Solarkabeltypen: PV-Draht, USE-2 und AC-Kabel erklärt

Der entscheidende Unterschied zwischen Solarkabeltypen besteht darin, ob sie für die direkte Verlegung in der Gleichstrom-Photovoltaikanlage oder für die Wechselstromverbindung zwischen dem Wechselrichter und dem Versorgungsnetz ausgelegt sind. PV-Draht (UL 4703) ist der einzige Kabeltyp, der sowohl für die direkte Verlegung als auch für die kontinuierliche Sonneneinstrahlung im DC-Array zugelassen ist, mit einer Nasstemperatur von 90 °C und einer Trockentemperatur von 150 °C, was ihn für ungeerdete transformatorlose Wechselrichtersysteme mit 1.000 oder 1.500 Volt Gleichstrom zwingend erforderlich macht. Obwohl das VERWENDUNG-2-Kabel immer noch für die direkte Erdverlegung zugelassen ist, mangelt es ihm an der vollständigen Sonnenlichtbeständigkeit und dem Spielraum für höhere Temperaturen, die moderne Hochspannungsanlagen erfordern.

Die vier wichtigsten Solarkabelkategorien

Eine Photovoltaikanlage enthält unterschiedliche elektrische Zonen, die jeweils durch einen bestimmten Kabeltyp und entsprechende Installationsanforderungen gemäß Artikel 690 des National Electrical Code (NEC) geregelt werden. Die vier Kabeltypen, die in einem ordnungsgemäß konzipierten System vom Array bis zum Verbindungspunkt vorkommen, sind wie folgt.

PV-Kabel, gelistet nach UL 4703 und der Fachnorm UL 4703, ist ein einadriges Kabel mit Isolierung aus vernetztem Polyethylen (XLPE). und eine sonnenbeständige Außenjacke. Es ist für bewertet 600 V, 1.000 V oder 2.000 V abhängig von der Isolationsdicke, wobei die 2.000-V-Variante für 1.500-V-DC-Arrays im Versorgungsmaßstab spezifiziert ist. Die XLPE-Isolierung sorgt für Duroplaststabilität, was bedeutet, dass das Kabel seine dielektrische Festigkeit und seine mechanischen Eigenschaften auch nach längerer Einwirkung der maximalen Betriebstemperatur des Leiters von 90 °C nass und 150 °C trocken behält. Der verzinnte Kupferleiter, verseilt nach ASTM B174 Klasse B oder C, widersteht den korrosiven Auswirkungen von Feuchtigkeit, die über Jahrzehnte hinweg in die Isolierung eindringt. PV-Draht ist das einzige Kabel in der Solarindustrie, das eine trägt VW-1-Flammschutzklasse und eine direkte Erdverlegungsklasse Gleichzeitig erfüllt es sowohl die Brandschutzanforderungen bei Dachinstallationen als auch die Anforderungen an die unterirdische Verlegung in bodenmontierten DC-Sammelsystemen.

Das USE-2-Kabel, gebaut nach UL 854 und anerkannt durch NEC Artikel 338, ist ein einadriges Kabel, das für den unterirdischen Versorgungseingang ausgelegt ist. Es nutzt XLPE-Isolierung Identisch in der Chemie mit PV-Kabeln, verfügt jedoch über einen dickeren, robusteren Mantel, der dem mechanischen Abrieb beim Ziehen durch unterirdische Leitungen und bei direktem Erdkontakt standhält. Seine Nennspannung ist auf 600 V und die maximale Leitertemperatur begrenzt 90°C nass und 90°C trocken , eine kritische Einschränkung im Vergleich zu PV-Kabeln. Das Fehlen einer Trockenleistung von 150 °C bedeutet, dass USE-2 nicht in freier Luft innerhalb einer Dachanlage verwendet werden kann, wo die Temperaturen der Modulrückwand routinemäßig 75 °C bis 85 °C erreichen und der Temperaturanstieg des Leiters unter Volllast die Isolierung in den thermischen Überlastbereich treibt.

