Messung des Isolationswiderstandes an Photovoltaikanlagen

In einem etwas älteren Artikel hatte ich schon mal über Isolationsfehler an Photovoltaikanlagen geschrieben. Dort wurde in das Thema jedoch erstmal allgemein eingeführt. In diesem Artikel soll es nun darum gehen, wie man mit sogenannten ISO Fehlern in der Praxis umgeht und wie man diese möglichst rasch findet.

Isolationsfehler oder kurz ISO-Fehler zählen – neben abgelösten Zellverbindern – sicherlich zu den häufigsten Fehlern, die an Photovoltaikanlagen auftreten. Es handelt sich hierbei meist um schleichende Fehler, die sich irgendwann in aller Regel dadurch bemerkbar machen, dass einzelne Wechselrichter einer größeren PV-Anlage morgens später einschalten als andere.  Die Isolationswerte von Solarmodulen hängen sehr stark davon ab, ob die Module trocken oder feucht sind. Ist der Isolationswiderstand ohnehin schon sehr niedrig, wird er insbesondere an feuchten Tagen unter den zulässigen Grenzwert von 1MOhm rutschen (bei einer Systemspannung von 1000V). Da der Wechselrichter immer morgens vor dem Zuschalten eine Isolationsprüfung durchführt, wird dieser Fehler insbesondere dann festgestellt, wenn sich auf den Modulen noch der morgendliche Tau befindet.

Das Bild zeigt wie ein ISO Fehler am Überwachungsportal entdeckt werden kann.
Das Bild zeigt, wie ein ISO Fehler am Überwachungsportal entdeckt werden kann.

Wenn der ISO Wert ständig zu niedrig ist (<1MOhm)
Neben dem  ohmschen Isolationswiderstand gibt es auch noch eine parasitäre Kapazität aller Solarzellen eines Modulstranges gegen Erde, also gegen das Potenzial der Unterkonstruktion. Warum erwähne ich das?  Nun, die Messung des Isolationswiderstandes erfolgt durch die Wechselrichter für einen definierten Zeitraum, der sich ähnlich wie beim Benning PV-1-1, einem in der PV-Branche weit verbreiteten Messgerät, irgendwo im Bereich von einer Sekunde bewegt. Das heißt es wird zunächst der Solargenerator kurzgeschlossen und dann wird eine Prüfspannung von 1000V (oder -1000V wie beim Benning PV-1-1) auf den Kurzschlusspunkt gegen Erde angelegt. Anschließend wird der Strom gemessen und mit Hilfe des Ohmschen Gesetzes R=U/I der Isolationswiderstand bestimmt. Soweit die Theorie. Was passiert nun, wenn es parallel zum Isolationswiderstand noch eine “parasitäre” Kapazität, also einen Kondensator gegen Erde gibt ? Dieser Kondensator muss durch das Messgerät zunächst aufgeladen werden und je nach Innenwiderstand des Messgerätes und Größe des parasitären Kondensators, kann das schon mal einen kleinen Moment dauern.

Das Schaltbild zeigt die über den Modulstrang verteilten Isolationswiderstände und die parallelen parasitären Kapazitäten gegen Erde
Das Schaltbild zeigt die über den Modulstrang verteilten Isolationswiderstände und die parallelen parasitären Kapazitäten gegen Erde

Wenn die Dauer der Aufladung der Kapazität nicht mindestens um den Faktor 10 kürzer ist als die Messdauer der ISO Prüfung, kann das Messergebnis dadurch verfälscht werden. In Frankreich ist es zum Beispiel üblich, jeden Modulrahmen noch einmal extra zu erden. Liegt die Anlage zudem auch noch auf einem Blechdach, so kann die parasitäre Kapazität so groß werden, dass man stets bei der ISO-Prüfung mit einem Benning PV-1-1 unter 1MOhm misst.

In Frankreich ist es üblich die Modulrahmen zu erden
In Frankreich ist es üblich, die Modulrahmen zu erden

Kontrolliert man die Messung anschließend mit einem anderen ISO Messgerät, z.B. einem Keysight U1461A, bei dem man die Prüfspannung über einen längeren Zeitraum anlegen kann, so stellt man fest, dass die Werte doch im zulässigen Bereich, deutlich über 1MOhm liegen. Durch das längere Drücken der Prüftaste wird zunächst der parasitäre Kondensator geladen und dann erst eine ISO Messung durchgeführt. Bei Dünnschichtmodulen, bei denen eine Metallfolie in die Rückseite einlaminiert wurde, haben wir schon ähnliche Feststellungen gemacht. Es gilt also die Regel: Nicht immer, wenn der ISO Wert zu niedrig gemessen wird, ist er also auch real zu niedrig. Manchmal ist das gewählte Messverfahren daran schuld. Oft hat der Installateur dann auch schon an den Einstellungen des Wechselrichters rumgefummelt, da dieser auch ständig “falsche” ISO Fehler diagnostiziert hat. Bei Standardmodulen sollte das allerdings normalerweise nicht passieren.

