Die Strombelastbarkeit von Steckverbindern hat sich langsam bewegt. Die Ströme der Module nicht. Ein Modul der 700-W-Klasse kommt heute mit einem Kurzschlussstrom von 18,32 A, und bifaziale Ausführungen sorgen dafür, dass der Wert im Datenblatt nicht zwingend der Wert ist, der durch den String fließt. Dieser Artikel rechnet es durch, denn die Reserve eines 30-A-Steckverbinders ist kleiner, als sie aussieht, sobald die Faktoren angewendet werden.
1. Wo der Modulstrom angekommen ist
Konkrete Werte aus aktuellen Datenblättern:
- Trina Vertex N 700 W (TSM-NEG21C.20-700): Isc 18,32 A, Impp 17,29 A, maximale Seriensicherung 35 A.
- Jinko Tiger Neo 650 W (JKM650N-66QL6-BDX): Isc 15,98 A.
- Ein bifaziales 690-W-Modul mit 25 % Rückseitengewinn: effektiver Isc 23,40 A.
Zwei Dinge sollte man sofort trennen. Die maximale Seriensicherung (35 A im ersten Beispiel) ist kein Strom, den der Steckverbinder führt; sie ist das größte zulässige Überstromschutzorgan in Reihe zum Modulstring und schützt die inneren Bändchen und Bypassdioden des Moduls vor Rückstrom. Die Zahl, die für den Steckverbinder zählt, ist Isc — und bei einem bifazialen Modul der effektive Isc nach dem Beitrag der Rückseite.
2. Bifazial: der Datenblattwert ist ein Boden, keine Decke
Ein bifaziales Modul wird unter Standardbedingungen der Vorderseite bemessen. Im Feld sammelt es zusätzlich Licht auf der Rückseite, und dieser Beitrag hängt von Albedo, Untergrund, Montagehöhe, Reihenabstand und der Geometrie des Trackers ab. Veröffentlichte Rückseitengewinne streuen stark: 10 % über dunklem Kies ist das eine, 25 % oder mehr über weißer Folie oder Schnee etwas anderes.
Die Folge für die Dimensionierung des Steckverbinders ist direkt. Im 690-W-Beispiel: Ein frontseitiger Isc von rund 18,7 A wird bei 25 % Rückseitengewinn zu 23,40 A. Diese 23,40 A müssen durch jeden Steckverbinder des Strings, und sie liegen etwa 28 % über dem Datenblattwert.
Die Strommessung bei bifazialen Modulen ist genormt — IEC TS 63202-3 behandelt die Messung der Strom-Spannungs-Kennlinien bifazialer Zellen und Module —, aber der Planer muss für den Standort weiterhin eine Annahme zum Rückseitengewinn treffen. Ist die Annahme konservativ, ist der String sicher und der Generator etwas überdimensioniert; ist sie optimistisch, sind die Steckverbinder die ersten, die es merken.
3. Was der Code mit Isc macht
Nach NEC 690.8(A)(1) ist der maximale Quellenkreisstrom die Summe der Kurzschlussströme der parallel geschalteten Module, multipliziert mit 1,25. Die Leiterdimensionierung setzt dann ein zweites 1,25 für Dauerbetrieb an — daraus entsteht der bekannte Faktor 1,56. Mit den Zahlen eines Strings aus 700-W-Modulen:
- Isc = 18,32 A
- Maximaler Kreisstrom (1,25 × Isc) = 22,9 A
- Erforderliche Leiterbelastbarkeit (1,25 × 1,25 × Isc) = 28,6 A
Und für den bifazialen Fall mit 23,40 A effektivem Isc:
- Maximaler Kreisstrom = 29,3 A
- Erforderliche Leiterbelastbarkeit = 36,5 A
Das zweite Zahlenpaar ist das interessante. Ein Steckverbinder mit 30 A — der für MC4-Klasse-Produkte am häufigsten genannte Wert — liegt beim ersten Faktor praktisch am Limit und beim zweiten darunter. Das macht einen 30-A-Steckverbinder hier nicht unzulässig; es heißt, dass die früher vorhandene Reserve durch die Modulentwicklung aufgebraucht ist und keine Luft mehr bleibt für hohe Umgebungstemperatur, Bündelung oder eine leicht unvollkommene Crimpung.
4. Woher eine „30-A-Angabe" tatsächlich kommt
Die Stromangabe eines Steckverbinders ist keine Zahl, die auf ein Gehäuse gestempelt wird. Sie gilt für eine bestimmte Kombination aus Leiterquerschnitt, Kabeltyp und Umgebungstemperatur und ist ohne alle drei bedeutungslos. Veröffentlichte Werte einer weit verbreiteten Baureihe machen die Abhängigkeit deutlich: 15 A mit 14 AWG, 20 A mit 12 AWG, 30 A mit 10 AWG und 50 A mit 8 AWG bei der Variante mit erweitertem Bereich.
