DGUV Information 203-080 - Montage und Instandhaltung von Photovoltaik-Anlagen (...

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Abschnitt 5.2., 5.2. Elektrische Gefährdungen
Abschnitt 5.2.
Montage und Instandhaltung von Photovoltaik-Anlagen (DGUV Information 203-080)
Titel: Montage und Instandhaltung von Photovoltaik-Anlagen (DGUV Information 203-080)
Normgeber: Bund
Amtliche Abkürzung: DGUV Information 203-080
Gliederungs-Nr.: [keine Angabe]
Normtyp: Satzung

Abschnitt 5.2. – 5.2. Elektrische Gefährdungen

5.2.1.
Elektrische Gefährdungen und Schutzmaßnahmen auf der Generatorseite

Elektrische Anlagen mit Gleichspannungssystemen wie PV-Anlagen sind gleichermaßen wie Wechselspannungssysteme mit elektrotechnischen Schutzmaßnahmen gemäß der VDE 0100 auszustatten. Hierbei sind insbesondere der Schutz gegen elektrischen Schlag und der Schutz bei Überstrom zu beachten.

Die gebräuchlichsten Maßnahmen bei PV-Anlagen sind:

  • Schutz durch doppelte oder verstärkte Isolierung

  • Erd- und kurzschlusssichere Leitungsverlegung gemäß VDE 0100-520

  • zusätzlicher Schutzpotentialausgleich oder Funktionspotentialausgleich

  • Schutzmaßnahmen gemäß dem IT-System

Hinsichtlich der detaillierten Ausführungsbedingungen der Schutzmaßnahmen wird im Rahmen dieser DGUV Information auf die Normenreihe VDE 0100 verwiesen. An dieser Stelle werden nur die speziellen Besonderheiten der Schutzmaßnahmen an PV-Anlagen aufgezeigt.

5.2.1.1.
Wechselrichter mit und ohne galvanische Trennung

Für PV-Anlagen werden Wechselrichter mit und ohne galvanische Trennung eingesetzt. Dies hängt vom verwendeten Modultyp (Dünnschichtmodul, kristallines Modul) ab.

Zur Anlagensicherheit verfügen beide Wechselrichterausführungen über eine Isolationsüberwachungseinrichtung (IMD). Bei Wechselrichtern ohne galvanische Trennung ("trafolos") findet vor jedem automatischen Zuschalten eine Prüfung des Isolationswiderstandes statt, z. B. bei jedem Nacht-Tag-Übergang. Bei Wechselrichtern mit galvanischer Trennung ist die Isolationsüberwachungseinrichtung dauernd in Betrieb.

Die Überwachung des Isolationswiderstandes kann nur bei wirksamem Potentialausgleich funktionieren (siehe Abbildung 10). Eine regelmäßige Auslesung der Messwerte und Überwachung ist ein wichtiger Bestandteil zum Erhalt des sicheren Zustands der PV-Anlage.

Die unterschiedlichen Wechselrichterausführungen haben spezielle Anforderungen an die Montage und die Fehlersuche zur Folge. Das muss in der Gefährdungsbeurteilung berücksichtigt werden.

 
Gefahr:  
Entladezeit der Kondensatoren im Wechselrichter entsprechend dem Herstellerhinweis beachten!
Quelle: Solaredge Technologies GmbH

Abb. 10 Wechselrichter mit galvanischer Trennung, Isolationsfehler im DC-System (TN-System auf der AC-Seite)

Abb. 11 Wechselrichter ohne galvanische Trennung, Isolationsfehler im DC-System (TN-System auf der AC-Seite)

Abb. 12 Stromfluss in parallel geschalteten Strings bei Kurz - oder Erdschluss in einem String (Prinzipdarstellung)

Abb. 13 Sicherungshalter in fingersicherer Ausführung IP 2X, geeignet für den Überlastschutz auf der DC-Seite

Abb. 14 Verteilerkasten mit Sicherungshalter in nichtfingersicherer Ausführung

5.2.1.2.
Parallel geschaltete Strings

Bei parallel geschalteten Strings besteht unter Umständen die Notwendigkeit, geeignete Überstromschutzeinrichtungen in die einzelnen Strings in Form von Schutzdioden oder Überstromschutzorganen einzusetzen. Werden Sicherungen zum Schutz bei Überlast verwendet und verfügen die Sicherungshalter nicht über einen Berührungsschutz IP 2X ("fingersicher") oder höher, so ist ein Einbau im Handbereich von Bedienelementen, wie z. B. Schalter, Leitungsschutzschalter, nicht gestattet.

