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Selbsttätige Sicherung zum Schutz elektrischer Verbraucher Die Erfindung
betrifft Schutzmaßnahmen gegen die verschiedensten Gefährdungen, die sich beim Anschließen
tragbarer oder anderer Haushaltsstromverbrauchsgeräte an ihre jeweilige Speiseleitungen
ergeben. Im besonderen ist es Aufgabe der Erfindung, das Gerät oder seinen Benutzer
gegen jede Gefahr zu schützen, die durch ein unrichtiges Anschließen oder durch
eine schadhafte Stelle in den Leitungszuführungen zu dem Gerät oder in dem betreffenden
Gerät selbst entstehen kann.
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Viele tragbare elektrische Haushaltsgeräte, wie z. B. mit Saugwirkung
arbeitende Reiniger, Haartrockner, Grasmäher, Heizdecken und tragbare Bohrmaschinen
sind häufig nur mit zweiadrigen Kabeln ausgestattet, d. h. mit einem stromführenden
und einem Nulleiter, und es gibt keinen ausreichenden gesetzlichen Zwang, dabei
auch einen Erdleiter vorzusehen. Die dadurch verursachte Gefahr des Gerätes, stromführend
zu werden, wird noch erhöht, wenn die Zuführungsleitungen unrichtig an das Speisenetz
angeschlossen werden, daß also der einpolige Schalter in der Nulleitung statt in
der stromführenden Leitung liegt.
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Sind geerdete Dreifachanschlußstecker vorgesehen, so ist es noch immer
nicht verbürgt, daß dreiadrige Kabel zum Anschluß des Gerätes Verwendung finden.
Aber auch wenn- solche dreiadrige Kabel benutzt werden, ist es nicht sicher, ob
sie auch richtig angeschlossen werden. Berücksichtigt man, daß sechs verschiedene
Möglichkeiten für den Anschluß der drei Drähte an die drei Anschlußstellen bestehen,
von denen nur eine richtig ist, so kann ein Gerät selbstverständlich sehr leicht
durch ungeübte Hände mit einer Steckvorrichtung falsch verbunden werden. In vielen
Fällen arbeitet das Gerät zufriedenstellend und die Gefahr kommt so lange nicht
zum Vorschein, bis tatsächlich ein Unfall eintritt.
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Selbst bei richtigem Anschluß des Gerätes an den Stecker wird eine
Unterbrechung des Erdleiters noch nicht bemerkt und das Gerät wird bei nur noch
nicht offensichtlicher, aber dennoch bestehender Gefahr betrieben. Bei industrieller
Verwendung wird die Erdverbindung tragbarer Geräte zwar häufig durch Entladungen
stärkerer Ströme durch das Gerät hindurch mit Hilfe eines Prüfgerätes von Zeit zu
Zeit untersucht. Derartige Prüfungen werden aber zum Schutz des Benutzers von Haushaltsgeräten
nicht vorgenommen.
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Mannigfache Arten von Sicherungseinrichtungen einschließlich der Differentialtransformatoren
und Relais; der Erdschlußrelais, und solcher Transformatoren sind schon bekannt,
deren Sekundärwicklung Niederspannung führt, die einen Stromfluß in der Erdleitung
des zu schützenden Apparates verursacht. Bei einigen dieser bekannten Vorrichtungen
wird sichergestellt, daß der Erdleiter bis zu seiner Verbindung mit dem Nulleiter
des Netzanschlusses nicht unterbrochen ist und ein auch nur vorübergehender Anschluß
des Gerätes an das Netz verhindert, wenn der Erdleiter gestört ist. Diese bekannten
Vorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, daß die Erdleitung oder das Gerätegehäuse
über die Spule eines Relais mit der stromführenden Leitung des Netzes selbst vor
der Anschaltung des Gerätes verbunden ist und daß daher jede Unterbrechung der Erdleitung
zwischen dem Gerät und der Erdungsstelle das ganze Gerätegehäuse unter Netzspannung
setzt, so daß gerade infolge der vermeintlichen Sicherheitsvorrichtung ein schwerer,
möglicherweise tötlicher elektrischer Schlag auftreten kann.
