Schaltungsanordnung zur Prüfung von Fehlerstrom und Fehlerspannungsschutzschaltern
Im deutschen Patent Nr. 1137115 wird eine Schaltungsanordnung zur Prüfung von Fehlerstromund Fehlerspannungsschutzschaltern sowie zur Messung des Erdungs- und Schleifenwiderstandes beschrieben, die ein als Spannungswächter ausgebildetes Relais aufweist, das mit Hilfe einer Drucktaste betätigt wird und die Messanordnung bei anliegender Netzspannung einschaltet und bei zu grossem Spannungsabfall am Schutzleiter sofort ausschaltet.
Die vorliegende Erfindung besteht darin, dass bei einer solchen Schaltungsanordnung dem Relais ein Prüfstromkreis parallel liegt, der mindestens einen Heissleiter aufweist, dessen stetig ansteigender Strom nach einer in der Grössenordnung von Sekunden liegenden Messzeit entweder infolge zu grossen Spannungsabfalles das Relais zum Abfallen bringt oder den Fehlerstrom- oder Fehlerspannungsschutzschalter auslöst oder bei dessen Versagen einen im Prüfstromkreis liegenden thermischen Auslöser betätigt.
In den Vorschriften der Elektrotechnik wird verlangt, dass vor Inbetriebnahme einer elektrischen Anlage die Wirksamkeit der Schutzmassnahmen mit Schutzleiter zu prüfen ist. Zu diesen Schutzmassnahmen gehört u.a. der Einbau von Fehlerstromund Fehlerspannungsschutzschaltern. Die prinzipiellen Schaltungen zur Prüfung dieser Schutzmassnahmen sind in Fig. 1 und 2 des deutschen Patentes Nr. 1137115 ausführlich dargestellt. Zusammenfassend kann wiederholt werden, dass bei derartigen Prüfschaltungen über einen Prüfwiderstand ein künstlicher Fehler erzeugt wird, der an dem zu schützenden Gerät eine Fehlerspannung hervorruft. Bei der bekannten Messung mit einer Sonde kann diese Fehlerspannung an einem Voltmeter abgelesen werden.
Da die Verwendung einer Messonde zur Prüfung in den meisten Fällen sehr viel Aufwand erfordert, wird in Netzen, deren Spannung gegen Erde festliegt, die an dem Prüfwiderstand selbst abfallende Spannung gemessen und angezeigt.
Damit durch den Prüfvorgang selbst keine gefährlichen Berührungsspannungen erzeugt und in andere Anlagenteile verschleppt werden können, muss der Prüfwiderstand beim Einschalten so gross sein, dass der entstehende Strom bei einer Reihenschaltung dieses Widerstandes mit dem menschlichen Körper so klein ist, dass im Körper keine gefährlichen Spannungsabfälle enstehen können. Derartige Spannungsabfälle treten grundsätzlich dann auf, wenn der Schutzleiter unterbrochen ist.
Die Vorschriften besagen, dass der Schutzschalter bei einer Prüfung auslösen muss, bevor die an dem Prüfwiderstand gemessene Spannung um mehr als 65 bzw. 24 V gegenüber der Netzspannung abgesunken ist. Löst der Schutzschalter innerhalb dieses Bereiches nicht aus, so ist dies ein Zeichen dafür, dass die Schutzschaltung nicht in Ordnung ist.
Die Schaltungsanordnung gemäss dem erwähnten Patent stellt gegenüber den herkömmlichen Messverfahren mit Voltmeter schon eine wesentliclle Verbesserung dar, weil durch die automatische Abschaltung des als Spannungswächter ausgebildeten Relais eine Ja-Nein-Aussage bewirkt wird und darüber hinaus eine Spannungsverschleppung verhindert wird.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, den Prüfvorgang voll und ganz zu automatisieren, was u.a. dadurch gelang, dass der verwendete und von Hand einzuregulierende Prüfwiderstand durch einen an sich bekannten Heissleiter ersetzt wurde. Da der Heissleiter einen negativen Temperaturkoeffizienten besitzt, ist die Schaltung an sich instabil. Die Entstehung zu grosser Ströme beim Versagen der Schutzschaltung wird in Rahmen der Erfindung durch den Einbau eines thermischen Auslösers verhindert. Es ist dann möglich, mit Hilfe von drei Spannungsanzeigeorganen unter Verzicht auf übliche Messinstrumente eine Aussage über das ordnungsgemässe Arbeiten der Schutzschaltung und über die Art eventuell vorhandener Fehler zu erhalten.
Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles gemäss der Zeichnung erläutert.
Die Schaltungsanordnung besteht aus einem Relais A mit dem Selbsthaltekontakt a, dem Heissleiter W mit dem Vorwiderstand W1, der Drucktaste T mit dem Arbeitskontakt t1 und dem Ruhekontakt t2, dem thermiscen Auslöser Th und den Spannungsanzeigeorganen L1, L und L3, die gemäss dem Ausführungsbeispiel als verschiedenfarbige Glimmlampen ausgebildet sind. Der eigentliche Prüfstromkreis weist ausser dem Heissleiter W und dem Vorwiderstand W1 den Ruhestromkontakt t2 der Drucktaste T und den thermischen Auslöser Th auf.
Die gesamte Schaltungsanordnung zur Prüfung von Fehlerstrom- und Fehlerspannungsschutzschaltern wird vorzugsweise mit Hilfe eines Schutzkontaktsteckers an den Phasenleiter, den Mittelpunktleiter und den Schutzleiter des geschützten Netzes angeschlossen. Zwischen Phasenleiter und Mittelpunktieter liegt die Glimmlampe L1, die vorzugsweise mit einer roten Abdeckung versehen ist. Die Glimmlampe L2 ist in Reihe mit dem thermischen Auslöser Th zwischen Phasenleiter und Schutzleiter geschaltet. Sie weist vorzugsweise eine gelbe Abdeckkappe auf und brennt immer dann, wenn bei anliegender Netzspannung der thermische Auslöser geschlossen ist. Parallel zu der Reihenschaltung aus dem Heissleiter W2, dem Vorwiderstand W1 und dem Ruhekontakt t2 ist die Glimmlampe L3 geschaltet, die z.B. in weisser oder grüner Farbe aufleuchtet.
Der Selbsthaltekontakt a des parallel zum Prüfstromkreis liegenden Relais ist so angeordnet, dass durch seine Öffnung ausser dem Relaistromkreis auch der Prüfstromkreis und der Stromkreis der Lampe L5 unterbrochen wird.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltungsanordnung ist folgende:
Beim Anschluss des Gerätes an das zu prüfende Netz leuchten bei richtiger Polung die rote und die gelbe Lampe auf.
Wird nun das Gerät mit falscher Polung an das Netz angeschlossen (Vertauschung des Phasenleiters mit dem Mittelpunktleiter), so kann nur die rote Lampe aufleuchten, weil die zwischen dem Mittelpunktleiter und dem Schutzleiter liegende gelbe Lampe kein Potential erhält. Leuchtet auch nach dem Umpolen nur die rot Lampe auf, so ist der Schutzleiter unterbrochen.
Wenn dagegen beim Anschluss des Gerätes lediglich die gelbe Lampe brennt, so wird damit angezeigt, dass in dem Netz der Schutzleiter und der Phasenleiter vertauscht sind. In diesem Falle besteht Lebensgefahr.
Hat man das Gerät in richtiger Polung so angeschlossen, dass die gelbe und die rote Lampe aufleuchten, so kann durch das Drücken der Taste T der Messvorgang eingeleitet werden. Die Schaltung zeigt, dass durch das Schliessen des Kontaktes t1 das Relais A an Spannung gelegt wird und seinen Selbsthaltekontakt a schliesst. Solange die Taste gedrückt bleibt, ist der Ruhekontakt t geöffnet und der Prüfstromkreis trotz geschlossenem Selbsthaltekontakt a stromlos. Die Einschaltung des Relais A wird durch das Aufleuchten der weissen Lampe La angezeigt. Damit brennen alle drei Lampen gleichzeitig. Mit Beginn der Messung, d.h. nach dem Loslassen der Taste T, wird der Heissleiter W2 aufgeheizt, wodurch der Strom im Prüfstromkreis nach einer o-Funktion ansteigt.
