schwere wirtschaftliche Folgen nach sich ziehen und um kostspielige Wartungs- und Instandhaltungsarbeiten zu minimieren, ist ein wirksames und zuverlässiges Blitz- und Überspannungsschutzkonzept zu berücksichtigen.
Was sagt die Norm?
Die Normen der Reihe DIN VDE 0100 sind Installationsnormen und deshalb auf die feste Installation anwendbar. Sofern ein Batteriesspeicher nicht ortsveränderlich und über eine feste Verkabelung angeschlossen ist, fällt dieser in den Geltungsbereich der DIN VDE 0100.
Die DIN VDE 0100-443:2016-10 behandelt den Schutz von elektrischen Anlagen bei transienten Überspannungen infolge atmosphärischer Einflüsse, die über das Stromversorgungsnetz übertragen werden, inklusive direkter Blitzeinschläge in die Versorgungsleitungen und transiente Überspannungen infolge von Schaltvorgängen. Sie liefert eine Aussage, ob Überspannungsschutzmaßnahmen erforderlich sind, wägt das Standortrisiko ab, definiert Überspannungskategorien und die dazugehörigen geforderten Bemessungsstehstoßspannungen der Betriebsmittel und definiert, ob zusätzliche Überspannung-Schutzeinrichtungen notwendig sind. Des Weiteren wird auf die notwendige Verfügbarkeit der Anlage eingegangen.
Mit einer Risikoanalyse nach DIN EN 62305-2 wird ermittelt, welche Maßnahmen für den äußeren Blitzschutz erforderlich sind, beispielsweise welche Blitzschutzklasse bei der Planung betrachtet und beim Blitzschutzkonzept umgesetzt werden muss. Ist gemäß der Risikoanalyse zum Beispiel ein Blitzschutzsystem nach Blitzschutzklasse 3 notwendig, so muss die DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) berücksichtigt werden. Auch die Anwendungsregel VDE-AR-E 2510-2 „Stationäre Energiespeichersysteme vorgesehen zum Anschluss an das Niederspannungsnetz“ beschreibt, dass im Anschlusskonzept abgestimmte Maßnahmen zum Blitz- und Überspannungsschutz vorgesehen werden müssen.
Werden gemäß DIN VDE 0100-443 und DIN EN 62305 Blitz- und Überspannungsschutzmaßnahmen eingesetzt, dann sind diese nach DIN VDE 0100-534 zu installieren.
Ursachen von transienten Überspannungen
Ein direkter Einschlag in den Batteriespeicher oder in die Versorgungsleitung wird durch einen Blitzstrom mit der Impulsform 10/350 µs beschrieben. Ferne Blitzeinschläge oder sog. indirekte Blitzeinschläge führen zu leitungsgebundenen Blitzteilströmen (Impulsform 10/350 µs) in den Versorgungsleitungen oder auch zu induktiven/kapazitiven Kopplungen (Impulsform 8/20 µs) in den elektronischen Komponenten der Speicher selbst (sog. LEMP = Lightning ElectroMagnetic Pulse) (Bild 9.47.1). Zudem können durch Schalthandlungen, Erd-und Kurzschlüsse, aber auch durch Auslösen von Sicherungen Überspannungen verursacht werden (sog. SEMP = Switching ElectroMagnetic Pulse).
PV-Speichersysteme (Metallcontainer mit Fangspitzen)
Werden PV-Kraftwerke mit einem Batteriespeicher ausgerüstet, gilt es das elektronische Equipment, die Batterien und die Wechselrichter vor Überspannungen zu schützen. In Bild 9.47.2 ist ein PV Speichersystem (Container-Bauweise) abgebildet, welches den direkten Blitzschlag über das Metallgehäuse des Containers ins Erdreich ableitet.
Kompaktes Hutschienengerät für die Übermittlung von SPD-Statusinformationen wie Funktionsstatus, Artikelnummer SPD und Artikelnummern der Ersatzmodule via Modbus RTU/TCP
Hutschienengerät mit integriertem LifeCheck-Sensor für die zustandsorientierte Überwachung von max. 10 BLITZDUCTOR XT mit LifeCheck-Funktion
* Auswahl in Abhängigkeit der Schnittstelle
Tabelle 9.47.1
Auswahlhilfe Schutz von Batteriespeichern
Um Ausschmelzungen im Metalldach durch einen direkten Blitzeinschlag zu vermeiden, werden zum Beispiel an den vier Ecken Fangspitzen als definierte Einschlagpunkte installiert. Das ausgebildete Erdungssystem wird mit einem Flachband mit den Maßen 30 x 3,5 mm oder alternativ mit einem Runddraht mit einem Durchmesser von 10 mm errichtet. Um die Langlebigkeit und Funktionalität der Erdungsanlage sicher zu stellen, empfiehlt sich der Einsatz eines dauerhaft korrosionsbeständigen Materials, wie z. B. NIRO V4A. Dies trägt dazu bei, die Personensicherheit sicher zu stellen und das Ableiten des Blitzstromes in das Erdreich auch in vielen Jahren zu gewähren.
