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"Fehlerstromschutzschaltung" Die Erfindung betrifft eine Fehlerstromschutzschaltung
für'Ver= braucher elektrischer Energie, die aus einem ein- oder mehrphasigen Wechselstromnetz
mit geerdetem Mittelpunktsleiter oder einem <3leichstromnetz gespeist werden,
mit zwei Summenstromwandlern, die jeweils von allen verbraucherseitigen Leitern
durchsetzt sind und die mit Messwicklungen und Vormagnetisierungswicklungen versehen
sind, die so bemessen und geschaltet sind, daß sich die im Normalfall in den Messwicklungen
induzierten Spannungen kompensieren, während im Fehlerfall ein einen Auslöser betätigendes
Signal erzeugt wird.
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Fehlerstromschutzschaltungen werden zunehmend im Haushalt, in der
Industrie und in der Gesundheitspflege eingesetzt. Mit der steigenden Venfendung
von elektrischen Geräten sind die Anforderungen an den Berührungsschutz und damit
an die Fehlerstromschutzschaltungen gestiegen. Die derzeit im Handel erhältlichen
Fehlerstromschutzschalter schalten bei Fehlerströmen von einigen mA in weniger als
30 ms (VDE-Vorschrift o,2s) ab.
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Eine bekannte Differentialschutzschaltung läßt sich in eine Fehlerstromschutzschaltung
der eingangs genannten Gattung umwandeln (Patentanmeldung F 6 358, 21 c, 68/70).
Die bekanhte Schaltung mit zwei Kernen, durch die die Primärleiter einfachhindurchgeführt
sind,
behebt in günstiger Weise den Nachteil zu geringer Indultion und damit zu geringer
E in der Sekundär-und Auslösewicklung bei einer Einkern-Lösung. Relativ gesehen
entsteht ein geringer Isolationsaufwand, und es ergeben sich kleine Abaessungen
für die Stromwandler.
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Im bekannten Fall werden jedoch die zum Verbraucher führenden Phasen
selbst zur Vormagnetisierung herangezogen. Die Vormagneti= sierung bringt daLei
zwar den Vorteil, daß der Kern des Strom= wandlers bei langzeitig auftretenden Gleichstromfehlern
nicht in die Sättigung getrieben wird, aber wegen des Bezuges der Hilfsspannung
aus dem 50 Nz/Netz überträyt sich die Grundschwin gung auf den Messkreis, verfälscht
die Messgrösse und kann zu einem falschen Entschluß der Schutzeinrichtung führen.
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Bei einem bekannten Messwandler, dem sogenannten "Rrämer-Wandler"
ist es daher bekannt, die Hilfswechselspannung einem besonderen Oszillator zu entnehmen
oder einem ersten Wandler einen zweiten Wandler parallel zu schalten und die Sekundär=
wicklungen des Zweikernwandlers so anzuordnen, daß sich die zu messenden transformierten
Wechselströine phasengleich addieren, während sich die induzierten Stör-Wechselspannungen
in den Sekundärwicklungen aufheben (DT-AS 1 288 677).
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Es ist weiterhin ein Fehlerstromschutzschalter mit zwei Summen= stromwandlern
zur Erfassung von Gleich- und Wechsel-Fehler= strömen bekannt, bei dem die Hauptleitungen
jeweils nur durch einen Sunmenstromwandler geführt sind, der eine besondere Vor=
magnetisierungswicklung aufweist (DT-AS 1 905 505). Die von der Vormagnetisierungswicklung
in einer Messwicklung induzierte Spannung wird mit einer Bezugs Spannung verglichen.
Bei Abwesen= illit von Fehlerströmen kompensieren sich die induzierte Spannung und
die Bezugs spannungen. Bei Auftreten eines Gleich-Fehler= stromes in den durch den
Suinmenstromwandler geführten Haupt=
leitungen wird der Eisenkern
des Summenstromwandlers aus dem linearen Bereich heraus in den Sättigungsbereich
gesteuert, so daß die in der Messwicklung induzierte Spannung geringer wird. Die
Bezugsspannung wird nicht mehr vollständig kompensiert und treibt einen erhöhten
Strom durch den riesskreis und damit durch den Fehlerstromauslöser. Bei Auftreten
eines Fehler-Wechsel= stromes findet jedoch eine Uberlagerung zwischen dem Fehler=
strom und dem Vormagnetisierungsstrom statt, der je nach der Phasenlage zwischen
diesen beiden Strömen zu unterschiedlichen Auswirkungen führt. Es ergibt sich folglich
der Nachteil, daß die Empfindlichkeit der bekannten Schutzschaltung von der Phasen
lage zwischen dem Fehler strom (Wechselstrom) und dem Vormagneti=i sierungsstrom
abhängig ist. Im extremen Falle wird bei keiner oder nur geringfügiger Phasenverschiebung
zwischen Fehler strom und Vormagnetisierungsstrom der Magnetisierungsverlauf nur
geringfügig geändert, es tritt nur eine geringe Kurvenverzerrung: ein und der Fehlerstromauslöser
spricht nicht an. Zur Vermeidung dieses Nachteiles soll bei der Lekannten Schaltung
die Vor= magnetisierung mit einer von der Netzfrequenz ak eichenden Frequenz vorgenommen
werden.