Die Prüfung kann je nach Zustand der zu überwachenden Anlage zu einem der folgenden drei Ergebnisse führen:
1. Sobald nach einigen Sekunden der stetig ansteigende Prüfstrom den Auslösestrom des intakten Schutzschalters überschritten hat, löst der Schutzschalter aus und trennt die zu prüfende Anlage vom Netz. Dieses Ergebnis wir dadurch angezeigt, dass alle drei Lampen zugleich erlöschen.
2. Nach einer gewissen Messzeit fällt das Relais A ab, weil entweder der Erdungswiderstand des Schutzleiters zu hoch ist oder der Auslösestrom des Schutzschalters so hoch eingestellt ist, dass die Abfallspannung am Relais unterschritten wird. Dieser Fehler wird durch das Erlöschen der weissen Lampe L3 infolge Öffnung des Kontaktes a angezeigt.
3. Nach einigen Sekunden Prüfzeit schaltet der thermische Auslöser sowohl den Prüfstromkreis als auch die weisse und die gelbe Lampe ab, so dass lediglich die rote Lampe brennen bleibt. Das Ansprechen des thermischen Auslöser zeigt bei Fehlerstromschutzschaltungen entweder eine Vertauschung des Mittelpunktleiters mit dem Schutzleiter oder einen Kurzschluss zwischen diesen beiden Leitern an.
Bei Fehlerspannungsschutzschaltern ist dieses Prüfungsergebnis ein Zeichen dafür, dass der Schutzleiter eine niederohmige Nebenerde hat.
Hat die Prüfung ergeben, das die Schutzschaltung gemäss I in Ordnung ist oder ein Fehler nach II vorliegt, so kann die Schaltungsanordnung nach einigen Sekunden Wartezeit zur Abkühlung des Heissleiterwiderstandes zu einer erneuten Messung benutzt werden. Die Widerstände W1 und W5 werden so dimensioniert, dass die Wartzeit bis zur nächsten Messung in den genannten Fällen vorzugsweise nicht grösser als etwa 10 Sek. ist. Liegt dagegen ein Fehler nach III vor, so ist die Wartezeit bis zur nächsten Messung länger da der thermische Auslöser zu seiner Abkühlung und Wiedereinschaltung etwa 1 Min. benötigt.
Wird die beschriebene Schaltungsanordnung zur automatischen Prüfung von Fehlerstrom- und Fehlerspannungsschutzschaltern vor einer ausreichenden Abkühlung erneut in Betrieb genommen, so werden gefährliche Spannungsverschleppungen dadurch vermieden, dass bei geschlossenem Thermoauslöser und zu niedrigem Heissleiterwiderstand durch das Drükken der Taste T infolge der Öffnung des Kontaktes t2 der Prüfstromkreis unterbrochen wird und das Relais nach dem Loslassen der Taste T sofort erneut abschaltet. Bei noch offenem Thermoauslöser kann bei der in der Schaltung angegeben Lage dieses Auslösers kein Prüfstrom entstehen, so dass ebenfalls keine Spannungsverschleppung hervorgerufen werden kann.
Die Schaltungsanordnung zur automatischen Prüfung von Fehlerstrom- und Fehlerspannungsschutzschaltern besitzt dadurch entscheidende Vorteile gegenüber den bisher bekanntgewordenen Schaltungen auf diesem Gebiet. Da die Abkühlungszeit und damit die Zeit bis zum Wiedereinschalten des Thermoauslösers wesentlich grösser ist als die Abkühlungszeit des Heissleiterwiderstandes, wird eine Überlastung des Heissleiters mit Sicherheit vermieden. Durch die Automatisierung ergab sich der weitere grosse Vorteil der Unabhängigkeit von Bedienungs- und Ablesefehlern. Ein entscheidender Fortschritt ist auch darin zu sehen, dass Fehler in der Schutzschaltung nicht nur grundsätzlich angezeigt sondern durch verschiedene Lampensignale auch so genau gekennzeichnet werden, dass weitere Hilfsmittel zur genauen Feststellung der Fehlerart überflüssig sind.