Wenn der ISO Wert ständig zu groß ist. (über 199MOhm beim Benning PV-1-1)
Typische Werte für den ISO Widerstand eines Modulstranges liegen so zwischen 60MOhm und  200MOhm. Bei Schrägdachanlagen eher etwas niedriger, bei Flachdachanlagen auch mal etwas höher. Misst man bei der Überprüfung der Modulstränge nach DIN EN62446 allerdings bei jedem Strang >199MOhm ist Misstrauen angesagt. Dies ist z.B. beim Benning PV-1-1 nämlich der Maximalwert, den man auch angezeigt bekommt, wenn man die Erdung überhaupt nicht am Messgerät angeschlossen hat. Daher sollte man es sich bei jeder ISO-Messung zur Gewohnheit machen, zunächst zu überprüfen, ob der Punkt den man als Erde ausgewählt hat auch tatsächlich mit der Unterkonstruktion des Solargenerators verbunden ist.
Nur wenn das der Fall ist, kann eine ISO Messung überhaupt sinnvoll durchgeführt werden. Auch hierfür hält das Benning PV-1-1 eine Prüffunktion bereit, die mit Rpe gekennzeichnet ist. Man schließt zunächst beide Kontakte kurz und kalibriert das Gerät, um nicht den Widerstand der Messleitung mit zu messen. Dann misst man den Ohmschen Widerstand zwischen dem Erdungspunkt (meist an der Wechselrichterstation) und an der Unterkonstruktion des Solargenerators. Dieser sollte unter 1 Ohm liegen. Nur so ist sichergestellt, dass man später auch plausible ISO Werte messen kann.

Mit der Durchgangsprüfung kann man sicherstellen, das der für die Messung benutzte Erdungspunkt auch mit der Unterkonstruktion des Solargenerators verbunden ist.
Mit der Durchgangsprüfung kann man sicherstellen, dass der für die Messung benutzte Erdungspunkt auch mit der Unterkonstruktion des Solargenerators verbunden ist. (Quelle: Benning Handbuch, Remy Wedig, PV-Control)

Welches ISO Messgerät für welche Anwendung ?
Um einfach mal schnell alle ISO Werte aller Modulstränge einer Anlage zu checken, nutzen wir meistens das Benning PV-1-1 (wir machen hier keine Werbung für das Gerät und mit einem HT kann man das sicher auch machen. Das Benning PV-1-1 stammt übrigens im Original von Seaward).

Das Bild zeigt zwei Messgeräte vom Typ Benning PV-1
Wir machen ISO Messungen typischerweise mit 2 Benning PV-1-1. Gerät 1 verbleibt als Referenz in Strang 1 und Gerät 2 wandert durch alle Modulstränge…

Für die Fehlersuche ist es oft nötig, die Prüfspannung für einen längeren Zeitraum anzulegen. Dafür ist das Benning nicht geeignet. Hier bietet sich ein Standard Isolationsmessgerät aus der Elektroinstallation an, z.B. das Fluke 1654. Das Kurzschließen des Solargenerators muss man dann jedoch mit einem DC Schalter manuell erledigen und darauf achten, dass dieser auch die volle Leerlaufspannung und den vollen Kurzschlussstrom des gemessenen Solargeneratorstranges schalten kann. Das dauert länger als beim Benning, das das Kurzschließen automatisch erledigt.

Typische Isolationsmessung in der Praxis
Typische Isolationsmessung in der Praxis: Es sollten immer zunächst alle Modulstränge vom Wechselrichter getrennt werden.

Bei der Messung von Einzelmodulen muss man ISO-Werte bis in den GigaOhm Bereich hinein messen können.  Dafür nutzen wir ein Keysight UF1461A.

Wie sieht ein typischer Messablauf aus ?
das nachfolgende Oszillogramm zeigt einen typischen Messablauf einer Isolationsmessung mit einem Benning PV-1-1. Die Messung läuft in folgenden Phasen ab:

  • Zunächst wird die Leerlaufspannung des Modulstranges und deren Polarität gemessen
  • Dann wird der Solargenerator kurzgeschlossen.
  • Dann wird die eigentliche ISO Messung durchgeführt (für einen Zeitraum von ca. 0,8s)
  • Dann wird der Kurzschluss wieder aufgelöst und die Messergebnisse werden angezeigt
Das Oszillogramm zeigt den vollständigen Prüfablauf einer ISO Prüfung mit dem Benning PV-1-1
Das Oszillogramm zeigt den vollständigen Prüfablauf einer ISO Prüfung mit dem Benning PV-1-1 (Quelle: Remy Wedig, PV-Control)

Soweit wäre damit zunächst mal der Vorgang der Isolationsmessung, wie er in der DIN EN 62446 gefordert wird, erklärt. Im nächsten Durchgang kommt dann der kniffligere Teil. Was macht man, wenn das Messgerät einen zu niedrigen Isolationswert anzeigt. Es wird dabei der Frage nachgegangen, wie ein typischer Isolationsfehler aussieht, wie man ihn im Modulstrang oder auf dem Kabel lokalisieren kann und welche Tipps man den Installateuren mit auf den Weg geben sollte, damit es gar nicht erst zu ISO Fehlern kommt.

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