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Brände, die in Verbraucheranlagen durch elektrische Energien entstehen, haben eine Reihe von Ursachen, die - in ihrer Wichtigkeit geordnet - nachfolgend angegeben werden: # mangelhafte oder nicht bestimmungsgemäss betriebene Elektrowärmegeräte und Leuchten (z. B. Heizlüfter mit blockierten Ventilatoren oder Geräte mit zu geringer Standfestigkeit,
Leuchten mit Glühlampen zu hoher Leistung, Abdecken von Heizkörpern mit Kleidungsstü- cken) # andere elektrische Geräte, die mangelhaft sind oder bei denen Mängel während des Betrie- bes auftreten (z. B. Fernsehapparate) # zu hohe Erwärmung von Leitungen infolge unzureichendem Überstromschutz oder Kontakt- fehlern (z.
B. lose Klemmstellen) # Lichtbögen infolge von Kurzschlüssen mit oder ohne Fehlerströme zur Erde (z.B. infolge von
Kriechwegbildung). Es wird besonders darauf hingewiesen, dass Lichtbögen nur zwischen
Aussenleitern untereinander oder gegen den Neutralleiter, oder von den Aussenleitern gegen geerdete Teile entstehen können, nicht aber vom Neutralleiter gegen Erde. Dafür ist die
Neutralleiterspannung gegen Erde zu niedrig.
Daraus folgt, dass Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen (RCDs) nur gegen Brände schützen können, die durch Fehlerströme von den Aussenleitern zu geerdeten Teilen fliessend verursacht werden. Dies ist entweder der Fall, wenn zwischen Aussenleitern ein Isolationsfehler auftritt und z.B. über einen Lichtbogen ein Teil des Stromes zu einem in der Nähe befindlichen geerdeten Teil fliesst, oder wenn der Isolationsfehler direkt zwischen einem Aussenleiter und geerdeten Teilen entsteht. Versuche zeigen, dass Fehlerströme über etwa 300 mA einen Brand verursachen können.
Herkömmliche Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen können also gegen derartige Gefahren schützen. Sie haben aber den Nachteil, dass ihre Ausschaltung schnell erfolgen muss, weil auch der Schutz gegen elektrischen Schlag zu gewährleisten ist. Je nach Höhe des Fehlerstromes liegen dafür die Ausschaltzeiten bei einigen zehn Millisekunden bei den üblichen Bauformen und können bis zu 0,15 s bei der Bauform "S" gehen. Das bedeutet, dass sie oft gleichzeitig mit den ÜberstromSchutzeinrichtungen (OCDs) ausschalten und sogar bei Gewittern fehlauslösen. Dadurch wird aber die Verfügbarkeit der Stromversorgung in den Verbraucheranlagen beeinträchtigt. Dabei geht es längst nicht mehr nur um die verdorbenen Lebensmittel in der Tiefkühltruhe, etc., sondern um Datenverluste in programmierbaren Betriebsmitteln, Fehlalarm, usw.
Dazu kommt eine bedeutsame Entwicklung beim Fehlerschutz gegen elektrischen Schlag. Es ist damit zu rechnen, dass in den kommenden Jahren nur mehr die Neutralleiter-Schutzerdung (Nullung, TN-System nach IEC 60364) allgemein angewendet werden wird. Die Ausschalteinrichtungen für den Fehlerschutz sind dabei die Überstrom-Schutzeinrichtungen.
Ausser den Überstrom-Schutzeinrichtungen werden in den Normen derzeit auch noch Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen für den Fehlerschutz in genullten Verbraucheranlagen zugelassen und dafür wurden sogar eigene Schaltgeräte vorgeschlagen (AT 216 611 (1959), AT 223 265 (1960) und AT 223 266 (1961)). Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen können aber nicht ohne weiteres bei der Nullung für die Fehlerausschaltung verwendet werden, weil sie Kurzschlüsse zwischen einem Aussenleiter und dem Neutralleiter in der Verbraucheranlage nicht erkennen können und folglich auch nicht ausschalten. Dadurch können gefährliche Spannungen des PEN-Leiters über den PELeiter in die zu schützende Anlage verschleppt werden.
