Schutzpotentialausgleich bei Solaranlagen – Normen, Umsetzung und Tipps

Was versteht man unter einem Schutzpotentialausgleich und warum ist er besonders wichtig bei Solaranlagen?

Alle elektrischen Anlagen benötigen einen Schutz vor Überspannungen, Stromschlägen und möglichen elektrischen Schäden. Gleiches gilt für Solaranlagen. 

Im Zusammenhang mit der Installation fallen daher häufig Begriffe wie Potentialausgleich, Schutzpotentialausgleich oder Erdung – sowohl beim Neubau als auch beim Nachrüsten einer PV-Anlage. 

Wir klären nachfolgend die wichtigsten Begriffe und gehen darauf ein, warum ein Schutzpotentialausgleich bei Solaranlagen notwendig ist.

Begriffsklärung: Potentialausgleich und Erdung

Hier ist eine klare Begriffsklärung notwendig, denn der Schutzpotentialausgleich ist eine spezielle Form des Potentialausgleichs. 

Der Potentialausgleich umfasst die Verbindung aller leitfähigen Teile der Anlage, um Spannungsdifferenzen auszugleichen, und unterteilt sich unter anderem in:

• Schutzpotentialausgleich: Dieser ist ehemals unter dem Begriff Hauptpotentialausgleich bekannt und dient dem Schutz vor elektrischen Schlägen. Bei einem Fehler, wie zum Beispiel einem Kurzschluss, können nämlich gefährliche Spannungen zwischen verschiedenen leitfähigen Teilen auftreten. Der Schutzpotentialausgleich reduziert diese Spannungsunterschiede bei der Solaranlage und senkt so das Risiko eines elektrischen Schlages.
• Funktionspotentialausgleich: Der Funktionspotentialausgleich sorgt dafür, dass elektrische Anlagen und Geräte reibungslos arbeiten. Im Gegensatz zum Schutzpotentialausgleich übernimmt er damit keine Schutzfunktion. Er dient primär dem Zweck, Störungen wie elektromagnetische Einflüsse zu verringern.

Die Erdung hingegen bedeutet, dass es eine Verbindung von der Anlage (gesamt oder Teile davon) zur Erde gibt, damit die elektrischen Ströme bei Überspannungen oder Blitzeinschlägen in die Erde abgeleitet werden können. 

Auch hier unterscheidet man zwischen Schutzerdung und Funktionserdung. Während die Schutzerdung dem Schutz von Personen durch Stromschläge dient, dient die Funktionserdung betrieblichen Gründen.

In der Praxis fallen die Begriffe Potentialausgleich und Erdung oft als Synonym. Genaugenommen handelt es sich beim Potentialausgleich jedoch um eine Verbindung zwischen den einzelnen Teilen einer Anlage.

Die Erdung hingegen dient der Ableitung elektrischer Ströme in die Erde. In der Regel wird ein Schutzpotentialausgleich sowie eine Erdung jedoch kombiniert, um Spannungsunterschiede auszugleichen sowie Berührungsspannungen zu vermeiden.

Die Wichtigkeit eines Schutzpotentialausgleichs bei Solaranlagen

Photovoltaik-Anlagen (PV) befinden sich oft auf Dächern, wo sie dem Wetter ausgeliefert sind und ein mögliches Ziel für Blitzeinschläge darstellen können. Ein Schutzpotentialausgleich sowie eine Schutzerdung der PV birgt daher folgende Vorteile:

• Sie erhalten einen zuverlässigen Überspannungsschutz der Solaranlage.
• Sie schützen verbundene Geräte, Anlagen und andere technische Geräte.
• Sie reduzieren das Risiko von Schäden, Ausfällen sowie Bränden.
• Sie erhöhen die Lebensdauer der Anlage.
• Sie reduzieren elektromagnetische Störungen.

Zudem ist die Sicherheit einer Anlage nicht nur eine Frage der Vorteile. Sie sind gemäß gesetzlicher Vorgaben und Normen dazu verpflichtet.

Gesetzliche Vorgaben & Normen zum Schutzpotentialausgleich

Die DIN VDE 0100 gilt als Grundlage für die Planung und Errichtung von sicheren elektrischen Anlagen. Darüber hinaus gelten folgende Normen, die Sie bei Solaranlagen beachten müssen:

Weitere Normen, auf die Sie einen Blick werfen sollten:

• DIN VDE 0100-443 für den Überspannungsschutz beim Speisepunkt auf der AC-Seite
• DIN VDE 0100-534 für die Installation von Schutzgeräten
• DIN EN 50521 für Photovoltaik-Steckverbinder 
• DIN EN 50618 für Photovoltaik-DC-Kabel

Technische Umsetzung in der Praxis

Für einen Schutzpotentialausgleich bei Solaranlagen müssen Sie alle relevanten Komponenten einbeziehen und normgerechte Kabel verwenden. Zudem gibt es unterschiedliche Arten, diese anzuschließen, um den Schutzpotentialausgleich aufzubauen.