Der Einbau von Sicherungshaltern in fingersicherer Ausführung verringert die Gefahr der elektrischen Durchströmung beim Sicherungswechsel unter Spannung. Ist die Fingersicherheit nicht gegeben, muss der Sicherungswechsel gemäß der Arbeitsmethode "Arbeiten unter Spannung" erfolgen.

Abb. 15 Nach "Abschalten" und "Gegen Wiedereinschalten sichern" wird durch Verwendung einer Strommesszange die Stromfreiheit geprüft. Erst dann kann der einzelne String gefahrlos mittels der DC-Steckverbinder geöffnet werden (Prinzipdarstellung)..

Abb. 16 DC-Steckverbinder mit Warnhinweis

5.2.1.3.
Arbeiten auf der DC-Seite

a. Arbeiten im spannungsfreien Zustand

Die Methode "Arbeiten im spannungsfreien Zustand" ist bei Montage, Instandhaltung und Reparaturarbeiten allen anderen Arbeitsmethoden vorzuziehen. An PV-Anlagen lässt sich der spannungsfreie Zustand bei solarer Einstrahlung nur durch lichtdichtes Abdecken der Module erreichen. Deshalb muss auf der Generatorseite häufig auf die Methode "Arbeiten unter Spannung" zurückgegriffen werden. Um ein sicheres Verfahren für Arbeiten unter Spannung zu erreichen, ist es sinnvoll, die Spannungen durch Schalthandlungen auf einen Wert mindestens kleiner DC 120 V oder sogar auf den Wert von DC 60 V zu reduzieren. Spannungen kleiner DC 60 V gelten als nicht mehr berührungsgefährlich, es muss aber die Gefährdung durch Lichtbogeneinwirkung berücksichtigt werden.

Die Schalthandlungen zum Freischalten und zum Spannungsreduzieren sind sicher auszuführen. Der freigeschaltete bzw. spannungsreduzierte Zustand der Anlage muss für die Zeit der Arbeiten sicher aufrechterhalten werden. Beispielhafte Schalthandlungen für Arbeiten an der Generatorseite werden nachfolgend aufgeführt.

Beim Abschalten der Generatorseite ist sicher zu stellen, dass die elektrischen Verbindungsstellen der Module bzw. der Strings wegen der Störlichtbogengefahr nicht unter Last getrennt werden. Dies gilt unter anderem auch für bestimmte Arten von DC-Schaltern, welche nur als Trennschalter und nicht als Lasttrennschalter ausgeführt sind. Diese Betriebsmittel sind mit einem Warnhinweis versehen (siehe Abbildung 16).

Die Stromfreiheit ist festzustellen:

  • mit Strommesszangen, oder

  • mit fest eingebauten Messgeräten/Meldeleuchten, wenn beim Abschalten die Veränderung der Anzeige beobachtet wird

Die "5 PV-Sicherheitsregeln", für Arbeiten an der DC-Seite von PV-Anlagen:
  1. 1.

    Abschalten

    • Freischalten der AC-Seite

    • Wenn möglich, DC-Seite Freischalten, ansonsten DC-Seite stromlos schalten.

  2. 2.

    Gegen Wiedereinschalten sichern.

  3. 3.
    • Spannungsfreiheit auf der AC-Seite prüfen

    • Stromfreiheit auf der DC-Seite prüfen. Soweit möglich: Arbeitsstelle von speisenden Spannungsquellen (PV-Module) trennen. Gegebenenfalls: Spannungsfreiheit feststellen oder Erreichen der reduzierten Spannung feststellen.

