Optimierung des Kabelmanagements zur Gewährleistung von Sicherheit und Effizienz in PV-Anlagen für die Versorgung im großen Maßstab

Photovoltaik(PV)-Anlagen für die Versorgung im großen Maßstab erzeugen in der Regel mehrere Megawatt (MW) Strom und leisten einen wichtigen Beitrag zu grüner Energie und Nachhaltigkeit. Für jedes MW werden etwa 2900 Solarmodule benötigt, die auf mehreren Hektar Land verteilt sind, sowie ein oder mehrere Wechselrichter, Steuerungen und Anlagen für den Netzanschluss. Die Verbindung all dieser Elemente zu einer PV-Anlage kann kilometerlange Strom- und Überwachungskabel und Zehntausende von Komponenten für das Kabelmanagement erfordern. Wenn sie nicht richtig implementiert werden, können Verkabelung und Kabelmanagement-Komponenten buchstäblich zum Schwachpunkt werden und die Effizienz verringern, die Verfügbarkeit einschränken, Sicherheitsrisiken erhöhen und die Installations- und Betriebskosten in die Höhe treiben.

Die Entwicklung von sicheren und effizienten Installationen für das Kabelmanagement ist komplex. Dazu gehören Kabelschellen für den Kurzschlussschutz von Starkstromkabeln, Spannungsprüfer zum Schutz des Wartungspersonals, Kabelbinder mit Randklammern für zuverlässige Signalisierungs- und Überwachungsverbindungen sowie Presskabelschuhe für Strom und Erdung. Darüber hinaus müssen diese Komponenten verschiedene internationale Normen erfüllen, wie z. B. Kabelschuhe, die der IEC 61914:2015 entsprechen müssen, um sicherzustellen, dass sie einem Erdschluss standhalten, Spannungsprüfer, die gemäß den Anforderungen der National Fire Protection Association (NFPA) und den UL- und CSA-Sicherheitsnormen funktionieren müssen, und allgemeine Anforderungen an Solarkomponenten, die den Außenbedingungen gemäß IEC 61215 für PV-Anlagen standhalten müssen.

Dieser Artikel bietet einen Einblick in die Elemente einer PV-Anlage für die Versorgung im großen Maßstab und konzentriert sich dabei insbesondere auf die große Anzahl der benötigten Kabelmanagement-Komponenten, erläutert einige der damit verbundenen internationalen Sicherheitsnormen und prüft die Anforderungen für den Betrieb in rauen Umgebungen und die kosteneffiziente Installation. Während der gesamten Diskussion werden Beispielprodukte von Panduit verwendet.

Wachsende Bedeutung von BOS

Bei PV-Installationen umfasst das BOS (Balance of System) alles außer den PV-Panels, wie Gestelle, Kabel, Kabelmanagement, Wechselrichter und andere Systemgeräte, sowie Arbeit und Software. Mit der Verbesserung der PV-Paneltechnologie sind die Preise für die Panels schneller gesunken als die Preise für BOS-Komponenten. Nach einer Analyse der Internationalen Agentur für Erneuerbare Energien (IRENA) sind 62 % der Kostensenkung bei PV-Anlagen auf die sinkenden Preise für PV-Panels und Wechselrichter zurückzuführen¹.

Die sinkenden Kosten für PV-Panels und Wechselrichter haben die BOS-Komponenten in den Mittelpunkt gerückt. Nach Angaben von IRENA ist der Anteil der BOS an den Kosten von PV-Anlagen von 58 % im Jahr 2007 auf 80 % im Jahr 2017 gestiegen (Abbildung 1). Gleichzeitig hat die Erhöhung des Verteilerbusses auf 1 kV_DC und mehr die Bedeutung der BOS-Komponenten in Bezug auf die Effizienz und Sicherheit des Systems erhöht. In Zukunft werden BOS-Komponenten zunehmend an Bedeutung gewinnen, um Kostensenkungen und betriebliche Verbesserungen voranzutreiben, einschließlich der Erhöhung von Sicherheit und Effizienz in netzgekoppelten PV-Systemen.