Das erfindungsgemässe Hauptschaltgerät als Sonderbauform einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung ist daher vor allem für den Brandschutz in genullten Verbraucheranlagen vorgesehen.
Wichtig für das Verständnis der Erfindung sind die Ausschaltvorgänge in genullten Verbraucheranlagen, wenn ein Körperschluss auftritt (Isolationsfehler von einem Aussenleiter zu berührbaren oder fremden leitfähigen Teilen). Bei satten Körperschlüssen fliessen hohe Kurzschlussströme und der Leitungsschutzschalter des betroffenen Endstromkreises schaltet mit seinem elektromagnetischen Schnellauslöser aus. Die Normen verlangen die Ausschaltung innerhalb von 0,1 s beim 5-fachen Nennstrom (Kennlinie L oder B) bzw. 10-fachen Nennstrom (Kennlinie U oder C). Es wird nur der betroffene Endstromkreis ausgeschaltet, d. h. die Verfügbarkeit der Stromversorgung ist hoch.
Wird im Verteiler an zentraler Stelle jedoch eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung eingebaut, die den Normen IEC 61008 oder 61009 entspricht, dann lösen die üblichen Bauformen meistens zusammen mit den Leitungsschutzschaltern aus und die Stromversorgung der gesamten Verbrau-
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cheranlage ist unterbrochen.
Die Verfügbarkeit der Stromversorgung wird übrigens auch eingeschränkt, wenn FehlerstromSchutzeinrichtungen bei Gewittern fehlauslösen. Die Erdfehlerströme, die durch Überschläge bei atmosphärischen Überspannungen entstehen, haben allerdings meistens eine Stromflussdauer unter 10 ms und um Fehlauslösungen zu vermeiden, hat eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung der Bauform G eine kleinste Auslösezeit von 10 ms (Patentschrift AT 387 675), wobei aber wegen des Fehlerschutzes die Gesamtausschaltzeit bei höheren Fehlerstromstärken nicht länger sein darf als 40 ms. Damit kann aber eine zuverlässige Selektivität mit Überstrom-Schutzeinrichtungen in genullten Anlagen nicht sichergestellt werden, da wie beschrieben z.B.
Leitungsschutzschalter innerhalb von 0,1 s und wegen Alterungserscheinungen manchmal auch erst nach 0,2 s mit ihren Schnellauslösern ausschalten, wenn die Kurzschlussströme nur geringfügig über ihrer Auslösegrenze liegen. Bei hohen Kurzschlussströmen (einige Hundert Ampere und darüber) schalten sie dann in wenigen Millisekunden aus.
Der erfindungsgemässe Nullungsschutzschalter vermeidet diesen Nachteil mit einer kleinsten zulässigen Auslösezeit von 0,2 s. Hinsichtlich der Gesamtausschaltzeit ist nur zu beachten, dass sie wegen der Begrenzung der elektrischen Energie, die an der Fehlerstelle frei wird und einen Brand zünden kann, in der Grössenordnung der Ausschaltzeiten der Überstrom-Schutzeinrichtungen bei der Nullung liegen sollte, also z. B. bei 5 s und I#N (z.B. 0,3 A) und 0,5 s bei 10 x I#N (z. B.
3 A).
Von Bedeutung ist also vor allem die Auslösezeit. Die Auslösezeit ist die längste Zeit, in der ein Fehlerstrom, der höher ist als der Nichtauslösefehlerstrom, fliessen kann, ohne eine Ausschaltung zu bewirken. Gesamtausschaltzeit ist dagegen die Zeit, die zwischen dem Augenblick vergeht, in dem der Auslösefehlerstrom erreicht wird und dem Augenblick der Lichtbogenlöschung in allen Polen.
Wenn ein Leitungsschutzschalter elektromagnetisch innerhalb von 0,2 s ausschaltet und ein Hauptschaltgerät in Serie dabei nicht ausschalten soll, muss daher seine Auslösezeit länger sein als 0,2 s. Diese Zeitgrenze gilt auch für nachgeschaltete Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen, z. B. für den Zusatzschutz.
