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Fehlerstromschutzschaltung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Fehlerstromschutzschaltung mit Summenstromauslösung.
Die Gefahr der Berührungsspannung, welche sogar einen tödlich wirkenden, elektrischen Schlag zur
Folge haben kann, besteht darin, dass der Fehlerstrom von der stromführenden Leitung oder einer durch
Fehlschluss mit der Leitung verbundenen, metallischen Masse durch den menschlichen Körper fliesst.
Zahlreiche Geräte lassen einen normalen Fehlerstrom zur Hilfserde zu. Dies ist im besonderen bei
Heizplatten, Öfen, Waschmaschinen u. dgl. der Fall, d. h. bei allen jenen Geräten, bei denen durch Vor- handensein von Wasser, Dampf oder Kondenswasser ein vorübergehender Fehlerstrom durch die Erdung abgeleitet werden soll. Diese Geräte besitzen zu diesem Zwecke eine Erdleitung, deren Aufgabe es ist, zu verhindern, dass das elektrische Potential der Masse einen Höchstwert, der mit 65 Volt festgelegt ist, überschreitet. Es kann jedoch bei Masseschluss oder bei schadhafte Erdleitung der Fall eintreten, dass dieser Höchstwert überschritten wird und somit die Auslösung eines Schalters für den Fehlerstrom erforderlich würde.
Eine andere Ursache einer gefährlichen Berührungsspannung kann auch darin liegen, dass das Potential eines Nulleiters des Gerätes von Null abweicht bzw. dass das Potential des Nulleiters einen bestimmten
Wert überschreitet.
Durch die Erfindung wurde eine Vorrichtung geschaffen, die, abweichend von den bisher bekannten Sicherheitsschaltungen, die Auslösung eines Sicherheitsschalters in elektrischen Installationen in allen jenen Fällen bewirkt, in denen höhere als zulässige Werte bei folgenden Grössen auftreten :
1. Bei einem Fehlerstrom durch Berührungsspannung durch den menschlichen oder einen sonstigen leitenden Körper ;
2. bei einem Fehlerstrom durch die Verbindungsleitung zwischen Masse und Hilfserde ;
3. bei einem elektrischen Potential zwischen Nulleiter und Hilfserde und
4. bei einem höheren ohmschen Widerstand der Leitung, von Masse zu Hilfserde.
Die Erfindung betrifft eine Berührungsschutzschaltung mit Summenstromauslösung, bei der durch Überschreitung des zulässigen Wertes einer der vorgenannten Grössen in einfacher Weise dadurch die Auslösung eines das Gerat abschaltenden Relais bewirkt wird, dass sie einen Summenstromwandler aufweist, der in der von der Masse zur Hilfserde führenden Leitung eine zusätzliche Primärwicklung enthält.
Eine solche Schutzschaltung gestattet die Überwachung der Grösse des direkt von der Phase durch den menschlichen Körper zur Erde abgeleiteten Fehlerstromes oder eines Schadens am Gerät, der durch Massekontakt einen Fehlerstrom hervorruft, sowie schliesslich die Überwachung der Stärke des durch die Bauart zugelassenen, über die Leitung zwischen Masse und Erde abgehenden Fehlerstromes.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Überwachung des elektrischen Potentials des Nulleiters der Anlage dadurch erreicht, dass zwischen einem Punkte des Nulleiters, der dem Verbraucher näher liegt als dessen Primärwicklung, und einem Punkte des Erdleiters, der zum Erdungspunkt näher liegt als die im Erdleiter liegende, zusätzliche Primärwicklung, ein Widerstand eingebaut ist.
Die Grösse des Widerstandes wird so gewählt, dass die Stärke des infolge eines Potentials des Nulleiters, das den vorbestimmten Wert überschreitet, den Widerstand durchströmenden, zur Erde abgeleiteten Stromes, welcher derart einen Fehlerstrom darstellt, der die Wicklung des Nulleiters durchfliesst, dem zulässigen Höchstwert des durch den menschlichen Körper zur Erde abgeleiteten Fehlerstromes gleich ist,
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wodurch die Auslösung des Schalters herbeigeführt wird. Diese Bauweise gestattet im übrigen die gleich- zeitige Überwachung sowohl der Berührungsspannung zwischen der metallischen Masse des Gerätes und der
Erdung als auch des ohmschen Widerstandes der Erdung.