Abbildung 1: Der prozentuale Anteil der PV-Panels an den installierten Kosten ist gesunken, wodurch die Bedeutung der BOS in PV-Anlagen zunimmt. (Bildquelle: Panduit)

Das Kabelmanagement ist ein kritischer Aspekt des BOS in netzgekoppelten PV-Anlagen. Es hat erhebliche Auswirkungen auf Sicherheit, Kosten und Effizienz. Kabelschellen sind ein gutes Beispiel für die Vorteile eines optimierten Kabelmanagements. Sie bieten einen Kurzschlussschutz für Stromkabel. Ohne geeigneten Schutz können die hohen Ströme, die bei einem Kurzschluss auftreten, die Leiter erhitzen, was zu Bränden oder Explosionen führen kann. Kurzschlussströme führen auch zu großen elektromechanischen Belastungen der Stromverteilerkabel.

Um maximale Sicherheit zu gewährleisten, müssen die Kabelschellen die Anforderungen der IEC 61914:2015 erfüllen. Die maximale elektromechanische Belastung tritt bei einem Kurzschluss nach etwa 5 Millisekunden (ms) auf. Das ist deutlich vor den 60 bis 100 ms, die Stromkreisschutzeinrichtungen wie Schutzschalter benötigen, um zu reagieren. Die IEC 61914:2015 schreibt eine Kurzschlusstestdauer von 100 ms für Kabelschellen, auch Kabelklammern genannt, vor. Panduit verwendet bei der Entwicklung seiner Kabelschellen eine Simulationssoftware und unterzieht sie dann einem Kurzschluss unter Spannung, um die Einhaltung der IEC 61914:2015 zu bestätigen (Abbildung 2).

Abbildung 2: ANSYS-Software-Simulation der elektromagnetischen Kräfte auf Kabel während der Anfangsphase eines Kurzschlusses. (Bildquelle: Panduit)

Die IEC 61914:2015 umfasst mehr als nur den Kurzschlussschutz; sie enthält Bestimmungen für:

• Temperaturbereich
• Widerstand gegen Flammenausbreitung
• Korrosionsbeständigkeit
• Axiale Belastungsprüfung
• Seitliche Belastungsprüfung
• Stoßfestigkeit
• UV-Beständigkeit

Die Trefoil-Kabelschellen von Panduit werden aus 316L-Edelstahl hergestellt, der auch als rostfreier Marinestahl bezeichnet wird. Die Modelle eignen sich für Kabel mit Durchmessern von 20 bis 69 Millimetern (mm). Das Modell CCSSTR6269-X kann zum Beispiel Kabeldurchmesser von 62 bis 69 mm aufnehmen. Diese Kabelschellen können nach dem Verlegen des Kabels mit einer Panduit-Befestigungsklammer oder vor dem Verlegen des Kabels installiert werden, indem die Schelle mit einer M8-Schraube durch ein Befestigungsloch direkt an der Kabelrinnensprosse angebracht wird (Abbildung 3).

Abbildung 3: Wie oben dargestellt, können die Trefoil-Kabelschellen von Panduit mit einer Befestigungsklammer installiert werden. (Bildquelle: Panduit)

Die Komplexität der elektromechanischen Kräfte, die während eines Kurzschlusses auftreten, und die strengen Leistungsanforderungen der IEC 61914:2015 machen die Ermittlung der benötigten Kabelschelle zu einer mühsamen mathematischen Übung. Panduit bietet die App Cable Cleat kAlculator an, die Kurzschlusslösungen nach IEC 61914:2015 aus über 60 Panduit-Kabelschellenprodukten empfiehlt, um den Auswahlprozess zu beschleunigen. Die Verwendung der kAlculator-App reduziert die Auswahl von Kabelschellen auf einen einfachen dreistufigen Prozess:

1. Wählen Sie das Kabellayout.
2. Geben Sie den Kabeldurchmesser ein.
3. Geben Sie den Spitzenkurzschlussstrom ein.

Die App gibt Empfehlungen für Komponenten und Abstände aus.

Stromversorgung und Erdung

Zusätzlich zu den Kabelschellen für Strom- und Erdungskabel benötigen PV-Anlagen im industriellen Maßstab eine Strom- und Erdungsverbindung. Panduit bietet die einzigen Kupfer-Kompressionskabelschuhe an, die den von Telcordia Technologies getesteten Anforderungen der Network Equipment Building Systems (NEBS) Level 3 entsprechen. Die Erfüllung der NEBS-Stufe 3 garantiert den Anwendern, dass Pan-Lug-Kompressionsverbinder eine zuverlässige Leistung in Anwendungen wie Photovoltaikanlagen bieten, bei denen minimale Betriebsunterbrechungen über die gesamte Lebensdauer der Anlage erforderlich sind.

