Praxisreport: Knifflige Ursachensuche nach einem PV-Brand

Diese Idee war nicht genial

Nachdem sie Kenntnis von den Feuerwehrschaltern hatten, sind die Sachverständigen aufs Dach geklettert, um die Schalter zu suchen. Fündig wurden sie in einem metallischen Kabelkanal, in den die Schalter einfach reingelegt waren. Jeder der Schalter hatte zwei Eingänge, die jeweils mit MC4-Einbausteckern zugänglich waren.

Um nicht neun dieser Schalter für die 18 Modulstränge verbauen zu müssen, hatte der Installateur die Idee, jeweils drei Modulstränge auf dem Dach parallel zu schalten.

Dies geschah allerdings nicht in einem Gleichstromanschlusskasten, sondern mithilfe zweier MC-Y-Stecker, die zu diesem Zweck in Reihe geschaltet wurden. Nach dem Feuerwehrschalter wurden die Leitungen dann ebenfalls mit Y-Steckern wieder aufgesplittet, sodass die alten Kabel weiterverwendet werden konnten (siehe Schema).

Es ist nachvollziehbar, warum diese Art der Installation gewählt wurde. Man wollte mit möglichst geringem Aufwand den Feuerwehrschalter irgendwie einbauen. „Reinfuddeln“ wäre der bessere Begriff. Schon an dieser Stelle muss man aus sachverständiger Sicht sagen: Das geht gar nicht.

Entweder man baut in der Tat neun Feuerwehrschalter für 18 Modulstränge ein oder man verlegt die ohnehin vorhandenen DC-Anschlusskästen auf das Dach und baut den Feuerwehrschalter in diese Kästen ein.

Dann erfolgt die Parallelschaltung auf dem Dach und es werden sechs neue DC-Leitungen mit größerem Leitungsquerschnitt zu den drei Wechselrichtern im Keller verlegt. Dazu sei ergänzt, dass jeder Wechselrichter zwei MPP-Tracker hatte.

Messungen zeigten nichts Auffälliges

Zum Messen der einzelnen Stränge wurden diese zunächst beschriftet, da die Kabel einfach auf dem Dach aufgetrennt wurden, um den Feuerwehrschalter einzubauen, ohne zu kennzeichnen, um welchen Modulstrang es sich jeweils handelte.

Dann wurden die MC-Steckverbinder an den Y-Steckern geöffnet, um die Spannung, den Kurzschlussstrom und den Isolationswiderstand mit einem Benning PV 1-1 zu messen. Am ersten Feuerwehrschalter waren alle Werte normal.

Es fiel lediglich auf, dass man die Steckverbinder falsch aufgecrimpt hatte. Die Plusleitungen waren alle mit einem Minusstecker versehen und die Minusleitungen mit einem Plusstecker.

Nach der Verpolung am Messgerät ließen sich aber alle Stränge einwandfrei messen. Beim zweiten Feuerwehrschalter waren die Stecker dann plötzlich wieder korrekt gecrimpt. Bis auf einen – doch dazu später mehr.

Nachdem an den Modulsträngen keine Auffälligkeiten beobachtet werden konnten, warteten Diehl und Kollegen die Dunkelheit ab und begannen ihre Messungen: Dunkelkennlinien, Elektrolumineszenz, Rückstromthermografie.

Die Dunkelkennlinien zeigten keinerlei Auffälligkeiten und die Kurven der einzelnen Stränge lagen einwandfrei übereinander. Ein Strang wie der andere. Auch die Elektrolumineszenz brachte als Ergebnis nur einige hochohmige Frontkontakte, also Zellen, bei denen die Stromverteilung nicht mehr gleichmäßig war und bei denen ein Frontkontakt einen höheren Strom führte als der andere.

Es handelte sich noch um Zellen mit nur zwei Busbars. Die Thermografieuntersuchung zeigte allerdings keine großen Temperaturunterschiede.

Kreuzverbindung von Steckern

Durch diesen Fehler an den Zellen konnte nie und nimmer ein Brand verursacht worden sein. Mittlerweile wurden an einigen Stellen Steckverbinder gefunden, die einfach auf dem Dach lagen. Wie so oft waren an einigen Stellen die Verschraubungen an den Steckverbindern nicht korrekt zugedreht und an den Gleichstromhauptleitungen, also am Ende des jeweiligen Modulstranges, wurden sogenannte Kreuzverbindungen gemacht.

Kreuzverbindungen sind Steckverbindungen von Steckern verschiedener Hersteller, die zueinander kompatibel sein sollen. Beim Versagen einer solchen Verbindung verweigern allerdings in aller Regel beide Steckerhersteller jeweils die Gewährleistung, da jeder Hersteller immer nur Verbindungen seiner Stecker prüft.

Es sei an dieser Stelle daher allen Installateuren dringend empfohlen, solche Verbindungen nicht zu stecken. Das Gewährleistungsrisiko verbleibt am Ende immer beim Installateur. Man hatte also die Steckverbinder im Verdacht. Eindeutig sicher war das jedoch nicht.

Da das Wetter am nächsten Tag sehr gut werden sollte, beschlossen die Sachverständigen, zusätzlich zu den Nachtuntersuchungen am nächsten Tag noch einmal die Hellkennlinien aller Modulstränge zu messen. Vielleicht ließ sich ja hierdurch noch mal eine zusätzliche Erkenntnis gewinnen.

Auf den Hellkennlinien, die am nächsten Tag gemessen wurden, waren zwar starke Spuren von Verschmutzung der Module zu erkennen, aber es gab keinen Hinweis darauf, wie der Brand hätte verursacht werden können.

