DE2425212A1

DE2425212A1 - Redundanz-fehlerstromschutzschalter

Info

Publication number: DE2425212A1
Application number: DE19742425212
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Ing Lauerer
Original assignee: Individual
Current assignee: LAUERER, FRIEDRICH, DIPL.-ING., 8033 KRAILLING, DE
Priority date: 1974-05-24
Filing date: 1974-05-24
Publication date: 1975-12-04

Description

Reduninz-Fehlers troms chutzs chalter Fehlerstromschutzschalter haben in erster Linie das Leben von Menschen zu schützen. Deshalb sind sie in ihrem Aufbau so ausgelegt, daß ein hoher Grad an Zuverlässigkeit gegeben ist. Leider ist es technisch nicht möglich die Störanfälligkeit des Schutzschalters völlig auszuschließen. Zwar hat jeder FI-Schalter eine Prüftaste, mit Hilfe derer der Benutzer jederzeit die Funktionsfähigkeit überprüfen kann; die Erfahrung zeigt jedoch, daß von dieser Einrichtung nicht im notwendigen Umfang Gebrauch gemacht wird.
In der Literatur sind nur wenige Zahlen über Ausfallquoten von Fl-Schaltern bekannt geworden. Die veröffentlichten Werte bewegen sich zwischen 1,57 und 3 ° (siehe Bulletin SEV 1964, Seite 179). Defekte FI-Schalter wirken sich natürlich auch im Unfallgeschehen aus. Wach dem Förschungsbericht tty F 78" (Unfallverhütung bei Stromverbraucheranlagen durch empfindliche Fehlerstromschutzschalter) der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Unfallforschung in Dortmund (Seite 130) war in Bayern im Zeitraum von 1954 bis 1967 bei insgesamt 576 tödlichen Stromverbraucheranlagenunfällen nur ein Fall auf einen defekten PI-Schalter zurückzuführen.
Die oben erwähnten Zahlen können nicht direkt auf die Zukunft übertragen werden. Da die Schutzschaltertechnik inzwischen außerordentlich verbessert wurde, dürfte in Zukunft mit einer wesentlich geringeren Ausfallquote zu rechnen sein. Andererseits ist aber zu berücksichtigen, daß jetzt bzw. in der Zukunft wesentlich mehr Schutzschalter eingebaut sind bzw. eingebaut sein werden. Es darf auch nicht übersehen werden, daß mit zunehmendem Betriebsalter die Ausfallquote höher werden wird.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die Schutzwirkung des Schutzschalters auch dann zu gewährleisten, wenn die störanfälligen Teile, nämlich Anker und Schaltschloß, funktionsuntüchtig sind. Die Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine redurdante Anordnung erreicht und zwar dadurch, daß Mittel vorgesehen sind, die mit Hilfe des Fehler strommagnetfeldes einen zusätzlichen, künstlichen Fehlerstromkreis einschalten, der zusätzlich auf den Summenstromwandler bzw. auf das Abschaltorgan einwirkt oder/und die Netzleitungen vor den BI-Schaltkontakten kurzschließt.
Zur dauer den Gewährleistung der Reduni z ist es notwendig, daß die Redurdanz-Einrichtung nur dann zur Abschaltung des FI-Schalters führt, wenn bei einem Anlagenfehler die Haupteinrichtung (d.h. der ursprüngliche FI-Schalter) nicht oder nicht im bestimmungsgemäßen Fehlerstrombereich abschaltet.
Aus diesem Grunde müssen Mittel vorgesehen werden, welche eine zeitverzögerte Einschaltung oder eine zeitabhängige Zunahme des künstlichen Fehlerstromes bzw. Kurzschlußstromes bewirken.
Der Fehler bzw. Kurzschlußstrom muß nach Ablauf der Nenn-Abschaltzeit des FI-Schalters einen Wert haben, der das vorgeschaltete Uberstromschutzorgan zur Abschaltung bringt.
Die zeitabhängige Zunahme des Fehler- bzw. Kurzschlußstromes kann z.B. mit Hilfe eines Heißleiters erfolgen.