Welche Komponenten müssen Sie einbeziehen?

Für einen korrekten Schutzpotentialausgleich bei der Solaranlage müssen Sie sämtliche metallischen Teile einbeziehen, die mit der Verkabelung in Verbindung kommen.  

Dazu zählen auch:

• Gestell und Montageelemente
• Solarmodule
• Metallrahmen und Gehäuse
• Kabelkanäle
• Leitungsschutzrohre
• Wechselrichter
• Überspannungsschutzgeräte

Gibt es weitere leitfähige Teile, die mit den Komponenten in Berührung kommen, etwa eine Wasser- oder Rohrleitung, die ins Haus führt? Dann müssen Sie auch diese bei der Schutzerdung der PV einbeziehen.

Auswahl des Kabels und Anschlussart

Gemäß den Normen müssen Sie auf korrosionsbeständige Materialien setzen. Dafür kommen beispielsweise Kupfer oder Aluminium infrage. 

Kupfer eignet sich besonders gut, da es widerstandsfähiger ist und eine höhere Leitfähigkeit besitzt. Dadurch können Sie einen niedrigeren Querschnitt für den Schutzpotentialausgleich wählen als bei Aluminium. Während der Mindestquerschnitt bei Kupfer 6 mm² beträgt, liegt dieser bei Aluminium bei 16 mm².

Bei einem Blitzschutzsystem erhöht sich der Querschnitt und Sie benötigen 16 mm² bei Kupfer bzw. 25 mm² bei Aluminium. Aluminium hat hingegen den Vorteil, dass es leichter und kostengünstiger ist. Es ist jedoch weniger flexibel und leitfähiger als Kupfer. Die Isolierung sollte zudem dick genug sein. Auch eine UV-Beständigkeit der Kabel ist bei Solaranlagen von Vorteil.

Sollten Sie lieber zu einem festen Leiter oder einer Litze greifen? 

Zwar ist ein fester Leiter stabiler und besitzt oft eine höhere Korrosionsbeständigkeit, dennoch bergen Litzen einige Vorteile. Durch ihre höhere Flexibilität sinkt beispielsweise die Bruchgefahr und sie können diese dadurch einfacher verlegen.

Geht es um die Anschlussart, können Sie je nach Anlage und Bedingungen zwischen folgenden Optionen wählen:

• Schraubklemmen: Diese verbinden Kabel und Drähte durch das Festziehen einer Schraube, welche die Leiter mechanisch fixiert. Der Vorteil? Es ist eine einfache Installation, für die Sie kein zusätzliches Material benötigen. Der Nachteil liegt jedoch in der Fehleranfälligkeit. Ziehen Sie die Schrauben nicht eng genug an, kann es zu einem Wackelkontakt kommen. Ziehen Sie diese zu fest, können Sie das Kabel beschädigen. Mit der Zeit kann sich die Schraube zudem von allein lockern und Sie müssen sie nachziehen.
• Bolzenverbindungen: Hier stellen Sie die Verbindung durch einen Bolzen und eine Mutter her, welche die Leiter fixieren. Der Vorteil liegt in der Stabilität der Verbindung, der Sicherheit, dem geringen elektrischen Widerstand und der Wiederverwendbarkeit. Die Verbindungsstelle nimmt jedoch etwas mehr Platz ein, was in einem geschlossenen System eine Herausforderung sein kann.
• Pressverbindungen: Bei der Pressverbindung stellen Sie eine Verbindung durch das Verpressen von Leitern und speziell geformten Hülsen oder Klemmen her. Dafür können Sie beispielsweise eine Crimpzange verwenden. Es entsteht eine stabile, platzsparende Verbindung mit guter Leitfähigkeit. Die Verbindung lässt sich jedoch schwerer wieder lösen.

Achtung: Kabelverbindungen für einen Schutzpotentialausgleich können Sie bei einer Solaranlage nicht löten. Denn dies kann bei den hohen Spannungen und Strömen zu Kurzschlüssen und Bränden führen.

