Ausfällen wirksam vorbeugen

Teil 1: Schutzmaßnahmen-Prüfungen für Windkraft- und PV-Anlagen

Die neue Beitragsreihe ‚Anlagensicherheit auf dem Prüfstand‘  informiert in vier Beiträgen über Anforderungen an die normgerechte Prüfung der elektrischen Sicherheit. Der erste Teil befasst sich mit der Prüfung der Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen für Windkraft- und PV-Anlagen und beschreibt die dafür relevanten Normen und Richtlinien sowie die Prüfabläufe und deren Dokumentation.

Ausfällen wirksam vorbeugen

 Regelm??ige Schutzma?nahmen-Pr?fungen gew?hrleisten die Betriebs- und Ausfallsicherheit von Windenergie- und Photovoltaik-Anlagen (Bild: hpgruesen/Pixabay)

Regelmäßige Schutzmaßnahmen-Prüfungen gewährleisten die Betriebs- und Ausfallsicherheit von Windenergie- und Photovoltaik-Anlagen (Bild: hpgruesen/Pixabay)

Mit einer Stromerzeugung von gut 187Mrd.kWh haben die erneuerbaren Energien 2015 ihren Vorsprung vor den konventionellen Energieträgern weiter ausgebaut. Insgesamt entfielen 32 Prozent der Energieförderung auf regenerative Energiequellen, wozu maßgeblich der starke Anstieg der Windstromerzeugung beitrug. On- wie Offshore wurden gut 79Mrd.kWh Windstrom produziert und Windenergieanlagen mit einer Gesamtleistung von fast 6.000MW neu ans Netz gebracht. Auch die Solarstromerzeugung aus Photovoltaikanlagen übertraf 2015 – trotz rückläufiger Ausbauquote – mit knapp 39Mrd.kWh den Vorjahreswert.

Anlagen- und Ausfallsicherheit

Windenergie und Photovoltaik werden auch künftig den Löwenanteil zur Energiewende beisteuern. Deshalb kommt der Betriebssicherheit von Windkraft- und PV-Anlagen zentrale Bedeutung zu. Damit sich die hohen Investitionen in den weiteren Ausbau dieser Technologien auszahlen und der Versicherungsschutz gewahrt bleibt, ist professionelle Prüftechnik zur Gefahrenabwehr und Ausfallsicherheit erforderlich. Windparks und netzgekoppelte PV-Systeme sind auf jahrzehntelange Laufzeiten ausgelegt. Längerfristig unentdeckte Schäden können gravierende Auswirkungen bis zum Komplettausfall einer Anlage haben, wenn beispielsweise eine defekte Windkraftturbine in der durchschnittlich über 120m hoch gelegenen Gondel einen Kurzschluss mit Brandfolge auslöst. Schadhafte Solarmodule können sehr große Gleichspannungen und gefährliche Lichtbögen auslösen, weshalb die Funktionstüchtigkeit der zur Absicherung der DC-Installation verbauten Baugruppen (u.a. Überspannungsschutzelemente, Sperrdioden oder Sicherungen) regelmäßig zu prüfen ist.

 Bei elektrischen Anlagen und ortsfesten elektrischen Betriebsmitteln, die normalen Beanspruchungen unterliegen, sind nach DGUV sp?testens alle vier Jahre Wiederholungspr?fungen anzusetzen (Bild: 99469316/Fotolia)

Bei elektrischen Anlagen und ortsfesten elektrischen Betriebsmitteln, die normalen Beanspruchungen unterliegen, sind nach DGUV spätestens alle vier Jahre Wiederholungsprüfungen anzusetzen (Bild: 99469316/Fotolia)

