Welche Auswirkungen hat ein Blitzeinschlag ?

Beim Neubau einer Photovoltaik- (PV-) Anlage (oder spätestens nach einem Blitzschaden) stellt sich die Frage, ob ein Blitzschutz für die PV-Anlage notwendig ist. Eine eindeutige Antwort kann darauf nicht gegeben werden: Eine Vielzahl von Faktoren beeinflussen die Entscheidung für oder gegen die Errichtung eines Blitzschutzsystems bzw. die Art des Überspannungsschutzes.

PV-Anlagen können sowohl durch direkte als auch durch nahe Blitzeinschläge gefährdet werden. Durch die dabei auftretenden hohen Spannungen und sehr großen Ströme entstehen elektrische und magnetische Felder, die PV-Anlagen stark bedrohen können. Die Bedrohungsfälle können aufsteigend unterschieden werden in:

• Ferneinschläge (> 1000m) - hierbei kommt es meist nur zu kapazitiven Einwirkungen, die in der Regel nicht gefährlich sind.
• Naheinschläge (< 500m) - hierbei induzieren die großen magnetischen Felder Überspannungen in den elektrischen Installationsschleifen, die Schäden verursachen können.
• Indirekte Einschläge - hierbei fließen Blitzteilströme, die große Schäden hervorrufen können, über die elektrischen Installationen bzw. Versorgungsleitungen.
• Direkteinschläge - hierbei fließt der Blitzstrom, sofern kein Blitzschutzsystem vorhanden ist, über die hauseigenen Installationen, die dadurch i.d.R. zerstört werden; auch starke mechanische Zerstörungen und Brände sind nicht auszuschließen.

Wie kann man sich dagegen schützen?

Es gibt zwei sich gegenseitig ergänzende Maßnahmenpakete, ein Gebäude und damit auch die PV-Anlage zu schützen: die Installation eines Äußeren und eines Inneren Blitzschutzes:

• Der Äußere Blitzschutz hat die Aufgabe, den direkten Blitzeinschlag abzufangen und den Blitzstrom über die Ableitungen und die Erdungsanlage in das Erdreich abzuleiten.
• Der Innere Blitzschutz hingegen hat die Aufgabe, die Gefahr von Überspannungen im Gebäude zu reduzieren.

Der Äußere Blitzschutz

Der Äußere Blitzschutz soll den Blitz an vorgegebenen Einschlagpunkten einfangen und den Blitzstrom über i. d. R. mehrere Ableitungen um das zu schützende Objekt herum ins Erdreich führen. Als Fangeinrichtungen dienen lange leitfähige Fangstangen, die das zu schützende Objekt überragen, oder maschenförmige Fangleitungen über der zu schützenden Fläche. Unterhalb der Fangeinrichtungen ergeben sich Schutzräume, in die keine direkten Blitzeinschläge mehr möglich sind. Hier hinein müssen die zu schützenden Objekte positioniert werden. Die Fangeinrichtungen sind über Ableitungen mit der Erdungsanlage verbunden. Damit wird ein leitfähiger Übergang für die Blitzströme ins Erdreich realisiert. Bild 1 zeigt eine Variante des Äußeren Blitzschutzes für eine PV-Anlage und ein kleines Gebäude mit Fangstangen.

Die Schutzräume sind von diversen Faktoren abhängig und können nach der Vornorm DIN V VDE V 0185 Teil 3: 2002 [1] ermittelt werden. Für genaue Aussagen und insbesondere bei geometrisch komplexeren Gebäuden und Anlagen hat sich das sog. "Blitzkugelverfahren" zur Bestimmung der einschlaggefährdeten Punkte als praktikabel erwiesen [2]. Hierbei ist der sich nähernde Blitzkanal (Leitblitz) der Mittelpunkt der gedachten "Blitzkugel". Die aufgrund des sich nähernden Blitzkanals auftretenden Fangentladungen starten von Punkten, die ihm räumlich am nächsten liegen. Diese Punkte sind potentiell einschlaggefährdet. An diesen Punkten müssen Fangleitungen oder Fangstangen positioniert werden. Die Größe der "Blitzkugel" und die konkrete Ausführung wird durch die gewählte Blitzschutzklasse bestimmt. Es gibt nach DIN V VDE V 0185 Teil 3 insgesamt vier Schutzklassen mit steigenden "Blitzkugel"-Radien von 20m / 30 m / 45m / 60m.

