Installations- und Gebäudetechnik

Warum es den NA-Schutz braucht

Warum NA-Schutz und FRT-Fähigkeit aufeinander abgestimmt sein müssen und welches NA-Schutzkonzept für welche Anwendungen die richtige Lösung ist, um unnötige Netzausfälle zu vermeiden, und warum der externe NA-Schutz umstritten ist, lesen Sie auf den folgenden Seiten.

Der Netz-und Anlagenschutz trennt die Erzeugungsanlage bei einem Netz- oder Anlagenfehler. Er schützt als Schnittstellenschutz das Netz und die netzseitigen Einrichtungen, nicht jedoch die EEA. Der Eigenschutz liegt in der Verantwortung des EEA-Betreibers und darf die Anforderungen an den NA-Schutz und die Festlegungen für FRT nicht unterlaufen. Der Eigenschutz ist jedoch intern im Wechselrichter mit dem NA-Schutz, Fehlerstromschutz, Isolationsüberwachung etc. bereits einfehlersicher ausgeführt. Fällt die Netzspannung oder die Netzfrequenz aus der zulässigen Toleranz, löst der NA-Schutz eine automatische Abschaltung aus. Das ist erforderlich um die Netzqualität in den Grenzen der Norm zu halten und dass eine Erzeugungsanlage nicht auf ein spannungsloses Netz zuschalten kann. Der NA-Schutz ist also eine reine Schutzeinrichtung, um negative Effekte zu verhindern. Er muss unempfindlich gegen normale Spannungs- und Frequenzänderungen im Netz sein. Um Netzstabilität zu erreichen, braucht es aber auch positive Effekte und die können die Erneuerbaren gut beisteuern, wenn der NA-Schutz dies nicht verhindert.

Erzeugungsanlage und FRT-Fähigkeit

Mit der Fault-Ride-Through-Fähigkeit (FRT) unterstützt die EEA die Netzstabilität, indem die Spannung gestützt wird und die Erzeugungsanlage nicht abschaltet, wenn die Last höher als die Erzeugung ist, also die Frequenz sinkt. Die FRT-Fähigkeit ist abhängig von der Grösse und der Art des Erzeugers.

Sowohl der NA-Schutz wie auch die FRT-Fähigkeit sind wichtig für die Netz­stabilität. Darum ist es eben auch wichtig, dass die Ländereinstellungen des NA-Schutzes korrekt und nicht zu eng eingestellt werden.

Wie der NA-Schutz funktioniert

Der NA-Schutz für PV-Anlagen muss mindestens die folgenden Funktionen und Einstellungen aufweisen (siehe Tabelle 1).

 

Diese Schutzfunktionen sind in den Schutzgeräten moderner Leistungsschalter im Prinzip integriert, bzw. können freigeschaltet werden. Da aber ein zweistufiger Passwortschutz (VNB und Anlagenbetreiber) sowie die Ein-Fehler-Sicherheit für die Abschaltung gewährleistet sein muss und länderspezifische Einstellungen erforderlich sind, haben sich externe Schutzgeräte durchgesetzt. Das ist insgesamt günstiger, da die Schutzfunktionen sonst auf beiden hintereinander geschalteten Leistungsschalter enthalten sein muss.

Die geforderte Einfehler-Sicherheit erfordert entweder zwei hintereinander geschaltete Schalter oder einen internen Schutz und einen Anlagenschalter, der vom NA-Relais angesteuert werden. Das bedeutet, falls ein einziger Fehler eintritt, die Schutzfunktion immer noch gewährleistet bleibt.

Diese Schutzgeräte enthalten eine Reihe von Schutzfunktionen:

Dauernde Spannungsüberwachung mit Ermittlung des 10-Minuten-Mittelwertes

Unter- und Überspannungsschutz

Vektorsprung-Überwachung

ROCOF-Überwachung (Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz)

Vorschriften

Die länderspezifischen Einstellungen für die Schweiz sind in Ländereinstellungen Schweiz 2020 Auszug Anhang E aus der Branchenempfehlung Netzanschluss für Energieerzeugungsanlagen an das Niederspannungsnetz (NA/EEA-NE7-CH) zu entnehmen. Die Realisierung des NA-Schutzes ergibt sich aus der Tabelle 1 und ist abhängig von der Grösse der Anlage.

Anlagen mit mehr als 250 kVA sind bezüglich NA-Schutz-Konzept gleich zu behandeln wie Anlagen über 30 kVA. Zusätzlich muss aber die FRT-Funktionalität mit Blindstromeinspeisung zur dynamischen Netzstützung aktiviert werden und die Einstellwerte für Anlagen über 250 kVA berücksichtigt werden.

Für Dieselnotstromanlagen mit Synchrongeneratoren gelten diese Einstellungen allerdings nicht, da solche Anlagen über eine Netzentkopplung über Vektorsprung- oder ROCOF-Funktion verfügen, die meistens in der Funktionsautomatik enthalten ist. Wichtig ist, dass diese richtig eingestellt ist und auch funktioniert. Anders ist es wenn, die Anlage für Tertiärleistung zur Verfügung stehen soll. Dort gelten die Bestimmungen des örtlichen Verteilnetzbetreibers.

Lösungen

Beispiel 1: Haben wir eine EEA mit einem oder mehreren Wechselrichtern (EEE und einer gesamten Leistung bis 30 kVA) errichtet, genügt der interne NA-Schutz. Die typische Anwendung ist dabei das Ein- oder Mehrfamilienhaus.

Beispiel 2: Wird eine EEA mit nur einem einzigen Wechselrichter errichtet, die max. 100 kVA Leistung hat, wird ein externes NA-Schutzrelais benötigt, das auf den internen Kuppelschalter wirkt. Die typische Anwendung ist ein Flachdach, auf dem alle Panels gleich ausgerichtet sind oder ein Pultdach.