  4. 4.

    Soweit erforderlich und möglich: Erden und Kurzschließen.

  5. 5.

    Benachbarte berührbare unter Spannung stehende Teile abdecken oder abschranken.

b. Arbeiten unter Spannung

Können Spannungsfreiheit bzw. Stromfreiheit nicht hergestellt und sicher aufrecht erhalten werden, oder sind bei den Freischaltvorgängen Betriebsmittel nicht berührungsgeschützt ausgeführt, so sind die Maßnahmen zur Arbeitsmethode "Arbeiten unter Spannung" anzuwenden. Dieses gilt auch bei Messvorgängen, bei denen eine Berührung von unter Spannung stehenden Teilen nicht ausgeschlossen werden kann.

Prinzipiell werden Arbeiten unter Spannung mit und ohne Anwendung besonderertechnischer und organisatorischer Maßnahmen unterschieden. Die besonderen Maßnahmen sind in DGUV Regel 103-011 und 103-012 sowie der VDE 0105-100 beschrieben. Für die durchzuführenden Arbeiten sind auf jeden Fall angemessene Kenntnisse und Erfahrungen erforderlich.

Arbeiten unter Spannung an PV-Anlagen, die besondere technische und organisatorische Maßnahmen erfordern, sind:

  • Wartungsarbeiten und Fehlersuche, wenn erhöhte Lichtbogengefahr gegeben ist oder ein Isolationsfehler vorliegt

  • Überbrücken von Teilstromkreisen,

  • Abdecken von unisolierten AC-Niederspannungsfreileitungen,

  • Auswechseln von Zählern, Schalt- und Steuergeräten.

Arbeiten unter Spannung an PV-Anlagen, die keine besonderen technischen und organisatorischen Maßnahmen erfordern, sind:

  • Tätigkeiten, bei denen sowohl die Spannung zwischen den aktiven Teilen als auch die Spannung zwischen aktiven Teilen und Erde nicht höher als AC 50 V oder DC 120 V ist (SELV oder PELV)

  • Heranführen von Prüf-, Mess- und Justiereinrichtungen bei Nennspannungen bis 1.500 V DC.

Die o. g. Auflistungen enthalten nur die typischen, bei PV-Anlagen vorkommenden, Arbeiten (u. a. auch für die AC-Seite der PV-Anlage). Auf der Gleichspannungsseite wird häufig das Anbringen von Steckern unter Spannung ausgeführt. Für diese Tätigkeit sind Elektrofachkräfte mit spezieller Kenntnis und Erfahrung für eine sichere Ausführung erforderlich.

Für Arbeiten unter Spannung sind geeignete Arbeitsverfahren festzulegen. Ein empfohlenes Arbeitsverfahren bei Arbeiten an PV-Anlagen ist das "Arbeiten mit Isolierhandschuhen". Dieses Verfahren wird u.a. auch bei Heranführen von Spannungsprüfern, Mess- und Justiereinrichtungen notwendig, falls eine gefährliche Spannung in Verbindung mit einem unzureichenden Berührungsschutz (kleiner IP 2x) der aktiven Teile vorliegt.

Müssen keine besonderen Schutzmaßnahmen angewandt werden, so ist trotzdem im Rahmen der Gefährdungsbeurteilung zu überprüfen, ob eines der anerkannten Arbeitsverfahren angewendet werden muss. Ist z. B. ein auslösbarer gefährlicher Kurzschlussstrom möglich und liegen die Spannungen unterhalb von 120 V DC (z. B. bei Batterie-Speichersystemen), so ist hier wiederum die Arbeitsmethode "Arbeiten im spannungsfreien Zustand" bevorzugt anzuwenden. Gefährliche Kurzschlussströme können in der Regel in Stromkreisen mit einem Bemessungsstrom der Sicherungen ab 50 A auftreten.