Die Einschaltung des künstlichen Behlerstromkreises bzw. des Kurzschlußstroinkreiaes kann durch einen Reedkontakt erfolgen, der ein sehr hohes Maß an Zuverlässigkeit besitzt. Die Schaltkontaktoberflächen sind zweckmäßigerweise aus einem Material herzustellen, das im Kurzschlußfalle beide Kontakte zusammenschweiß. Tritt also der an sich seltene Fall ein, daß der FI-Schalter im Fehlerfalle nicht abschaltet, dann wird im FI-Schalter künstlich ein Kurzschluß hergestellt, der die vorgeschaltete Sicherung zur Abschaltung bringt. Beim Versuch den SI-Schalter wieder in Betrieb zu nehmen, erfolgt ein neuer Kurzschluß, so daß der Benutzer gezwungen ist, den schadhaften FI-Schalter durch einen neuen zu ersetzen.
In viel größerem Ausmaße als bein FI-Schalter ist eine Störanfälligkeit bei der Installationsanlage gegeben und zwar infolge Installations- oder/und Betriebsfehler. Ein Teil dieser Fehlermölichkeiten betrifft den meist offen verlegten Erdungs- leiter und die Unzuverlässigkeit des Erders selbst. In speziellen Mängelstatistiken wurde das Ausmaß dieser Fehler erfaßt: Bei 250 beliebig ausgewählten Anwesen war der Erdungswiderstand bei 5,7 %0 der 5683 FI-geschützten Betriebsmittel ungenügend. Zusätzlich war bei 9,5 % der Betriebsmittel der Schutzleiter nicht angeschlossen bzw. unterbrochen, wobei die Unterbrechungsstelle allerdings bei einem unbestimmten Teil im Bereich zwischen Verteilungstafel und ortsfestem Betriebsmittel lag (siehe "Der Elektromeister 1964, Seite 1599). Auf Baustellen ist die Fehlerhäufigkeit erheblich größer: Bei 350 FI-Erdungsmessungen wurde in 19 ffi der Fälle ein ungenügender Erdungswiderstand ermittelt (Württembergische Bau-Berufsgenossenschaft 1968, Heft 2, Seite 15).
Die erwähnten Fehler wirken sich entsprechend im Unfallgeschehen aus: Nach dem Forschungsbericht "F 78", auf den oben bereits hingewiesen wurde, sind bei Anwendung der Schutzerdung bzw. Eehlerstromschutzschaltung 12 tödliche Stromunfälle in Bayern im Laufe von 14 Jahren auf diese Fehler zurückzuführen (siehe Seite 58). Weitere 5 tödliche Unfälle traten auf, weil der Erdungsleiter am Erder nicht angeschlossen war bzw. sich gelockert hatte. Berücksichtigt man, daß die beiden genannten Schutzmaßnahmearten in Bayern nur rund 15 ffi des Schutzumfanges ausmachten, wie in einem weiteren Forschungsbericht der oben erwähnten Bundesanstalt ( Bericht Nr. ll9:"Schutzwert der Nullung mit besonderem Schutzleiter gegenüber-der klassischen Nullung" auf Seite 50) angegeben ist, dann wären bei 100 -iger Anwendung von Schutzmaßnahmen mit eigenem Erder etwa 110 Unfälle zu erwarten gewesen. Diese Zahl hat natürlich nur hypothetischen Charakter und wäre in Wirklichkeit etwas geringer gewesen, weil es im Einzelfalle auf die erforderliche Abschaltstromstärke der angewandten Schutzmaßnahme angekommen wäre und deshalb bei einem Teil der Fälle der gewesene Erdungswiderstand für die Schutzfunktion ausgereicht hätte.
Gelingt es im FI-Schutzschalter sozusagen fabrikationsmäßig einen eigenen Erder einzubauen, dessen Schutzfunktion von den erwähnten Unzulänglichkeiten unabhängig ist, dann würden die erwähnten Unfälle vermieden werden.
Eigentlich steht ja beim FI-Schutzschalter ein Erder zur Verfügung und er ist sogar bezüglich der Qualität des Erdungswiderstandes, der Störarmut und der Zugänglicnkeit jedem Einzelerder um ein Vielfaches überlegen. Gemeint ist der im Netz mehrfach geerdete Mittel-bzw. Nulleiter. Die erwahnten Vorteile und die Kostenersparnis, die die Verwendung desselben als Erder mit sich bringen, führten in manchen Fällen dazu diese Installationsweise anzuwenden, obwohl sie gegen die einschlägigen Vorschriften geht. Erfolgt vor dem FI-Schalter eineMittelleiter-bzw. Nulleiter-Unterbrechung bzw. wird er mit einem Außenleiter vertauscht, dann wird die volle Netzspannung über den Schutzleiter auf sämtliche metallenen Verbrauchsgerätegehäuse übertragen und es kann zu Unfällen kommen. Nach dem oben erwähnten Forschungsbericht VIF 78" (Seite 57) haben diese