Erkennung von Erdungsfehlern mit hoher Impedanz: Die Grenzen von Standard-GFDI und aktiven Diagnoselösungen

Beim Betrieb und der Wartung von Solaranlagen (O&M) sind die Statusanzeigen der Wechselrichter ein wichtiger Indikator für den Zustand der Anlage. Ein normaler Betriebszustand bedeutet jedoch nicht unbedingt ein fehlerfreies System. Standardmäßige Unterbrechungsmessgeräte zur Erdschlusserkennung (GFDI) verfügen über Erkennungsschwellen, die ein unerwünschtes Auslösen verhindern sollen. Folglich können Leckströme, die unter diese Schwellenwerte fallen, unerkannt bleiben.

Obwohl diese Ströme oft nicht ausreichen, um eine Abschaltung zu bewirken, können sie langfristig die Isolierung beeinträchtigen und die Geräte beschädigen. In diesem Artikel werden die technischen Grenzen von Standard-GFDI, die physikalischen Eigenschaften von hochohmigen Fehlern und die praktischen Herausforderungen bei der Lokalisierung von Fehlern in 1500V-Netzen untersucht. Er wird den Übergang von der invasiven Fehlersuche zur berührungslosen aktiven Diagnose untersuchen und detailliert aufzeigen, wie die Signalinjektionstechnologie verborgene Fehler identifiziert, um die Betriebseffizienz und die Langlebigkeit von Anlagen zu verbessern.

Die Grenzen von Standard-GFDI

Der Standard-Erdschlussschutz verwendet in der Regel eine von zwei Methoden: die sicherungsbasierte Erkennung (üblich bei Zentralwechselrichtern mit Transformator) oder Fehlerstromdetektoren (üblich bei transformatorlosen Wechselrichtersträngen).

Beide Systeme funktionieren auf der Grundlage von Mindeststromstärken. Bei Systemen mit Sicherungen ist in der Regel ein Fehlerstrom von 1 A oder mehr erforderlich, um den Stromkreis zu öffnen. FI-Schutzschalter sind im Allgemeinen empfindlicher, ihre Erkennungsschwellen liegen oft bei 300 mA. Fehler, die durch einen langsamen Isolationsdurchbruch, das Eindringen von Feuchtigkeit oder den Abrieb von Leitungen verursacht werden, beginnen jedoch oft als hochohmige Verbindungen mit Leckströmen, die weit unter diesen Werten liegen (z. B. 50 mA bis 100 mA).

Elektrisch bleibt dieser Leckstrom unterhalb der Auslöseschwelle und wird vom Wechselrichter als normaler Betriebsleckstrom behandelt. Physikalisch gesehen läuft der Strom jedoch über die Oberflächen und erzeugt Wärme, was zur Verkohlung und weiteren Beschädigung der Isolierung führt.

Umwelteinflüsse, wie z. B. Morgentau, können den Widerstand eines Fehlers vorübergehend verringern, so dass Strom fließen kann. Wenn Feuchtigkeit verdunstet, erhöht sich der Widerstand, und der Fehler wird durch passive Überwachung unauffindbar. Die physische Beschädigung des Leiters bleibt bestehen und verschlimmert sich möglicherweise mit jedem thermischen Zyklus.

Die Risiken unentdeckter Fehler

Ein einzelner Erdschluss in einem erdfreien oder hochohmig geerdeten System führt dazu, dass das Potenzial des fehlerhaften Leiters geerdet wird. Das System kann dann möglicherweise weiterarbeiten, aber dieser Zustand schafft einen Rückweg für den Strom, wenn ein zweiter Fehler auftritt.

Wenn ein zweiter Erdschluss auf einem Leiter mit entgegengesetzter Polarität auftritt, kann der Strom die Last- und GFDI-Schutzmechanismen des Wechselrichters umgehen. Dies führt zu einem Gleichstromkurzschluss durch das Gehäuse oder die Kabelkanäle des Netzes.

Grenzen der traditionellen Methoden zur Fehlerbehebung

Wenn ein Erdschluss vermutet wird, besteht das Standardverfahren zur Fehlersuche häufig darin, die Stränge zu isolieren. Die Techniker messen die Spannung an einem Verteilerkasten und schalten dann die Stränge nacheinander ab, um den Fehler zu isolieren.

Bei 1500-Volt-Anlagen birgt dieses Verfahren besondere Risiken. Das wiederholte Stecken und Trennen von MC4-Steckverbindern kann zu einer Beeinträchtigung der Dichtungen und Kontakte führen, wodurch möglicherweise Feuchtigkeit eindringen oder der Widerstand zunehmen kann. Außerdem müssen die Techniker bei der Spannung-zu-Erde-Methode manuelle Berechnungen durchführen, um die Position des Fehlers zu bestimmen.