Sie hatten lediglich wieder mit diesen Steckern zu kämpfen, die an einigen Strängen falsch herum aufgecrimpt waren. Plusstecker auf den Minusleitungen und umgekehrt. Ständig musste das Kennlinienmessgerät umgepolt werden. Diehl hatte am Vortag noch den Kollegen darauf aufmerksam gemacht, dass man diese Stecker auswechseln müsse, damit man nicht mal aus Versehen zwei Stränge in Reihe schalten würde.

Der entscheidende Geistesblitz

Der entscheidende Geistesblitz kam aber erst, als der Kollege fragte, ob nicht durch die falschen Stecker schon jetzt an der Y-Verbindung ein Strom von einem Strang in den anderen rückgespeist werden könne. Da fiel es allen plötzlich wie Schuppen von den Augen. Das Desaster war bereits eingetreten. An allen Y-Steckern waren entweder alle Plusleitungen mit Plussteckern oder alle Plusleitungen mit Minussteckern versehen.

Bis auf eine Y-Verbindung. Dort gab es zwei von der einen und einen von der anderen Sorte. Und das waren genau die drei Stränge, die vom Brand betroffen waren.

Die drei Reststränge (29 Module waren ja bereits verbrannt vom Dach entfernt worden) wurden mit einer DC-Verlängerung wieder geschlossen , sodass die verbliebenen Module noch vermessen werden konnten. Es war dort also nicht eine Parallelschaltung von drei Modulsträngen erfolgt, so wie es geplant war.

Es wurden stattdessen zwei Stränge parallel geschaltet und diese Parallelschaltung wurde anschließend mit dem dritten Strang in Reihe verschaltet. Um besser verstehen zu können, was genau passiert, wenn man zwei parallel geschaltete Stränge mit einem dritten Modulstrang antiparallel verschaltet, hat der Autor ein Schema gezeichnet, bei dem zwei parallel geschaltete Solarmodule mit einem dritten Modul antiparallel verschaltet wurden.

Das ist vom Prinzip her vergleichbar. Lediglich die umgesetzte Verlustleistung in den Zellen ist geringer und es fängt nicht gleich an zu brennen.

Die Verschaltung war’s

Wie man im Bild erkennen kann, fließt der Strom quasi in einem Kurzschlusskreis. Die beiden parallelen Stränge können allerdings doppelt so viel Strom treiben wie der eine verpolte Strang. Das ist wie ein kurzgeschlossener Modulstrang, bei dem einige Zellen zur Hälfte verschattet sind.

An diesen Modulen würden sofort die Bypassdioden leitend werden, weil die verschatteten Zellen nicht dazu in der Lage sind, den vollen Kurzschlussstrom zu tragen. In diesem Fall ist der verpolte Strang nicht in der Lage, den doppelten Kurzschlussstrom zu tragen, also werden dessen Bypassdioden aktiv.

Diese Dioden sind allerdings nur dafür ausgelegt, den einfachen Kurzschlussstrom für einige Zeit zu führen. Versucht man, einen höheren Strom für längere Zeit hindurchzutreiben, werden irgendwann die ersten Dioden kaputt gehen und der Strom kann nur noch durch die Solarzellen fließen.

Dioden brechen durch

Nun ist eine Solarzelle oberhalb des Kurzschlussstromes nichts anderes als eine Diode in Sperrichtung. Diese Diode kann maximal 14 bis 15 Volt Sperrspannung aufnehmen, bevor sie elektrisch durchbricht. Man kennt in der Elektronik dieses Phänomen von Zener-Dioden, die speziell dafür ausgelegt sind, im Durchbruch betrieben zu werden.

Solarzellen sind dafür nicht ausgelegt und werden sehr schnell extrem heiß. Nun überbrückt eine Bypassdiode immer 20 Solarzellen in einem 60-Zellen-Modul, sodass eine Spannung von 280 bis 300 Volt notwendig ist, um alle 20 Zellen in den Durchbruch zu bringen. Die Spannung der beiden parallel geschalteten Modulstränge in diesem Beispiel reicht dazu locker aus.

Bei voller Sonne fließen, getrieben von den zwei parallelen Strängen, rund 18 Ampere. Bei einer Spannung von 300 Volt ergibt sich daraus eine in den 20 Zellen umgesetzte Verlustleistung von bis zu 5,4 Kilowatt. Offenbar ist die dabei entstehende Hitze so groß, dass sich irgendwann die Rückseitenfolie entzünden kann und schließlich das ganze Modul in Flammen steht.

Was daraus zu lernen ist

Welche Auswirkungen das Ganze dann hatte, sieht man auf den Fotos. Wenn es schlecht ausgeht und unter der Dachbahn eine brennbare Dämmung liegt, so kann sich im ungünstigsten Fall auf diese Weise das ganze Dach entzünden.

Man kann an diesem Beispiel erkennen, wie wichtig es ist, die Gleichstromleitungen einer Anlage sorgfältig zu verlegen.

Zur sorgfältigen Verlegung gehört es auch, einen hochwertigen Gleichstromanschlusskasten (Combinerbox) zu montieren, in dem alle Modulstränge sowohl auf der Plus- als auch auf der Minusseite abgesichert werden, und zwar mit speziellen DC-Sicherungen, von denen alle Sicherungen dazu in der Lage sein müssen, die vollständige Leerlaufspannung aufzunehmen.

Außerdem ist es unverantwortlich, größere Photovoltaikanlagen ohne jegliches Monitoring auf Strangebene zu betreiben.

Dieser Artikel von Matthias Diehl ist zuerst erschienen in photovoltaik Ausgabe: 03-2019. Matthias Diehl ist vereidigter Sachverständiger für Photovoltaik und photovoltaische Anlagentechnik, bestellt von der IHK Darmstadt. Gemeinsam mit Tina Ternus betreibt er das Photovoltaikbüro in Rüsselsheim. www.photovoltaikbuero.de