Isolationsfehler an PV-Anlagen systematisch finden

Nachdem es hier bereits einige Beiträge zum Thema Isolationsfehler gab, möchte ich zum Abschluss dieser Reihe nochmal einen Beitrag schreiben, der einen systematischen Handlungsvorschlag liefert, um Isolationsfehler ohne Umwege sicher aufzuspüren.

Isolationsfehler haben ja die Eigenschaft, dass sie mal auftreten und mal wieder nicht. Insbesondere bei feuchter Witterung kommen sie vermehrt zum Vorschein und verschwinden bei trockenem Wetter oft wieder vollständig. Der Fehler ist natürlich nach wie vor da. Der Fehlerstrom wird bei trockenem Wetter lediglich so klein, dass ihn die Isolationsüberwachung des Wechselrichters nicht mehr erkennt und der Wechselrichter dadurch wieder läuft.
Wie kann man einen ISO-Fehler unabhängig von der Witterung zielsicher aufspüren ?

Messtechnik
Zunächst sei dazu angemerkt, dass man  zur ISO Fehlersuche bei der Messtechnik etwas aufrüsten muss. Während man eine Standard ISO Messung in aller Regel mit Messgeräten durchführt, die eine kurze Messdauer erlauben und nur bis ca. 200MOhm messen können (z.B. das Benning PV-1-1), macht es bei der Suche nach ISO Fehlern in jedem Fall Sinn ein Messgerät zu verwenden, das bis in den hohen Giga-Ohm Bereich hinein messen kann. (1GOhm = 1000MOhm).

Das Benning PV-1-1 hat sich mittlerweile zum Standard bei Inbetriebnahmemessungen zur Dokumentation des Isolationswiderstandes von Modulsträngen etabliert. Für die Suche nach Isolationsfehlern ist es allerdings weniger gut geeignet.
Das Benning PV-1-1 hat sich mittlerweile zum Standard bei Inbetriebnahmemessungen zur Dokumentation des Isolationswiderstandes von Modulsträngen etabliert. Bei der Suche nach Isolationsfehlern ist es allerdings nur zur Vordiagnose geeignet.

Da die Isolationswiderstände der einzelnen Module parallel geschaltet sind, ist der Widerstand eines kompletten Modulstranges immer deutlich kleiner als der Widerstand eines einzelnen Moduls. Bei Einzelmodulen, die keinen Fehler aufweisen, misst man immer Isolationswiderstände im Bereich von 4-12 GOhm. Hat ein Einzelmodul nur noch einen ISO Widerstand von 200-300MOhm, ist das schon ein Zeichen für einen Fehler.  Eine solche Messung ist mit einem Standard Isolationsmessgerät wie dem Benning PV-1-1 allerdings nicht mehr durchführbar. Wir nutzen für solche Messungen ein Keysight U1461A.

Mit dem Keysight U1461A können auch Isolationswerte über 200MOhm gemessen werden. Man kann damit auch die Isolationswiderstände einzelner Solarmodule ermitteln.
Mit dem Keysight U1461A können auch Isolationswerte über 200MOhm gemessen werden. Man kann damit auch die Isolationswiderstände einzelner Solarmodule ermitteln.

Vorgehensweise zur systematischen Suche von ISO Fehlern

Es gibt 6 typische Arten von Isolationsfehlern.

  1. ISO Fehler verursacht durch schadhafte Einbettungsfolien der Solarmodule
  2. ISO Fehler verursacht durch defekte Modulglasscheiben
  3. ISO Fehler verursacht durch Schäden an den DC (Gleichstrom) Kabeln, besonders bei Verlegung im Erdreich oder ungeschützt verlegten Kabeln
  4. ISO Fehler verursacht durch defekte DC Steckverbinder
  5. ISO Fehler durch nicht fachgerecht verschlossene Verschraubungen an DC-Steckverbindern oder Kreuzverbindungen
  6. ISO Fehler verursacht durch den Wechselrichter

Falls es noch welche gibt, die in dieser Liste fehlen, bitte ich um einen Kommentar unter diesem Artikel, um die Liste gegebenenfalls zu ergänzen.

Rückseitenfolien
Der im Moment am häufigsten anzutreffende ISO Fehler steht in Verbindung mit den Serienfehlern, die durch schadhafte Rückseitenfolien verursacht werden. Ich hatte hier im Blog in diesem Artikel darüber berichtet.
Dieser Fehler wiederum tritt in 3 unterschiedlichen Erscheinungsformen auf. Es gibt Rückseitenfolien, die zwischen den Solarzellen rissig werden. Man erkennt das Problem durch eine Sichtprüfung der Module (siehe Bild unten).

