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Nullungsschutzschalter mit Nulleiterspannungsauslöser Den Schutzmaßnahmen
gegen zu hohe Berührungsspannungen und gegen Zündung durch Erdfehlerströme wird
in den kommenden Jahren eine immer größere Bedeutung zukommen. Entwicklungsmäßig
gesehen war die Schutzerdung der erste Versuch, das Auftreten von Berührungsspannungen
zu verhindern. Man erkannte aber bald, daß die Verbindung mit Erde allein nicht
genügt, um Gefahren zu beseitigen, sondem daß die Körperschlüsse durch die vorgeschalteten
Leitungsschutzorgane weggeschaltet werden müssen. Die dafür notwendigen niederen
Erdausbreitungswiderstände waren aber in vielen Fällen nicht zu erreichen, weil
das Erdreich im allgemeinen ein sehr schlechter elektrischer Leiter ist. Es war
daher naheliegend, sich nach einem besser leitenden Rückweg für den Fehlerstrom
umzusehen, der sich dann bei den Drehstromnetzen im geerdeten Mittelleiter fand.
Die Verbindung der zu schützenden Anlagenteile mit diesem Mittel- oder Nulleiter
wurde als Nullung bezeichnet und stellt also die logische Weiterentwicklung der
Schutzerdung dar. Es ist dabei ein großer Vorteil dieser Schutzmaßnahme, daß bei
Körperschluß etwa die halbe Spannung gegen Erde im Außenleiter verbraucht wird,
so daß, wegen der stets vorhandenen Erdungen des Nulleiters, als Fehlerspannungen
nur Werte bis etwa 100 V auftreten. Dadurch wird aber die Unfallgefahr entscheidend
verringert. Der Nachteil der Schutzerdung und der Nullung Regt lediglich in dem
Umstand, daß eine Abschaltung der Fehlerstelle erst auftritt, wenn die Fehlerstromstärken
Werte erreichen, die beträchtlich über den Nennstromstärken der Leitungsschutzorgane
liegen. Es ist damit also weder eine Isolationsüberwachung noch ein Schutz gegen
Zündung durch Erdfehlerströme möglich. Durch die hohen Ansprechwerte können unter
Umständen sogar Gefahren durch die Anwendung dieser Schutzmaßnahmen verursacht werden.
Der Wunsch nach höherer Empfindlichkeit führte dann zunächst zur Fehlerspannungsschutzschaltung,
die im Prinzip sprungartig von einer normalen Weiterentwicklung der Schutzerdung
und Nullung abweicht, weil dabei zwischen Erde und zu schützende Anlagenteile eine
hochohmige Impedanz, nämlich die Auslösespule des Schutzschalters, gelegt wird.
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Erst die Fehlerstromschutzschaltung stellt im Prinzip wieder nichts
anderes dar als eine Verbesserung der Schutzerdung, wobei der Fehlerstromschutzschalter
die Abschaltfunktion der Leitungsschutzorgane bei kleinen Fehlerstromstärken übemimmt.
Es wäre nun naheliegend gewesen, diese Schutzschalter so zubauen, daß sie als Trenn-
oder Lastschalter in voller Selektivität mit den in jedem Fall vorhandenen Leitungsschutzorganen
arbeiten, d. h., daß bei geringen Fehlerstromstärken, beginnend bei etwa
100 mA und darunter bis zu seiner Schaltleistungsgrenze, der Fehlerstromschutzschalter
schaltet, darüber hinaus aber das Leitungsschutzorgan die Schaltleistung übernimmt.
Damit ergäbe sich nämlich ein lückenloses Schutzsystem, das bei Fehlerströmen zwischen
etwa 100 mA und den Schaltleistungsgrenzen der Leitungsschutzorgane, also
etwa 1500 oder 3000 A, einwandfrei arbeiten würde und nicht nur den
herkömmlichen Berührungsspannungsschutz, sondem auch die Isolationsüberwachung und
damit den Brandschutz sicherstellen könnte.
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In Verkennung der wirklichen Notwendigkeit wurden aber zunächst auf
den Fehlerstromschutzschalter Konstruktionsprinzipe übertragen, die vom Fehlerspannungsschutzschalter
her geläufig waren und grundsätzlich die Erfüllung der Selektivitätsbedingungen
unmöglich machen. Erst die Fehlerstromschutzschalter mit Impulsauslösung führten
wieder zur ursprünglichen Aufgabe zurück, nämlich die Fehlerstromschutzschaltung
vom Standpunkt der Schutzerdung aus zu betrachten.