Bild 1: Schutz vor direkten Blitzeinschlägen mit Hilfe von Fangstangen
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Der Innere Blitzschutz

Der Innere Blitzschutz umfasst die Gesamtheit aller Maßnahmen gegen die Auswirkungen des Blitzstromes und seiner elektrischen und magnetischen Felder auf metallene Installationen und elektrische Anlagen im Bereich der baulichen Anlage bzw. des zu schützenden Volumens.

Kernstück des Inneren Blitzschutzes ist der Blitzschutz-Potentialausgleich. Dieser verhindert bei einem Blitzeinschlag unkontrollierte Überschläge in den Gebäudeinstallationen infolge des Spannungsfalls am Erdungswiderstand. Im Rahmen des Blitzschutz-Potentialausgleiches werden alle metallenen Installationen (Gas- und Wasserleitungen, ...), die elektrischen Anlagen (energie- und informationstechnische Leitungen), das Blitzschutzsystem und die Erdungsanlage über Leitungen, Trennfunkenstrecken und Blitzstrom-Ableiter miteinander verbunden. Da der direkte Anschluss von energie- und informationstechnischen Leitungen an die Erdungsanlage nicht möglich ist, werden dort spezielle Schutzgeräte eingesetzt. Diese sog. Blitzstrom-Ableiter ermöglichen den Einbezug von aktiven Leitern in den Blitzschutz-Potentialausgleich (Bild 2).

Der Einbauort des Blitzstrom-Ableiters sollte nahe an der Eintrittstelle der energie- und informationstechnischen Leitung in die bauliche Anlage sein. Dadurch wird sichergestellt, dass kein Blitzstrom in die Anlage verschleppt wird und zu unzulässigen Störungen an anderen elektrischen Systemen führt.

Diese Blitzstrom-Ableiter in der Energietechnik werden bei hohen Spannungsdifferenzen zwischen PE und aktiven Leitern kurzzeitig leitend und verhindern hohe Spannungsunterschiede und damit unkontrollierte Überschläge in der Elektroinstallation. Dabei fließen hohe Blitzteilströme (bis zu 100 kA, 10/350 µs) über die jeweiligen Ableiterpfade, welche vom Ableiter selbst und auch von der Installation beherrscht werden müssen. Nach dem Ableitvorgang wird der Blitzstrom-Ableiter wieder hochohmig (mehrere MO) und geht in seinem "Ruhezustand" über.

Zum Schutz von Endgeräten werden den Blitzstrom-Ableitern oft noch Überspannungs-Ableiter nachgeschaltet. Diese Überspannungs-Ableiter reduzieren sowohl die verbleibende Überspannung nach dem Blitzstrom-Ableiter als auch Überspannungen aus Ferneinschlägen oder aufgrund von Induktionseffekten. Wichtig dabei ist eine ausreichende Entkopplung der Blitzstrom- und Überspannungs-Ableiter. Hierbei kommen unterschiedliche Prinzipien zum Einsatz; detaillierte Hinweise dazu finden sich in den Katalogen der Hersteller. Moderne Kombi-Ableiter vereinen die Funktionen der Blitzstrom- und Überspannungs-Ableiter und besitzen bereits einen sehr niedrigen endgeräte-verträglichen Schutzpegel. Die Kombi-Ableiter stellen die oben genannte Ableiterkombination in sehr kompakter Bauform dar und vereinfachen die fachgerechte Montage für den Installateur erheblich.