So gelesen ist „dieser Steckverbinder hat 30 A" eine unvollständige Aussage. Die ehrliche Fassung lautet: „30 A mit 6 mm² Leiter, bei angegebener Umgebungstemperatur und mit dem vom Hersteller vorgegebenen Werkzeug." Dasselbe Gehäuse mit kleinerem Leiter führt weniger, weil der Leiter Teil des Wärmepfads ist: Eine Crimpverbindung gibt Wärme über das Kabel ebenso ab wie über das Gehäuse.
Deshalb lassen sich die Diskussion über Strombelastbarkeit und die über den Kabelquerschnitt nicht trennen. Unser Leitfaden zur Dimensionierung von PV-Gleichstromkabeln behandelt die Leiterseite derselben Rechnung, einschließlich Spannungsfall auf langen Strecken.
5. Das Quadratgesetz, auf einen Kontakt angewendet
Die Wärme an einem Kontakt ist I²R, der Nachteil höheren Stroms ist also nicht linear. Mit einem Übergangswiderstand von 0,5 mΩ, einem plausiblen Wert für eine saubere Crimpung:
- Bei 18,32 A: 18,32² × 0,0005 = 0,17 W
- Bei 23,40 A: 23,40² × 0,0005 = 0,27 W
Ein 28 % höherer Strom erzeugt 63 % mehr Wärme am selben Kontakt. Nun eine gealterte oder schlecht gecrimpte Verbindung mit 5 mΩ:
- Bei 18,32 A: 1,68 W
- Bei 23,40 A: 2,74 W
Zwei Watt in einem Kunststoffgehäuse von der Größe eines Daumens reichen, um den Kontakt deutlich über die Dauerbetriebstemperatur des Werkstoffs zu treiben. Das ist der Mechanismus hinter der Temperaturerhöhungsanforderung in IEC 62852: Die Norm begrenzt die Erwärmung bei Nennstrom, und ein Steckverbinder, der mit guter Crimpung innerhalb der Angabe liegt, kann sie mit einer grenzwertigen überschreiten.
6. Wie die 45 K aufgebraucht werden
IEC 62852 begrenzt die Temperaturerhöhung bei Nennstrom auf 45 K. Zusammen mit einer Nennumgebung von 85 °C bei vielen Steckverbindern ist der Kontakt bei Volllast bereits für etwa 130 °C ausgelegt. Was diese Reserve in der Praxis verbraucht:
- Umgebungstemperatur. Ein Steckverbinder in einem Dachhohlraum oder hinter dem Modul an einem 40-°C-Tag startet deutlich über der Laborbedingung von 20 °C.
- Sonneneinstrahlung auf das Gehäuse. Schwarze Gehäuse in der Sonne liegen über der Lufttemperatur.
- Bündelung. Eng zusammengebundene Kabelbäume oder Steckverbinder in Kanälen verlieren die Konvektion, die die Angabe voraussetzt.
- Dauerbetrieb. Ein DC-String liefert über Stunden, nicht intermittierend.
- Kontaktzustand. Jede Abweichung von der spezifizierten Crimpung oder ein falsch gepaarter Satz erhöht den Widerstand genau dort, wo die Wärme entsteht.
Nichts davon ist exotisch. Ein auf dem Papier korrekt bemessener Steckverbinder kann im August in einem Dachhohlraum heiß laufen, und die Reserve, die das früher abgefangen hat, ist weg.
7. Wann eine Stufe höher nötig ist
Praktische Schwellen, aus der obigen Rechnung abgeleitet:
- Effektiver Isc über etwa 15 A: prüfen, ob die Angabe des Steckverbinders für den verwendeten Querschnitt den ersten Faktor noch mit Reserve abdeckt und nicht nur knapp erreicht.
- Effektiver Isc über etwa 20 A: auf 6 mm² Leiter und die entsprechende Steckverbinderangabe wechseln; 4 mm² arbeiten jetzt sowohl beim Spannungsfall als auch beim Strom an der Grenze.
- Effektiver Isc über etwa 25 A oder jede Installation mit hoher Umgebungstemperatur oder Bündelung: 10 mm² Leiter mit einem dafür bemessenen Steckverbinder und einem Nennstrom, der nach dem Dauerbetriebsfaktor noch Luft lässt.
Wo der Entwurf echte Reserve statt eines knappen Bestehens verlangt, muss die Angabe des Steckverbinders so spezifiziert werden, wie sie gemessen wird: mit angegebenem Leiterquerschnitt und angegebener Umgebungstemperatur. Der Kabelsteckverbinder CN4U-C ist mit 70 A max. angegeben, der Modulsteckverbinder CN4U-P mit 52 A max.; beide Werte stehen mit Leiterbereich und Temperaturangabe auf der Produktseite, und mit ihnen sollte ein Planer den berechneten Dauerstrom vergleichen — nicht mit dem Isc allein.
Die Spannungsklasse zählt ebenso wie der Strom. Ein Projekt mit höherem Strom ist meist ein 1.500-V-Projekt, und die Qualifikationsgrenzen unterscheiden sich je Spannungsebene — siehe PV-Steckverbinder 1500 V gegenüber 1000 V.