Fehler in Bayern im Laufe von 14 Jahren zu zwei tödlichen Unfällen geführt. In diesen Fällen war die Schutzmaßnahme Nullung angewandt worden; doch diese Unfälle wären ebenso aufgetreten, wenn die FI-Schutzschaltung angewandt und dabei der Mittelleiter bzw. Nulleiter als Schutzleiter verwendet worden wäre. Zu den Personenunfällen komriien auch noch die Dierunfälle, insbesondere die Rinderunfälle in den Ställen der landwirtschaftlichen Betriebe. Liegt der Fehler im Netz, dann kann das Elektrizitätsversorgungsunternehmen haftpflichtig gemacht werden, wenn es den Mittelleiter bzw. Nulleiter für Schutzzwecke zugelassen hat.
Um die Schutzwirkung des Mittelleiters bzw. Nulleiters nutzen zu können, ohne die erwähnten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, wurde vorgeschlagen (DBP 1093466), den Schutzleiter nach dem Summenstromwandler am Mittelleiter bzw. Nulleiter anzuschließen. Ein Nachteil dieser Schaltung ergibt sich als Folge der Mittel- bzw. Nulleiter-Betriebsspannung: Durch die normale Netzbelastung erfährt der Mittelleiter bzw. Nulleiter auf der Strecke vom Netz transformator bis zur Verbraucheranlage infolge seines eigenen Widerstandes einen Spannungsabfall von wenigen bis etwa 10 Volt. Ist nun ein Verbrauchergehäuse zwangsläufig geerdet (z.B. ein Wasserboiler), dann fließt der über diesen Erder gehende Teil des Betriebsstromes durch den Summenstromwandler und bringt den FI-Schutzschalter zur Abschaltung, obwohl kein Fehler vorliegt.
Bei einem anderen Vorschlag (DAS 1123752) wird der Mittelleiter bzw. Nulleiter ebenfalls als Schutzleiter verwendet und seine Spannungsfreiheit mit Hilfe eines Schutzschalters überwacht.. Nachteilig bei diesem Vorschlag ist der erhöhte Aufwand und die Notwendigkeit einen eigenen Hilfserder zu installieren.
Fehlt dieser Hilfserder, oder ist die Zuleitung unterbrochen, dann ist die Schutzwirkung in Frage gestellt.
Ein weiterer Vorschlag (DAS 1538490) bezieht sich speziell auf den empfindlichen- Fehlerstromschutzschalter (EFI-Schútzschalter) dessen Fehler-Nennauslösestrom meist bei 30 mA liegt. Dabei werden Geräte mit zwangsläufig geerdeten Metallgehäusen nicht genullt, während die übrigen, isoliert aufgestellten Geräte genullt werden. Auf diese Weise werden Fehlabschaltungen infolge Nulleiterbetriebsspannungen vermieden. Nachteilig ist jedoch, daß Unfälle durch gleichzeitiges Berühren des Außenleiters und des Schutzleiters bei isoliertem Standort zu keiner Abschaltung führen. Nach dem. Forschungsbericht "F 78" (Seite 65) war in Bayern im Verlaufe von 14 Jahren ein derartiger Unfallstromweg (unabhängig von der Art der angewandten Schutzleiter-Berührungsschutzmaßnahme) bei insgesamt 59 tödlichen Unfällen gegeben, das sind immerhin 10 i0 der gesamten Stromverbraucheranlagenunfälle.
Weiter ist ein Vorschlag (DAS 1763584) bekannt geworden, bei dem der Schutzleiter in einem ESI-Schutzschalter vor eigenen Schaltkontakten angeschlossen und durch den Summenstromwandler mit einer Windungszahl geführt ist, die mindestens doppelt so groß ist, wie die Windungszahl der übrigen Netzleiter. Bei diesem Vorschlag erfolgt zwar eine Abschaltung, wenn einer der erwähnten Schalt- oder Betriebsfehler vorliegt, es tritt aber auch eine unnötige Abschaltung auf, wenn eine Mittelleiter- bzw. Nulleiter-Betriebsspannung gegeben ist.
Eine Weiterentwicklung des zuletzt erwähnten Vorschlages vermeidet zwar Fehlabschaltungen durch normale Mittelleiter-bzw.