Die Auslösezeit des Nullungsschutzschalters liegt daher erfindungsgemäss im gesamten Bereich des Fehlerstromes über 0,2 s. Nicht Gegenstand der Erfindung ist die Begrenzung der Gesamtausschaltzeit.
Liegt der Fehlerstrom so niedrig, etwa infolge von widerstandsbehafteten Körperschlüssen, dass die Schnellauslöser der Leitungsschutzschalter nicht mehr ansprechen, dann schaltet der erfindungsgemässe Nullungsschutzschalter viel schneller aus als die thermischen Auslöser der Leitungsschutzschalter. Dadurch wird die elektrische Energie an der Fehlerstelle, die massgebend für die Zündung eines Brandes ist, stark herabgesetzt. Bei widerstandsbehafteten Körperschlüssen ist zwar die Berührungsspannungsgefahr bei der Nullung meist gering (die Fehlerspannungen betragen nur wenige Volt), trotzdem ist eine kurze Ausschaltzeit auch für den Schutz gegen elektrischen Schlag vorteilhaft.
Der erfindungsgemässe Nullungsschutzschalter ist aber nicht nur mit in Serie geschalteten Leitungsschutzschaltern selektiv, sondern auch mit Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen üblicher Bauform, die für den Zusatzschutz mit I#N < 30 mA Nennfehlerstrom Endstromkreise schützen und sogar mit dem Schaltgerät mit netzspannungsabhängiger Fehlerstromauslösung und hohem Eigenschaltvermögen, wie es in der österreichischen Patentanmeldung A 1769/2003 vorgeschlagen wird. Derartige Schaltgeräte bzw. Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen üblicher Bauformen nach IEC 61008 müssen ja bei 5 x I#N innerhalb von 40 ms ausschalten, also weit unter der Auslösezeit von 0,2 s des erfindungsgemässen Hauptschaltgerätes.
Mit dem erfindungsgemässen Nullungsschutzschalter ist die Verwirklichung eines Installationsschemas für eine genullte Verbraucheranlage mit hoher Verfügbarkeit der Stromversorgung, Zusatzschutz und Brandschutz möglich.
Die Hauptaufgabe des erfindungsgemässen Nullungsschutzschalters (Hauptschaltgerätes) liegt also bei der Verhinderung von Bränden, wie sie bei verhältnismässig niedrigen Fehlerströmen und widerstandsbehafteten Körperschlüssen schon beobachtet worden sind. Meist lösen dann Leitungsschutzschalter weder elektromagnetisch noch thermisch aus und der Nullungsschutzschalter kann dann über der Gefahrengrenze, die, wie bereits erwähnt, bei 300 mA Fehlerstrom liegt,
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schützen. Wegen der Seltenheit derartiger Fehler kann man auch in Kauf nehmen, dass bei bestehender Brandgefahr durch das Ausschalten des Nullungsschutzschalters, der ja als Hauptschalter an zentraler Stelle in der Verteilung eingebaut ist, die Stromversorgung der gesamten Anlage unterbrochen wird.
Da der Nullungsschutzschalter nur für die Installation in Verbraucheranlagen vorgesehen ist, in denen als Fehlerschutz die Nullung angewendet wird, braucht der Neutralleiter nicht geschaltet werden, sondern wird als unterbrechungslose Verbindung von den Eingangsklemmen zu den Ausgangsklemmen des erfindungsgemässen Hauptschaltgerätes geführt.
Entsprechend diesen Überlegungen ist das erfindungsgemässe Hauptschaltgerät eine Sonderbauform einer Fehlerstrom-Schutzeinrichtung. Es besitzt einen Summenstromwandler zur Erfassung des Fehlerstromes, einen vorzugsweise netzspannungsunabhängigen elektronischen Speicher- und/oder Verstärker-Schaltkreis, der mit einem Wandlerrelais, das ein elektromechanisches Relais oder ein elektronisches Relais (Thyristor) sein kann, verbunden ist. Das Wandlerrelais schaltet ein, wenn der Fehlerstrom einen vorgegebenen Wert überschreitet. Dadurch wird ein Arbeitsstromauslöser aktiviert, der das Schaltschloss entklinkt, wodurch sich der Kontaktapparat für die Aussenleiter öffnet. Der Neutralleiter wird unterbrechungslos durch das Hauptschaltgerät geführt. Eine ähnliche Auslöseschaltung wird beispielhaft in EP 495 771 beschrieben.
