Wie eine PV-Anlage mit einem DC-1000-V-Sicherungshalter die String-Ausfallzeit um 60 % reduziert

Kundenhintergrund

Bei einer 45-MW-Photovoltaikanlage (PV) in einer hochgelegenen Wüstenregion kam es immer wieder zu Ausfällen in den DC-Sammelkästen. Die Anlage, die von einem unabhängigen Stromerzeuger betrieben wird, der ein regionales Versorgungsnetz bedient, war seit sechs Jahren in Betrieb. Mehr als 1.400 String-Stromkreise werden in 28 Anschlusskästen eingespeist, die jeweils bis zu 1.000 V Gleichstrom von Solarmodulen zu Zentralwechselrichtern transportieren.

Das Betriebsteam der Anlage sah sich zunehmendem Druck ausgesetzt, ungeplante Ausfallzeiten zu reduzieren, da der örtliche Netzbetreiber strengere Verfügbarkeitsstrafen einführte. Bei sommerlichen Temperaturen von über 45 °C war die thermische Belastung der DC-Komponenten stark.

Mit welchen Problemen war die PV-Anlage vor dem Upgrade konfrontiert?

Die ursprünglichen Sicherungshalter waren generische Einheiten, die nur für 600 V Gleichstrom ausgelegt waren. Sie waren für die 1000-V-Strangkonfiguration der Anlage zu klein dimensioniert. Über einen Zeitraum von 18 Monaten verzeichnete das Betriebsteam 23 Ausfälle von Sicherungshaltern in 11 Generatoranschlusskästen.

Die Symptome waren konsistent: Die Sicherungshalterklemmen verloren nach wiederholten Temperaturwechseln ihre Federspannung, wodurch hochohmige Kontakte entstanden. Bei 1000 V Gleichstrom führte eine schlechte Verbindung zu örtlicher Erwärmung und Mikrolichtbögen. In mehreren Fällen schmolz der Sicherungshalter und der Generatoranschlusskasten musste zur Notreparatur außer Betrieb genommen werden. Jeder Vorfall kostete durchschnittlich 4.800 US-Dollar an verlorener Energieproduktion, Ersatzteilen und Arbeitsaufwand.

Frühere Versuche, die Clips wieder festzuziehen und leitfähiges Fett aufzutragen, konnten das Problem nicht lösen. Nach einer zweiten Kernschmelze ordnete der Werksleiter eine vollständige Überprüfung der Spezifikationen des Sicherungshalters an.

Warum hat sich der Betreiber für den Soutya DC 1000V-Sicherungshalter entschieden?

Das Ingenieurteam bewertete drei Alternativen. Der erste war ein standardmäßiger DIN-Schienen-Sicherungshalter für 1000 V Gleichstrom, dessen Clips jedoch aus einer minderwertigen Kupferlegierung bestanden, die in der salzigen Wüstenluft immer noch korrodieren würde. Die zweite Option war eine proprietäre Lösung, die den Austausch des gesamten Generatorkastens erforderte, was das Wartungsbudget überstieg.

Die dritte Option war der Soutya DC 1000V-Sicherungshalter. Drei Faktoren waren ausschlaggebend:

• Explizite 1000-V-DC-Nennleistung mit einem getesteten Ausschaltvermögen, das dem PV-String-Kurzschlussstrom unter IEC 60269-1-Bedingungen entspricht.
• Spiralfederklemmen aus Edelstahl und verzinntem Kupfer, die den Kontaktdruck über einen größeren Temperaturbereich aufrechterhalten.
• Ein kompaktes Gehäuse, das ohne Neuverkabelung in die bestehende Anschlusskastenanordnung passt. Dies reduzierte das Installationsrisiko und hielt die Arbeitskosten niedrig.

Der Soutya-Sicherungshalter war außerdem mit einem matten Nylongehäuse ausgestattet, das der Zersetzung durch ultraviolette Strahlung standhielt, einem Problem, das bei den alten Einheiten zu spröden Rissen geführt hatte. Der Beschaffungsleiter bestätigte, dass Soutya eine dreijährige Garantie auf Grundlage der tatsächlichen Gleichspannungs- und Stromdaten der Anlage gewährte.

Wie wurde der neue Sicherungshalter eingesetzt?

Die Modernisierung erfolgte schrittweise über vier Wochen, während des Wartungsfensters der Anlage im Spätwinter. Das Betriebsteam tauschte schrittweise 520 Sicherungshalter aus, einen Generatorkasten nach dem anderen, um umfassende Systemabschaltungen zu vermeiden.