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Letztgenannte Maßnahme ist auch im Rahmen eines andersartigen Prinzips
zur Erfassung von Gleich- und Wechselfehlerströmen bekannt (DT-AS 1 140 275). Bei
dem bekannten Prinzip wird der Summenstromllandler als Drossel mit veränderlichem
Wechselstrom= Widerstand benutzt Er wird in Reihe mit einem Auslöseelement an eine
Spannungsquelle angeschlossen. Dieser Stromkreis bzw.
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seine einzelnen Elemente sind so ausgelegt, daß mittels einer von
einer Oberwelle der Netzfrequenz beaufschlagten Wicklung des-Summenstromwandlers
dessen Eisenkern (bei Abwesenheit eines Fehlerstromes) gerade im Magnetisierungsbereich
unterhalb der SättigungsinduXtion bleibt, wodurch die Messwicklung des Summen= stromwandlers
einen großen Scheinwiderstand darstellt bzw.
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eine relativ große Gegenspannung erzeugt. Der in dem Messkreis und
damit über den Auslöser fließende Strom bleibt unter dem erforderlichen Ansprechwert.
Ein in den Hauptleitungen auftretender
Fehlerstrom erzeugt eine
zusätzliche Magnetisierung, d.h. eine Feldstärkeänderung. Der Eisenkern des Suirj:enstromwandlers
wird zeitweilig in den Sättigungsbereich gesteuert, dadurch wird die Gegenspannung
bzw. der induktive Widerstand geringer, der Strom im Messkreis und damit im Auslöser
wird größer und führt zum Ansprechen desselben. Diese bekannte Schaltung ist sehr
anfällig gegen Störungen. Da die Iiilfs-Wechselspannung durch Sättigungswandler
aus den Leitungen eines Drehstromnetzes be= zogen wird, entsteht bei kurzzeitigem
Ausfall der Spannung an einem Leiter ein zusätzlicher Strom mit Netzfrequenz, der
den Auslöser zum Ansprechen bringt. Außerdem besteht bei Verwendung einer Oberwelle
der Netzfrequenz als flilfs-Vaechselspannung immer noch eine geringe, ohen bereits
im Zusammenhang mit der DT-AS 1 905 505 beschriebene Abhängigkeit des Auslösevorganges
von der Phasenlage zwischen einem Wechsel-Fehlerstrom und dem im Auslösekreis fließenden
Strom.
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Es ist weiterhin eine Zweikern-Lösung bekannt, bei der Ring= kerne
anfänglich in einer Richtung vormagnetisiert sind und dann plötzlich in entgegengesetzter
Richtung in die Sättigung getrieben werden oder die Ringkerne gegebenenfalls zunächst
in der gleichen Richtung vormagnetisiert werden, in welcher sie später in die magnetische
Sättigung getrieben werden, wobei jeweils der Einfluß des durch einen Erdschluß-Leckstrom
verur= sachten magnetischen Feldes auf die Umschaltdauer ausgewertet wird (DT-AS
2 124 179)* Tritt ein teckstrom auf, so ergeben sich unterschiedlich große Ströme
in den durch die Ringkerne geführten Leitungsatschnitten der zum Verbraucher führenden
Leitung. Der Einfluß der durch die unterschiedlichen ströme erzeugten Vormagnetisierung
wird gewissermaßen als Information -in den Ringkerne gespeichert und mittels eines
zweiten impuls= förmigen Signales, das die Kerne in die Sättigung steuert, periodisch
ausgelesen. Analoger Wert für die Differenz der Vormagnetisierungen ist dabei wie
erwähnt die Umschaltdauer. Im Auswertekreis liegt
ein Schwellwertgeber,
der bei Überschreiten eines vorbestilrmten Di-fferenzwertes ein Ausgangssignal zur
Erregung einer Relais= Wicklung liefert und schließlich die öffnung der in den Zu=
leitungen befindlichen Relais-Kontakte bewirkt. Aufgrund des periodischen Auslese
kann ein kurzzeitiger, in Kauf zu nehmen= der Störimpuls auf den Zuleitungen nicht
zu einer fehlerhaften Abschaltung durch die Schutzeinrichtung führen.