Das TC-ER-Kabel, ausgelegt für freiliegende Kabelführung, dient als DC-Sammelleitung zwischen dem Anschlusskasten und dem Wechselrichtereingang oder zwischen mehreren String-Wechselrichtern in einer Daisy-Chain-Konfiguration. TC-ER ist eine Mehrleiterbaugruppe, typischerweise drei Leiter plus Erde, mit einer PVC-Innenisolierung und einem Nylon- oder PVC-Außenmantel. Es ist für bewertet 600 V und 90°C trocken , und seine Auflistung ermöglicht die Verlegung in Kabelkanälen ohne Kabelkanal für die freiliegende Strecke. Die Mehrleiterkonstruktion vereinfacht die Verkabelung im Vergleich zum Ziehen einzelner Einleiterkabel, aber der PVC-Mantel zersetzt sich unter ultravioletter Strahlung, sodass TC-ER bei der Installation im Freien bei direkter Sonneneinstrahlung umschlossen werden muss.

Das THHN/THWN-2-Gebäudekabel ist zwar kein dediziertes Solarkabel, erscheint aber auf der AC-Seite des Wechselrichterausgangs bis zum Hauptanschlusskasten oder Versorgungsverbindungspunkt. Bewertet 600 V und 90°C trocken, 75°C wet Mit einem Nylonmantel über einer PVC-Isolierung ist es kostengünstig, weit verbreitet und normkonform für alle AC-Verkabelungen in Innenräumen, die dem Wechselrichter nachgeschaltet sind. Seine Beständigkeit gegen Sonnenlicht liegt bei Null und es gibt keine direkte Erdverlegung, so dass seine Verwendung ausschließlich auf innere Kabelkanäle, Leitungen und geschlossene AC-Kombinatorplatten beschränkt ist.

Vergleichende Spezifikationstabelle für Solarkabeltypen

Spannungsklassenauswahl und 1.500-V-Übergang

Die Umstellung von 1.000-VDC- auf 1.500-VDC-Systemarchitekturen in Photovoltaikanlagen im Versorgungsmaßstab reduziert den DC-Sammelstrom bei gleichem Leistungsdurchsatz um etwa ein Drittel, wodurch die Anzahl der Anschlusskästen, DC-Einspeisungen und der damit verbundenen Gräben um einen ähnlichen Anteil reduziert wird. Allerdings stellt die höhere Spannung strengere Isolationsanforderungen. Für ein 1.500-V-Gleichstrom-Array sind PV-Kabel erforderlich, die dafür ausgelegt sind 2.000 VDC , nicht 1.000 VDC. Die Isolationsdicke eines 2.000-V-PV-Kabels beträgt ca 2,4 mm für 10-AWG-Leiter, verglichen mit 1,14 mm für die 1.000-V-Variante . Diese erhöhte Wandstärke verringert die Flexibilität des Kabels und erhöht den minimalen Biegeradius, ein Faktor, der die Kabelführung in Modulanschlusskästen und Wechselrichter-DC-Gehäusen erschwert.

Der weltweit außerhalb Nordamerikas angewandte Standard IEC 62930 harmonisiert die Leistungsanforderungen für 1.500-V-PV-Kabel. Es gibt einen Mindestisolationswiderstand von an 10 MΩ·km bei 20 °C , ein Wert, der bei werkseigenen Produktionstests an jeder Rolle vor dem Versand überprüft wurde. Feldtests des installierten 1.500-V-PV-Kabels mit einem 5.000-V-Megohmmeter müssen Isolationswiderstandswerte von mindestens ergeben 4 MΩ pro Saite Bevor der String an den Wechselrichter angeschlossen wird, erfolgt ein Inbetriebnahme-Gate, das Installationsschäden am Mantel oder falsch gecrimpte MC4-Steckerdichtungen erkennt.

Temperaturreduzierung und Strombelastbarkeitskorrektur

Die Strombelastbarkeitstabellen im NEC-Artikel 310.15 gehen von einer Umgebungstemperatur von 30 °C und nicht mehr als drei stromführenden Leitern in einem Kabelkanal aus. Ein Solar-Gleichstrom-Sammelsystem verstößt regelmäßig gegen beide Annahmen. Auf einem Dach in Phoenix, Arizona, wo die Umgebungslufttemperatur 12 Zoll über der Dachoberfläche an einem Sommernachmittag 65 °C erreicht, beträgt der Temperaturkorrekturfaktor für PV-Kabel mit einer Nenntemperatur von 90 °C 0.58 gemäß NEC Tabelle 310.15(B)(1)(1). Ein 10-AWG-PV-Kabel mit einer Strombelastbarkeit von 40 Ampere bei 30 °C wird somit herabgestuft 23,2 Ampere bei 65°C. Wenn derselbe Draht mit drei anderen stromführenden Strängen in einem Kabelkanal über eine Distanz von mehr als 24 Zoll gebündelt ist, ist ein zusätzlicher Anpassungsfaktor von erforderlich 0.80 gilt, wodurch die zulässige Strombelastbarkeit weiter auf 18,6 Ampere reduziert wird.