Entwickler von PV-Anlagen im Versorgungsbereich können die flexiblen Zweiloch-Standardsteckverbinder von Panduit verwenden, die mit flexiblen, extraflexiblen und kodierten Kupferleitern verwendet werden können, um eine effiziente und zuverlässige Strom- und Erdungsverbindung zu gewährleisten. Das Modell LCDX1/0-14B-X ist beispielsweise für die Verwendung mit Kabeln der AWG-Größe 1 (AWG: American Wire Gauge) ausgelegt und hat zwei 0,25-Zoll-Bolzenlöcher im Abstand von 0,75 Zoll (Abbildung 4). Zu den gemeinsamen Merkmalen aller Pan-Lug-Kompressionsverbinder gehören:

• UL-gelistet und CSA-zertifiziert bis 35 kV und temperaturbeständig bis +90°C.
• Innen abgeschrägte Rohrenden erleichtern das Einführen der Leiter.
• Inspektionsfenster zur Sicherstellung des vollständigen Einsetzens.
• Körper aus 99,9 % reinem Kupfer mit Zinnbeschichtung zum Schutz vor Korrosion.

Abbildung 4: Kompressionskabelschuhe wie dieser können für die Strom- und Erdungsverbindung in PV-Anlagen im industriellen Maßstab verwendet werden. (Bildquelle: Panduit)

Klammern und Kabelbinder

Neben der Stromverkabelung können PV-Anlagen im industriellen Maßstab auch kilometerlange Kabel für Steuerungs- und Überwachungsfunktionen umfassen. Wenn sie nicht ordnungsgemäß spezifiziert und installiert werden, können die für das Kabelmanagement verwendeten Kabelklammern und Kabelbinder die Zuverlässigkeit des Systems verringern und die Installations- und Betriebskosten erhöhen. Allzweck-Kabelklammern sind nicht für die langfristige Einwirkung von Sonnenlicht und Witterungseinflüssen im Freien geeignet. Bei der Verwendung in PV-Anlagen können nicht UV-beständige Allzweck-Kunststoffklammern und -binder brüchig werden und müssen regelmäßig ersetzt werden. Außerdem kann die Einwirkung von Salz die Metallklammern korrodieren und die verzinkten Kanten der PV-Panel beschädigen. In beiden Fällen können die Wartungskosten erheblich steigen und die Zuverlässigkeit kann darunter leiden.

Anstelle von universell verwendbaren Klammern und Kabelbindern können PV-Anlagenentwickler Kabelbinder mit Klammern wie das Modell CMSA12-2S-C300 von Panduit verwenden, die aus hitzestabilisiertem, witterungsbeständigem Nylon 6.6 und verzinkten Metallklammern besteht und nach den Normen der IEC 61215 für PV-Außenanlagen getestet wurde (Abbildung 5). Zusätzliche Merkmale:

• Entflammbarkeitseinstufung UL94-V2.
• Ausgelegt für Dauerbetrieb von -60 °C bis +115 °C.
• Erfüllt die Brandschutzanforderungen EN45545-2 gemäß den Kriterien der Klassifizierung R22:HL3 und R23:HL3.
• Lebenserwartung bei UV-Einwirkung von 7 bis 9 Jahren.

Abbildung 5: Dieser Kabelbinder mit Klammer besteht aus witterungsbeständigem Nylon 6.6 und verzinkten Stahlklammern, die eine hohe Zuverlässigkeit unter rauen Außenbedingungen gewährleisten. (Bild: Panduit)

Diese Kabelbinder mit Klammern sichern Kabelbündel ohne Klebstoffe oder Bohren. Sie sind mit einem Kabelbinder und einer Klammer ausgestattet, die je nach Modell an Kanten mit einer Dicke von 0,7 Millimetern (mm) bis 3 mm angebracht werden kann. Die Metallklammer sorgt für einen sicheren Halt und kann ohne Werkzeug von Hand angebracht werden.