Risse in der Rückseitenfolie von Solarmodulen
Risse in der Rückseitenfolie von Solarmodulen

Die zweite, immer wieder beobachtete Ausprägung des Rückseitenfolienfehlers sind winzige Risse in einer inneren Lage der Rückseitenfolie. Man muss dazu wissen, dass die Rückseitenfolien aus mehreren Schichten bestehen und in einigen Fällen die äußere Schicht schadhaft wird, in einigen Fällen aber auch eine Zwischenschicht. Das Problem mit der Zwischenschicht lässt sich einfach finden, indem man mit einer Taschenlampe durch die Zellzwischenräume leuchtet. Findet man in der Folie kleine Risse, wie sie unten im Bild zu sehen sind, ist das Modul betroffen und verantwortlich für niedrige Isolationswerte im Strang.

In einem frühen Stadium lässt sich das Problem durch die Beleuchtung des Moduls mit einer hellen LED Lampe erkennen.
In einem frühen Stadium lässt sich das Problem durch die Beleuchtung des Moduls mit einer hellen LED Lampe erkennen.

Bei der dritten Variante der fehlerhaften Rückseitenfolien, findet man Risse in der Folie direkt über den rückseitigen Busbars zur Verbindung der einzelnen Solarzellen.

Das Bild zeigt ein Solarmodul mit einer beschädigten Rückseitenfolie. Die Folie zeigt die typischen Risse über den Bussbars.
Das Bild zeigt ein Solarmodul mit einer beschädigten Rückseitenfolie. Die Folie zeigt die typischen Risse über den Busbars.

Bevor man also auf die aufwändige Suche nach Isofehlern geht, sollte man als erstes mal die Folien nach den oben beschriebenen Fehlerbildern absuchen. Oft ist dann die Suche bereits beendet…

ISO Fehler durch defekte Glasscheiben

Glasschäden führen in aller Regel früher oder später ebenfalls zu Isolationsfehlern.
defekte Glasscheibe

Glasschäden führen in aller Regel früher oder später ebenfalls zu Isolationsfehlern.

ISO Fehler an den DC KabelnImmer wieder kommt es vor, dass ISO Fehler nicht im Modulfeld, sondern auf den DC Kabeln vom Wechselrichter zu den Modulen auftreten. Besonders häufig anzutreffen ist dieses Problem bei DC Kabeln, die durch das Erdreich verlegt wurden.

In der Vergangenheit gab es immer wieder Isolations-Probleme an im Erdreich verlegten DC Kabeln.
In der Vergangenheit gab es immer wieder Isolations-Probleme an im Erdreich verlegten DC Kabeln.

Dies lässt sich am einfachsten feststellen, indem man mit 2 DC Verlängerungskabeln ausgerüstet, direkt ins Modulfeld geht, also auf’s Dach klettert oder – im Freilandpark – zu dem betroffenen Modulstrang hingeht und die ISO Prüfung direkt an den Modulen zwischen erstem und letztem Modul durchführt. Ist der ISO Fehler immer noch vorhanden, kommt er vom Modulfeld. Ist der Fehler plötzlich weg, sind es definitiv die DC Kabel, die das Problem verursachen. Bei erdverlegten DC Kabeln hilft dann nur noch Ausgraben und Austauschen.

ISO Fehler durch ungeschützt verlegte DC-Leitungen
Unbedingt zu vermeiden ist es, DC-Leitungen ungeschützt zu verlegen. Ein ungeschütztes Verlegen von DC-Leitungen entspricht nicht einer erd- und kurzschlusssicheren Verlegung normgerecht nach VDE 0100-712. Dennoch ist das leider in der Praxis bei Altanlagen häufig anzutreffen. Wenn Kabel ungeschützt an scharfen Kanten vorbeigeführt werden oder bei Kabelkanälen der Kantenschutz vergessen wird, können Kabel beschädigt werden. Auch leichte Beschädigungen können im Laufe der Zeit zu Isolationsfehlern führen.

Es ist unbedingt zu vermeiden, Kabel ungeschützt zu verlegen und an scharfen Kanten vorbei zu führen
Es ist unbedingt zu vermeiden, Kabel ungeschützt zu verlegen und an scharfen Kanten vorbei zu führen

Ungeschützt verlegte Kabel im Nassen

Wenn Kabel ungeschützt im Nassen liegen oder gar in einer Pfütze, was bei Flachdächern in regenreichen Zeiten nicht selten ist, kann es auf Dauer ebenfalls zu  Isolationsfehlern führen.

ungeschützt verlegte, nicht hochgebundene Kabel auf nassen Dächern können auf Dauer ebenfalls Ursache für Isolationsfehler sein
ungeschützt verlegte, nicht hochgebundene Kabel auf nassen Dächern können auf Dauer ebenfalls Ursache für Isolationsfehler sein

ISO Fehler durch nicht fachgerecht verschlossene DC-Steckverbinder
Ein in der Praxis häufig anzutreffender Grund für Isolationsfehler sind nicht fachgerecht verschlossene Verschraubungen an DC-Steckern.