Das Ergebnis ist, dass ein 10-AWG-Leiter, der auf den ersten Blick für einen 9-Ampere-Strangstrom großzügig überdimensioniert erscheint, in Betrieb ist fast 50 % seiner herabgesetzten Kapazität nach Temperatur- und Bündelungskorrekturen . Die technische Praxis für Dachsysteme gibt 10 AWG als minimale PV-Drahtgröße für Modulverbindungen vor, wobei 8 AWG für selbst verlegte Leiter erforderlich ist, die mehr als zwei Stränge versorgen, eine Faustregel, die aus den Temperaturdaten des ungünstigsten Falles auf dem Dach abgeleitet wird und nicht ein fester Standard ist.

Isolierchemie und der XLPE-Vorteil

Das Isolationsmaterial unterscheidet ein Solarkabel mehr als jedes andere Merkmal von einem Allzweck-Baudraht. XLPE, das vernetzte Polyethylen, das in PV-Drähten und USE-2 verwendet wird, ist ein duroplastisches Material, was bedeutet, dass die Polymerketten während des Aushärtungsprozesses chemisch vernetzt werden. Sobald das Material vernetzt ist, kann es beim Erhitzen weder schmelzen noch fließen. Ein PV-Draht, der einer Leitertemperatur von 150 °C ausgesetzt wird, behält seine physikalische Form und Spannungsfestigkeit, während ein PVC-isolierter THHN-Draht bei derselben Temperatur weicher wird, fließt und einen internen Kurzschluss erzeugt.

Der Vernetzungsprozess, der durch eine silanbasierte Feuchtigkeitshärtung oder Elektronenstrahlbestrahlung erreicht wird, verbessert auch die Beständigkeit der Isolierung gegen Kaltfluss unter Druck. Wenn ein PV-Kabel zwischen dem Modulrahmen und der Montageschiene eingeklemmt wird, widersteht die XLPE-Isolierung der Druckverformung, die mit der Zeit zu einer Ausdünnung der PVC-Isolierungswand führen würde. Die beibehaltene Wandstärke danach 1.000 Stunden Druckbelastung bei 90 °C betragen bei XLPE typischerweise 85 % bis 90 % der ursprünglichen Dicke, im Vergleich zu 60 % oder weniger bei PVC . Diese Eigenschaft ist bei einer Photovoltaikanlage von entscheidender Bedeutung, bei der Modulklemmen und Drahtklemmen örtliche Druckpunkte ausüben, die über die gesamte Lebensdauer des Systems von 25 Jahren bestehen bleiben.

Steckerkompatibilität und MC4-Standard

Das Solarkabel selbst ist nur der Leiter; Der Steckerabschluss ist der Fehlerpunkt auf Systemebene. Der Industriestandard ist der MC4-Stecker, der ursprünglich von Multi-Contact entwickelt wurde und mittlerweile von über einem Dutzend globaler Lieferanten in Lizenz hergestellt wird. Der MC4 ist für ausgelegt 1.500 VDC und 30 Ampere Dauerstrom mit 4 mm² oder 6 mm² (12 AWG bis 10 AWG) PV-Kabel Im gesteckten Zustand behält es die Schutzart IP68 bei, was bedeutet, dass es ständigem Eintauchen in 1 Meter tiefes Wasser standhält.