Bild 2: Blitzschutz-Potentialausgleichsmaßnahmen am Gebäudeeintritt
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Wie sollte ein Gesamtschutz für eine PV-Anlage aussehen?

Grundsätzlich gilt, dass die Begutachtung und die Realisierung von Maßnahmen des Äußeren und Inneren Blitzschutzes immer in die Hand von Experten gehören. Ein nicht den Normen entsprechend installiertes Schutzsystem kann die Gefahr von Schäden bei einem Blitzeinschlag sogar erhöhen! Arbeiten an spannungsführenden Teilen der Anlage können zu gefährlichen Verletzungen führen!

Auch bei der Entscheidung, ob ein Blitzschutz für eine PV-Anlage erforderlich ist, sollte der Rat von Fachleuten eingeholt werden. Die Analyse sollte anhand der neuen Vornorm DIN V VDE V 0185 Teil 2: 2002 [4] durchgeführt werden. In dieser Vornorm werden die Auswirkungen naher Blitzeinschläge mit berücksichtigt. Damit ist eine quantitative Bewertung des Blitzschadensrisikos für bauliche Anlagen möglich. Früher wurde häufig allein aus subjektiven Überlegungen heraus die Entscheidung für oder gegen Blitzschutzmaßnahmen getroffen. Die DIN V VDE V 0185 Teil 2 bietet nun eine objektive Entscheidungshilfe, welche Maßnahmen in welchem Umfang zu realisieren sind. Die hieraus resultierenden Maßnahmen beziehen sich sowohl auf den Äußeren wie auch auf den Inneren Blitzschutz.

Generell erhöht eine PV-Anlage auf dem Dach eines Gastgebäudes nicht die Gefahr eines Blitzeinschlags. Durch die PV-Anlage wird die Höhe des Gastgebäudes nicht oder nur marginal verändert. Dies gilt sowohl für Satteldächer wie auch für Flachdächer. Im Falle von Flachdächern ist jedoch festzustellen, dass Blitzeinschläge hier bevorzugt aus der Dachfläche herausragende Dachaufbauten treffen, beispielsweise also die PV-Module (Bild 3). Dies gilt es zu verhindern.

Bild 3: PV-Anlage auf Flachdach (Bibliothek des Forschungszentrums Jülich)
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Der Blitzschutz für eine PV-Anlage erfordert einen Schutz gegen direkte Blitzeinschläge und weitergehende Überspannungs-Schutzmaßnahmen zum Schutz der Anlagenkomponenten. Die PV-Anlagen können grob unterteilt werden in diejenigen, für die ein Schutz vor direkten Blitzeinschlägen möglich ist oder bereits existiert (es sind also keine direkten Blitzeinschläge in die PV-Anlage möglich), und solche, die nicht in einem Schutzbereich stehen, damit also direkten Blitzeinschlägen bzw. erheblichen Blitzteilströmen ausgesetzt sind. Weist das Gastgebäude bereits einen Äußeren Blitzschutz auf, so muss sich die PV-Anlage darin einpassen. Dies gilt insbesondere auch für Gebäude der öffentlichen Hand, bei denen einerseits z.B. in den Landesbauordnungen ein Blitzschutzsystem gefordert wird, die aber andererseits vermehrt für die Errichtung einer PV-Anlage zur Verfügung gestellt werden.

Kann oder soll eine detaillierte quantitative Bewertung des Blitzschadensrisikos nach DIN V VDE V 0185 Teil 2 nicht durchgeführt werden, so können zu einer ersten, naturgemäß groben Orientierung, ob und welche Maßnahmen zu ergreifen sind, die folgenden vereinfachten Entscheidungsmatrizen (Bilder 4 und 5) benutzt werden. Wie Äußerer und Innerer Blitzschutz bei PV-Anlagen ausgeführt werden können, wird dann im Anschluss beschrieben.