8. Was auf der Baustelle zu prüfen ist
Die Rechnung ist nur so gut wie die Installation. Drei Prüfungen decken den größten Teil der Lücke zwischen Entwurfswert und installiertem Zustand ab:
- Den im Entwurf verwendeten effektiven Isc bestätigen, einschließlich der Annahme zum Rückseitengewinn und der Korrektur der Leerlaufspannung auf die Rekordtemperatur.
- Die Angabe des Steckverbinders für den tatsächlich installierten Leiter bestätigen, nicht für den größten Leiter, den das Gehäuse aufnimmt.
- Die Crimpung bestätigen: mit dem spezifizierten Gesenk hergestellt und geprüft. Der Übergangswiderstand ist die Größe, die eine ausreichende Angabe in eine unzureichende verwandelt — und die am leichtesten zu beherrschende; siehe den Crimpwerkzeug-Leitfaden.
Häufige Fragen
Reicht ein 30-A-Steckverbinder noch für ein 700-W-Modul?
Das hängt vom Leiter ab, für den er angegeben ist, und vom effektiven Kurzschlussstrom — nicht von der Modulleistung allein. Ein 700-W-Modul mit Isc 18,32 A ergibt nach NEC 690.8(A)(1) einen maximalen Kreisstrom von 22,9 A und eine erforderliche Leiterbelastbarkeit von 28,6 A. Ist dasselbe Modul bifazial und liefert der Standort 25 % Rückseitengewinn, erreicht der effektive Isc etwa 23,4 A, und die beiden Werte werden 29,3 A und 36,5 A — jenseits einer 30-A-Angabe.
Was ist die „maximale Seriensicherung" im Moduldatenblatt?
Das größte zulässige Überstromschutzorgan in Reihe zum String, bei aktuellen Hochleistungsmodulen typischerweise 35 A. Es ist eine Schutzgrenze für die internen Leiter und Bypassdioden des Moduls, kein Strom, den der Steckverbinder im Normalbetrieb führt. Den Steckverbinder nach dieser Zahl statt nach Isc zu dimensionieren ist ein häufiger Fehler.
Warum ändert sich die Angabe mit dem Kabelquerschnitt?
Weil der Leiter Teil des Wärmepfads ist. Eine Crimpverbindung gibt Wärme über das Kabel ebenso ab wie über das Gehäuse, deshalb ist dasselbe Gehäuse mit kleinerem Leiter niedriger angegeben. Veröffentlichte Werte einer gängigen Baureihe reichen von 15 A mit 14 AWG über 20 A mit 12 AWG und 30 A mit 10 AWG bis 50 A mit 8 AWG bei der Variante mit erweitertem Bereich — ohne den Querschnitt daneben ist die Angabe bedeutungslos.
Wie viel Reserve ist genug?
So viel, dass die Angabe den Dauerstrom noch abdeckt, nachdem hohe Umgebungstemperatur, Sonneneinstrahlung auf das Gehäuse und Bündelung berücksichtigt sind. Ein Entwurf, der den ersten Faktor mit der Nennangabe nur knapp besteht, hat keine Reserve für eine Crimpung leicht außerhalb der Spezifikation — die häufigste Abweichung im Feld.
Bedeutet mehr Strom auch einen größeren Kabelquerschnitt?
In der Regel ja. Bei den Strömen aktueller Hochleistungsmodule sind 4 mm² oft durch den Spannungsfall über die Länge begrenzt, bevor die Strombelastbarkeit greift; der Wechsel auf 6 mm² oder 10 mm² folgt daher häufig aus der Spannungsfallrechnung und nicht allein aus thermischen Grenzen.
Quellen
- Trina Solar Vertex N Datenblatt, TSM-NEG21C.20-700: Isc 18,32 A, Impp 17,29 A, maximale Seriensicherung 35 A
- Jinko Solar Tiger Neo Datenblatt, JKM650N-66QL6-BDX: Isc 15,98 A
- NFPA 70 (NEC) 690.8(A)(1) und 690.8(B): maximaler Kreisstrom und Faktoren für die Leiterbelastbarkeit
- IEC 62852, Connectors for DC-application in photovoltaic systems — Safety requirements and tests (Grenze der Temperaturerhöhung und Bedingungen für den Nennstrom)
- Veröffentlichte Werte der Amphenol-UTX-Baureihe: 15 A (14 AWG), 20 A (12 AWG), 30 A (10 AWG), 50 A (8 AWG, UTX-XL)
- IEC TS 63202-3, Measurement of current-voltage characteristics of bifacial photovoltaic cells and modules
- Treasol, Dimensionierung von PV-Gleichstromkabeln: 4 mm², 6 mm² und 10 mm²
- Treasol, PV-Steckverbinder 1500 V gegenüber 1000 V
Geprüft vom technischen Team von Treasun New Energy. Die genannten Werte sind Herstellerangaben; prüfen Sie stets das aktuelle Datenblatt der genauen Bestellnummer und des Leiterquerschnitts.
