Wie ein Solar-EPC mit der Soutya AFCI Combiner Box die DC-Lichtbogenfehlerkosten um 35 % senkt

Kundenhintergrund

Mittelständisches Solar-EPC-Unternehmen mit Sitz in Stuttgart, Deutschland, entwirft und installiert gewerbliche PV-Dachsysteme in ganz Europa. Mit einem Portfolio von 80 MW im Rahmen langfristiger O&M-Verträge bedient das Unternehmen Produktionsanlagen, Logistikzentren und Kühllagerbetreiber. Jedes Projekt hat eine Leistung von 500 kW bis 2 MW und das Unternehmen ist sowohl für den Bau als auch für die laufende Wartung verantwortlich.

Das O&M-Team des Unternehmens hatte mit einer zunehmenden Anzahl von Wechselrichterausfällen und thermischen Ereignissen zu kämpfen, die durch DC-Lichtbogenfehler verursacht wurden. Die Hauptursachen hierfür waren veraltete Steckverbinder, abgescheuerte Drähte und lose Anschlüsse in den String-Stromkreisen. Mit der Erweiterung des Portfolios begannen die Kosten für die reaktive Wartung die Gewinnmargen zu schmälern.

Die Herausforderung: Unentdeckte DC-Lichtbogenfehler

Gleichstromlichtbogenfehler sind gefährlich, da sie bestehen bleiben, ohne dass genügend Strom gezogen wird, um eine Standardsicherung oder einen Leistungsschalter auszulösen. In den bestehenden Generatoranschlusskästen des Unternehmens wurden lediglich Strangsicherungen und Überspannungsschutzgeräte installiert. Diese boten Überstrom- und Überspannungsschutz, konnten jedoch keine Serienfehlerlichtbögen erkennen, die in beschädigten Kabeln oder losen Verbindungen auftreten.

Die Folgen waren spürbar. In den 12 Monaten vor dem Projekt reagierte das Team auf 14 Wechselrichterausfälle, die auf beschädigte Steckverbinder zurückzuführen waren. Jede Fahrt erforderte einen Besuch vor Ort, Wärmebildscans und eine manuelle Inspektion aller Verbindungen im Strang. Eine einzelne Fehlerbehebungssitzung dauerte durchschnittlich acht Stunden. Darüber hinaus wurden zwei Beinaheunfälle gemeldet, bei denen ein Lichtbogen die Isolierung eines Steckverbinders zum Schmelzen gebracht hatte, wodurch Rauch entstand und ein Brand drohte. Die geschätzten Kosten pro derartigem Vorfall könnten, wenn er nicht erkannt wird, 50.000 US-Dollar an Vermögensschäden und Ausfallzeiten übersteigen.

Warum die Soutya DC AFCI Combiner Box?

Das Unternehmen prüfte drei Optionen. Das erste war das Hinzufügen von AFCI-Modulen am Wechselrichtereingang, das jedoch nur den kombinierten Ausgang aller Strings überwacht und nicht erkennen kann, welcher String einen Fehler aufweist. Die zweite Option bestand darin, alle Kabelanschlüsse durch hochwertigere zu ersetzen, was einer künftigen Verschlechterung nicht entgegenwirken würde. Die dritte Option war die Soutya DC AFCI Combiner Box mit einer 12-in-1-Konfiguration.

Die Entscheidung beruhte auf drei wesentlichen Vorteilen. Erstens ermöglicht der Soutya-Kombinatorkasten die Erkennung von Lichtbogenfehlern pro Strang. Jeder der 12 Eingänge wird unabhängig überwacht, sodass ein Fehler sofort lokalisiert werden kann. Zweitens integriert das Gerät sowohl AFCI- als auch Überstromschutz in einem Gehäuse, was die Installation vereinfacht und die Anzahl der zu prüfenden Komponenten reduziert. Drittens entspricht es UL 1699B und unterstützt die Designanforderungen von IEC 62548, was dem EPC Vertrauen sowohl für europäische als auch für Exportmärkte verleiht.

Implementierungs- und Bewerbungsprozess

Das Projekt wurde auf drei kommerziellen Dachanlagen mit jeweils 8 bis 10 Strings umgesetzt. Das Gesamtprojekt dauerte von der Planung bis zur Inbetriebnahme sechs Wochen. Die vorhandenen Combiner Boxes wurden entfernt und durch die Soutya DC AFCI Combiner Box ersetzt. Da das 12-in-1-Layout mit der vorhandenen String-Verlegung übereinstimmte, konnte das Team die meisten Gleichstromkabel wiederverwenden, was Materialkosten und Installationszeit sparte.