Bild 4: Vereinfachte Entscheidungsmatrix für den Äußeren Blitzschutz
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Bild 5: Vereinfachte Entscheidungsmatrix für den Inneren Blitzschutz
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Übersicht des Schutzes bei PV-Anlagen, die keinen direkten Blitzeinschlägen ausgesetzt sind (keine Blitzteilströme auf der Generatorhauptleitung)

Ein direkter Einschlag in ein PV-Modul sollte grundsätzlich vermieden werden, da er die Zerstörung des Moduls und der restlichen PV-Anlage, eventuell verbunden mit einer Beeinträchtigung des Gastgebäudes, nach sich ziehen kann. Auch wenn dieses Ereignis statistisch gesehen selten eintritt, muss es mit in die Überlegungen einbezogen werden [3]. Dies kann durch die Installation eines Äußeren Blitzschutzes bzw. die Errichtung der PV-Anlage im Schutzbereich eines solchen erreicht werden. Falls es zu einem direkten Blitzeinschlag in das Gastgebäude kommen sollte, ist die PV-Anlage vor Blitzteilströmen sicher, wenn sie sich vollständig im Schutzbereich der Fangeinrichtung befindet und ein Sicherheitsabstand von ca. 0,5 - 1 m gewährleistet ist (eine genauere Berechnung ist nach DIN V VDE V 0185 Teil 3: 2002 [1] möglich). In diesem Fall sind nur jeweils zwei Überspannungs-Ableiter im Generatoranschlusskasten und am Gleichspannungseingang des Wechselrichters notwendig. Eventuell sind derartige und ausreichend dimensionierte Schutzgeräte bereits werksseitig am Gleichspannungseingang des Wechselrichters vorhanden. Dies ist vorher abzuklären.

Es wird empfohlen, das Modulgestell in jedem Falle mit in den Potentialausgleich einzubeziehen. Dazu wird eine Potentialausgleichsleitung (PAL) zusammen mit der Hauptleitung zum Generator geführt. Zum Schutz der Geräte im Haus sind an der Energienetz-Einspeisung Blitzstrom-Ableiter (BSA) für alle Phasen zu installieren. Des weiteren wird je nach Art des Netzes der eingeführte Schutzleiter (PE) und ggf. der Neutralleiter (N) auf direktem Wege niederimpedant mit der Potentialausgleichsschiene (PAS) verbunden. In einigen Metern Abstand oder über Entkopplungs-induktivitäten abgetrennt sind ggf. zusätzliche Überspannungs-Ableiter (ÜSA) zum weiteren Schutz der Geräte vorzusehen. Telekommunikations-, Gas- und Wasserleitungen sind ebenfalls zu behandeln. Diesen Basisschutz, der noch individuell komplettiert werden muss, zeigt Bild 6 beispielhaft für ein sogenanntes TN-C-S-System des Energienetzes. Bei größeren Distanzen zwischen Wechselrichter und Hauseinspeisung können ggf. noch zusätzliche Überspannungs-Ableiter direkt vor dem Wechselrichter zu dessen Schutz erforderlich sein.

Bild 6: Basisschutz, wenn keine Blitzteilströme auf der Hauptleitung fließen, d.h. die PV-Anlage im Schutzbereich einer Fangeinrichtung installiert ist
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Übersicht des Schutzes bei PV-Anlagen, die direkten Blitzeinschlägen ausgesetzt sind (Blitzteilströme auf der Generatorhauptleitung)

Wird der o.g. Sicherheitsabstand nicht eingehalten, oder befinden sich die PV-Module nicht im Schutzbereich einer Fangeinrichtung, so sind Blitzteilströme auf der Generatorhauptleitung unvermeidlich. In diesem Fall muss zunächst sichergestellt sein, dass die Modulrahmen den mechanischen Belastungen des direkten Einschlags standhalten. Weiterhin müssen die Modulrahmen an die Fangeinrichtungen, sofern vorhanden, blitzstromfest angeschlossen werden. Schließlich müssten spezielle Blitzstrom-Ableiter sowohl im Generatoranschlusskasten wie auch vor dem Gleichspannungseingang des Wechselrichters installiert werden, um die Blitzteilströme gezielt auf die Leitung einzuführen und sie vor dem Wechselrichter definiert auf das Potentialausgleichssystem einzuleiten. Leider sind diese Schutzgeräte nicht für Gleichspannungsnetze verfügbar.