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Ein weiterer wesentlicher Nachteil der bekannten Vorrichtungen bestht
darin, daß sie zwar den ununterbrochenen Verlauf des Erdleiters kontrollieren, wenn
das Gerät und die Sicherungseinrichtung richtig mit dem Netzanschluß verbunden sind,
daß sie aber nicht zwangläufig den Benutzer gegen diejenigen Gefahren schützen,
die sich aus einer Vertauschung der einzelnen Leitungen durch Unwissenheit oder
Unachtsamkeit ergeben können. Beispielsweise kann der Benutzer den Erdleiter mit
dem in die stromführende Kontaktbuchse des Netzanschlusses einzuführenden Kontaktstift
am Ende der flexiblen Geräteanschlußleitung verbinden, wodurch das Gerätegehäuse
stromführend
wird. Die bekannten Vorrichtungen sind stets unter der Voraussetzung konstruiert
worden, daß sie richtig an das Netz angeschlossen werden, und schützen den Benutzer
daher nicht gegen die Gefahr einer unabsichtlichen Verwechslung der Leiter.
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Schließlich besteht noch ein weiterer Nachteil der bekannten Sicherungseinrichtungen
darin, daß der Erdleiter ständig einen Strom von hinreichender Stärke führen muß,
um die Spule eines elektromagnetischen Relais zu erregen. Ein Strom dieser Stärke
im Erdleiter ist jedoch nachteilig und widerspricht häufig sogar den gesetzlichen
Bestimmungen, weil die resultierenden Erdströme elektrolytische Korrosion verursachen
und, vor allem wenn es sich um Wechselströme handelt, Telefon- und Telegrafenleitungen
stören.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bekannten
Vorrichtungen zu vermeiden und eine so weit als möglich gehende Sicherung nicht
nur gegen Unterbrechung des Erdleiters, sondern gegen unrichtigen Anschluß an das
Netz zu vermitteln, wobei nur ein außerordentlich schwacher Strom im Erdleiter fließen
muß.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Sicherungseinrichtung
zum Anschluß zwischen einem elektrischen Stromnetz und einem Verbrauchergerät, bei
welcher die Schaltkontakte eines durch einen im Erdleiter fließenden Strom gesteuerten
Relais die Verbindung des Gerätes mit dem Netz vermitteln und das Relais so angeordnet
ist, daß das Gerät bei Unterbrechung des Erdleiters gegenüber dem Netz isoliert
wird, dadurch gelöst, daß das Relais über eine Diagonale einer Wheatstoneschen Brücke
angeschlossen ist, deren andere Diagonale zwischen den an die stromführend und die
Nulleitung des Netzes anzuschließenden Leitern liegt und daß ein Zweig der Brückenschaltung
eine Schaltvorrichtung, vorzugsweise eine Schaltröhre mit kalter Kathode oder einen
Transistor, umfaßt, wobei die Brücke abgeglichen ist und das Relais stromlos hält,
wenn sich die Schaltvorrichtung in leitendem Zustand befindet, während sie aus dem
Gleichgewicht kommt und das Relais erregt, wenn sich die Schaltvorrichtung in nichtleitendem
Zustand befindet und wobei die Steuerelektrode der Schaltvorrichtung mit dem Abgriff
eines Potentiometers mit hohem Widerstand verbunden ist, das zwischen der stromführenden
Leitung und der Erdleitung oder dem Gerätegehäuse liegt.
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Der Brückenkreis hat die vorteilhafte Eigenschaft, daß er unwirksam
bleibt, solange keine Gefahr auftritt. Bei offenen Relaiskontakten ist das Gerät
vom Netz getrennt. Bei einer Strombeaufschlagung des Relais jedoch werden sie geschlossen.