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Es liegt nun nahe, auch die Nullung, die ja nichts anderes ist als
eine verbesserte Schutzerdung, in ähnlicher Weise zu ergänzen. Der Grundgedanke
ist dabei, die Einfachheit und Zuverlässigkeit der Nullung mit der Empfindlichkeit
von Schutzschaltem zu kombinieren, wobei als besonderer Vorteil dieses Systems die
Begrenzung der möglichen Fehlerspannungen auf etwa 100 V und darunter augenfällig
ist. Versagt wirklieh
einmal der Schutzschalter, und dies ist bei
einem mechanischen Schaltgerät immer möglich, dann setzt . mmer noch
die Nullung das Gefahrenmoment stark herab. Andererseits wird irn Normalfall der
Schutzschalter in seiner Eigenschaft als Isolationswächter schon bei kleinsten Fehlerströmen
die Anlage abschalten und damit nicht nur den Brandschutz sicherstellen, sondem
auch einen weitgehenden Schutz gegen Schutzleiterverwechslungen und Schutzleiterunterbrechungen
bieten. Der normale Nullungssehutzschalter ist also im Prinzip ein Fehlerstromschutzschalter
mit drei Hauptkontakten und einem vierpoligen Summenstromwandler. Der Nulleiter
wird dabei direkt über den Summenstromwandler geführt. Der vom Nulleiter getrennt
verlegte Schutzleiter (Nullungsleiter) wird ohne Unterbrecherkontakt vor dem Summenstromwandler
an den Nulleiter angeschlossen. Da der Schalter für den Einbau in Netzen gedacht
ist, in denen die Nullungsbedingungen eingehalten sind, muß hier die Selektivität
hinsichtlich der Schaltleistung mit den maximal zulässigen, vorgeschalteten Leitungsschutzorganen
unbedingt gefordert werden. Im Fehlerfall können ja bei kleinen Widerständen der
Nulleiterschleife sehr hohe Kurzschlußstromstärken fließen, die bei Nichtbeachtung
der Selektivität den Schutzschalter sofort zerstören würden.
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Es kommt nun, insbesondere bei Freileitungsnetzen, vor, daß die Nullungsbedingungen
nicht mehr eingehalten werden können. Außerdem treten hier die Gefahren der Null-
und Außenleiterbrüche auf, die Ursache gefährlicher Fehlerspannungen werden können,
die sich dann über den Nulleiter in alle genullten Anlagen verschleppen. Letzten
Endes wird besonders in landwirtschaftlichen Anlagen mit Rücksicht auf den Tierschutz
eine zuverlässige Begrenzung der Nullleiterspannung auf 42 V, oft sogar auf 24 V,
verlangt. In allen diesen Fällen kann nur die überwachung der Nulleiterspannung
durch einen Schutzschalter Abhilfe schaffen. Nach dem derzeitigen Stand der Technik
wird dies meist durch einen Fehlerspannungsschutzschalter erreicht, dessen Auslösespule
zwischen dem Nulleiter und einer lElfserde angeschlossen ist und der beim überschreiten
der zulässigen Nulleiterspannung allpolig abschaltet. Der Nachteil dieser Lösung
liegt im Fehlen der Isolationsüberwachung, d. h. daß Fehlerströme nach dem
Schalten nicht direkt erfaßt werden. Die Schaltung ist daher nicht in der Lage,
den gerade in der Landwirtschaft so wichtigen Schutz gegen durch Erdfehlerströme
gezündete Brände sicherzustellen. Außerdem treten alle vom FU-Schutz hinlänglich
bekannten Schwierigkeiten durch Geräte auf, die eine zwangläufige Erdung besitzen,
und schon geringe Nulleiterspannungen führen zur Auslösung des Schalters, wenn nicht
durch einen Widerstand in der Hilfserdleitung in Serie mit der Auslösespule die
Auslösespannung des Schutzschalters entsprechend erhöht wird. Durch die fehlende
Fehlerstromüberwachung können auch Schutzleiterunterbrechungen und Verwechslungen
nicht erkannt werden.