Nulleiter-BetriebssPannungen mit Hilfe eines spannungsabhängigen Widerstandes; doch bei Kurzschlüssen im nahen Netzbereich (Nachbar-Kurzschlüsse) wird der Spannungsabfall am Mittelleiter bzw. Nulleiter so hoch (max.llO V bei 220 Volt-Anlagen), daß eine unnötige Abschaltung die Folge ist. Aus diesem Grunde bleibt dieser Vorschlag auf die Anwendung bei ortsveränderlichen Verbrauchsgeräten beschränkt; denn ortsveränderliche Geräte sind in der Regel nicht zwangsgeerdet und das Zusammentreffen mit einem Nachbar-Kurzschluß wird daher zu einem sehr seltenen und deshalb kaum störenden Ereignis. Die Anwendung dieses Vorschlages bei ortsfesten Anlagen (z.B. Einbau des Schutzschalters in Verteilungen) scheitert an dem erwähnten Nachteil. Würde z.B. in einem Mietshaus in einer Wohnung ein Kurzschluß auftreten, dann würden u.U. die Schutzschalter aller Wohnungen und ev. auch die der Nachbarhäuser abschalten.
Die erwähnten Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß der vom FI-Schalter zur Verbraucheranlage führende Schutzleiter allein oder zusätzlich zu einem eigenen Erder im FI-Schalter über einen Reihenwiderstand vorzugsweise zwischen den Schaltkontakten und dem Summenstromwandler am Mittel- bzw. Nulleiter angeschlossen ist und die Daten dieses Reihenwiderstandes derart sind, daß im Körperschlußfalle bei zu hoher Fehlerspannung eine Abschaltung bewirkt wird, während der bei zu hoher Mittel-bzw. Nulleiter-Spannung mögliche Berührungsstrom sofort oder zeitverzögert auf einen für den Menschen ungefährlichen Wert begrenzt wird.
Die zeitverzögerte Widerstandserhöhung, die zur Begrenzung des Berührungsstromes führt, kann z.B. mit Hilfe eines Ealtleiters, d.h. eines temperaturabhängigen Widerstandes mit positivem Temperaturkoeffizienten, erreicht werden.
In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt parallel zum Kaltleiter ein Widerstand, dessen Zuleitung durch den Summenstromwandler führt. Durch diese Schaltung wird der Schutzleiterstrom, der nicht zur Abschaltung führen soll, (z.B. Ableit-oder /und Xörperschlußströme bis etwa 20 mA, Ausgleichsströme als Folge der Kittelleiter- bzw. Nulleiter-Betriebsspannung bzw. als Folge einer kurz zeitigen Mittelleiter-Kurzschlußspannung), durch den niederohmigen Kaltleiter geführt und damit-vom Summenstromwandler ferngehalten. Übersteigt der Schutzleiterstrom die vorgesehene Höhe, so heizt sich der Kaltleiter in der vorgesehenen Zeit auf und erhöht auf diese Weise seinen Widerstandswert. Die Folge ist, daß sich der durch den Summenstromwandler fließende Strom entsprechend erhöht und wegen der erhöhten Windungszahl eine Abschaltung bewirkt.
In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es zweckmäßig die Außenleiter im FI-Schalter vor den Schaltkontakten mit Schmelzsicherungen zu versehen, damit im Kurzschlußfalle beim Fehlen der vorgeschriebenen Kurzschlußvorsicherungen die Stromzufuhr unterbrochen wird. Da diese Sicherungen nur in einem äußerst seltenen Notfall zur Wirkung kommen, ist bezüglich ihres Aufbaues nur die Erfüllung gewisser Mlndestanforderungen erforderlich.
Weiter ist es zweckmäßig im FI-Schalter vor den Schaltkontakten zwischen den Netzleitern Überspannungsableiter einzubauen um unnötige Abschaltungen durch Gewitter-Überspannungen zu vermeiden.
Es kann weiter zweckmäßig sein die Fehlerstrom-Abschaltorgane in an sich bekannter Weise mit einem Leitungsschutz-Selbstschalter zu kombinieren.
Schließlich ist es zweckmäßig den Brfindungsgedanken auch bei Fehlerstromschutzschaltern anzuwenden, die geeignet sind (z.B.
mit Hilfe einer Magnetfeldsonde) im Fehlerfalle auch Gleichstrom oder Wechselstrom, der eine Gleichstromkomponente enthält, abzuschalten.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber werden zweipolige Wechselstromanlagen angeführt. Die Zusammenhänge gelten sinngemäß auch für Drehstromanlagen.
In Figur 1 versorgt der Netztransformator 1 über den Außenleiter 2 und dem Mittel- bzw. Nulleiter 3 das Verbrauchsgerät 4.