Eine solche Berührungsspannung kann nur dann eintreten, wenn der ohmsche Widerstand der Erdung zu hoch ist, so dass der genannte Widerstandvom
Fehlerstrom durchflossen wird, der gleichzeitig sowohl die Primärwicklung des Nulleiters als auch die zu- sätzliche Primärwicklung der Erdleitung durchfliesst.
Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnung, welche das Schema einer mit der erfindungsgemässen Sicherheitsschaltung ausgerüsteten Anlage zeigt, nä- her beschrieben.
Der Sicherheitsschalter ist in seiner Gesamtheit von einer gestrichelten Linie umschlossen, mit 1 be- zeichnet. Die Anlage ist eine Niederspannungsanlage, die zwischen einer, in der Skizze mit Ph bezeich- neten Phasenleitung und dem mit N bezeichneten Nulleiter liegt. RN ist ein an den Nullpunkt des Netzes angeschlossener Erdleitungswiderstand, dessen Stärke beispielsweise 1 Ohm betragen kann. Das Netz speist ein elektrisches Gerät oder eine Maschine 2, wie z. B. eine Heizplatte, einen Ofen oder eine Waschma- schine, deren Masse M durch eine Erdleitung T über einen Widerstand RM von ungefähr 50 Ohm ge- erdet ist. Bei normalem Betrieb tritt infolge Auftretens von Wasser, Dampf oder Kondenswasser auf den elektrischen Teilen in der Erdleitung vorübergehend ein Fehlerstrom auf, dessen Stärke einige Hundert
Milliampere erreichen kann.
Die Anlage versorgt gleichzeitig ein elektrisches Gerät 3, das nicht geerdet ist.
Die vorliegende Erfindung hat den Zweck, die Anlage gegen jede Berührungsspannung zu sichern.
Diese Gefahr kann verschiedenen Ursprungs sein. Im Falle einer schlechten Isolierung der Leitungen kann es zwischen der Phasenleitung und der Masse des Gerätes 2 oder 3 zu einer Masseberührung 4 kommen, wodurch die Masse ein elektrisches Potential erhalten kann, das, wie im Falle des Gerätes 3, nahe der Betriebsspannung liegen kann und damit einen durch die Erdleitung T abgeleiteten, dauernden Fehlerstrom hervorrufen kann, der stärker ist als der für das Gerät 2 zulässige Fehlerstrom.
Im Falle des Gerätes 3 bildet dieses Potential eine Gefahr, denn es kann zur Bildung eines durch den menschlichen Körper zur Erde abgeleiteten Fehlerstromes führen, dessen Stärke den Höchstwert Idh überschreitet, der mit maximal 40 Milliampere angenommen wird, auf Grund der jeweils geltenden Sicherheitsvorschriften jedoch davon abweichen kann. Im Falle des Gerätes 2 hat die Erdleitung einen ausreichend kleinen Widerstand, um zu verhindern, dass die Masse des Gerätes auf eine Spannung gebracht wird, die zur Gefahr eines tödlich wirkenden Schlages führen könnte.
Es ist jedoch von Vorteil, diese Fehlerströme, sobald ihre Stärke den zulässigen Höchstwert Idh-beispielsweise 200 Milliampere - über- schreitet, nachzuweisen, denn dies deutet auf eine direkte Masseberührung zwischen einem Leiter und der Masse des Gerätes hin.
Darüber hinaus kann die Erdleitung durch fallweises Ansteigen des ohmschen Widerstandes RM oder durch Beschädigung der Erdleitung unwirksam werden. Die Masse des Gerätes 2 kann also ein Potential erreichen, das oberhalb eines Höchstwertes Ucl liegt und lebensgefährlich ist. Schliesslich kann auch der Nulleiter N der Anlage, z. B. infolge eines Widerstandes, der durch Loslösung einer Schiene des Nulleiters bewirkt ist, auf ein abnormales Potential Un gebracht werden.