Erst- und Wiederholungsprüfungen

Laut Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) sind vom Anlagenbetreiber zu veranlassenden Prüfungen unter Leitung und Aufsicht einer Elektrofachkraft durchzuführen, die vor der Inbetriebnahme sowie nach Änderungen und Instandsetzungen den ordnungsgemäßen Zustand der Anlage bescheinigt. Eine Erstprüfung kann entfallen, wenn der Errichter bestätigt, dass Elektroinstallation und Betriebsmittel den Bestimmungen der gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV Vorschrift 3, §5 Abs.4) zur Unfallverhütung entsprechen. In bestimmten, vom Betreiber festzulegenden Intervallen sind Wiederholungsprüfungen vorzunehmen – in der Regel nach spätestens vier Jahren. Als Grundlage der Prüfmaßnahmen gilt das 2005 verabschiedete Gesetz über die Elektrizitäts- und Gasversorgung (EnWG, 2005). Es schreibt in §49 vor, dass Errichtung und Betrieb von Energieanlagen nach den allgemein anerkannten Regeln der Technik erfolgen müssen, die exemplarisch in den VDE-Bestimmungen zur Erzeugung, Fortleitung und Ableitung von Elektrizität ausgeführt sind. Dazu zählen aus der Normenreihe VDE0140 der Schutz gegen elektrischen Schlag und die Wirkung des Stromes auf Menschen und Nutztiere. Hinzu kommen aus der Normenreihe VDE100 die Auswahl und Errichtung elektrischer Betriebsmittel, Schalt- und Steuergeräte sowie von Erdungsanlagen und Schutzleitern und der Schutzvorkehrungen gegen elektrischen Schlag. Weitere Prüfaufgaben betreffen die Erdung von Starkstromanlagen mit Nennwechselspannungen über 1kV, die Maschinensicherheit und den Blitzschutz. Spezielle Prüfvorschriften und Dokumentationspflichten für netzgekoppelte PV-Anlagen sind in der aktuellen DIN EN62446-1 (VDE0126-23-1) niedergelegt. Die im Dezember 2016 veröffentlichte Norm definiert nach Anlagengröße abgestufte Kriterien zur Besichtigung und Erprobung eines netzgekoppelten PV-Systems. Messtechnik-Spezialisten wie Gossen Metrawatt unterstützen Elektrotechniker mit aktuellem Fachwissen und leistungsstarken Prüfgeräten wie dem Profitest Prime. Das Gerät bietet in der Standardausführung mehr als 50 Funktionen. Damit deckt es über 20 verschiedene Prüfaufgaben für Niederspannungsanlagen bis 1.000VAC/1.500VDC ab. Zusätzlich sind zwei Gerätevarianten für die Prüfung mit Hochspannung bis 2.500VAC bzw. 5.000VDC erhältlich.

 Mit ?ber 50 Funktionen deckt die Standardausf?hrung des Profitest Prime mehr als 20 verschiedene Pr?faufgaben f?r Niederspannungsanlagen bis 1.000V AC/1.500V DC ab (Bild: GMC-I/Gossen Metrawatt)

Mit über 50 Funktionen deckt die Standardausführung des Profitest Prime mehr als 20 verschiedene Prüfaufgaben für Niederspannungsanlagen bis 1.000V AC/1.500V DC ab (Bild: GMC-I/Gossen Metrawatt)

Erfassung von Anlagenstruktur und Messpunkten

Die Prüfung elektrischer Anlagen auf die Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen unterteilt sich in drei Schritte: Den Anfang macht eine allgemeine Besichtigung, bei der alle Leitungen nach Art der Verlegung geprüft und die elektrischen Baugruppen auf ihren festen Halt, korrekten Anschluss, die Kennzeichnung und richtige Dimensionierung kontrolliert werden. Im Anschluss erfolgen die Prüfungen der Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen sowie die Funktionsprüfungen. Für einen normgerechten Prüfablauf müssen sämtliche Messpunkte erfasst und aufgenommen werden, um die einzelnen Prüfaufgaben lückenlos abarbeiten und dokumentieren zu können. Dabei unterstützt der Profitest Prime den Prüfer durch ein modernes Datenmanagement, um Anlagenstrukturen, Protokolle und weitere Dokumentationen direkt vor Ort erstellen und abrufen zu können. Neben vordefinierten Autosequenzen für die zügige Durchführung verschiedener Messaufgaben lassen sich eigene Prüfabläufe festlegen. Das Prüfgerät kann auch ohne eigene Stromversorgung per Akku betrieben werden. Es verfügt über Anschlüsse für Barcode- und RFID-Scanner sowie über eine Bluetooth- und USB-Schnittstelle zum bidirektionalen Datenaustausch und zur Protokollierung der Prüfergebnisse mittels Windows-basierter Software.

Prüfablauf in Windenergieanlagen

Den exakten Prüfumfang legt die verantwortliche Elektrofachkraft zum Beispiel anhand einer Gefahrenbeurteilung gemäß §3 der Betriebssicherheitsverordnung von 2015 fest. Zu den üblichen Prüfbereichen zählen:

  • Messungen von Spannung und Drehfeld sowie der Durchgängigkeit des Schutzleiters. Die Schutzleiter-Prüfung kann mit dem Profitest Prime mit 25A Prüfstrom erfolgen. Außerdem sind Vier-Leiter-Messungen bei Kabellängen bis 70m für Kabelquerschnitte von 2×0,5mm² mit 200mA bei automatischer Umpolung auch als Dauermessung möglich.
  • Messung des Isolationswiderstands, die der Profitest Prime mit variablem Prüfstrom für Sprung oder Rampe bis max. 1.000V auch als Dauermessung durchführt.
  • Messungen bis 690V mit hohem Prüfstrom sowohl des Netzinnerwiderstandes Z L-N als auch des Schleifenwiderstandes Z L-PE ohne Auslösung der RCD-Typen A, F und B. Nach der automatischen Berechnung des Kurzschlussstromes und der einzuhaltenden Grenzwerte kann der Prüfer über die Hilfe-Taste des Prüfgerätes eine tabellarische Übersicht der Kurzschlussstrom-Mindestanzeigewerte zur Ermittlung der Nennströme verschiedener Sicherungen und Schalter abrufen.
  • Prüfung der Fehlerstrom-Schutzeinrichtung RCD der Typen A, AC, F, EV, B, B+, MI mittels Auslösestrom und Auslösezeit zum Nachweis, dass die Fehlerstrom-Schutzeinrichtung spätestens bei Erreichen ihres Nennfehlerstromes auslöst und die zulässige Berührungsspannung UL nicht überschritten wird.
 Geschultes Fachpersonal pr?ft die Wirksamkeit der Schutzma?nahmen durch Besichtigung, Erprobung und Messung (Bild: Only Kim/shutterstock.com)

