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NA-Schutz vs. FRT-Fähigkeit?

Text und Bilder Markus Gehrig

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.

In medias res

Der NA-Schutz ist eine wichtige Funktionen für den netzseitigen Anlagenschutz und das Netz selbst. Der NA-Schutz und die FRT-Fähigkeit müssen aufeinander abgestimmt sein, darum ist die richtige Ländereinstellung wichtig. Ein zu enger NA-Schutz unterläuft die FRT-Fähigkeit der Wechselrichter. Es gibt nicht nur eine Lösung für den NA-Schutz, sondern je nach Anwendung eine passende. Die falsche Wahl kann zu unnötigen Netzausfällen für die Benutzer führen.

Warum braucht es einen NA-Schutz?

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.

Warum braucht die Erzeugungsanlage die FRT-Fähigkeit?

Mit der der Fault-Ride-Through-Fähigkeit (FRT) unterstützt die EEA die Netzstabilität in dem die Spannung gestützt wird und die Erzeugungsanlage nicht abschaltet, wenn die Last höher aus 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 funktioniert der NA-Schutz?

Der NA-Schutz für PV-Anlagen muss mindestens die folgenden Funktionen und Einstellungen aufweisen:

Funktion.SollwertZeit
SpannungssteigerungsschutzU>>1.2 Un≤ 100 ms
Spannungssteigerungsschutz 10minU>1.1 Un≤ 100 ms
SpannungsrückgangsschutzU<0.8 Un1.5 s
SpannungsrückgangsschutzU<<0.45 Un300 ms
Frequenzsteigerungsschutzf>51.5 Hz≤ 100 ms
Frequenzrückgangsschutzf<47.5 Hz≤ 100 ms
Inselnetzerkennung5 s
Tabelle 1: Einstellung NA-Schutz (Quelle VSE u.a. übereinstimmend)

Diese Schutzfunktionen sind in den Schutzgeräten moderner Leistungsschaltern im Prinzip integriert, bzw. können freigeschaltet werden. Da aber ein zweistufiger Passwortschutz, 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 eine interner Schutz und einen Anlagenschalter die vom NA-Relais angesteuert werden. Das bedeutet, falls ein einziger Fehler eintritt, die Schutzfunktion immer noch gewährleistet bleibt.

Diese Schutzgeräte haben eine Reihe von Schutzfunktionen enthalten:

  • Dauernde Spannungsüberwachung mit Ermittlung des 10-Minuten-Mittelwertes
  • Unter- und Überspannungsschutz
  • Vektorsprung-Überwachung
  • ROCOF-Überwachung (Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz)

Welche Vorschriften sind zu beachten?

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.

Tabelle 2: Erfordernis des NA-Schutzes in Abhängigkeit der Grösse (rote Bezugslinien zeigen den Verweis auf die Beispiele unten) (Quelle: eigene Darstellung nach Grundlage VSE)

Für 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 Netzentkuppelung 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.

Welche Lösungen sind geeignet?

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

Abbildung 1.1: EEA bis 30 kVA (Quelle: eigene Darstellung nach VSE)

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 Panel gleich ausgerichtet sind oder ein Pultdach.

Abbildung 1.2: EEA 30 bis 100 kVA (Quelle: eigene Darstellung nach VSE)

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.

Abbildung 1.3: EEA 30 bis 250 kVA (Quelle: eigene Darstellung nach VSE)

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.

Abbildung 1.4: EEA 30 bis 250 kVA (Quelle: eigene Darstellung nach VSE)

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, drei Häuser mit einem gemeinsamen Hausanschluss mit je einer PVA (=EEE) von 20 kVA sollen als ZEV projektiert werden. 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 in jedem Haus wird realisiert. Die externen NA-Schutzrelais in den einzelnen Häusern steuern den Kuppelschalter des jeweiligen Hauses an und einfehlersicher auch den Wechselrichter.

Abbildung 2.1: Variante 1 (Quelle: eigene Darstellung nach VSE)

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, wenn dezentrale gegenüber den Verbrauchern inselfähige Wechselrichter (mit Notstromfunktion) realisiert werden.

Abbildung 2.2: Variante 2 (Quelle: eigene Darstellung nach VSE)

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.

Abbildung 2.3: Variante 3 (Quelle: eigene Darstellung nach VSE)

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.