Gegenüber den frühes üblichen Prüfschaltungen mit einem oder mehreren Voltmetern und Einstellwiderständen zeichnet sich der Gegenstand der Erfindung durch kleine Abmessungen, geringes Gewicht, niedrigen Preis und Unempfindlichkeit gegen Erschütterungen aus. Es ist nicht möglich, das Gerät durch unsachgemässe Bedienung zu zerstören. Da alle Aussagen des Gerätes in Form von Ja-Nein-Entscheidungen geliefert werden, kann die Prüfung auch von ungeübtem Hilfspersonal durchgeführt werden.
Circuit arrangement for testing residual current and residual voltage circuit breakers
In the German patent No. 1137115 a circuit arrangement for testing fault current and fault voltage protection switches as well as for measuring the earthing and loop resistance is described, which has a relay designed as a voltage monitor, which is operated with the help of a push button and switches the measuring arrangement on when the mains voltage is applied and when the voltage is too high Immediately switches off the voltage drop on the protective conductor.
The present invention consists in the fact that in such a circuit arrangement the relay has a test circuit in parallel, which has at least one hot conductor, the steadily increasing current of which, after a measurement time of the order of seconds, either causes the relay to drop due to an excessive voltage drop or the fault current - or fault voltage circuit breaker trips or, if it fails, triggers a thermal release in the test circuit.
The electrical engineering regulations require that the effectiveness of the protective measures with a protective conductor be checked before commissioning an electrical system. These protective measures include the installation of residual current and residual voltage circuit breakers. The basic circuits for testing these protective measures are shown in detail in FIGS. 1 and 2 of German Patent No. 1137115. In summary, it can be repeated that in test circuits of this type an artificial fault is generated via a test resistor which causes a fault voltage on the device to be protected. With the known measurement with a probe, this error voltage can be read on a voltmeter.
Since the use of a measuring probe for testing requires a great deal of effort in most cases, the voltage drop across the test resistor itself is measured and displayed in networks whose voltage to earth is fixed.
So that the test process itself does not generate dangerous touch voltages and can be carried over to other parts of the system, the test resistor must be so large when switched on that the current produced when this resistor is connected in series with the human body is so small that no dangerous voltage drops occur in the body can. Voltage drops of this kind generally occur when the protective conductor is interrupted.
The regulations state that the circuit breaker must trip during a test before the voltage measured at the test resistor has dropped by more than 65 or 24 V compared to the mains voltage. If the circuit breaker does not trip within this range, this is a sign that the protective circuit is not OK.
The circuit arrangement according to the patent mentioned represents a significant improvement over the conventional measuring method with a voltmeter, because the automatic switch-off of the relay, which is designed as a voltage monitor, results in a yes-no statement and also prevents voltage spread.
The invention was based on the task of fully automating the testing process, which i.a. it succeeded in replacing the test resistor which was used and which had to be regulated by hand with a thermistor known per se. Since the hot conductor has a negative temperature coefficient, the circuit itself is unstable. The creation of excessively large currents when the protective circuit fails is prevented within the scope of the invention by installing a thermal release. It is then possible, with the aid of three voltage display devices, to obtain information about the proper functioning of the protective circuit and about the type of faults that may be present, without the use of conventional measuring instruments.
The invention is explained using an exemplary embodiment according to the drawing.
The circuit arrangement consists of a relay A with the self-holding contact a, the heat conductor W with the series resistor W1, the pushbutton T with the normally open contact t1 and the normally closed contact t2, the thermal release Th and the voltage indicators L1, L and L3, which according to the exemplary embodiment as different colored glow lamps are formed. In addition to the hot conductor W and the series resistor W1, the actual test circuit has the closed-circuit contact t2 of the push button T and the thermal release Th.
The entire circuit arrangement for testing residual current and residual voltage circuit breakers is preferably connected to the phase conductor, the neutral conductor and the protective conductor of the protected network with the aid of a protective contact plug. The glow lamp L1, which is preferably provided with a red cover, is located between the phase conductor and the center point. The glow lamp L2 is connected in series with the thermal release Th between the phase conductor and protective conductor. It preferably has a yellow cover cap and always burns when the thermal release is closed when the mains voltage is applied. The glow lamp L3 is connected in parallel to the series circuit comprising the hot conductor W2, the series resistor W1 and the normally closed contact t2, which e.g. lights up in white or green color.