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Eine weitere Forderung - neben der vorerwähnten Vermeidung von unnötigen
Abschaltungen - an eine Fehlerstromschutzschal= tung ist die gewünschte die-Auslösung
im Falle eines Schadens an einem inneren Schaltungselement der Schutzschaltung selbst;-wenn
die vorbehandelte bekannte Schaltung verwendet im Auslöse= kreis mindestens ein
Verstärkerelement, bei dessen Defektwer= den eine Auslösung des Schutz schalters
nicht mehr erfolgt.
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Es sind daher Schutzschaltungen bekannt, die ein Auslösekrite= rium
auch dann liefern, wenn ein Fehlerstrom zwar nicht vor= liegt, aber ein Bauelement
der Schaltung nicht mehr funktion fähig ist, und die bei kurzzeitiger Unterbrechung
der Netz= spannung funktionsfähig bleiben, dagegen bei länger andauern= den Netzspannungsausfällen
wiederum auslösen (DT-PS 1 190 554 und ältere Patentanmeldung P 23 30 652.7). Der
bekannte reh lerschutzschalter besitzt einen Summenstroi'-andler, dessen sekundärer
Differenzstrom über einen Verstärker den Auslöse= magneten des Schutzschalters beeinflußt.
Der Verstärker ist ein Eialbleiterschaltverstärker mit Kippverhalten, dessen Schalt=
strecke parallel zum Auslösemagneten geschaltet und dessen Eingang mit dem Wandlerausgang
verbunden ist. Der Speisestrom= kreis für die Schutzeinrichtung wird direkt vom
Netz gespeist.
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Damit der Fehlerstromschutzschalter seine Funktionsfähigkeit bei kurzzeitigen
Netzspannungsausfällen behält, ist ein Energie= speicher parallel zur Versorgungsspannung
vorgesehen. Der Kippverstärker nimmt im Ruhezustand des Schalters und bei Netz=
1 ausfall nur geringen Strom auf. Er enthält zwei Transistoren, die im Ruhezustand
des Schalters gesperrt sind und bei Auftreten
eines Fehlerstromes
in den Durchlässigkeitszustand kip= pen. Dies bewirkt, daß der in einer Ruhestromschaltung
betriebene Auslösemagnet kurzgeschlossen wird, der Magnetanker abfällt, das Schaltschloß
entklinkt und die Kontakte in den Zuleitungen geöffnet werden. Fällt einer der beiden
Transistoren aus, z.B.
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durch Durchlegieren auf Grund hoher Umgebungstemperatur, so wird die
dem Auslösemagneten parallel geschaltete Arbeitsstrek= ke eines Thyristors niederohmig
und der Magnetanker fällt ab-.
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Der bekannte Fehlerstromschutzschalter löst jedoch bei Gleich= fehlerströnen
beliebiger Polarität nicht aus.
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Der Erfindung liegt ausgehend von einer Fehlerstromschutzschal= tung
der eingangs genannten Gattung die Aufgabe zugrunde, ei= nen umfassenden und ahsoluten
Schutz gegen jeden möglichen auf= tretenden Fehler zu schaffen. Insbesondere sollen
folgende Feh= ler zur Abschaltung der geschützten Anlage bzw. des geschützten Gerätes
führen: Wechsel-Fehlerströme beliebiger Phasenlage, Gleich-Fehlerströme beliebiger
Polarität, Fehlerströme in der Form angeschnittener Sinushalbvellenf so= wohl in
positiver und negativer Richtung, als auch nur in einer Richtung, ferner Störungen
im Gerät, d.h. der elektronischen Schaltung, dem Magnetauslöser, der Fehlerstromerfassungseinrichtung,
dem Netzteil oder irgendeiner Verbindungsstelle.
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Es sollen keinerlei besonderte Vorschriften für anzuschließende Verbrauchsgeräte
getroffen werden müssen, wie dies bisher üb= lich war (Verbot von Geräten mit Phasenanschnittssteuerung).