• Schritt 1: Das Wartungsteam der Anlage schaltete einen Generatorkasten ab und stellte sicher, dass an den Strangklemmen keine Spannung anliegt.
• Schritt 2: Jeder vorhandene Sicherungshalter wurde entfernt. Techniker dokumentierten das Drehmoment an den Anschlussschrauben und überprüften die Sicherungsklemmen auf Anzeichen von Lichtbogenbildung.
• Schritt 3: Die neuen Soutya DC 1000V-Sicherungshalter wurden unter Verwendung der vorhandenen DIN-Schiene und Klemmenblöcke montiert. Die Einsteckkraft der Sicherung war deutlich höher, was die Wahrscheinlichkeit einer Fehlausrichtung verringerte.
• Schritt 4: Jeder Stromkreis wurde vor dem erneuten Einschalten mit einem DC-Isolationswiderstandstester und einer Sicherungszustandsanzeige getestet.
• Schritt 5: Das Wartungsteam führte eine Woche, nachdem jeder Generatorkasten wieder in Betrieb war, eine Wärmebilduntersuchung durch.

Die einzige wesentliche Schwierigkeit war der enge Platz zum Biegen der Drähte innerhalb der Generatorkästen. Die Klemmenausrichtung des Soutya-Sicherungshalters ermöglichte eine einfache Verlegung von 6-mm²-PV-Drähten ohne erzwungene Biegungen, sodass das Problem innerhalb weniger Stunden gelöst werden konnte.

Welche quantifizierbaren Ergebnisse hat der Betreiber erzielt?

Zwölf Monate nach dem Umbau verglich der Betreiber die Leistungsdaten mit den zwei Jahren vor dem Austausch.

• Die String-Ausfallzeit aufgrund defekter Sicherungshalter sank um 60 % von durchschnittlich 14 Stunden pro Monat auf 5,5 Stunden.
• Die Kosten für den Austausch von Sicherungshaltern sanken um 45 % von 2.800 US-Dollar pro Quartal auf 1.540 US-Dollar. Dies beinhaltete Teile, Arbeit und thermische Inspektionszeit.
• Ungeplante Wartungsereignisse am Generatoranschlusskasten gingen von 8 auf 2 pro Jahr zurück. Bei keinem Sicherungshalter wurde ein Lichtbogen oder ein Schmelzen gemeldet
• Der durchschnittliche Temperaturanstieg an den Kontaktstellen des Sicherungshalters sank um 18 °C, gemessen mit einer Infrarotkamera.

Der Anlagenleiter stellte außerdem fest, dass die Verfügbarkeitsstrafe des Netzbetreibers in den letzten drei monatlichen Abrechnungsberichten auf Null reduziert wurde. In einem angespannten Markt rechtfertigte allein diese Verbesserung die Hardware-Investition in Höhe von 11.000 US-Dollar.

Kundenmeinung: Was hat der Wartungsleiter gesagt?

„Nach der zweiten Kernschmelze haben wir das Vertrauen in die Original-Sicherungshalter verloren. Der Soutya DC 1000V-Sicherungshalter hat uns eine zuverlässige und vorhersagbare Verbindung ermöglicht. Die Ergebnisse der Wärmebildkameras sind klar und mein Team kann sich auf die Reinigung und Drehmomentprüfungen statt auf den Notfallaustausch konzentrieren“, sagte der Leiter der Anlageninstandhaltung.

Lehren und Empfehlungen für andere Gleichstromnetzbetreiber

Für Betriebsteams, die 1000-V-Gleichstromkreise in Solaranlagen, Speichersystemen oder industriellen Gleichstromnetzen verwalten, bot das Projekt drei praktische Erkenntnisse.

1. Überprüfen Sie immer die tatsächliche Gleichspannung und den Fehlerstrom des Stromkreises, bevor Sie einen Sicherungshalter auswählen. Ein für 600 V ausgelegter Halter in einem 1000-V-System stellt eine Gefahr dar, unabhängig davon, wie gut er mechanisch passt.
2. Überprüfen Sie das Material des Sicherungsclips und die Federkonstruktion. Ein hochwertiger Anpressdruck ist der wichtigste Schutz gegen Überhitzung bei hohen Gleichspannungen.
3. Wählen Sie beim Nachrüsten bestehender Anschlusskästen einen Sicherungshalter, der auf der vorhandenen Schiene montiert wird und keinen Austausch der Klemmenblöcke erfordert. Der Soutya-Sicherungshalter erfüllte genau seine Spezifikationen und das Projekt wurde früher als geplant abgeschlossen.

Sollte die Anlage dies noch einmal tun, bestünde die einzige Verbesserung darin, die Sicherungshalter früher, nämlich bei der Erstinbetriebnahme der Anlage, auszutauschen. Die Kosten für die Prävention beliefen sich auf ein Drittel der Kosten der ersten beiden Notreparaturen.

Referenzen

[1] IEC 60269-1. Niederspannungssicherungen – Teil 1: Allgemeine Anforderungen [S]. 2020.https://webstore.iec.ch/publication/62496

[2] Alterungseigenschaften von Kontaktelektroden von Niederspannungs-Gleichstromschaltern [J]. Energien, 2021, 14(20): 6838.https://doi.org/10.3390/en14206838