Sie ist für eine schnelle Installation ausgelegt. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Kabelbinder, dessen Anbringung etwa 21 Sekunden dauern kann, lassen sich diese Randklammern in 11 Sekunden anbringen, was eine Zeitersparnis von 10 Sekunden pro Klammer bedeutet. Das summiert sich. Bei einer typischen PV-Installation mit 2900 PV-Paneln pro MW und drei Klammern pro Panel kann die Arbeitsersparnis 24,17 Stunden oder 47 % betragen (50,75 Stunden für die Installation herkömmlicher Kabelbinder gegenüber 26,58 Stunden für die Installation der Panduit-Solarkabelrandklammern) (Abbildung 6).

Abbildung 6: Die Verwendung von Solarkabelklammern kann die Installationszeit um 47 % reduzieren. (Bildquelle: Panduit)

Wartung von PV-Anlagen für große Netze

Bei der Wartung von netzgekoppelten PV-Anlagen, insbesondere bei der Wartung von Stromverteilungskabeln, ist gemäß den Sicherheitsvorschriften eine Spannungsprüfung erforderlich, um das Nichtvorhandensein gefährlicher Spannungen zu bestätigen. So verlangt beispielsweise die Vorschrift NFPA-70E der National Fire Protection Association (NFPA), dass die Abwesenheit von Hochspannung im Inneren von Geräteschränken überprüft werden muss, bevor das Wartungspersonal irgendwelche Arbeiten im Inneren des Schranks durchführen kann. Die Prüfung der Spannungsfreiheit (AVT) mit tragbaren Handmessgeräten ist kompliziert, mit möglichen Ungenauigkeiten behaftet und zeitaufwändig. VeriSafe AVTs von Panduit bieten eine automatische Lösung, die vor dem Öffnen der Tür auf gefährliche Spannungen im Inneren eines Geräteschranks prüft. Der Einsatz einer automatisierten Testlösung bringt mehrere Vorteile mit sich, darunter:

• Zuverlässigkeit erhöht die Sicherheit und verringert das Risiko.
• Die Einfachheit erhöht die Produktivität und gewährleistet die Einhaltung der Sicherheitsvorschriften.
• Flexibilität verbessert die Umsetzung.

VeriSafe AVTs, wie das Modell VS-AVT-C02-L03, bestehen aus mehreren Elementen, einschließlich eines Isolationsmoduls, das innerhalb des Gehäuses montiert wird und redundante Sensorleitungen mit Hochspannungsbereichen sowie Neutral- und Erdleitungen verbindet. Das Isolationsmodul ist fest mit einem batteriebetriebenen Anzeigemodul verbunden, das bei geschlossener Gehäusetür sichtbar ist, sowie mit Kabeln, die die beiden Module verbinden (Abbildung 7).

Abbildung 7: Ein AVT-System besteht aus einem Systemkabel (links), einem Anzeigemodul (Mitte) und einem Isolationsmodul mit Sensorleitungen (rechts). (Bildquelle: Panduit)

Beim Auslösen eines Tests mit einem VeriSafe-AVT-System wird die Testtaste auf dem Anzeigemodul gedrückt, und das System führt einen Selbsttest durch. Rote LEDs und Teststopps zeigen ein Fehlschlagen des Selbsttests an. Wenn der Selbsttest bestanden ist, prüft das Isolationsmodul auf Spannungen und Erdschlüsse. Im letzten Schritt führt das AVT einen zweiten Selbsttest durch. Nur wenn der zweite Selbsttest bestanden wird und keine Spannung anliegt, zeigt das AVT an, dass es für das Personal sicher ist, den Schrank zu öffnen und am System zu arbeiten.

Zusammenfassung

Die BOS-Komponenten machen einen immer größeren Anteil der Kosten von PV-Anlagen im industriellen Maßstab aus. Das Kabelmanagement ist ein wichtiger Aspekt des BOS-Designs, und die Auswahl optimierter Kabelschellen, Kabelschuhe für Strom- und Erdung sowie Kabelbinder mit Klammern zur Kantenmontage kann den Betrieb und die Sicherheit dieser Anlagen erheblich verbessern. Die zusätzliche automatische Spannungsfreiheitsprüfung unterstützt die laufenden Wartungsaktivitäten, erhöht die Sicherheit und senkt die Betriebskosten.

Referenz:

1. Renewable Power Generation Costs in 2019, International Renewable Energy Agency