Eine typische Schwierigkeit war die Nachrüstung auf engstem Raum. Der neue Generatorkasten hat eine größere Grundfläche als eine einfache Einheit nur mit Sicherungen, sodass die Montagehalterungen auf einem Dach angepasst werden mussten. Das Team löste dieses Problem durch den Einsatz einer Edelstahl-Rückplatte und eines flexiblen Kabelkanals und schloss die Nachrüstung ab, ohne den strukturellen Aufbau zu ändern.

Nach der Installation verband das Team den Modbus-RTU-Ausgang mit dem vorhandenen SCADA-System. Der Generatorkasten übermittelte den Strom-, Spannungs- und Lichtbogenfehlerstatus pro Strang an das Fernüberwachungszentrum. Zu den Inbetriebnahmetests gehörte ein simulierter Lichtbogenfehler, den das Gerät in weniger als 0,5 Sekunden behob und dabei den genauen Strang identifizierte.

Quantifizierbare Ergebnisse

• Reduzierte Fehlerbehebungszeit um 90 %:Die durchschnittliche Fehlerreaktionszeit sank von 8 Stunden auf 45 Minuten, da die AFCI-Box den fehlerhaften String sofort identifiziert.
• Reduzierte Betriebs- und Wartungskosten um 35 %:An den drei Standorten sind jetzt weniger Notrufe erforderlich. Die jährlichen Einsparungen belaufen sich im gesamten Portfolio auf 18.000 US-Dollar.
• Reduzierte Ausfallzeit des Wechselrichters um 60 %:Durch die Vermeidung anhaltender Lichtbögen, die zu Wechselrichterausfällen führen würden, kam es an den Standorten zu 60 % weniger ungeplanten Abschaltungen.
• Zwei Lichtbogenfehler frühzeitig erkannt:Während der ersten 12 Monate erkannte das Gerät zwei Serienfehlerlichtbögen im Anfangsstadium und verhinderte so mögliche Brände und Schäden.

Die Gesamtwirkung ging über die bloßen Zahlen hinaus. Das O&M-Team wechselte von der reaktiven Reparatur zur proaktiven Inspektion. Die vom Generatorkasten gesammelten Daten ermöglichten es ihnen, den Kabelaustausch während geplanter Wartungsfenster und nicht nur im Notfall zu planen.

Kundenreferenz

„Der Soutya DC AFCI Combiner Box gab unserem Team die Möglichkeit, einen fehlerhaften Stecker zu identifizieren, bevor es zu einem Brand kam. Der String-Alarm und die Datenprotokollierung haben die Art und Weise, wie wir unser PV-Portfolio verwalten, verändert.“

Lektionen und Empfehlungen

1. Platzieren Sie die Lichtbogenfehlererkennung auf String-Ebene. Die Erkennung auf Wechselrichterebene kann Fehler nicht lokalisieren und lässt lange DC-Kabelstrecken ungeschützt.
2. Kombinieren Sie Überwachung mit Schutz. Ein Anschlusskasten, der Strom und Status pro String meldet, erzeugt verwertbare Daten für die vorausschauende Wartung.
3. Budget für die Ausbildung. Die Symptome von Lichtbogenfehlern unterscheiden sich von Überstromereignissen, und Techniker müssen die Technologie verstehen, um darauf reagieren zu können.

Wenn das Unternehmen dieses Projekt erneut durchführen würde, würde es bei allen neuen Projekten von Anfang an Soutya AFCI-Boxen installieren und nicht nachrüsten. Die Standardisierung auf die 12-in-1-Konfiguration würde den Ersatzteilbestand vereinfachen und die Ferndiagnose an allen Standorten konsistenter machen.

Referenzen

1. UL 1699B:2018 Photovoltaik (PV) Gleichstrom-Lichtbogenschutz.Link
2. IEC 62548:2016 Photovoltaik (PV)-Arrays – Designanforderungen.Link
3. IEC 60364-7-712:2017 Elektrische Niederspannungsinstallationen – Teil 7-712: Solar-PV-Stromversorgungssysteme.Link