So bauen Sie einen Schutzpotentialausgleich bei Solaranlagen auf

Um einen Schutzpotentialausgleich herzustellen, können Sie in folgenden Schritten vorgehen:

• Schritt 1 - Planung und Vorbereitung: Definieren Sie Komponenten, welche Sie für den Schutzpotentialausgleich der Solaranlage einbeziehen müssen. Wählen Sie zum Projekt passende Materialien aus und errechnen Sie die benötigten Kabelmengen. Steht die Skizze und ist das Material da, kann es losgehen.
• Schritt 2 - Zentraler Potentialausgleich: Verbinden Sie alle leitfähigen Komponenten mit einem Schutzpotentialausgleichsleiter und lassen Sie diese an einem zentralen Punkt zusammenlaufen.
• Schritt 3 - Verbindung zur Haupterdungsschiene: Die Haupterdungsschiene ist der zentrale Punkt, an dem sämtliche Erdungsverbindungen zusammenlaufen. Sie müssen die Solaranlage für den Schutzpotentialausgleich mit diesem verbinden. Es kommt entweder eine sternförmige oder eine kombinierte Verlegung infrage. Bei einer sternförmigen Verlegung verbinden Sie jedes Element einzeln mit der Haupterdungsschiene. Eine kombinierte Potentialausgleichsanlage sorgt hingegen dafür, dass alle wichtigen Teile eines Systems über einen im Beton verlegten Leiter miteinander verbunden sind. Dadurch entsteht ein gemeinsames, engmaschiges Netz, das sowohl Schutz als auch Funktionssicherheit bietet und elektrische Spannungen zuverlässig ausgleicht.
• Schritt 4 - Dokumentation: Dokumentieren Sie Bauteile, Kabelart, Verlegung, Messerwerte, Verbindungsstellen und die Arbeitsschritte, um diese bei einer späteren Prüfung nachzuweisen. 
• Schritt 5 - Prüfung und Inbetriebnahme: Prüfen Sie die Anlage auf Funktionsfähigkeit und nehmen Sie diese erst dann in Betrieb.

Integration in Blitz- und Überspannungsschutz

Der Blitzschutz und der Schutzpotentialausgleich arbeiten bei der Solaranlage Hand in Hand. So können Sie den äußeren sowie inneren Blitzschutz unterscheiden. 

Der äußere Schutz fängt den Blitz ein und leitet ihn zur Erdungsanlage. Der Schutzpotentialausgleich ist hingegen Teil des inneren Blitzschutzes – es vermeidet Spannungsunterschiede bei einem Blitzeinschlag. Anders gesagt: Das Blitzschutzsystem leitet den Blitz ab, während der Schutzpotentialausgleich die Auswirkung auf die Anlage und das Gebäude senkt.

Auch der Überspannungsschutz ist Teil des inneren Blitzschutzes. Er ist wichtig, um elektrische und elektronische Geräte vor Schäden durch Blitzeinschläge oder andere Spannungsanstiege zu schützen. Hiervon gibt es unterschiedliche Gerätetypen, die Sie für einen Überspannungsschutz bei Solaranlagen anbringen können.

Die Schutzerdung der PV-Anlage ist auch davon abhängig, ob es sich um eine netzgekoppelte Anlage oder eine Inselanlage handelt. 

Netzgekoppelte Solaranlagen benötigen einen umfassenden Blitzschutz, da sie mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden sind. Hierzu gehört die Einbindung aller leitfähigen Teile in den zentralen Potentialausgleich, aber auch eine sorgfältige Erdung sowie Überspannungsschutzgeräte auf der DC- und AC-Seite zum Schutz vor Netzüberspannungen. Sie erfordern zudem einen Schutz gegen Netzrückwirkungen.

Inselanlagen hingegen arbeiten unabhängig vom Netz und verwenden meist einen eigenen Erdungspunkt. Der Fokus beim Blitzschutz? Der Schutz empfindlicher Komponenten. Kombinieren Sie Geräte unterschiedlicher Klasse, etwa Typ 1 an der Hauptverteilung, Typ 2 am Unterverteiler und Typ 3 direkt am Gerät.

Praxis-Tipps für Installateure

Abschließend haben wir noch einige praktische Tipps für Installateure, die einen Schutzpotentialausgleich bei einer Solaranlage planen und umsetzen:

• Vermeiden Sie typische Fehler, etwa einen Materialmix, der zur Korrosion führen kann, falsche Kabelquerschnitte oder lose Kabelverbindungen.
• Installieren Sie die Anlage so, dass Kabel und Geräte gut zugänglich für die Wartungsarbeiten sind.
• Schützen Sie empfindliche Bauteile vor mechanischer Beschädigung.
• Denken Sie an Schutz vor UV-Strahlung und verwenden Sie daher nur UV-beständige Kabel für die Installation.
• Studieren Sie ausführlich die geltenden Normen und machen Sie sich mit Regelungen und Vorgaben vertraut. 
• Seien Sie sorgfältig bei der Dokumentation und erfassen Sie Messwerte, Übergabepunkte und die Spezifikationen verwendeter Materialien.
• Verwenden Sie nur geeignete Leitungen für Solaranlagen, z. B. die Solarleitungen von KBE Elektrotechnik.

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