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Für den Unfall und Brandschutz ist also neben der Nulleiterspannungbegrenzung,
besonders in landwirtschaftlichen. Anlagen, eine Fehlerstromüberwachung vorteilhaft.
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Derartige kombinierte Schutzschalter sind als Stationsschutzschalter
bekannt. Dabei ist es gleichgültig, ob die Erfassung des Differenzstromes der Außenleiter
durch einen Summenstromwandler oder durch einen therinischen Auslöser erfolgt. Alle
derzeit bekannten Schalter benutzen jedenfalls für die Nulleiterstromauslösung und
die Nulleiterspannungsauslösung zwei voneinander unabhängig wirkende Auslöser. Dies
ist für Stationsschutzschalter auch möglich, da die Priifung der Schalter durch
geschultes Personal erfolgt. Für Schalter, die in Hausinstallationen eingesetzt
werden, ist dies aber unmöglich. Bekanntlich wird bei Fehlerschutzschaltern in den
einschlägigen Vorschriften eine Prüftaste verlangt, durch die der Laie jederzeit
die ordnungsgemäße Funktion des Gerätes kontrollieren kann. Man müßte also, wenn
die derzeit bekannten Lösungen als Hausanschlußschalter verwendet würden, zwei Prüftasten
für die voneinander unabhängigen Nulleiterspannungs- und Fehlerstromauslöser vorschreiben,
d. h., es müßte zweimal nacheinander geprüft werden. Dies ist aber von der
Seite der Praxis her gesehen nicht zu verantworten. Andererseits kann das Risiko,
nur einen der beiden Auslöser zu prüfen, wohl kaum vertreten werden.
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Es ist weiterhin ein kombinierter Fehlerstrom-Fehlerspannungs-Schutzschalter
bekannt, der nur eine Prüftaste besitzt.
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Bei diesem Schalter wird der Fehlerstrom über eine Gleichlichterbrücke
der Auslösespule zugeführt. Wenn bei diesem kombinierten Schalter der Gleichrichter
durchschlägt und dadurch die Fehlerstromauslösung unwirksam wird, so kann dies beim
Betätigen der Prüftaste nicht erkannt werden, da nur der Fehlerspannungsauslöser
erfaßt wird. Darüber hinaus ist es nachteilig, daß bei Verwendung von zwei getrennten
Auslösern ein relativ komplizierter Aufbau des Schutzschalters notwendig ist. Es
ist bekannt, daß gerade bei Schutzschaltern, die oft jahrelang in der Einschaltstellung
bleiben, Einfachheit und Zuverlässigkeit der Auslösung besonders wichtig sind. Die
Fehlerspannungsauslöser sind noch dazu besonders gegen Überspannungen, z. B. durch
atmosphärische Entladungen verursacht, empfindlich, weil die Auslösespulen, die
mit vielen tausend Windungen dünnen Drahtes ausgeführt werden, dadurch leicht zerstört
werden.
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Der erfindungsgemäße Fortschritt wird nun dadurch erzielt, daß der
kombinierte Schutz nur mit einem einzigen Auslöseelement erzielt wird. Das Grundelement
bildet dabei der Fehlerstromauslöser mit Summenstromwandler. Dazu ist zunächst zu
bedenken, daß beim Fehlerstromschutz der Mittelleiter, der ja immer eine gewisse,
wenn auch geringe Spannung führt, hinter dem Summenstromwandler von Erde isoliert
sein muß. Die Nullung darf daher in der zu schützenden Anlage nicht durch einzelne
Verbindungen bei den Verbrauchern durchgeführt werden, aber auch eine Sarnmel chutzleitung
darf nicht hinter dem Wandler an den Nulleiter angeschlossen werden. Würde man z.
B. in Fig. 1 die Schutzleitung nach dem Wandler an den Nulleiter anschließen,
dann würde infolge der Nulleiterspannung Über den Heißwasserspeicher ein Fehlerstrom
fließen, und der Schalter würde fehlauslösen. Andererseits darf aber die Schutzleitung
auch nicht vor dem Schalter mit dem Nullleiter verbunden werden, weil dadurch gefährliche
Spannungen aus dem Netz über die Schutzleitung in die Anlage verschleppt werden
können. Als einzige Möglichkeit bleibt daher der Anschluß der Schutzleitung nach
dem Nulleiterunterbrechungskontakt und vor dem Summenstromwandler.