Das Equipment im Inneren des Containers ist ähnlich eines Faradayschen Käfigs geschützt, d. h. keine Trennungsabstände zu den im Inneren befindlichen elektrischen Komponenten müssen eingehalten werden. Um die Störimpulse, welche sich über die kupferbasierenden Hauptversorgungsleitungen einkoppeln, abzuleiten, sind so nahe wie möglich am Containereintritt dafür geeignete Blitzstrom- und Überspannungsableiter zu installieren. So empfiehlt sich zum Schutz der 230/400 V-Zuleitung der Einsatz eines Schutzgerätes der Gerätefamilie DEHNventil.
Hierbei handelt es sich um einen anschlussfertigen modularen Typ 1 + 2-Kombiableiter, basierend auf reiner Funkenstreckentechnologie mit einem Ableitvermögen bis 100 kA (10/350 µs) der aufgrund seines hervorragenden Schutzpegels und Energieabsorbtionsvermögens zudem Endgeräteschutz ermöglicht. Für drahtgebundene Datenschnittstellen, z. B. für RS 485-Schnittstellen eignet sich der Einsatz der Type 1-Kombiableiter der Produktfamilie BLITZDUCTOR XT. Durch die integrierte LifeCheck-Funktion bietet sich die Möglichkeit für die Realisierung eines „Predictive Maintenance-Konzepts“. Die jeweiligen Signalzustände können über potentialfreie Fernmeldekontakte, RS-485-Schnittstellen oder mittels DEHNrecord Alert über Modbus TCP / RTU kommuniziert werden.
Weitere Information- und Kommunikationsschnittstellen wie Ethernet werden mit DEHNpatch oder koaxiale Antennenschnittstellen mit DEHNgate geschützt. Die Verbindungsleitungen der Batterien und der Wechselrichter-DC-Ausgänge müssen aufgrund der zonenübergreifenden Verlegung mit Typ 1 SPDs gesichert werden. Hierzu eignet sich hervorragend der Typ 1 + 2 Kombiableiter DG ME DC Y 950 FM bis zu einer Gleichspannung von bis zu 950 V DC. Für Gleichspannungen bis 1500 V DC ist der Typ 1+2 Kombiableiter DCB YPV 1500 FM geeignet. Die DC Anschlussleitungen der PV Module müssen bei Ausrüstung mit Fangeinrichtungen mit Überspannungsschutz Typ 1 speziell für den Einsatz in Photovoltaikanlagen geschützt werden, dies kann mit dem vorsicherungsfreien Typ 1 + 2-Kombiableiter DEHNcombo YPV erreicht werden.
Externe Überwachungseinheiten wie zum Beispiel Kameras mit PoE Anschlüssen werden durch den DEHNpatch outdoor geschützt. Wird außerdem eine LED Leuchte zur Beleuchtung des Solarparks eingesetzt, sollte diese durch DEHNcord gegen die Auswirkungen von Überspannungen und Alterung durch Schalthandlungen geschützt werden. Der normativ notwendige Potentialausgleich wird mit einer Potentialausgleichsschiene K12 ausgeführt. Diese sind speziell für den Einsatz als Schutz- und Funktionspotentialausgleich nach DIN VDE 0100-410/540 und den Blitzschutz-Potentialausgleich nach DIN EN 62305-3 (VDE 0185-305-3) geprüft.
Netzspeicher (Betoncontainer mit HVI-Blitzschutz)
Werden Netzspeicher in Betonbauweise (Bild 9.47.3) ausgeführt, ist es oftmals nicht oder nur mit enormen Aufwand umsetzbar, Trennungsabstände zum Äußeren Blitzschutzsystem einzuhalten. Durch den Einsatz von hochspannungsfesten isolierten Ableitungen – den sog. HVI-Leitungen wird dieses Problem gelöst. So können gefährliche Überschläge vom Äußeren Blitzschutzsystem zu leitfähigen Teilen wie Zuleitungen etc. verhindert werden.
Bild 9.47.3
Netzspeichersystem in Betonbauweise mit HVI-Blitzschutz
Befinden sich Batterien und Wechselrichter in getrennten Containern, koppeln sich in die Verbindungsleitungen bei Direkt oder Naheinschläge galvanische Blitzströme ein. Um dies zu verhindern ist ein Erdungsleiter oberhalb der Kabel zu verlegen, so dass diese im Schutzbereich sind. (Bild 9.47.4) Dadurch ist es ausreichend, die Leitungen beidseitig mit Überspannungsableiter Typ 2, z. B. DEHNguard SE DC zu beschalten. Diese sind speziell für den Einsatz in DC-Stromkreisen konstruiert und beinhalten zudem eine leistungsfähige DC-Schaltvorrichtung DCD zur Vermeidung von Brandschäden infolge DC-Schaltlichtbögen.
Auswahl der Blitz – und Überspannungsschutzeinrichtungen
Für die Auswahl der geeigneten Blitz- und Überspannungsschutzeinrichtungen sind neben Kenntnissen hinsichtlich Errichtungsstandort auch Informationen über die örtlich gegebene Netzform, Systemspannung und Nennstrom der jeweiligen Schnittstellen wichtig. Eine beispielhafte Auswahl ist Tabelle 9.47.1 zu entnehmen.