Beispiel 3: Wird eine EEA mit einer Leistung bis 250 kVA errichtet, ist ein externes NA-Schutzrelais erforderlich. Bei der Ansteuerung gibt es zwei Varianten: Entweder wie in diesem Beispiel gezeigt, mit Wirkung auf einen externen Kuppelschalter und zusätzlich stellt die Ansteuerung der Wechselrichter die Einfehlersicherheit sicher.

Beispiel 4: Bei Anlagen mit einer Leistung bis 250 kVA lässt sich die Einfehlersicherheit auch mit einem zweiten Kuppelschalter sicherstellen. Das ist dann sinnvoll, wenn die Leitungslängen und damit der Installationsaufwand grösser ist als ein zweiter Kuppelschalter.

Wenn mehrere Häuser mit PV ausgerüstet werden sollen, stellt sich die Frage, in welchen Fällen eine PV-Anlage als EEA oder EEE gilt. Massgebend ist hier der Anschlusspunkt an das Verteilnetz des VNB. Hinter diesem Punkt können eine oder mehrere EEE angeschlossen sein, die als EEA gelten. Ist eine Überbauung mit mehreren Häusern über einen Anschlusspunkt versorgt, sind die EEE der verschiedenen Häuser Teil der gemeinsamen EEA. Somit ist die Summe der Leistungen der einzelnen EEE massgebend für die erforderliche NA-Lösung.

Nehmen wir an, dass drei Häuser mit einem gemeinsamen Hausanschluss mit je einer PVA (=EEE) von 20 kVA als ZEV projektiert werden sollen. Das ergibt eine EEA-Leistung von 60 kVA. Die Leistung ist massgebend für den NA-Schutz nach Tabelle 1. Die interne NA-Schutzfunktion muss aktiviert sein. Darüber hinaus haben wir zwei Möglichkeiten, wovon eine realisiert werden muss: Ein externes NA-Schutzrelais steuert zwei externe Kuppelschalter (Beispiel 3) oder ein externes NA-Schutzrelais steuert einen externen Kuppelschalter und einfehlersicher den integrierten Kuppelschalter. Somit kann die beschriebene Häusergruppe nach vier Varianten mit dem NA-Schutz ausgerüstet werden.

Variante 1: Ein dezentraler NA-Schutz wird in jedem Haus realisiert. Die externen NA-Schutzrelais in den einzelnen Häusern steuern den Kuppelschalter des jeweiligen Hauses an und einfehlersicher auch den Wechselrichter.

Variante 2: Ein zentraler NA-Schutz beim HAK steuert zwei Kuppelschalter einfehlersicher an. Das ist zwar sehr einfach zu realisieren, hat allerdings den Nachteil, dass eine NA-Schutzauslösung zur Abschaltung der gesamten Häusergruppe führt, was mit dem Eigentümer klar erläutert werden muss. Eine solche Lösung macht allenfalls dann Sinn, wenn dezentrale gegenüber den Verbrauchern inselfähige Wechselrichter (mit Notstromfunktion) realisiert werden.

Variante 3: Ein zentraler NA-Schutz beim HAK steuert einen Kuppelschalter und alle Wechselrichter einfehlersicher an. Auch diese Variante hat den gleichen Nachteil wie Variante 2.

Variante 4: Ein zentrales NA-Schutzrelais beim HAK steuert die dezentralen Kuppelschalter in den einzelnen Häusern und einfehlersicher die Wechselrichter. Damit wird der Nachteil von Variante 2 und 3 behoben. Denn damit bleibt, falls das Netz vorhanden ist, die gesamte Versorgung der Verbraucher sichergestellt.

Kritik am NA-Schutz

Der externe NA Schutz ist umstritten, weil er erstens sehr teuer ist und bei falscher Konfiguration kontraproduktiv wirkt, da in diesem Fall möglicherweise die Netzstützungsfunktionen (FRT) unterlaufen werden, so die Meinung von Dr. ChristofBucher, Professor an der Berner Fachhochschule in Burgdorf in seinem Buch über Photovoltaik (S. 274). Er argumentiert ausführlich damit, dass ein fehlender NA-Schutz Europa nie vor einem Blackout schützt, hingegen ist die Gefahr da, dass ein Blackoutrisiko bestehe, wenn nur 5 % der PV-Anlagen falsch eingestellt wären. Wenn die Netzbetreiber schon der zuverlässigen Funktion des internen NA-Schutzes misstrauen, sollte besser an der korrekten Funktion der Wechselrichter angesetzt werden.

Diese Argumentation ist nachvollziehbar, denn bei Notstrom oder BHKW bis einige MW sind gewöhnliche nicht redundante Netzentkopplungen mit Vektorsprung- oder ROCOF-Funktion in der Funktionsautomatik realisiert. Eine Kurzunterbrechung mit Netzrückkehr nach mehr als 300 ms hat lastabhängig einen erheblichen Maschinenschaden zur Folge. Diese Schutzfunktionen sind nur zuverlässig, wenn ein erheblicher Strom über die Netztrennstelle fliesst. Zum Schutz von Netzersatzanlagen gibt es einen separaten Artikel (siehe ET 5-21).

Die Verteilnetzbetreiber begründen die Notwendigkeit des externen NA-Schutzes unter anderem mit dem Fehlen einer entsprechenden Prüfnorm für die Wechselrichter. Inzwischen ist die Vornorm prEN 50549-10 in den Cenelec-Gremien im Umlauf. Sie beinhaltet eben diese bisher fehlenden Prüfanforderungen für Spannungs- und Frequenzänderungen, ROCOF etc. ■