Um diese verschiedenen Vorgänge zu überwachen, verwendet man einen Summenstromwandler 5, welcher von den verschiedenen zu überwachenden Strömen, nämlich den Phasenströmen und vom Strom des Nulleiters, durchflossen wird.
Bei der in der Zeichnung dargestellten einphasigen Anordnung der Anlage werden lediglich zwei Wicklungen gebraucht, d. h. eine für die Phase, die andere für den Nulleiter. Der bei der Anlage verwendete Wandler besitzt erfindungsgemäss eine zusätzliche Wicklung 7, welche zwischen den Leitungen M und T in der Erdleitung liegt. Die Sekundärwicklung 8 des Wandlers liegt in Serie mit der Wicklung 9 eines Relais 10, dessen Anker 11, wenn er angezogen wird, den Sicherheitsschalter 12 öffnet. Wenn die jeweils gültigen Sicherheitsvorschriften eine Trennung des Nulleiters verbieten, entfällt der betreffende Schaltkontakt 12. Der Schalter kann von Hand aus mittels eines Druckknopfes 13 aus-und mittels eines Druckknopfes 14 wieder eingeschaltet werden.
Die Anlage enthält darüber hinaus einen Widerstand 16, der an den Nulleiter zwischen Verbraucher und Primärwicklung 6 und an die Erdleitung zwischen der Wicklung 7 und Erde angeschlossen ist.
Die Wirkungsweise der Anlage ist folgende :
Bei normalem Betrieb werden die Primärwicklungen 6 von gleich starken Strömen durchflossen und ergeben Induktionen, deren Vektorensumme gleich Null ist. Unter der Annahme, dass keinerlei Fehlerstrom vorhanden ist, bleibt die Sekundärwicklung 8 stromlos.
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Tritt jedoch eine gelegentliche Berührung 4 zwischen der Phase und der Masse eines nicht geerdeten Gerätes 3 ein und wird somit ein durch den menschlichen Körper zur Erde abgeleiteter Fehlerstrom gebildet, so bewirkt dieser Strom in den durch die Wicklungen 6 erzeugten Induktionen eine Unsymmetrie. Die resultierende Induktion erzeugt in der Sekundärwicklung 8 einen Strom von genügender Stärke, so dassinfolge der Empfindlichkeit des Relais - der Elektromagnet 10 den Anker 11 anzieht und den Sicherheitsschalter öffnet. Die Stromempfindlichkeit des Relais soll derart sein, dass die Starke dieses Fehlerstromes 40 Milliampere nicht übersteigt.
Aus dieser ersten Auslösungsart ergibt sich, dass bei jedem, durch Massekontakt den Höchstwert Idh übersteigenden Fehlerstrom, der nicht über die Primärwicklung 7 fliesst, das Relais betätigt und der Schalter geöffnet wird.
Weiters spricht das Relais, bedingt durch die verschiedenen Windungszahlen der Primärwicklungen im Nulleiter N und im Erdleiter M, an, wenn durch einen Massekontakt zwischen Phase und Masse 2 der Fehlerstrom der Erdleitung M einen zulässigen Höchstwert überschreitet.
Überprüft man das Potential des Nulleiters, so kann dieses wesentlich vom Erdpotential abweichen.
Dies führt zu einem durch den Widerstand 16 fliessenden Strom, der die Wicklung 6 des Nulleiters, aber weder die Wicklung 6 der Phase noch die zusätzliche Primärwicklung 7 der Erdleitung durchfliesst. Wenn die Stärke dieses Stromes = Idh wird, dann öffnet sich der Schalter, wie oben beschrieben. Ist Un
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lung 7 über den Widerstand 16 zum Nulleiter N fliessen, wodurch ebenfalls das Relais ausgelöst wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Fehlerstromschutzschaltung mit Summenstromauslösung, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Summenstromwandler aufweist, der in der von der Masse zur Hilfserde führenden Leitung eine zusätzliche Primärwicklung (7) enthält.