Das Metallgehäuse 5 des Verbrauchs gerätes wird durch einen Fehlerstromschutzschalter 6 gegen Beruhrungs spannungen geschützt. Tritt ein Fehlerstrom auf, z.B. durch einen Körperschluß im Verbrauchsgerät, dann wird durch die Netzwicklungen 7 und 8 im Summenstromvrandler ein magnetischer Fluß und in der Sekundärwicklung 9 eine Spannung erzeugt, die über das Relais 10 das Schaltschloß zur Ausschaltung bringt, wenn der Fehlerstrom den Nennfehlerauslösestrom erreicht, was wiederum von der Größe der Widerstände R und RE abhängig ist.
Für den Fall, daß das Schaltschloß oder der Anker bei ihren Neunwerten nicht zur Abschaltung führen, tritt die erfindungsgemäße Redu nzeinrichtung, bestehend aus dem Schalter 11 und dem Heißleiter RH, in Funktion. Das durch die Wicklungen 7 und 8 erzeugte Fehlermagnetfeld schaltet den Schalter 11 ein. Nachdem die Serienschaltung aus 11 und RH einerseits nach (nach 7) und andererseits vor dem Summenstronwandler (vor 8) an den beiden Netzleitern angeschlossen ist, erzeugt der in diesem Stromkreis wegen des entsprechend dimensionierten Ileißleiters sehr schnell anwachsende Strom (= künstlicher Fehlerstrom) ein entsprechend erhöhtes Fehlerstrommagnetfeld, das u.U. dennoch zu einer Abschaltung durch den FI-Schalter führen kann. Erfolgt diese Abschaltung nicht, z.B. bei Totalausfall des Schaltschlosses, dann wächst der Fehlerstrom so stark an, daß das vorgeschaltete Überstromschutzorgan, hier die Schmelzsicherung 13, die Abschaltung bewirkt.
Der Schalter 11 kann z.B. ein Reedkontakt sein,dessen Magnetzungen über einen geringen magnetischen Widerstand mit den Polen eines Permanentmagneten verbunden sind und sich im fehlerstromfreien Zustand berühren. Beim Auftreten des Fehlerstromes wird nach dem Sperrmagnetprinzip der Gleichfluß des Permanentden magneten zuvSchaltkontaktzungen verdrängt, so daß sich die Zungen voneinander entfernen und den Kontakt des Heißleiterstromkreises schließen. Sowohl für den Schalter 11 als auch für die Betätigung des Schaltschlosses kann ein gemeinsamer Sperrmagnet verwendet werden.
Mit Hilfe der Schaltung nach Fig.1 ist es z.B. auch möglich robuste FI-Schalter, die für hohe Auslöseströme ausgelegt sind, als empfindliche Fehlerstromschutzschalter zu verwenden. Ein Nachteil der Schaltung nach Fig. 1 besteht darin, daß eine Erhöhung des Fehlerauslösestromes nicht auffällt.
Der erwähnte Nachteil ist in der Schaltung gemäß Fig. 2 beseitigt. Hier liegt der Kurzschlußschalter li vor den FI-Schaltkontakten. Durch seine Einschaltung wird kein künstlicher Fehlerstrom (bzw. nicht ausschließlich), sondern ein Kurzschluß erzeugt, wenn die Einschaltdauer genügend lang ist (z.B. 100 ms). Schaltet der FI-Schalter bestimmungsgemäß d.h. innerhalb der Nennausschaltzeit im Bereich bis zum Nennfehlerauslösestrom aus, dann wird der durch den Fehlerstrom eingeschaltete Schalter li in kürzester Zeit (z.B. nach 30 ms) wieder ausgeschaltet. Diese kurze Zeit reicht nicht aus, um den Heißleiter RH genügend aufzuheizen. Es kann daher kein zu hoher künstlicher Fehlerstrom, erst recht kein Kurzschluß zustandekommen.
Weiter wird eine übermäßige Kontaktbelastung des Schalters 11 beim Abschaltvorgang vermieden. Schaltet der FI-Schalter jedoch nicht bestimmungsgemäß ab, dann verkleinert der durch den Schalter 11 eingeschaltete Heißleiter RH, infolge Stromdurchgang seinen Widerstand (z.B. nach 100 ms), auf einen so geringen Wert (z.B. 500 mir), daß praktisch ein Kurzschluß eintritt. Die Folge ist, daß die Kontaktzungen des Schalters 11 zusammenschmelzen und die vorgeschaltete Sicherung 13 die Stromzufuhr unterbricht.
Diese Variante erlaubt auch einen Schalter 11 zu verwenden, bei dem die Schaltkontakte im Aus-Zustand relativ weit auseinander liegen, so daß eventuelle Überspannungen keinen ungünstigen Einfluß ausüben können.
