Lichtbogenerkennung (AFCI)

Was ein AFCI erkennt und tut

Ein AFCI (Arc Fault Circuit Interrupter) überwacht den Gleichstromkreis zwischen Modulen und Wechselrichter auf die Signatur eines Lichtbogens. Ein brennender Lichtbogen prägt dem Stringstrom ein breitbandiges Rauschen im Bereich von einigen Kilohertz bis mehreren hundert Kilohertz auf. Der Detektor filtert dieses Spektrum, vergleicht es mit dem Normalbetrieb und schaltet bei Übereinstimmung innerhalb von Sekundenbruchteilen ab. Die Abschaltung erfolgt durch Unterbrechung des Stromflusses im Wechselrichter oder durch ein Schaltorgan im String. Ohne Strom erlischt der Lichtbogen.

Die Normen unterscheiden zwei Gerätearten:

In Wechselrichtern ist die Funktion meist integriert. Externe Geräte für Nachrüstungen sitzen im Generatoranschlusskasten.

Serielle und parallele Lichtbögen

Ein serieller Lichtbogen entsteht in einer Unterbrechung des Strompfads: ein nicht vollständig gesteckter Steckverbinder, eine gebrochene Lötverbindung in der Anschlussdose, ein von Mardern angenagtes Kabel oder eine korrodierte Klemme. Der Stringstrom von 10 bis 18 A reicht aus, um den Spalt zu überbrücken. Mit 600 bis 1.000 V Stringspannung erlischt der Bogen nicht von selbst, anders als bei Wechselstrom, der 100-mal pro Sekunde durch null geht. Serielle Lichtbögen sind die häufigste Form und das eigentliche Ziel von AFCI.

Ein paralleler Lichtbogen brennt zwischen Plus und Minus oder zwischen einem Leiter und Erde, etwa bei beschädigter Isolation zweier aufeinanderliegender Leitungen. Er führt hohe Fehlerströme und wird durch Abschalten des Wechselrichters nicht gelöscht, weil die Module ihn weiter speisen. Hier helfen nur Trennstellen im String oder Modulabschaltung.

IEC 63027 behandelt ausschließlich serielle Lichtbögen. Eine Abdeckung paralleler Fehler darf aus einer AFCI-Zertifizierung nicht abgeleitet werden.

Brandrisiko: Was die Daten sagen

Fraunhofer ISE und TÜV Rheinland haben im Projekt „Bewertung des Brandrisikos in Photovoltaik-Anlagen” rund 430 Brand- und Hitzeschadensfälle ausgewertet. In etwa der Hälfte war die PV-Anlage Ursache oder wahrscheinliche Ursache. Die Fälle verteilen sich auf Produktmängel, Planungsfehler und Installationsfehler, wobei Fehler an Steckverbindern und Anschlussdosen einen großen Anteil der Lichtbogenfälle ausmachen.

Bereits 2013 bezifferte Fraunhofer ISE das Risiko: Von damals rund 1,3 Millionen Anlagen hatten 350 einen Brand erlitten, bei 120 war die Anlage Auslöser, in 75 Fällen entstand größerer Schaden. Das entspricht 0,006 Prozent der Anlagen mit einem größeren Schaden. Das Risiko ist klein, aber nicht null, und es konzentriert sich auf die DC-Verkabelung.

Weitere Schutzmaßnahmen beschreibt der Eintrag Brandschutz bei PV-Anlagen.

Normung: IEC 63027 und die deutsche Übernahme

Die IEC 63027:2023 wurde am 3. Mai 2023 als erste Ausgabe veröffentlicht. Sie gilt für PV-Stromkreise bis 1.500 V DC und legt fest, wie die Erkennung serieller Lichtbögen zu prüfen ist, welche Reaktionszeiten einzuhalten sind und welche Störszenarien das Gerät ohne Fehlauslösung überstehen muss. Die deutsche Übernahme ist die DIN EN IEC 63027:2024-03 (VDE 0126-27). Sie ersetzt die frühere Praxis, Geräte nach der US-Norm UL 1699B zu prüfen, die als Vorbild diente.

Fraunhofer ISE hat im Projekt PV-Brandschutz einen Prüfstand entwickelt, mit dem Lichtbogendetektoren verschiedener Hersteller unter reproduzierbaren Bedingungen verglichen werden. Die Ergebnisse flossen in die Normung ein.

USA und Deutschland im Vergleich

Die Anwendungsregel VDE-AR-E 2100-712 regelt Maßnahmen im DC-Bereich zum Schutz von Einsatzkräften, also Kennzeichnung, Leitungsführung und Trennstellen. Eine AFCI-Pflicht enthält sie nicht. Versicherungsbedingungen für gewerbliche Dachanlagen fordern die Funktion zunehmend, und in Ausschreibungen großer Anlagen gehört sie häufig zum Standard.

Fehlalarme

Die Schwäche jeder Lichtbogenerkennung ist die Abgrenzung vom normalen Betriebsrauschen. Störquellen sind:

• Schaltfrequenzen des eigenen Wechselrichters und benachbarter Geräte
• Leistungsoptimierer und Mikrowechselrichter mit eigener Hochfrequenzkommunikation
• lange, ungeschirmte DC-Leitungen als Antenne für Funksignale
• Wolkendurchzug mit schnellen Stromänderungen

Ein Fehlalarm schaltet die Anlage ab und muss je nach Gerät manuell quittiert werden. Jeder verlorene Sonnentag kostet Ertrag, und wiederholte Fehlalarme führen dazu, dass Betreiber die Funktion deaktivieren. IEC 63027 adressiert das mit definierten Störprüfungen. In der Praxis lassen sich hartnäckige Fehlalarme fast immer durch Firmware-Update, Ferritkerne auf den DC-Leitungen oder eine geänderte Leitungsführung beseitigen. Bleibt ein Alarm bestehen, ist er ernst zu nehmen und der Generator per Thermografie und Sichtkontrolle der Steckverbinder zu prüfen.

Abgrenzung zum DC-Freischalter

Der DC-Freischalter oder Feuerwehrschalter trennt die Verbindung zwischen Generator und Wechselrichter, entweder von Hand am Gerät oder ferngesteuert über einen Taster am Hauseingang. Er dient dem Personenschutz bei Wartung und Brandbekämpfung, erkennt aber keinen Fehler. Der AFCI dagegen handelt selbsttätig im Sekundenbereich, bevor ein Schaden entsteht.

Beide Funktionen ergänzen sich: Der AFCI stoppt den seriellen Lichtbogen, der Freischalter trennt für die Einsatzkräfte. Was keiner von beiden leistet, ist die Spannungsfreiheit der Module selbst. Solange Licht auf den Generator fällt, liegt an jedem Modul Spannung an, und nur eine modulweise Abschaltung, wie sie der NEC seit 2017 für die USA verlangt, bringt den String auf unter 80 V.