Solche Beaufsehlagungen treten dann auf, wenn die Netzspannung zwischen den in Ordnung
befindlichen Zuleitungen ansteht, d. h. wenn die stromführende Leitung und der Nulleiter
in der richtigen Weise angeschlossen sind und die Erdleitung des Netzes zum Sternpunkt
des Speisetransformators hin nicht unterbrochen ist. Steigt aber das Potential der
Schaltelektrode über einen vorher bestimmten Schwellwert, dann wird die Schaltröhre
gezündet, und ihre Impedanz wird auf einen Wert absinken, bei welchem die Brücke
abgeglichen ist und das Relais abfällt. In gleicher Weise wird ein Wegbleiben der
Netzspannung an dem richtigen Anschlußpaar zur Folge haben, daß das Relais nicht
sogleich anzieht. Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sicherungseinrichtung
ist aus der nachstehenden Beschreibung an Hand der Zeichnung ersichtlich. Darin
zeigt Fig. 1 das Schaltbild einer Ausführungsart der Einrichtung und Fig. 2 eine
weiter ausgebildete Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1, die noch zusätzliche Schutzmaßnahmen
enthält und auch Vorkehrungen umfaßt, durch die das Arbeiten der Einrichtung geprüft
werden kann.
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Nach Fig. 1, in der der Schaltkreis einer für die Verwendung von Wechselspannung
geeigneten Einrichtung gezeigt ist, stehen die Anschlußleitungen L, N und E mit
der stromführenden Leitung, dem Nullleiter und dem Erdleiter des Speisenetzes in
Verbindung. Auf der Ausgangsseite der Einrichtung sind die Anschlüsse
N', L' und Ei sowie E2' für den Anschluß an einen zu sichernden Stromverbraucher
vorgesehen. Die beiden Enden Ei und E2' sind für die Verbindung mit zwei getrennten
Stellen im Ständer oder Erdungsschirm des Gerätes bestimmt. Wenn z. B. das Gerät
ein sich der Länge nach erstreckendes Heizelement aufweist, so kann dieses Element
seiner Länge nach in eine Umhüllung eingebettet sein, und die beiden Enden der Hülle
sind dann an die Anschlüsse Ei' und E2 gelegt, wodurch die Erde Leitung geschlossen
ist.
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Zwischen der stromführenden Leitung, die sich zwischen L und L' erstreckt,
und dem Nulleiter, der zwischen N und N' verläuft, ist die eine Diagonale
der Wheatstonesehen Brücke B in Serie mit dem Einweggleichrichter G angeschlossen.
Die andere Diagonale des Brückenkreises wird durch die Relaisspule A gebildet, die
etwaige Kontaktschlüsse in allen drei Leitungen zwischen dem Eingang und Ausgang
der Sicherungseinrichtung ebenso überwacht wie in einer inneren Verbindung zum Anschlußpunkt
Ei' (E2 steht mit E in Verbindung). Drei Zweige der Brücke werden von Widerständen
gebildet, die einen festen Wert haben, und den vierten Zweig bildet die Anoden-Kathoden-Strecke
einer Schaltröhre T mit kalter Kathode. Die Kathode ist dabei auf derjenigen Seite
der Brücke vorgesehen, die mit dem Nulleiter verbunden ist. Die Schaltelektrode
der Röhre T steht mit einem Abgriff bzw. einer Taststelle des Potentiometers P in
Verbindung, dessen oberes Ende mit der stromführenden Leitung der Brücke und dessen
unteres Ende mit der bereits erwähnten Leitung in Verbindung steht, die zum Erdleitungsanschluß
E, ' an der Ausgangsseite führt.
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Die an der Brücke liegende Potentialdifferenz ist durch den nichtlinearen
Widerstand M stabilisiert. Der parallel zur Brücke liegende Kondensator C ist zur
Ableitung der Wechselspannungskomponente des Stromes vorgesehen. Auf der Ausgangsseite
der Einrichtung ist zwischen der stromführenden und der Nulleitung die Prüflampe
S vorhanden, die jeweils die Schließstellung des Relais A erkennen läßt.