Es ist zweckmäßig, die Schalterzuleitung 11 durch den Summenstromwandler 14 zu führen. Dadurch wird.das notwendige Verschweißen der Kontaktzungen 11 auch dann gewährleistet, wenn der FI-Schalter erst kurz nach der Nenn-Abschaltzeit abschaltet. Es ist weiter zweckmäßig, den Heißleiter RH in einem Metallbehälter zu kapseln um ein Zerspringen während der plötzlichen Aufheizung zu verhindern.
In Fig. 3 ist im FI-Schalter erfindungsgemäß ein Reihenwiderstand RZ eingebaut, der einerseits am I-Iittelleiter bzw. Nulleiter und andererseits über die Schutzleiter-Anschlußstelle 15 zum Metallgehäuse 5 des Verbrauchsgerätes führt. Der Wert des Reihenwiderstandes RZ richtet sich nach dem maximal zulässigen Berührungsstrom im Falle le des an sich äußerst selten vorkommenden Fehlers "zu hohe Mittelleiter- bzw. Nulleiterspannung". Wie bereits erwähnt, traten wegen dieses Fehlers in Bayern im Verlaufe von 14 Jahren "nur" 2 Stromtote, das sind 0,35 % aller Stromverbraucheranlagenunfälle bzw. 0,23 % aller tödlichen Stromunfälle auf.
Wählt man beispielsweise bei einem empfindlichen FI-Schalter mit IfN = 30 mA ein RZ = 5 kn, so treten bei diesem Fehler im ungünstigsten Falle, wenn man für den Menschen incl. des Standort- unt Ubergangswiderstandes RM = 1 k# rechnet, IM = 37 mb auf. Dieser Wert verringert sich, wenn bei 16 zusätzlich ein eigener Erder angeschlossen ist, oder/und das Verbrauchergehäuse 5 zwangsläufig geerdet ist und zwar den Widerständen RE und RG entsprechend bis zum völligen Verschwinden des Berührungsstromes.
Die Widerstände RE und RG wirken sich auch bei einem Körperschluß in diesem günstigen Sinne aus. Im ungünstigsten Falle, wenn nur isolierte Geräte angeschlossen sind (RG = #) und der eigene Erder nicht angeschlossen bzw. unwirksam wurde (RE = #), erfolgt sowohl bei Körper-Kurzschluß (Ris = 0) als auch im Bereich o( = 2,55 kn, d.h. bei Fehlerspannungen von 220 V bis 15 herab auf 150 V eine sofortige Abschaltung. Ist ein Fehlerauslösestrom von 25 mA gegeben, so sind die betreffenden Werte 3,8 kSt bzw. 125 V. Erfolgt eine gleichzeitige Berührung durch den Menschen (RM = 1 k#), so reduziert sich die Fehlerspannung auf die Berührungsspannung UM = 25 V (bzw. 20,8 V).
In Fig. 4 ist parallel zum Kaltleiterwiderstand RK ein Widerstand R5 eingeschaltet, dessen Zuleitung in mehreren Windungen 12 durch den Summenstromwandler führt. Im Körperschlußfalle sind hier dieselben Verhältnisse wie in Fig.3 gegeben. Der Vorteil der Schaltung in Fig.4 gegen über Fig.3 liegt darin, daß auch dann eine Abschaltung erfolgt, wenn eine vom Nulleiter kommende und bestehenbleibende Spannung, infolge Mittelleiter bzw. Nulleiter-Außenleiter-Vertauschung oder Mittelleiter- bzw. Nulleiter-Unterbrechung, erfolgt. Der Kaltleiter RK heizt sich durch den Eigenstrom selbst auf und erhöht seinen Widerstand.
Die Folge ist, daß der Fehlerstrom über R5 durch die Summenstromwandlerwicklung 12 fließt und eine Abschaltung bewirkt. Beim Nachbar-Kurzschluß (RL = 0) erhöht sich zwar die Mittelleiter- bzw. Nulleiterspannung am RN auf max.110 V (bei 220 Volt-Anlagen), es erfolgt aber trotzdem keine Abschaltung, da dieser Kurzschluß in den Nachbaranlagen normalerweise selbst in kürzester Zeit abgeschaltet wird und bis zum Abschaltende der Kaltleiter RK noch nicht aufgeheizt ist.
Die Verwendung des Kaltleiters erlaubt es für den Widerstand RZ einen relativ geringen Wert zu wählen. Auf diese Weise werden die im Körperschlußfalle möglichen Fehler und Berührungsspannungen wesentlich verringert. Wählt man z.B. RZ = 180 #, den Kaltwiderstand des Kaltleiters RKK = 202 und den sich im Fehlerstrombereich 20 bis 30 mA einstellenden Heißwiderstand RKH = 20 k# , dann werden im Körperschlußfalle Fehlerspannungen bis herab auf 6 V abgeschaltet.