Abbildung 2.4: Variante 4 (Quelle: eigene Darstellung nach VSE)

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. Christof Bucher, 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 wenn nur 5 % der PV-Anlagen falsch eingestellt sind ein Blackoutrisiko besteht. 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 Netzentkuppungen 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 deutlicher Strom über die Netztrennstelle fliesst. Zu Schutz von Netzersatzanlagen gibt es einen separaten Artikel in der ET05-21 und hier auf Power-Affairs.ch.

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.

Abbildung 3: NA-Schutz und FRT koordiniert

Verbindlichkeit und Bedeutung

Branchenempfehlungen, auch wenn sie von einem mächtigen Verband kommen, sind erst einmal nicht verbindlich, dazu fehlt es an der Hohheitlichkeit. Die Hoheitlichkeit ergibt sich aus einem Verfassungs- oder Gesetzesauftrag. Somit ist die Allgemeinverbindlichkeit ausgeschlossen. Es fragt sich dann weiter, ob die Richtlinien für die Mitglieder verbindlich sind. Auch das ist zu verneinen. Die Verteilnetzbetreiber können die Richtlinien in ihre Technischen Anschlussbedingungen (TAB, früher Werkvorschriften) übernehmen, sind aber nicht verpflichtet. Damit werden sie dann im Versorgungsgebiet des VNB verbindlich. Es gibt aber auch ein anderer Weg der zu der Allgemeingültigkeit führt: Man nennt dieses Instrument Verweisung. Eine hoheitlich legitimierte Behörde kann durch eine Generalklausel auf einen Standard oder beispielhaft auf Normen indirekt verweisen oder dies direkt tun, in dem sie ausdrücklich auf ein bestimmtes Normenwerk verweist. Das ESTI tut dies als hohheitlich legitimierte Behörde, in dem es in der Weisung Anforderungen an Energieerzeugungsanlagen Nr. 220 auf die Branchenrichtlinie verweist. Solche statischen Verweise, die auf eine bestimmte Fassung eines Regelwerkes verweisen, werden nach neuerer Lehre und Praxis als zulässig angesehen, sofern dadurch eine sachgerechte Regelung getroffen werden kann. Gleitende Verweisungen ohne Bestimmung der Ausgabe sind generell nicht zulässig bzw. haben besondere Auflagen. 1 Hier hat das ESTI nachzubessern.2

Die Empfehlung ist also zulässig und verbindlich, wenn auch nicht lupenrein umgesetzt. Die Einführung solcher Verpflichtungen, die nicht unwesentliche Kostenfolgen haben und vor allem die Interessenlagen der Herausgeber stützen, sind kritisch zu hinterfragen, zumal die Relevanz, Notwendigkeit und Wirksamkeit noch nicht wissenschaftlich bestätigt ist. Klar ist, dass es den besagten Schutz in einer Form braucht. Die Wirksamkeit des Schutzes ist aber abhängig von der Einstellung. Da können Fehler passieren, welche andere Netzstabilitätsmassnahmen (FRT) unterlaufen.

Begriffe

EEA Energieerzeugungsanlage: Ist eine Anlage, in der sich eine oder mehrere Erzeugungseinheiten elektrischer Energie befinden (einschliesslich der Anschlussanlage) und alle zum Betrieb erforderlichen elektrische Einrichtungen.
EEE Energieerzeugungseinheit: Ist eine einzelne Einheit zur Erzeugung elektrischer Energie.
Als Anschlussanlage wird die Gesamtheit aller Betriebsmittel verstanden, die notwendig sind, um eine EEA oder EEE an das öffentliche Netz anzuschliessen.
Der Anschlusspunkt ist der Punkt an dem die Anschlussleitung des Verteilnetzbetreibers (VNB) an die Hausinstallation angeschlossen ist, also die Anschlussklemmen des Hausanschlusskastens (HAK).
FRT: Fault ride through, ist die Fähigkeit einer EEA einen Netzfehler zu durch laufen, ohne abzuschalten.

Abbildung 4: Festlegungen Hausanschluss und Begriffe dazu (Quelle: eigene Darstellung nach VSE)

Quellen

VSE NA/EEA-NE7 – CH 2020: Netzanschluss für Energieerzeugungsanlagen an das Niederspannungsnetz, Technische Anforderungen für den Anschluss und Parallelbetrieb in NE7.
ESTI Weisung Nr. 220 / Version 0621
Christoph Bucher: Photovoltaikanlagen – Planung, Installation, Betrieb Faktor Verlag 2021
Christoph Bucher: Bulletin: NA-Schutz bei PV-Anlagen 1.10.2019

Markus Gehrig
MG Power Engineering AG
Dozent an der HF und Lehrbeauftragter an der HSLU
Tech-Blog: power-affairs.ch

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