Ist in dieser Situation ein Freischalten aufgrund technischer Umstände nicht möglich und ist jedoch die Vermeidung eines Kurzschlusses aufgrund der Anwendung von isolierten Handwerkzeugen sowie von isolierenden Abdeckmatten sichergestellt, so kann das Verfahren unter Spannung durchgeführt werden.

Es ist u.a. notwendig, für Arbeiten unter Spannung geeignete Messgeräte sowie Mess- und Prüfspitzen zu verwenden, welche gemäß der DIN EN 61010 nach Messkategorien unterteilt werden. Eine Übersicht über die Anwendungsbereiche geeigneter Messgeräte sowie Mess- und Prüfspitzen bietet nachstehende Tabelle:

Messkategorie Merkmale der Anlage/des Stromkreises Beispiele
CAT IIIGebäudeinstallationMessungen an
  • Wechselrichtern

  • Verteilern, Leistungsschaltern, Schienenverteilern, Verteilerkästen, Schaltern, Steckdosen der festen Installation, Geräten für industriellen Einsatz

CAT IVQuelle der NiederspannungsinstallationMessungen an:
  • primären Überstromschutzeinrichtungen und Rundsteuergeräten

Tabelle 1: Anwendungsbereiche und Messkategorien von Messgeräten sowie Mess- und Prüfspitzen

Abb. 17 Arbeiten unter Spannung mit PSA ausführen

Abb. 18 Isolierende Schutzhandschuhe 1 mm dick (Klasse 0)

Abb. 19 Isolierendes Werkzeug

Nachfolgend ist die zu verwendende Schutzausrüstung für das Verfahren "Arbeiten mit Isolierhandschuhen" zusammenfassend aufgeführt:

  • isolierender Helm mit Gesichtsschutzschirm bei zu erwartenden Lichtbögen mit hoher Energie

  • isolierende Schutzhandschuhe, Klasse 00 (bis 500 V) oder Klasse 0 (bis 1.000 V)

  • Standortisolierung

zusätzliche Ausrüstung:

  • isoliertes Werkzeug

  • Sicherheitsschuhe

  • geeignete Arbeitskleidung

Es darf nur geprüfte Schutzausrüstung verwendet werden. Diese ist weiterhin vor Gebrauch auf sichtbare Mängel zu prüfen.

Abb. 20 isolierender Helm mit Gesichtsschutzschirm

Abb. 21 Isolierende Gummimatte

c. Besondere Hinweise für die Schutzausrüstung:

  • Isolierende Schutzhandschuhe nach DIN EN 60903/VDE 0682-311 mit CE - Zeichen

    • Aufblasen und Sichtprüfung zur Feststellung von Beschädigungen, bei Beschädigungen austauschen, wiederkehrende Prüfungen der Schutzhandschuhe können entfallen

  • Elektriker-Schutzhelm nach DIN 4840:1981-05 oder nach EN 397 mit CE - Zeichen

    • Sichtprüfung auf mechanische Beschädigungen

    • Gesichtsschutzschirm (beschlagsfrei) mit CE - Zeichen, Sichtprüfung auf Durchsichtigkeit, fester Sitz auf dem Schutzhelm

    • Handwerkszeug zum Arbeiten an unter Spannung stehenden Teilen nach DIN EN 60900/VDE 0682-201

      • Sichtprüfung auf Beschädigung der Isolierung

      • Aufbewahrung erfolgt im separaten (roten) Werkzeugkoffer

    • Isolierende Gummimatten zur Standortisolierung Dicke mind. 2,5 mm nach DIN EN 61111/VDE 0682-512

      • Bei PV-Anlagen mit Stromkreisen, die nicht erdpotentialfrei sind, ist eine zusätzliche Standortisolierung erforderlich.