The self-holding contact a of the relay lying parallel to the test circuit is arranged in such a way that, through its opening, not only the relay circuit but also the test circuit and the circuit of the lamp L5 are interrupted.
The circuit arrangement described works as follows:
When the device is connected to the network to be tested, the red and yellow lamps light up if the polarity is correct.
If the device is now connected to the mains with the wrong polarity (interchanging the phase conductor with the center conductor), only the red lamp can light up because the yellow lamp between the center conductor and the protective conductor does not receive any potential. If only the red lamp lights up after the polarity has been reversed, the protective conductor is interrupted.
If, on the other hand, only the yellow lamp is lit when the device is connected, this indicates that the protective conductor and the phase conductor are interchanged in the network. In this case there is a mortal danger.
If the device has been connected with the correct polarity so that the yellow and red lamps light up, the measuring process can be initiated by pressing the T key. The circuit shows that when contact t1 is closed, voltage is applied to relay A and its self-holding contact a closes. As long as the button remains pressed, the normally closed contact t is open and the test circuit is de-energized despite the self-holding contact a being closed. The activation of the relay A is indicated by the lighting up of the white lamp La. This means that all three lamps burn at the same time. With the start of the measurement, i.e. after releasing the key T, the heat conductor W2 is heated up, whereby the current in the test circuit rises after an o-function.
Depending on the condition of the system to be monitored, the test can lead to one of the following three results:
1. As soon as, after a few seconds, the steadily increasing test current has exceeded the tripping current of the intact circuit breaker, the circuit breaker trips and disconnects the system to be tested from the mains. This result is indicated by the fact that all three lamps go out at the same time.
2. After a certain measuring time, relay A drops out because either the earthing resistance of the protective conductor is too high or the tripping current of the circuit breaker is set so high that the dropout voltage at the relay is not reached. This error is indicated by the white lamp L3 going out when contact a is opened.
3. After a test time of a few seconds, the thermal release switches off the test circuit as well as the white and yellow lamps so that only the red lamp remains on. In the case of residual current protection circuits, the response of the thermal release indicates either an exchange of the neutral conductor with the protective conductor or a short circuit between these two conductors.
In the case of residual voltage circuit breakers, this test result is a sign that the protective conductor has a low-resistance secondary earth.
If the test has shown that the protective circuit according to I is OK or that there is an error according to II, the circuit arrangement can be used for a new measurement after a waiting period of a few seconds to cool down the hot conductor resistance. The resistors W1 and W5 are dimensioned in such a way that the waiting time until the next measurement in the mentioned cases is preferably not greater than about 10 seconds. If, on the other hand, there is an error according to III, the waiting time until the next measurement is longer because the thermal release needs about 1 minute to cool down and switch on again.
If the circuit arrangement described for the automatic testing of residual current and residual voltage circuit breakers is put into operation again before it has cooled down sufficiently, dangerous voltage transfers are avoided by opening the test circuit when the thermal release is closed and the hot conductor resistance is too low by pressing the T button as a result of the opening of contact t2 is interrupted and the relay switches off again immediately after releasing the T button. If the thermal release is still open, no test current can arise in the position of this release specified in the circuit, so that no voltage carryover can be caused either.
The circuit arrangement for the automatic testing of residual current and residual voltage circuit breakers has decisive advantages over the previously known circuits in this field. Since the cooling time and thus the time until the thermal release is switched on again is significantly longer than the cooling time of the hot conductor resistor, overloading the hot conductor is definitely avoided. The automation resulted in the further great advantage of independence from operating and reading errors. A decisive advance can also be seen in the fact that faults in the protective circuit are not only displayed in principle, but are also identified so precisely by various lamp signals that further aids for precisely determining the type of fault are superfluous.
Compared to the early customary test circuits with one or more voltmeters and setting resistors, the subject of the invention is characterized by small dimensions, low weight, low price and insensitivity to vibrations. It is not possible to destroy the device through improper use. Since all statements of the device are provided in the form of yes-no decisions, the test can also be carried out by inexperienced support staff.