Außerdem haben passive Geräte wie Digitalmultimeter (DMM) oder Isolationswiderstandsmessgeräte (IRT) in diesem Zusammenhang ihre Grenzen. Ein DMM stellt das Vorhandensein von Spannung fest, kann aber nicht den Ort des Lecks lokalisieren. IRTs ermöglichen eine genaue Charakterisierung der Isolation, erfordern jedoch, dass das System spannungsfrei geschaltet und die Stromkreise isoliert werden, was die Einrichtungszeit erhöht.

Intermittierende Fehler stellen eine besondere Herausforderung für passive Werkzeuge dar. Ein Fehler, der bei Nässe aktiv ist, kann bis zum Eintreffen eines Technikers austrocknen, was zu normalen Spannungs- und Widerstandsmesswerten führt. Passive Werkzeuge können keinen Fehler lokalisieren, der zum Zeitpunkt der Prüfung nicht elektrisch aktiv ist. Tabelle 1 zeigt einen Vergleich zwischen diesen Standardprüfmethoden und modernen Erdschlussortungsmethoden.

Tabelle 1: Warum herkömmliche Prüfmethoden oft nicht in der Lage sind, intermittierende oder hochohmige Fehler effektiv zu lokalisieren. (Bildquelle: Fluke)

Aktive Diagnose mit dem GFL-1500 von Fluke

Das Erdschlussortungsgerät GFL-1500 von Fluke Electronics ist eine umfassende Lösung für die Fehlersuche in PV-Anlagen von Energieversorgern und Unternehmen. Wie in Abbildung 1 dargestellt, umfasst das Kit drei wesentliche Komponenten: den Sender für die Einspeisung des verfolgbaren Signals, den Empfänger für die Lokalisierung von Fehlern entlang der Kabelstrecke und die Signalverfolgungszange für die Auffindung fehlerhafter Stränge ohne Leiter abklemmen zu müssen.

Abbildung 1: Das Solar-Erdschlussortungsgerät GFL-1500 von Fluke umfasst den Sender, den Empfänger und die Signalverfolgungszange für eine durchgängige Erdschlussortung. (Bildquelle: Fluke)

Zur Erkennung von Hochimpedanzfehlern, die von Standard-GFDI und passiven Werkzeugen möglicherweise nicht erkannt werden, können Techniker eine aktive Diagnose verwenden. Bei dieser Methode wird ein Signal in das System eingespeist, um den Fehlerpfad zu verfolgen. Das Solar-Erdschlussortungsgerät GFL-1500 von Fluke nutzt diesen Ansatz.

Das GFL-1500 nutzt FaultTrack™-Technologie, um ein moduliertes Frequenzsignal in das DC-System einzuspeisen. Es arbeitet mit 6,25 kHz für die Fehlersuche und mit 32,764 kHz für die Leerlauferkennung. Diese Frequenzen sorgen dafür, dass das Signal deutlich zu erkennen ist, selbst in elektrisch verrauschten Umgebungen, in denen die Signalklarheit normalerweise reduziert ist.

Um die Sicherheit während der Ortung unter Spannung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig die Signalstärke zu gewährleisten, passt der Sender seinen Ausgangsstrom entsprechend dem gewählten Modus an. Im Modus „Array HIGH“ gibt er 30 mA(eff) aus, während im Modus „Unit HIGH“ bis zu 120 mA(eff) ausgegeben werden können. Außerdem ist der Sender mit zwei Stromquellen ausgestattet. Es kann mit der Gleichspannung des Netzes oder den internen Batterien betrieben werden und gewährleistet eine konsistente Signaleinspeisung, unabhängig davon, ob der Strang unter Strom steht oder komplett abgeschaltet ist. So können Techniker Fehler über große Entfernungen aufspüren, ohne gefährliche Strompegel zu erzeugen.

Das Gerät verfügt über einen „Analyze“-Modus, der den Fehler charakterisiert, bevor die physikalische Isolierung beginnt. Durch Anschluss des Transmitters an den Verteilerkasten misst das Gerät den Leckwiderstand und die Spannung gegen Erde. Es kategorisiert den Fehlerwiderstand in bestimmte Bereiche (z. B. ≈ <5 kΩ, 10 kΩ, 50 kΩ und weitere bis zu >1 MΩ), so dass der Techniker den Schweregrad der Impedanz, die der Wechselrichter ignoriert, erkennen kann. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel für diese Diagnoseergebnisse auf dem Display des Senders.