      • Vor der Benutzung auf Risse und Löcher prüfen

d. Arbeiten in der Nähe unter Spannung stehender Teile

Befinden sich an der Arbeitsstelle aktive Teile in erreichbarer Nähe, die gemäß den 5 Sicherheitsregeln nicht freigeschaltet werden konnten, so sind die jeweiligen Verfahren für Arbeiten in der Nähe unter Spannung stehender Teile gemäß DIN VDE 0105-100 anzuwenden. Hierbei ist das Verfahren "Schutz durch Schutzvorrichtung, Abdeckung, Kapselung oder isolierende Umhüllung" (Abschnitt 6.4.2) vorrangig gegenüber dem Verfahren "Schutz durch Abstand und Aufsichtführung" (6.4.3) anzuwenden. Bei nichtelektrotechnischen Arbeiten ist Abschnitt 6.4.4 zu beachten.

Schutzabstände sind nach Tabellen 3 und 4 der DGUV Vorschrift 3 bzw. 4 oder Tabellen 102 und 103 der DIN VDE 0105-100 festzulegen.

Abb. 22 PV-Anlage, für die Schutzmaßnahmen gemäß den Arbeiten in der Nähe unter Spannung stehender Teile anzuwenden sind

Abb. 23 Schutzabstände, hier z. B. bei einer Freileitung

5.2.2.
Elektrische Gefährdungen und Schutzmaßnahmen im AC-System (Netzseite)

Es werden oftmals zum Anschluss an die Energieversorgungsnetze kundeneigene Kabeltrassen, Kabelnetze, Schalt- und Trafostationen errichtet und betrieben. Daraus ergeben sich für den Betrieb unter Umständen besondere Bedingungen. Bestimmungen zum Errichten dieser Anlagen finden sich in den Normenreihen VDE 0100 und VDE 0101. Weitere Bestimmungen werden durch die Technischen Anschlussbedingungen (TAB) der Netzbetreiber beschrieben. Die Dimensionierung der Anlagen hinsichtlich ihrer Belastbarkeit wird u.a. durch Gleichzeitigkeitsfaktoren bestimmt. Gegenüber den konventionellen Netzen mit Verbraucheranschlüssen ist bei PV-Anlagen in der Regel ein Gleichzeitigkeitsfaktor von 1 zu Grunde zu legen.

Zur Vermeidung hoher Leitungsverluste werden die Querschnitte von Kabeln und Leitungen höher dimensioniert als bei Verbraucheranschlüssen (empfohlener Spannungsfall <1 %). Als Alternative zu Kupferkabeln werden aus wirtschaftlichen Gründen oft Aluminiumkabel verwendet. Für die Herstellung eines fachgerechten Anschlusses sind Spezialkenntnisse und geeignetes Material erforderlich. Unter anderem ist bei der Brandursachenermittlung in den letzten Jahren eine ungewöhnliche Häufung von mangelhaft ausgeführten Anschlüssen/Klemmverbindungen der Einspeisekabel auffällig.

Beim Anschluss von Aluminiumkabeln sind folgende Arbeitsschritte einzuhalten:

  • Entfernung der Oxidschicht von dem abisolierten Ende des Aluminiumleiters mithilfe einer Klinge.

  • Das gereinigte Ende sofort in säurefreie und nicht-alkalische (d.h. neutrale) Vaseline tauchen oder damit einreiben.

  • Die Klemmstelle sollte so weit wie möglich vor korrosiven Dämpfen und aggressiver Atmosphäre geschützt werden.

  • Die Klemmstelle nach einiger Zeit (ca. 200 Betriebsstunden) noch einmal nachziehen, das Fließen des Aluminiums wird so in gewissem Maße ausgeglichen.

  • Werden die Leiter ab- und erneut angeklemmt, ist die gesamte Vorbereitungsprozedur zu wiederholen.

Das vom Klemmenhersteller angegebene Anzugsdrehmoment ist unbedingt zu beachten.

Die Hersteller von Zubehör zur Kabelmontage bieten für Aluminiumadern geeignete Kabelschuhe mit einem Al/Cu Übergang oder für Aluminiumsektorkabel geeignete Klemmen an.

a. Arbeiten im spannungsfreien Zustand

Die Arbeitsmethode "Arbeiten im spannungsfreien Zustand" ist vorrangig gegenüber den anderen Arbeitsmethoden anzuwenden. Die jeweiligen Maßnahmen für das Arbeiten im spannungsfreien Zustand sind im Abschnitt 6.2 der VDE 0105-100 beschrieben.