Die entscheidende Regel für die Zuverlässigkeit ist die Homogenität der Steckverbinder: Die männlichen und weiblichen Steckverbinder eines einzelnen Strings müssen vom selben Hersteller sein. Das Zusammenstecken eines Amphenol H4-Steckers mit einem echten Staubli MC4 birgt trotz physikalischer Kompatibilität und UL-Zulassung ein Risiko galvanischer Korrosion an der Kontaktschnittstelle, da die Grundmetalle und Beschichtungsdicken unterschiedlich sind. Der resultierende Kontaktwiderstand, gemessen mit einem Vierdraht-Milliohmmeter, kann bei einem akzeptablen Wert liegen 0,5 Milliohm kann aber steigen 5 Milliohm oder mehr innerhalb von drei Jahren Dabei kommt es zu thermischen Zyklen, bei denen die I²R-Erwärmung am Stecker die Umgebungstemperatur des Kabels übersteigt und die Oxidation beschleunigt. Feldausfälle, die auf nicht übereinstimmende Steckverbinder zurückzuführen sind, sind der häufigste Versicherungsanspruch bei Dachsystemen für Wohngebäude.

Anforderungen an Erdungs- und Geräteausgleichsleiter

Der Geräteerdungsleiter (EGC) in einer Solaranlage dient als Fehlerstrom-Rückleitungspfad und muss so dimensioniert sein, dass er den gesamten Kurzschlussstrom der Anlage tragen kann, ohne deren Nenntemperatur zu überschreiten. Die NEC-Tabelle 250.122 regelt die EGC-Dimensionierung basierend auf der Nennleistung des Überstromschutzgeräts. Für transformatorlose Wechselrichter mit integrierter Gleichstrom-Erdschlusserkennung wird jedoch durch bewährte technische Verfahren ein EGC empfohlen, der nicht kleiner als der größte Gleichstromkreisleiter ist, auch wenn eine kleinere Größe gesetzlich zulässig ist. Ein 10 AWG PV-Kabel, das als ungeerdeter DC-Plusleiter verwendet wird, muss von einem begleitet sein mindestens 10 AWG EGC , Größe gemäß 690,45 des NEC.

Auf der AC-Seite ist der EGC zwischen dem Wechselrichter und dem Haupt-Service-Panel typischerweise ein THHN/THWN-2-Leiter mit grüner Isolierung, dimensioniert gemäß Tabelle 250.122 basierend auf der AC-Ausgangs-Überstromschutzbewertung des Wechselrichters. Ein 40-Ampere-Wechselrichter-Ausgangsschalter erfordert einen mindestens 10 AWG Kupfer-EGC . Der EGC ist im Normalbetrieb kein stromführender Leiter, muss jedoch in der Lage sein, den gesamten Erdschlussstrom für die Zeit zu leiten, die das Überstromschutzgerät zum Beheben des Fehlers benötigt. Bei modernen strombegrenzenden Leistungsschaltern beträgt die Dauer typischerweise weniger als 0,1 Sekunden.

Kabelmanagement und UV-Schutz

Selbst sonnenlichtbeständige PV-Drähte erfordern einen physischen Schutz vor scharfen Kanten, Schäden durch Wildtiere und konzentrierter UV-Zersetzung an Belastungspunkten. Die Kabel eines bodenmontierten Arrays werden durch Kabelkanäle aus Metall oder hochdichtem Polyethylen (HDPE) geführt und mit Kabelbindern aus rostfreiem Stahl in Abständen von maximal 100 mm befestigt 1,5 Meter . Die Kabelbinder dürfen die Isolierung nicht zu stark zusammendrücken; Eine über der Herstellerangabe liegende Verbindungsspannung kann dazu führen, dass die XLPE-Isolierung kaltfließt und die Wandstärke an der Verbindungsstelle innerhalb eines einzigen Wärmezyklus um 50 % reduziert wird.

Bei Dachinstallationen muss das PV-Kabel durch Kabelklemmen oder in den Modulrahmen integrierte Kabelführungskanäle von der Dachoberfläche abgestützt werden. Der direkte Kontakt zwischen dem Kabelmantel und den Asphaltschindeln überträgt Wärme von der Dachoberfläche auf das Kabel und erhöht die Temperatur des Leiters um einen geschätzten Wert 5°C bis 10°C über der Umgebungslufttemperatur , ein Spielraum, der die Leitertemperatur in Kombination mit Volllaststrom und hoher Strahlung auf der Rückseite des Moduls über die 90 °C-Nässenenntemperatur hinaus ansteigen lassen kann. Das Kabel muss außerdem so verlegt werden, dass stehendes Wasser an den Tiefpunkten des Daches vermieden wird, wo Frost-Tau-Wechsel die Ummantelung durch wiederholte Ausdehnung und Schrumpfung von Eisformationen beanspruchen.