Da die Widerstände RZ, R5 und RK im Fehlerfalle nur sehr kurzzeitig belastet werden, können sie bezüglich ihres Raumbedarfes sehr klein gehalten werden. Aus demselben Grunde kann auch für die Summenstromwandlerwicklung 12 ein Draht mit sehr geringem Durchmesser verwendet werden.
Es ist vorteilhaft, in an sich bekannter Weise die Anzahl der Schutzleiter-Summenstromwandlerwindungen 12 im Vergleich zur Windungszahl der übrigen Wicklungen geringer zu machen.
Auf diese Weise erfolgt eine Abschaltung erst bei höheren Körperschluß- bzw. Ableitströmen (z.B. ab 100 mA), während bei Außenleiter-Erde-Berührung die Abschaltung weiterhin ab 30 mA stattfindet. Die Erhöhung des Schutzleiter-Fehlerauslösestromes gewährleistet einen unterbrecliungsfreieren Betrieb, insbesonders bei ausgedehnten Anlagen und vermindert die Schutzwirkung des empfindlichen Sehlerstromschutzschalters nicht wesentlich. Die deshalb bewirkte Erhöhung der nicht zur Abschaltung führenden Fehlerspannungen ist bei entsprechender Wahl der Werte von RZ, R5 und RK unbedeutend, da die Fehlerspannungen in beiden Fällen außerordentlich gering sind.
Bei einem Unfall mit Stromweg Außenleiter-Mensch-Schutzleiter bringt die Erhöhung des Abschaltstroines (z.B. von 30 auf 100 mA) zwar eine höhere Gefährdung mit sich, doch ist zu berücksichtigen, daß dieser äußere Unfallstromweg wegen der damit typisch verbundenen Leitungslage in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle eine Querdurchströmung des menschlichen Herzens, die ungefährlicher ist, zur Folge hat. Bei den bereits erwähnten 59 Unfällen in Bayern 1554 bis 1967 war dieser innere Unfallstromweg (Hand-Oberkörper-Hand) in 42 Fällen gegeben. Es ist sowohl durch 'J'ierversuche als auch durch die Unfallstatistik signifikant nachgewiesen (siehe tB 78w' Literaturstellen 57, 58 und 59), daß bei diesem inneren Unfallstromweg der Schwellenwert des tödlichen Stromes im Schnitt wesentlich höher liegt. Unter Berücksichtigung des geringeren Risikos könnte deshalb eine Anhebung des Schutzleiter-Fehlerauslösestromes (auf z.B. 100 nA) verantwortet werden.
Wird in der Schal-tung Fig.4 für R5 ein genügend hoher Wert gewählt (z.B. R5 = 5 kiel), dann ist auch ein Schutz gegeben, wenn der Abschaltmechanismus des FI-Schalters selbst nicht funktioniert. Treten z.B. die beiden Fehler "Mittelleiter bzw. Nulleiter führt vor dem FI-Schalter infolge Falschanschluß oder Leitungsunterbrechung die volle Netzspannung" und nicht schaltfähiger BI-Schalter" gleichzeitig auf, dann wird der in der Verbraucheranlage mögliche Gehäuseberührungsstrom auf einen ungefährlichen Wert begrenzt.
Dieser Schutz ist auch dann gegeben, wenn der eigene Erder ungenügend ist, z.B. bei RE = CO.
In der Schaltung Beige5 finden beide Erfindungsgedanken in einer Drehstromschaltung Anwendung. Durch die Kombinierung werden die Schutzwirkungen der Schaltungen Fig.1 bis Fig.4 gleichzeitig ermöglicht. Wird ein empfindlicher Fehlerstromschutzschalter gewählt, dann ist praktisch in jedem Fehlerfall ein Schutz gegeben; ausgenommen der Fall, bei dem nur ein Netzleiter und zwar ein Außenleiter zugeführt wird bzw.
die Uberstrom-Abschaltbedingungen der übrigen 3 Netzleiter gleichzeitig nicht erfüllt sind, der Abschaltmechanismus des FI-Schalters nicht funktioniert, die Erdungswiderstände RE und RG zu hoch sind und das körperschlußbehaftete Gerätegehäuse bzw. der betreffende Außenleiter direkt berührt wird. Das gleichzeitige Zusammentreffen dieser vier Ereignisse, von denen die beiden ersten, jedes für sich schon sehr unwahrscheinlich ist, ist jedoch außerordentlich unwahrscheinlich, so daß deshalb kaum ein Unfall zu erwarten ist.