In DC-Steckverbindungen, die nicht fachgerecht verschlossen wurden, kann über die Jahre Feuchtigkeit eindringen und Isolationsfehler hervorgerufen werden.
In DC-Steckverbindungen, die nicht fachgerecht verschlossen wurden, kann über die Jahre Feuchtigkeit eindringen und Isolationsfehler hervorgerufen werden.

Hier sind Modulverschraubungen der Steckverbinder an den Gleichstromhauptleitungen bei der Montage nicht mit dem herstellerseitig vorgesehenem Werkzeug verschraubt worden und können mit der Hand geöffnet werden. Durch „nicht fachgerecht verschlossene Verschraubungen“ können langfristig im Laufe der Jahre Isolationsfehler durch Feuchtigkeitseintritt entstehen, was wiederum das Abschalten der Wechselrichter bewirken kann. Außerdem können korrodierte Steckverbinder zu Bränden führen. Für MC Verschraubungen stehen je nach Steckertyp z.T. Spezialwerkzeuge zur Verfügung.

Sogenannte Kreuzverbinder, bei denen Stecker unterschiedlicher Steckerhersteller miteinander verschlossen werden, können zu dem gleichen Effekt führen.

Kreuzverbindungen unterschiedlicher Steckerhersteller können nach längerem Betrieb ebenfalls Ursache von Isolationsfehlern werden.
Kreuzverbindungen unterschiedlicher Steckerhersteller können nach längerem Betrieb ebenfalls Ursache von Isolationsfehlern werden.

Lokalisierung ISO Fehler im Modulfeld
Hat man alle oben beschriebenen Fehler sicher ausgeschlossen, können dennoch Isolationsfehler irgendwo im Modulfeld übrig sein. Wenn man diese Fehler nicht bereits bei der Sichtprüfung findet, kann man ihn dann z.B. mit der sogenannten Spannungswaage lokalisieren.

Dazu schaltet man zwei exakt gleiche Multimeter in Reihe (beide Geräte müssen den gleichen Innenwiderstand haben) und schließt bei dem ersten den Pluspol des Modulstranges und beim zweiten Multimeter den Minus des Modulstranges an. Beide Geräte müssen nun die halbe Leerlaufspannung des Stranges anzeigen. In einem dritten Schritt erdet man dann die Verbindungsleitung der beiden Multimeter. Das Verhältnis der beiden angezeigten Spannungen der Multimeter gibt einen Hinweis darauf, wo sich der ISO Fehler in etwa im Modulfeld befindet.

Bei der Spannungswaage werden 2 Voltmeter in Reihe geschaltet. Das Rechte wird an den Pluspol des Solargenerators angeschlossen, das Linke an den Minuspol. Anschließend wird die Kopplung der beiden Voltmeter geerdet.
Bei der Spannungswaage werden 2 Voltmeter in Reihe geschaltet. Das Rechte wird an den Pluspol des Solargenerators angeschlossen, das Linke an den Minuspol. Anschließend wird die Kopplung der beiden Voltmeter geerdet.

Im Beispiel oben waren 18 Module in Reihe geschaltet. Die gesamte Leerlaufspannung des Stranges betrug 548 V. Die Lage des ISO Fehlers kann dann wie folgt berechnet werden: 295,6V/548V*18 = 9,7. Das bedeutet man sollte mal zwischen Modul 9 und 10,  gemessen vom negativen Strangende aus gesehen, auf die Suche gehen. Wie so oft, ist hierbei natürlich ein Strangplan (der am besten auch noch mit der Realität übereinstimmt – was in der Praxis leider oft nicht der Fall ist!) von höchstem Nutzen. Das gilt insbesondere dann, wenn man aus dem Strangplan auch entnehmen kann, wo der negative – und wo der positive Pol des Modulstranges liegt.

ISO Fehler im Wechselrichter
In den Wechselrichtern sind auf der DC Seite meistens sogenannte Varistoren als Überspannungsableiter eingebaut. Wenn es ständig zu Wechselrichter Fehlermeldungen wegen ISO-Fehlern kommt, sich aber auf der DC Seite partout kein Problem finden und lokalisieren lässt, sollte man mal die Varistoren im Wechselrichter überprüfen. Im Normalfall muss der Varistor hochohmig sein. Wenn er ausgelöst hat, sollte das mit einem Ohm-Meter festzustellen sein. Den Wechselrichter darf man natürlich nur in Absprache mit dem jeweiligen Hersteller öffnen, um entsprechende Messungen vorzunehmen.