Geschultes Fachpersonal prüft die Wirksamkeit der Schutzmaßnahmen durch Besichtigung, Erprobung und Messung (Bild: Only Kim/shutterstock.com)

Prüfablauf in Photovoltaik-Anlagen

In Photovoltaik-Anlagen erfolgen die Messungen zur Überprüfung der elektrischen Sicherheit im Wechselstromsystem nach den Vorgaben der DIN VDE0105-100 und DIN VDE0100-600. Im Gleichstromsystem sind die Richtlinien der DIN EN62446 (VDE0126-23) zu beachten. DC-seitig können mit dem Profitest Prime auch die Spannungsmessung mit 1.000VDC und Schleifenmessungen bis 800VDC unternommen werden. Vor Beginn der Messungen ist sicherzustellen, dass alle PV-Stränge gegeneinander isoliert sind. Die Trennvorrichtung am Wechselrichter muss geöffnet sein. Zum Messumfang gehören:

  • Prüfung der Schutz- bzw. Funktionserder und Potentialausgleichsleiter auf Durchgängigkeit mit 200mA und automatischer Umpolung inklusive der Niederohmprüfung mit Anschluss an der Haupterdungsklemme.
  • Polaritätsprüfung aller Gleichstromleitungen und deren Anschlüsse sowie ihrer korrekten Kennzeichnung.
  • Messung der Leerlaufspannung und des Kurzschlussstroms jedes Strangs bei stabilen Bestrahlungsstärkebedingungen (<5 Prozent) und die vergleichende Auswertung identischer Stränge. Zur Messung des Kurzschlussstroms wird ein handelsüblicher Gleichstrom-Kurzschlussschalter benötigt und ist die Lichtbogenbildung zu beachten.
  • Funktionsprüfung der montierten elektrischen Betriebsmittel und ihrer Anschlüsse sowie die Netzausfallprüfung.
  • Messung des Isolationswiderstands der Gleichstromkreise bis max. 1.000V mit handelsüblichen Gleichstrom-Schutzschaltern. Vor Prüfungsbeginn sind die Überspannungsleiter abzuklemmen. Gemäß VDE-Richtlinien wird einerseits zwischen der negativen Elektrode des PV-Generators und Erde sowie anschließend zwischen der positiven Elektrode des PV-Generators und Erde gemessen. Das zweite Prüfverfahren bestimmt den Isolationswiderstand zwischen Erde und den miteinander kurzgeschlossenen negativen und positiven Elektroden des PV-Generators.

Dokumentation

Der abschließende Prüfbericht protokolliert die durch Besichtigung, Erprobung und Messung ermittelten Prüfergebnisse. Liegen keine Beanstandungen vor, bescheinigt das Protokoll dem Betreiber, dass die elektrische Anlage den sicherheitstechnischen Anforderungen entspricht und fachgerecht installiert wurde. Im Schadensfall belegt der Bericht den norm- und ordnungsgemäßen Zustand der Anlage zum Abnahmezeitpunkt. Aufgeführt werden – neben Angaben zu Auftraggeber und -nehmer – der geprüfte Anlagenumfang, die Bezeichnungen der Prüfprotokolle für die dokumentierten Messwerte, die einzelnen Objektbezeichnungen, die geprüften Stromkreise und Schutzeinrichtungen mit den relevanten Messdaten und ihrer Bewertung sowie die verwendeten Mess- und Prüfgeräte. Im Prüfbericht für netzgekoppelte PV-Systeme sind außerdem die System-Bemessungsleistung, Modell, Anzahl und Hersteller der installierten PV-Module und Wechselrichter sowie Datum und Ort der Installation und Inbetriebnahme zu verzeichnen. Mit dem RAL-Gütezeichen GZ 966 oder dem Photovoltaik-Anlagenpass können sich Errichter und Betreiber von Photovoltaik-Anlagen die fachgerechte Ausführung der Installation nach dem Stand der Technik zertifizieren lassen.

Autor | Michael Roick,
Produktmanager Test & Measurement
bei 
Gossen Metrawatt

Beitragsreihe: Anlagensicherheit auf dem Prüfstand

Teil 1: Schutzmaßnahmen-Prüfungen für Windkraft- und PV-Anlagen

Teil 2: Schutzprüfung von Niederspannungs-Schaltgerätekombinationen

Teil 3: Schutzmaßnahmen-Prüfung der elektrischen Sicherheit von Maschinen

GMC-I Messtechnik GmbH
www.gmc-instruments.com

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