Claims

Redundanz-Fehlerstromschutzschalter

1. Fehlerstromschutzschalter, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel Mittel vorgesehen sind, die mit Hilfe des Fehlerstrommagnetfeldes einen zusätzlichen, künstlichen Fehlerstromkreis einschalten, der zusätzlich auf den Summenstromwandler bzw. auf das Abschaltorgan einwirkt oder/und die Netzleitungen vor den FI-Schaltkontakten kurzschließt.

2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, welche ein zeitverzögertes Wirksamwerden des künstlichen Fehlerstroines bzw. Kurzschlußstromes zur Folge haben.

3. Schutzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der künstliche Fehlerstrom einen Wert annimmt, der zur Abschaltung des vorgeschalteten Überstromschutzorganes führt.

4. Schutzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitabhängige Zunahme des künstlichen Fehlerstromes mit Hilfe eines Heißleiters (RH) erfolgt.

5. Schutzschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltung des künstlichen Fehlerstromkreises mit Hilfe eines Reed-Kontaktes (11) erfolgt.

6. Fehlerstromschutzschalter, dadurch gekennzeichnet, daß der vom FI-Schalter zur Verbraucheranlage führende Schutzleiter allein oder zusätzlich zu einem eigenen Erder im BI-Schalter über einen Reihenwiderstand (Rz) vorzugsweise zwischen den Schaltkontakten und dem Summenstromwandler am Mittel-bzw. Nulleiter angeschlossen ist und die Daten dieses Reihenwiderstandes derart sind, daß im Körperschlußfalle bei zu hoher Fehlerspannung eine Abschaltung bewirkt wird, während der bei zu hoher Mittel- bzw. Nulleiterspannung mögliche Berührungsstrom sofort oder zeitverzögert auf einen für den Menschen ungefährlichen Wert begrenzt wird.

7. Schutzschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitverzögerte Begrenzung des Mittel- bzw. Nullleiterberührungsstromes durch einen Kaltleiter (RK) erfolgt.

8. Schutzschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Außenleitern Schmelzsicherungen eingebaut sind, die im Kurzschlußfalle und gleichzeitigem Fehlen der vorgeschriebenen Kurzschlußvorsicherungen die Stromzufuhr unterbrechen.

9. Schutzschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Uberspannungsableiter eingebaut sind, die zwischen den Netzleitern liegen.

10. Schutzschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerstrom-Abschaltorgane in an sich bekannter Weise mit einem Leitungsschutz-Selbstschalter kombiniert sind.

11. Schutzschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bebekannter Weise mittel vorgesehen sind, z.B. eine Magnetfeldsonde, die im Fehlerfalle auch bei Gleichstrom oder bei einer im Wechselstrom enthaltenen Gleichstromkomponente zur Abschaltung führen.

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