Fazit:
Ich hoffe dass diese Anleitung einen kleinen Beitrag dazu leisten kann, ISO Fehler zukünftig schneller und effizienter zu finden und zu beheben. Für Anregungen, was einem im Feld sonst noch so an ISO Fehlern begegnet  bin ich dankbar und rege dazu an, entsprechende Kommentare unter diesem Beitrag zu hinterlassen.
Ich wünsche viel Erfolg bei der Fehlersuche …

Anmerkung in eigener Sache:
Um weiteren Anfragen an uns vorzubeugen:
Wir machen regelmäßig Schulungen zur systematischen Fehlersuche an Photovoltaikanlagen für Installateure und Servicetechniker. Wir helfen gelegentlich im Feld, mit Elektrolumineszenz oder Drohnenthermographie, wenn der lokale Installateur diese Leistungen nicht anbieten kann. Wir können unmöglich wegen jedem kleinen Isolationsfehler durch halb Deutschland fahren. Bitte wenden Sie sich an Ihren lokalen Installateur und schicken diesen bei Bedarf auf eins unserer Seminare ;-).

Kommentare

  1. Hallo Herr Diehl,
    danke für den aufschlussreichen Artikel.
    Ich möchte die Fehlerursachen um eine weitere ergänzen:
    7. ISO Fehler verursacht durch falsche Montage.
    In unserem Fall trat dieser 11 Jahre nach Installation auf. Eine Reihe Module war unterst zu oberst montiert, so dass zwei Strings betroffen waren.
    Offenbar lief Kondenswasser an den Modulrückseiten in die Anschlussdosen der Module. Im Tagesverlauf verdunstete es meist wieder und die Wechselrichter starteten.
    Nach dem Drehen der Module um 180 Grad verschwand der Fehler.

    1. Dankeschön, guter Hinweis. Eigentlich plädiere ich ja immer dafür die Moduldosen in Richtung des Wartungsganges zu legen. Bei einigen Modulen ist es aber, aus dem oben beschriebenen Grund, untersagt, sie mit der Dose nach unten zu verlegen.
      Matthias Diehl

  2. Vielen Dank für diesen interessanten, sehr guten Artikel!
    Das Messgerät Keysight U1461A ist nicht mehr erhältlich, aber zum Beispiel das Benning IT 101 mit 1000V bis zu 20GOhm oder das VOLTCRAFT ET-200 mit vergleichbaren Spezifikationen sollten hier auch geeignet sein.
    Die Liste ließe sich fast beliebig ergänzen

  3. Hallo Herr Diehl,

    ja das Thema ist leider für einige Anlagen existenziell geworden. Zumal die Hersteller, so noch am Markt, mittlerweile kaum noch Interesse an schnellen kulanten Lösungen zeigen.
    Natürlich sollte man die Sachlage auch von der Gegenseite aus betrachten. Welcher Wert muss denn laut Vorschrift eingehalten werden, um den gefahrlosen Betrieb der Anlage gewährleisten zu können.
    Das man technisch einiges tun kann um relativ kostenneutral den Ausfall zu umgehen, ist die eine Seite. Die Sicherheit die auf dem Spiel steht die andere Seite. Um es abzukürzen, es werden Werte von 200MOhm je Modul einen Anlagenbetreiber nicht veranlassen da einen Fehler zu vermuten. Bei 1Mohm je 1000V DC auf Stringebene gilt der String als sicher. Das einzelne Module da schon Werte unter 40 Mohm je Quadratmeter haben und somit theoretisch zu wechseln sind, muss ja so sein. Der String hätte ja sonst einen höheren Wert. Es wird daher immer eine Abwägung bleiben, gerade bei Freilandanlagen. Die Kostenseite darf man leider nie aus den Augen verlieren, auch wenn Sie vom technischen Standpunkt aus natürlich völlig recht haben. Mich würde interessieren ob Sie aus Ihrer Erfahrung heraus sagen können, dass es überhaupt Module gibt, die nach einer gewissen Laufzeit Werte über 1000 Mohm haben. Noch dazu bei den angesprochenen Bedingungen, wie Regen oder hohe Luftfeuchtigkeit. Systembedingt würde ich dies aus meiner Erfahrung verneinen.
    Viele Grüße Torsten Buchwald

  4. Hallo Hr. Diehl,

    vielen Dank für den guten Artikel. Das Thema ISO Fehler tritt leider sehr häufig auf und ist in der Fehlerfindung aus meiner Sicht sehr aufwändig. Es gibt aber ein Meßgerät was sehr gute zur Lokalisation genutzt werden kann. Das ist der PV ISOTest. Der rechent auch gleich aus wo sich im Strang an welcher Stelle der Fehler befinden könnte.
    Viele Grüße Danny Hübner

Schreiben Sie einen Kommentar

Ihre E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.

Bitte geben Sie folgende Zeichen ein: *