Der elektronische Speicher- und/oder Verstärker-Schaltkreis wird vorzugsweise netzspannungsunabhängig ausgeführt, eine Lösung, die eine höhere Lebensdauer der elektronischen Bauelemente gewährleistet, als ein netzspannungsabhängiger Schaltkreis. Im Gegensatz zur FehlerstromSchutzeinrichtung nach AT 387 675 hat das erfindungsgemässe Hauptschaltgerät aber nicht eine Mindestauslösezeit von 10 ms, sondern von 0,2 s, eine Eigenschaft, die entscheidend dafür ist, dass die Verfügbarkeit der Stromversorgung der zu schützenden Anlage nicht eingeschränkt wird.
Die nachfolgenden Figuren 1 bis 6 sollen die Erfindung weiter beschreiben.
Figur 1 zeigt, dass Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen im Allgemeinen nicht für den Fehlerschutz in genullten Verbraucheranlagen verwendet werden können, Figur 2 enthält die genormten Bezeichnungen für die Zeiten beim Ausschalten eines Schaltgerätes, Figur 3 die Auslösekennlinie eines erfindungsgemässen Nullungsschutzschalters, Figur 4 die Strom/Zeitkennlinie einer Serienschaltung eines Leitungsschutzschalters und eines erfindungsgemässen Nullungsschutzschalters, Figur 5 das Installationsschema einer Verbraucheranlage mit vollkommenem Gefahrenschutz und Figur 6 die Schaltung des erfindungsgemässen Nullungsschutzschalters.
In Figur 1 erkennt man, dass eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung in einer genullten Verbraucheranlage nicht ausschaltet, wenn ein Kurzschluss zwischen einem Aussenleiter und dem Neutralleiter auftritt. Der Fehlerstrom IF fliesst über den PEN-Leiter zurück zum Transformator und erzeugt einen Spannungsfall UPEN, der über die Potentialausgleichsschiene PAS und den PE-Leiter auf die Gehäuse der elektrischen Betriebsmittel verschleppt wird.
Figur 2 zeigt die genormten Zeitabschnitte beim Ausschaltvorgang eines Schaltgerätes. Der Strom beginnt im Zeitpunkt to zu fliessen. Er erreicht im Zeitpunkt t, den Ansprechwert des Auslösers und dann dauert es bis zum Zeitpunkt t2, bis der Auslöser das Schaltschoss entklinkt. t2 - t1 heisst Auslösezeit. Bis zum Beginn des Öffnens der Kontakte zum Zeitpunkt t3 dauert dann die Eigenzeit des Schaltschlosses; zum Zeitpunkt t4 haben die Kontakte voll geöffnet und der Lichtbogen löscht im Zeitpunkt t5. t5 - t1 heisst Gesamtausschaltzeit, t3 - t1 ist der Öffnungsverzug.
Figur 3 zeigt als Beispiel die Auslösekennlinie eines erfindungsgemässen Nullungsschutzschalters. Seine kleinste zulässige Auslösezeit t2 - t1 ist unabhängig von der Höhe des Fehlerstromes
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10 x I#N gleich 0,5 s gewählt. Wie bei Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen üblich, beträgt die zulässige Streuung an der Auslösegrenze 0,5 x I#N bis 1 x I#N.