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Derjenige Kontakt des Relais A, der zwischen dem unteren Ende des
Potentiometers P und dem Anschlußende Ei vorgesehen ist, weist den Gegenkontakt
H auf, durch den das Potentiometer P nach der Erdleitung E hin dann verbunden ist,
wenn das Relais nicht beaufschlagt ist. Außerdem ist der hochohmige Widerstand R
zwischen dem unteren Ende des Potentiometers P und dem Nulleiter vorgesehen.
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Ist die überwachungseinrichtung in der richtigen Weise zwischen dem
Netz und dem Verbraucher angeschlossen und ist weiterhin auch sonst alles in
Ordnung,
dann verursacht die Potentialdifferenz zwischen der Stromführungsleitung und dem
Nullleiter des Verbrauchers einen Stromfiuß durch die Spule des Relais
A derart, daß die Schaltröhre T
keinen Strom führt und die Brücke auf
diese Weise aus dem Gleichgewicht gebracht ist. Die Relaiskontakte sind dann geschlossen,
und demzufolge findet die Stromspeisuylg zum Verbraucher hin statt. Das Relais A
bleibt beaufschlagt, solange die Erdleitung des Verbrauchers nicht unterbrochen
ist. Tritt hier aber eine Unterbrechung ein, dann wird das untere Ende des Potentiometers
P nicht mehr auf Erdpotential gehalten, und deshalb erhöht sich auch das Potential
der Schaltelektrode der Röhre T, bis diese Röhre zündet. Die Werte der Widerstände
in den anderen Zweigen der Brücke sind so gewählt, daß die Brücke jetzt abgeglichen
ist und das Relais A infolgedessen ausschaltet. Wenn sich die Erdleitung des Speisesystems
auf einem Potential oberhalb desjenigen des Nulleiters befindet und dabei auch nur
einen vorbestimmten sehr kleinen Betrag überschreitet oder die Erdleitung unterbrochen
ist, dann wird das Relais von vornherein überhaupt nicht beaufschlagt, weil die
Röhre T schon bei der ersten Verbindung der Einrichtung mit dem Speisesystem zündet,
die Brücke ins Gleichgewicht kommt und so die Beaufschlagung des Relais verhindert
ist.
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Sind somit irgendwelche Verbindungen des Speisenetzes fehlerhaft,
dann findet ein Schließen des Relais A nicht statt. In gleicher Weise bleibt es
dann nicht geschlossen, wenn die Erdleitung des Verbrauchers fehlerhaft ist. Es
ist noch hervorzuheben, daß der Kontakt in der Leitung Ei' derart ist, daß er vor
den anderen schließt. Ist demnach ein Fehler in der Erdleitung des Verbrauchers
vorhanden, dann können sich die Kontakte in den Leitungen nach L' und N' hin überhaupt
nicht schließen.
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In entsprechender Weise fällt das Relais ab, wenn sich irgendwo auf
der Erdleitung. und zwar zurück bis zum Sternpunkt des Speisetransformators, wo
die Nulleitung geerdet ist, ein Fehler einstellt. Das Relais fällt schließlich auch
dann ab, wenn in der stromführenden Leitung oder im Nulleiter Fehler entstehen.
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Der Widerstand R verhindert es, daß sich ein hohes Potential auf dem
Erdleiter im Augenblick der Unterbrechung dieses Leiters zwischen der überwachungseinrichtung
und dem Netz ausbilden kann.
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Die abgewandelte Einrichtung, von der ein Schaltbild in Fig. 2 gezeigt
ist, ist derjenigen nach Fig. 1 sehr ähnlich, und deshalb sind auch die gleichen
Bezugszeichen für die entsprechenden Teile benutzt. Es sind jedoch auch noch einige
Vervollkommnungen vorgesehen. So ist die Abgriffs- oder Abtaststelle auf dem Potentiometer
P, mit der die Schaltelektrode der Röhre T verbunden ist, nunmehr einstellbar. Weiterhin
ist der Potentialabfall über das Potentiometer durch den weiteren nichtlinearen
Widerstand M' stabilisiert. Die Leitung zwischen dem unteren Ende des Potentiometers
P und dem Endanschluß Ei enthält die Prüftaste D, durch die die Erdleitung unterbrochen
und somit geprüft werden kann, ob die Einrichtung richtig arbeitet. Die Rückstelltaste
F in der Leitung parallel zur Anoden-Kathoden-Strecke der Röhre T ermöglicht es,
die Röhre kurzzuschließen und zu dejonisieren, um die Brücke so aus dem Gleichgewicht
zu bringen und das Relais A nach der vorgenommenen Prüfung wieder zu schließen.