Abbildung 2: Die Anzeige kategorisiert den Fehlerwiderstand (z. B. <5 kΩ) und misst die Spannung gegen Erde, so dass der Techniker den Fehler vor der Ortung charakterisieren kann. (Bildquelle: Fluke)

Sender und Empfänger sind für den Einsatz unter rauen Bedingungen konzipiert und verfügen über die Schutzart IP54 für Staub- und Spritzwasserschutz und arbeiten in einem Temperaturbereich von -20°C bis +50°C. Die zugehörige Signalklemme verfügt über eine 61 mm (2,4 Zoll) große Backenöffnung, die auch große Leiter wie 500MCM-Netzkabel aufnehmen kann. Darüber hinaus bietet der Empfänger im Array-Modus einen Erfassungsbereich von bis zu 4,75 m (15,6 ft), so dass Techniker Kabel in Überkopfregalen oder tiefen Kabelkanälen aus sicherer Entfernung aufspüren können.

Arbeitsablauf der nicht-invasiven Signalverfolgung

Das GFL-1500 ermöglicht die Fehlersuche, ohne dass Hochspannungsstecker abgezogen werden müssen. Der typische Arbeitsablauf sieht folgendermaßen aus:

1. Analysieren: Der Techniker schließt den GFL-1500-Sender an die Plus- und Minus-Sammelschienen sowie an die Erdungsklemme am Anschlusskasten oder Wechselrichter an, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die Funktion „Analyze“ führt einen Diagnosetest durch, um das Vorhandensein eines Erdschlusses zu bestätigen und dessen Widerstand zu messen.

Abbildung 3: Verdrahtung des GFL-1500 für Analyse und Signaleinspeisung. (Bildquelle: Fluke)

2. Injizieren: Der Techniker leitet die Signalinjektion ein. Das GFL-1500 sendet ein Signal durch das System. Dies kann an stromführenden Systemen (bis zu 1500 V) durchgeführt werden.
3. Verfolgen: Mit der Signalverfolgungszange des GFL-1500 scannt der Techniker die Versorgungskabel. Die Klemme erkennt das Signal auf der jeweiligen Leitung, die den Fehlerstrom führt, und ermöglicht es dem Techniker, den fehlerhaften Stromkreis unter den parallel verlaufenden Leitungen zu identifizieren, ohne dass er Drähte abklemmen muss. Der tragbare Empfänger kann auch für die Rückverfolgung verwendet werden, obwohl es möglicherweise erforderlich ist, parallele Stränge für eine eindeutige Identifizierung von Zweigen zu isolieren.

Abbildung 4: Identifizierung des aktiven Fehlerpfads zwischen mehreren parallelen Stromkreisen mit der Messzange ohne Abschalten von Sicherungen. (Bildquelle: Fluke)

4. Lokalisieren: Der Techniker verfolgt das Signal mit Hilfe des Empfängers entlang des identifizierten Strangs. Für eine präzise Erfassung muss das Gerät senkrecht zum Leiter ausgerichtet werden, wie in Abbildung 5 dargestellt. Die Signalstärke zeigt den Ort der Störung an, wobei das Signal genau an der Stelle der Störung aufhört oder sich ändert. Der Empfänger liefert sowohl visuelle Signalstärkebalken als auch einen Ton mit variabler Tonhöhe, so dass der Techniker die Fehlerstelle hören kann, während er die Umgebung oder die Gefahren über ihm im Auge behält.

Abbildung 5: Um die Fehlerstelle genau zu lokalisieren, muss der Empfänger senkrecht zum Verdrahtungspfad gehalten werden, um die Signalerkennung zu maximieren. (Bildquelle: Fluke)

Hinweis: Vor dem Herstellen von Anschlüssen sollten die üblichen Sicherheitsverfahren befolgt werden, z. B. die Überprüfung der Stromstärke mit einem Messgerät wie dem Zangenmessgerät 393 FC von Fluke.

Fazit

Die Statusanzeigen der Wechselrichter liefern Betriebsdaten, bieten aber keine umfassende Sicherheitsgarantie. Da Solaranlagen altern und 1500-Volt-Systeme zum Standard werden, wird die Erkennung von Hochimpedanzfehlern für die Sicherheit und Langlebigkeit der Systeme immer wichtiger.

Durch den Einsatz aktiver Diagnosewerkzeuge wie dem GFL-1500 von Fluke können O&M-Teams Fehler erkennen, die unterhalb der Schwellenwerte für die Wechselrichtererkennung liegen. Dieser Ansatz reduziert die Abhängigkeit von invasiven Fehlersuchmethoden, bewahrt die Integrität der Verkabelung und mindert die Risiken, die mit unentdeckten Erdungsfehlern verbunden sind.