Figur 4 zeigt als Beispiel die Schutzkennlinie der Serienschaltung eines erfindungsgemässen Nullungsschutzschalters, Nennfehlerstrom 0,3 A mit einem Leitungsschutzschalter, Nennstrom 16 A, Kennlinie B (Schnellauslösung ab 3 bis 5 x IN). Der Nullungsschutzschalter hat erfindungsgemäss eine kleinste zulässige Auslösezeit t2 - t1 von 0,2 s. Für seine Gesamtausschaltzeit wurden die Kennwerte 5 s bei 1 x I#N, 0,5 s bei 10 x I#N gewählt und wie üblich liegt sein Nichtauslösefehlerstrom zwischen 0,5 x I#N = 0,15 A und 1 x I#N = 0,3 A (schraffierter Bereich). Der Streubereich für die Schnellauslöser des Leitungsschutzschalters liegt zwischen 3 x IN = 48 A und 5 x IN = 80 A (schraffierter Bereich, Kennlinie B).
Im Bereich 1 der Auslösekennlinie schaltet der Nullungsschutz-
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schalter, im Bereich 2 der Leitungsschutzschalter. Da der Nullungsschutzschalter im Bereich 2, in dem die hohen Kurzschlussströme liegen, eingeschaltet bleibt, werden seine Kontakte bei der Ausschaltung von Kurzschlussströmen durch den Leitungsschutzschalter nicht beansprucht, das ist ein weiterer grosser Vorteil des erfindungsgemässen Nullungsschutzschalters.
Figur 5 zeigt das Installationsschema mit hoher Verfügbarkeit der Stromversorgung einer genullten Anlage mit Zusatzschutz und Brandschutz. Das Schaltgerät 1 ist der erfindungsgemässe Nullungsschutzschalter (Hauptschaltgerät), z. B. Nennstrom 40 A, Nennfehlerstrom 0,3 A, Mindestauslösezeit 0,2 s. Das Schaltgerät 2 kann z. B. eine Fehlerstrom-Schutzeinrichtung mit netzspannungsabhängiger Fehlerstromauslösung und hohem Eigenschaltvermögen sein, z. B. Nennstrom 40 A, Nennfehlerstrom 0,03 A, mit elektromagnetischer Schnellauslösung entsprechend der österreichischen Patentanmeldung A 1769/2003. Beide Geräte haben einen unterbrechungslos durchgeführten Neutralleiter. Für den Überstromschutz dienen die Leitungsschutzschalter 3 für die fest angeschlossenen Betriebsmittel und 4 für Endstromkreise mit Steckdosen.
Für diese Endstromkreise dient das Schaltgerät 2 als Zusatzschutz.
Figur 6 zeigt die Schaltung des Nullungsschutzschalters als erfindungsgemässes Hauptschaltgerät mit dem Gehäuse (1), in dem der Kontaktapparat (2), das Schaltschloss (3), die Strombahnen für die Aussenleiter L1, L2 und L3 und den Neutralleiter N (4), der Summenstromwandler (5), ein vorzugsweise netzspannungsunabhängiger elektronischer Speicher- und/oder VerstärkerSchaltkreis (6), ein Wandlerrelais (7) und ein Arbeitsstromauslöser (8) untergebracht sind. Die strichlierten Verbindungen zum elektronischen Speicher- und/oder Verstärker-Schaltkreis sind vorhanden, wenn dieser Schaltkreis netzspannungsabhängig ausgeführt ist. In den Strombahnen der Aussenleiter L1, L2 und L3 befindet sich der Kontaktapparat (2), während die Neutralleiterverbindung (4) unterbrechungslos von den Eingangsklemmen zu den Ausgangsklemmen des Nullungsschutzschalters geführt ist.
Der elektronische Speicher- und/oder Verstärker-Schaltkreis ist so dimensioniert, dass unabhängig von der Höhe des Fehlerstromes die Auslösezeit des erfindungsgemässen Hauptschaltgerätes (Nullungsschutzschalter) nie kleiner wird als 0,2 s und dadurch gegenüber den Schnellauslösern von Leitungsschutzschaltern, wenn deren normgerechte Ansprechgrenzen überschritten werden, und Fehlerstrom-Schutzeinrichtungen der üblichen Bauform und der Bauform "S" sowie solchen nach der österreichischen Patentanmeldung A 1769/2003 volle Selektivität besteht.