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Diese Schaltung ist beim reinen Fehlerstromschutz an sich bekannt.
Erfindungsgemäß wird aber nun der Summenstromwandler benutzt, um gleichzeitig mit
der
Fehlerstroraüberwachung auch die Nulleiterspannungsüberwachung
durchzuführen. Diese überwachung besteht erfindungsgemäß darin, daß nach dem Summenstromwandler
im Schalter eine Verbindung vom Nullleiter über einen Vorwiderstand zu einer Anschlußklemme
vorgesehen ist, die zum Anschluß einer lElfserderleitung dient. Nimmt der Nulleiter
unzulässige Spannungen gegen Erde an, dann fließt also ein Fehlerstrom über den
Hilfserder zur Erde, und der Schalter löst aus. Damit wird die Anlage allpolig vom
Netz getrennt, da auch die Schutzleitung durch den Unterbrecherkontakt im Nulleiter,
der zweckmäßigerweise als ein gegenüber den Außenleitern nacheilender öffnungs-
und voreilender Schließkontakt ausgeführt wird, vom Netznulleiter getrennt wird.
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Damit bei kurzzeitigen Spannungsschwankungen des Nulleiters, etwa
durch unsymmetrische Belastungen, Fehlauslösungen vermieden werden, muß die Nulleiterauslösung,
besonders im Spannungsbereich von 24 bis 65 V, verzögert erfolgen.
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Der technische Fortschritt, der durch die Erfindung ermöglicht wird,
ist offenkundig. Der kombinierte Schalter besitzt nur einen Auslöser, und die erforderlichen
mechanisch bewegten und störanfälligen Teile sind auf ein Minimum reduziert. Die,
Bestandteile für die Nulleiterspannungsüberwachung sind ein Vorwiderstand und eine
gut isolierte Verbindungsleitung, also praktisch störunempfindliche Elemente. Eine
Beschädigung dieser Elemente durch atmosphärische überspannungen ist ausgeschlossen.
Mit einer einzigen Prüftaste und damit mit einem Prüfgang kann daher die ordnungsgemäße
Funktion des Schalters festgestellt werden. Durch ihn werden die Vorteile der Nullung
mit den Vorteilen der Fehlerstromschutzschaltung miteinander verbunden.
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Der in Fig. 1 dargestellte Nullungsschutzschalter mit Nulleiterspannungsauslöser
1 besteht also aus dem üblichen Kontaktapparat mit Unterbrecherkontakten
in allen Hauptstrombahnen (Außenleiter und Betriebsnulleiter) und einem geeigneten
Schaltschloß, dessen Auslösespule eventuell unter Zwischenschaltung einer Auslösereinheit
mit dem Summenstromwandler verbunden wird. Er wird im allgemeinen hinter dem Hausanschlußkasten
11 eingebaut. Ferner besitzt er eine Anschlußklemme 2, die im Innern des
Schalters mit dem Betriebsnulleiter zwischen Unterbrecherkontakt und Summenstromwandler
verbunden ist und zum Anschluß der Schutzleitung 3, die zu den zu schützenden
Verbrauchern 4 führt, dient. Diese Verbraucher können von Erde isoliert sein oder
eine zwangläufige Erdung 5 besitzen. Eine Anschlußklemme 6 dient zum
Anschließen der I-Elfserdleitung. Der Hilfserder 7 muß außerhalb der Spannungstrichter
der Verbrauchererdungen 5 und der Betriebserdungen des Nulleiters
8 verlegt sein. Die Klemme 6
ist erfindungsgemäß im Inneren des Schalters
über einen Vorwiderstand 9 mit dem Betriebsnulleiter nach dem Summenstromwandler
verbunden. Mit der Prüftaste 10 kann die ordnungsgemäße Funktion des Schalters
kontrolliert werden.
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Gleichzeitig wird durch diese Schalter auch jede Gefahr eines Einschleppens
von Fehlerspannungen über den Nulleiter verhindert und eine echte Isolationsprüfung
erreicht, so daß man also erwarten kann, daß der Nullung neue Anwendungsgebiete
erschlossen werden.