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Die Lösung besteht erfindungsgemäß in der Kombination folgender Merkmale:
a) ein besonderer Generator zur Erzeugung einer Vormagnetisie= rung mit einer von
der Netzfrequenz abweichenden Frequenz ist an die Vormagnetisierungswicklungen angeschlossen,
b)
die Messwicklungen sind mit einem Auslösestromkreis verbunden, der eine Auswerteschaltung
und einen Magnetauslöser in Ruhe= stromschaltung enthält, .c) es ist ein Netzgerät
mit einem Energiespeicher vorgesehen, an an das der Auslösestromkreis und der Vormagnetisierungs-Generator
angeschlossen sind, íd) die Vormagnetisierungs-Wicklungen sind gegensinnig und die
an die AuSwerteschaltung angeschlossenen Messwicklungen sind gleichsinnig in Reihe
geschaltet.
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Der überraschende Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Ansprechempfindlichkeit
der Fehlerstromschutzschaltung bei allen Phasenazinkeln eines Wechsel-Fehlerstromes
über den ganzen Bereich von 360 e10 nur in geringen Grenzen schwankt und auch bei
ver= schiedenen Fehlerstromarten etwa gleich bleibt.
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Vorzugsweise ist das Netzgerät hinter den vom Plagnetauslöser betätigten
Schaltkontakten, verbraucherseitig angeschlossen Das Netzgerät versorgt wie erwähnt
den Generator und dieser die Vormagnetisierungs-Wicklungen. Der vorhezeichnete Anschluß
des setzgerätes und der weiteren Elemente der Fehlerstromschutz= schaltung bringt
den Vorteil, daß bei öffnen der Schaltkontakte keine galvanische Verbindung zwischen
Verbraucher und Fehler= stromschutzschaltung einerseits und dem Netz andererseits
besteht.
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ist sichergestellt, daß Fehlerströme gleich welcher Art oder Form
ein den Auslöser betätigendes Signal erzeugen.
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9m Normalfall erzeugen die Vormagnetisierungswicklungen in den beiden
MaynetRernen des Summenstromwandlers eine Wechselmagne= Yisierung, beispielsweise
mit einer Feldstärke von etwa 30 mA/cm, die bei einem hochpermeaplen We-ictmagnetb
erkstoff zur Aus= Steuerung bis in den Sättigungsbereich ausreichen. Durch diese
Aussteuerung
bis in den Sättigungsbereich ergeben sich an den Messwicklungen Sekundärspannungen,
die nicht sinusförmig sind, sondern jeweils nur kurze Spannungsimpulse beim Nulldurchgang
der Induktion aufweisen. Da die Vormagnetisierungswicklungen auf den beiden Summenstromwandlern
gegensinnig geschaltet sind, ergeben sich jeweils entgegengesetzt gerichtete Spannunysim=
pulse in den Messwicklungen, die sich gegenseitig aufheben bzw.
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fast vollständig kompensieren, so daß kein Strom oder höchstens ein
geringer Strom zur Auswerteschaltung flieht, der keine Wirkung hat.
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Fließt in den verbraucherseitigen Leitern ein Fehler-Gleich= Strom,
so wird die Magnetisierung in den beiden Wandlerkernen durch die geyensinnige Anordnung
der Vormagnetisierungswick= lungen jeweils zeitlich verschoben. Der Nulldurchgang
der Magne= tisierung fällt nicht mehr mit dem Nulldurchgang des Vormagne tisierungsstromes
zusammen, und zwar wird durch die zusätz= liche Gleichmagnetisierung der Nulldurchgang
der Magnetisierung (Induktion) in beiden Wandlern unterschiedlich verschoben.
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Durch eine Vormagnetisierung, die etwa dreifache Sättigungs= feldstärke
aufweist, entsteht jeweils in den Messwicklungen ein kurzer Spannungsimpuls (Länge
ca. 1 ms) während des Null= durchganges der Magnetisierung. Durch die Messwicklungen
fließt ein Strom, der ausgewertet wird und schließlich zur Ver= minderung des Haltestromes
des Magnetauslösers führen.
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Da die beiden Summenstromwandler gleich aufgebaut sind, er= gibt sich
auch bei einem Gleichfehlerstrom in umgekehrter Rich= tung ein völlig symmetrisches
Verhalten der Spannungswerte und eine gleiche Auslösefunktion.