Der Stromkreis weist auch noch die rote Signallampe S' auf, die zur Fehleranzeige
dient. Das gelbe Licht S läßt schließlich erkennen, daß am Ausgang zum Verbraucher
hin Spannung ansteht.
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Weitere mögliche Abänderungen betreffen die Stabilisierung des Potentiometers
P mit Hilfe von Neonröhren an Stelle des Widerstandes M und die Verbindung des oberen
Endes des Potentiometers mit der stromführenden Leitung statt mit der Verbindungsstelle
des Brückenkreises mit dem Gleichrichter. Zur Überwachungen von Störungen, die zwischen
der stromführenden Seite der Erdleitung des Verbrauchers auftreten, kann die Einrichtung
eine an sich bekannte Vorrichtung zur Prüfung auf Erd. schlüsse aufweisen. So kann
beispielsweise ein Differentialtransformator seine beiden Primärwicklungen in der
stromführenden Leitung und im Nulleiter der Einrichtung, und zwar in der Nähe der
Endanschlüsse L' und N' aufweisen, und seine Sekundärwicklung kann
in der Erdleitung oder in dem unteren Teil des Potentiometers P bzw. in der Verbindung
zur Schaltelektrode der Röhre T vorgesehen sein. Ein einfacher Transformator kann
ebenfalls Verwendung finden, dessen Primärwicklung in der Erdleitung der Einrichtung,
und zwar in der Nähe des Endanschlusses E z' vorgesehen ist und dessen Sekundärwicklung
in einem der obenerwähnten Punkte für die Sekundärwicklung des Differentialtransformators
angeordnet ist. Ein weiterer möglicher Weg zur Feststellung von Erdschlüssen besteht
darin, in der Erdleitung in der Nähe des Anschlußendes E.' einen nichtlinearen Widerstand
einzuschalten, der einen Potentialabfall hervorruft, sobald ein Strom in dieser
Leitung fließt, der ausreicht, um das Potential des unteren Endes des Potentiometers
P genügend anzuheben, damit die Röhre T zündet. Unter Kurzschlußbedingungen jedoch
kann sich das Potential der Erdleitung des Verbrauchers nicht über z. B. 40 Volt
erheben.
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Die Schaltröhre T kann ohne Schwierigkeit gegen einen Transistor ausgetauscht
werden. Der Emitter-Kollektor-Pfad liegt dann im Brückenzweig, und die Basis bildet
die Schaltelektrode.
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Auch noch andere Formen von Schalteinrichtungen können Verwendung
finden. Es ist dabei stets nur erforderlich, daß eine leitende Strecke vorhanden
ist, die sich aus einem Zustand hoher Impedanz in einen solchen niedrigerer Impedanz
bringen läßt, wenn das Potential eines Tast- oder Steuergliedes oder einer Schaltelektrode
einen vorbestimmten Wert überschreitet.
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Ein besonderer Vorzug der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin,
daß die beschriebenen Einrichtungen keine Beschränkung für die Verbraucher bedingen,
die dabei Verwendung finden können, d. h., diese Verbraucher können ihre eigenen
Schalter und ihre eigenen veränderlichen Elemente aufweisen, die ohne Beeinflussung
der überwachungseinrichtung betätigt werden können. Es können auch zwei oder noch
mehr Verbraucher auf die Überwachungseinrichtung geschaltet werden, wobei allerdings
vorzugsweise die Erdleitungen zwecks Erzielung eines maximalen Schutzes in Reihe
angeordnet sein sollen.