Bild 7: Basisschutz, wenn Blitzteilströme auf der Hauptleitung fließen können, d.h. die PV-Anlage direkten Blitzeinschlägen ausgesetzt ist oder die erforderlichen Sicherheitsabstände nicht eingehalten werden können
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Eine sinnvolle ökonomische und technische Alternativ-Lösung zur Installation von Blitzstrom-Ableitern bietet hier die geschirmte Generatorhauptleitung, wie sie in der Schweiz bereits flächendeckend Realität ist [3]. Die Schirmung einer derartigen Leitung muss ausreichend dimensioniert sein (mindestens 16mm2), um den Belastungen der Blitzteilströme standzuhalten. Die Schirmung muss an beiden Enden mit speziellen Kabelverschraubungen an Modulgehäuse und Potentialausgleichsschienen angeschlossen werden. Dazu sind geschlossene Metallgehäuse von Vorteil. So kann der Blitzteilstrom über Generatorgestell, Metallanschlusskästen und Schirmung abfließen. Dadurch können die Blitzstrom-Ableiter eingespart werden. Überspannungs-Ableiter sind ggf. noch wegen der weiter vorhandenen induktiven Einkopplungen in den PV-Modulen und den Kabelanschlüssen und wegen der Längsspannung an der Generatorhauptleitung beidseitig notwendig.

Die Mehrkosten einer solchen geschirmten Generatorhauptleitung sind im Vergleich zu einer Standardleitung marginal. Sie bietet des weiteren im Hinblick auf die EMV-Problematik der Hauptleitung den Vorteil, dass die Abstrahlung elektromagnetischer Störungen durch die Schirmung deutlich reduziert wird. Der Basisschutz einer PV-Anlage mit einer geschirmten Generatorhauptleitung ist in Bild 7 dargestellt, wiederum beispielhaft für ein sogenanntes TN-C-S-System des Energienetzes.

Ergänzender Hinweis: Auch im Falle eines Generators, der sich im Schutzbereich von Fangeinrichtungen befindet, ist die Verwendung eines geschirmten Kabels sehr zu empfehlen. Der Installationsaufwand reduziert sich, da nur eine Leitung verlegt werden muss.

Handelt es sich um eine größere PV-Anlage, so muss nicht jede Generatorhauptleitung einzeln geschirmt ausgeführt sein. Hier können alternativ die ungeschirmten Leitungen in einer geschlossenen und damit geschirmten Kabelwanne verlegt werden, wie es in Bild 8 grundsätzlich dargestellt ist.

Bild 8: PV-Anlagen-Verkabelung in geschlossener Kabelwanne (PV-Anlage auf der Bibliothek des Forschungszentrums Jülich)
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Literaturverzeichnis

1. DIN V VDE V 0185 Teil 3: 2002: Blitzschutz - Teil 3: Schutz von baulichen Anlagen und Personen.
2. ABB-Veröffentlichung "Der Blitzschutz in der Praxis" - Merkblatt 7: Das "Blitzkugel"-Verfahren.
3. Häberlin, H.: Blitzschutz von Photovoltaik-Anlagen, Teil 1 - 6. Elektrotechnik 4/2001 - 10/2001.
4. DIN V VDE V 0185 Teil 2: 2002: Blitzschutz - Teil 2: Risiko-Management: Abschätzung des Schadensrisikos für bauliche Anlagen.

Bilderquellen

Bild 5: Forschungszentrum Jülich
Bilder 6,7: Häberlin, H.: Blitzschutz von Photovoltaik-Anlagen, Teil 6. Elektrotechnik 10/2001.
Bilder 1 - 4, 8: Fachhochschule Aachen, Abteilung Jülich