Es werden deshalb nachfolgend nur die besonderen Maßnahmen zum Herstellen des spannungsfreien Zustands bei PV-Anlagen beschrieben.

Netzgekoppelte Anlagen müssen in der Regel mit einer ENS bzw. einem Netz- und Anlagenschutz ausgestattet sein, welches den Wechselrichter bei Netzstörung oder Netzabschaltung selbstständig und zuverlässig abschaltet. Trotz automatischer Abschalteinrichtungen (ENS, Netz- und Anlagenschutz) ist zur Herstellung des spannungsfreien Zustandes sowohl für die netzgekoppelte als auch im Inselbetrieb betriebene PV-Anlage das manuelle Freischalten auf der AC-Seite zwingend erforderlich.

Bei bestimmten Modultypen ist aufgrund des TCO-Korrosions- und PID-Effekts eine Erdung des Plus- oder Minuspols der Modulstrings vorhanden oder anstelle der Erdung eine Offsetkompensationsanlage eingebaut. Die Offsetkompensationsanlage ist in die Schalthandlungen zum Freischalten einzubeziehen.

Abb. 24a Wechselrichter mit galvanischer Trennung und Anschluss eines Poles der Generatorseite an den PE-Leiter zur Vermeidung des TCO-Korrosions- und PID-Effekts

Abb. 24b Wechselrichter mit galvanischer Trennung und Offsetkompensationsanlage zur Vermeidung des TCO-Korrosions- und PID-Effekts

Unter anderem werden auch gesamte Wechselspannungsnetze als IT-System in Verbindung mit Offsetkompensationsanlagen betrieben, um den TCO-Korrosions- und PID-Effekt von bestimmten Modultypen einzudämmen. Hierbei wird der Neutralleiter erdbezogen auf einem definierten Potential gehalten. Diese Spannung wird von der Offsetkompensationsanlage erzeugt bzw. geregelt und kann eine für den Menschen gefährliche Spannung verursachen.

Beim Einsatz von Offsetkompensationsanlagen auf der AC-Seite ist immer darauf zu achten, dass der Neutralleiter von der Offsetkompensationsanlage für die Anwendung der Arbeitsmethode "Arbeiten im spannungsfreien Zustand" freigeschaltet wird.

Abb. 25 Anwendung des IT-Systems in Verbindung mit einer Offsetkompensationsanlage zur Vermeidung des TCO-Korrosions- und PID-Effekts

b. Arbeiten unter Spannung

Die Arbeitsmethode "Arbeiten unter Spannung" ist bereits im Abschnitt 5.2.1.3 b dieser Information ausreichend beschrieben. Bei Arbeiten auf der AC-Seite der PV-Anlage ist analog der dort genannten Vorgehensweisen zu verfahren.

c. Arbeiten in der Nähe unter Spannung stehender Teile

Die Arbeitsmethode "Arbeiten in der Nähe unter Spannung stehender Teile" ist bereits im Abschnitt 5.2.1.3 dieser DGUV Information ausreichend beschrieben. Bei Arbeiten auf der AC-Seite der PV-Anlage ist analog der dort genannten Vorgehensweisen zu verfahren.

Da bei PV-Anlagen meist sehr lange leitfähige Gestellteile (bis zu 6 m Länge) verwendet werden, ist unter Umständen ein Erreichen der Gefahrenzone von Freileitungen möglich (siehe Abbildung 23).

Wird der ermittelte Schutzabstand durch Annäherung von Körperteilen oder Gegenständen unterschritten, so ist die Freileitung entweder freizuschalten oder mit isolierende Abdeckungen auszustatten. Diese Arbeiten müssen vom Netzbetreiber ausgeführt bzw. veranlasst werden.

Abb. 26 Niederspannungsfreileitung in der Nähe einer PV-Anlage

Abb. 27 Materialtransport bei entfernter Schutzeinrichtung unter Verwendung von PSAgA