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Bei einem Wechsel-Fehlerstrom wird jeweils in einem der beiden-Summenstromwandler
die Vormagnetisierung unterstützt und in dem anderen Summenstromwandler entsprechend
geschwächt. Durch die beiden symmetrisch aufgebauten Summenstromwandler wird somit
erreicht, daß unabhängig von jeder Phasenlage des Fehler=
wechsel
stromes eine entsprechende Differenz der Spannungen in den Messwicklungen vorhanden
ist. Selbst bei Fehler-Wechsel= strömen mit einer Phasenlage, bei denen der Nulldurchgang
des Fehlerstromes mit dem Nulldurchgang des Vormagnetisierungs= stromes zusammenfällt,
wird in einem der Kerne des Summenstrom= wandlers bei Addition der Magnetisierungen
keine wesentlich höhere Sekundärspannung erzeugt, jedoch im anderen Kern durch Subtraktion
eine niedrigere Sekundär-Spannung, so daß die Sum= me me der beiden Sekundär spannungen
wiederum einen entsprechen= den den Strom zur Auswerteschaltung treibt.
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Bei einer plötzlichen Einschaltung großer Gleich-Fehlerströme werden
beide Wandler in die Sättigung gesteuert. Vor Einschal= tung dieses Gleich-Fehlerstromes
befinden sich die Wandler auf Grund der Vormagnetisierungsströme jedoch in Sättigungsbe=
reichen unterschiedlicher Polung. Jeweils einer der Wandler wird durch den Gleich-Fehlerstrom
in den entgegengesetzten Sättigungsbereich gesteuert. Dabei entsteht in der Messwick=
lung dieses Wandlers ein einmaliger Spannungsimpuls in einer Stromrichtung. Es ist
sichergestellt, daß die Auswerteschal= tung auf Auslöseströme in beiden Stromrichtungen
mit gleicher Empfindlichkeit anspricht. Folglich erden auch große Gleichi Fehlerströme
in beliebiger Stromrichtung mit etwa gleicher Ansprechempfindlichkeit erfasst.
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Bei Ausfall der Netzspannung sorgt der-Energiespeicher (Akku= mulator
oder Batterie) für die Aufrechterhaltung der Funktion.
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Bei Bei Ausfall des Vormagnetisierungs-Generators arbeitet die Fehlerstromschutzschaltung
aufgrund der Reihenschaltung der Messwicklungen wie ein herkönmlicher Fehlerschutzschalter.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Die Eingangsklemmen 1 der Fehlerstromschutzschaltung sind mit Schaltkontakten
2 verbunden. Von diesen gehen Hauptleitungen 3 durch zwei Summenstromwandler 4 und
5 zu Ausgangsklemmen 6 der Fehlerstromschutzschaltung. Die Summenstromwandler 4
und 5 sind mit Vormagnetisierungswicklungen 7 und 8 versehen, die gegensinnig in
Reihe geschaltet sind und von einem Generator gespeist werden, beispielsweise mit
einem Wechselstrom von 500 Hz. Es ist nicht erforderlich, daß dieser Wechselstrom
genaue Sinusform hat.
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An die Hauptleitungen ist ein Netzgerät 10 angeschlossen, von dem
über Leitungen 11 eine Gleichspannung zur Speisung des Generators und der elektronischen
Auswerteschaltung 12 abge= geben wird. Außerdem ist ein Akkumulator 13 am Ausgang
des Netzgerätes 10 vorgesehen, der einen einwandfreien Betrieb des Generators 9
und der elektronischen Auswerteschaltung 12 auch bei Ausfall der Netzspannung für
eine ausreichend lange Zeit aufrechterhält. An die elektronische Auswerteschaltung
12 sind in Reihe geschaltete Messwicklungen 16 der Summenstrom= wandler 4 und 5
angeschlossen. Bei Auftreten eines Fehler= stromes kann das entstehende elektrische
Signal riit einem Schwellwert bzw. einem Sollwert einer Schwe-lwertschaltung bzw.
einer Vergleichsschaltung innerhalb der elektronischen Auswerteschaltung 12 verglichencwerden.
Bei entsprechender Größe des Signals wird der an die Auswerteschaltung ange= schlossene
Magnetauslöser 14 durch Verminderung des falte= stromes zum Abfall gebracht (Ruhestromprinzip).
Die gleiche Wirkung tritt auf, enn in der Schaltung oder an einer Ver= bindungsstelle
eine Störung auftritt. Der Magnetauslöser 14 löst dann ein Schaltschloß 15 aus,
welches schließlich die Schaltkontakte 2 öffnet. Die Wirkungsweise der Fehlerstrom=
schutzschaltung ist im weiteren bereits vorstehend erläutert.