DE2428993A1 - Redundanz-fehlerstromschutzschalter - Google Patents

Description

• Redundanz-Fehlerstroms chutz schalter Wenn ein Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter) im Fehlerfalle nicht abschalten kann, z.B. wegen Nichtfunktionieren des Schaltschlosses, dann besteht höchste Gefahr und es kann zu Unfällen oder Bränden kommen. Der Ausfall des FI-Schalters ist zwar heute als Folge der hochentwickelten Schaltertechnik außerordentsich selten, er läßt sich jedoch nicht völlig ausschließen, insbesonders bei häufigen und übermäßigen Beanspruchungen und bei zunehmender Betriebszeit. Jeder FI-Schalter hat zwar eine Prüftaste, mit Hilfe derer der Benutzer die Funktionsfähigkeit jederzeit überprüfen kann, doch zeigte die Erfahrung, daß von dieser Prüfmöglichkeit in der Praxis wenig Gebrauch gemacht wird.
• Außerdem ist selbst bei relativ häufiger Prüfung die Möglichkeit nicht auszuschließen, daß in der Zwischenzeit der FI-Schalter ausfällt und gleichzeitig oder später ein Unfall bzw. Brand auftritt.
• In der Installationspraxis werden, ähnlich wie bei den Überstrom-Schutzorganen, größere Anlagen in getrennte Stromkreise unterteilt und mit je einem FI-Schalter geschützt, In manchen Fällen wird zusätzlich für alle bzw. für einen Teil der FI-geschützten Anlagenteile ein gemeinsamer FI-Schalter vorgeschaltet. Der vorgeschaltete FI-Schalter schaltet ab, wenn die Fehlerströme bei keinem der nachgeschalteten FI-Schalter den Auslösewert erreichen, ihre Summe jedoch einen bestimmten Wert überschreitet.
• Um die notwendige Selektivität zu erzielen, muß der vorgeschaltete FI-Schalter eine verzögerte Auslösung besitzen.
• Die Hintereinanderschaltung von FI-Schaltern hat noch einen weiteren Vorteil: Fällt in einem Beitungszug einer der beiden FI-Schalter aus, dann übernimmt der andere die Schutzfunktion.
• Die Wahrscheinlichkeit, daß beide FI-Schalter gleichzeitig ausfallen ist praktisch Null, nachdem die Ausfallwahrscheinlichkeit eines einzelnen FI-Schalters bereits außerordentlich gering ist. Aus diesem Grunde kann die Hintereinanderschaltung von FI-Schaltern als redundante Schutzeinrichtung angesehen werden0 Die heute praktizierte, oben erwähnte Hintereinanderschaltung von FI-Schaltern trägt jedoch den Forderungen einer Redundanz nicht oder nur unvollständig Rechnung, da ihre Zielsetzung.
• eine andere ist. beispielsweise ist kein redundanter Schutz gegeben, wenn zwischen den hintereinandergeschalteten FI-Schaltern längere Leitungen liegen (Verbindungsleitungen von Haupt- und .Unterverteilern) oder nicht alle Stromkreise einen eigenen FI-Schalter besitzen. Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, diese Nachteile zu beseitigen. Die Lösung der gestellten Aufgabe wird dadurch erreicht, das zwei Fehlerstrom-Abschalteinrichtungen oder Teile davon in einem Gerat zusammengebaut sind, oder als eine Funktionseinheit für eine gemeinsame Anlage dienen.
• Die Anzahl der Unfälle infolge Nichtfunktionieren des FI-Schalters sind außerordentlich gering. In Bayern ist deshalb im Zeitraum von 1954 bis 1967 nur ein tödlicher Unfall eingetreten; siehe Forschungsbericht "F 78" "Unfallverhütung bei Stromverbraucheranlagen durch empfindliche Fehlerstromschutzschalter" der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Unfallforschung in Ibrtmund. Diese Zahl kann allerdings 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 werden0 Es darf auch nicht übersehen werden, daß mit zunehmendem Betriebsalter die Ausfallquote höher werden wird.
• Als wesentliches Ergebnis muß aber festgehalten werden, daß selbst bei 100 XO-iger Anwendung des FI-Schalters der Anteil der Unfälle infolge Ausfall des FI-Schalters relativ klein ist bzw. sein wird und daß die meisten Unfälle, schätzungsweise mindestens 99 %, durch Fehler verursacht werden, die nach dem Einbauort des FI-Schutzschalters liegen. Bei 49 % aller Stromverbraucheranlagenunfälle, bzw. bei 76 % aller Geräteunfälle floß der tödliche Strom durch den Schutzleiter (siehe Forschungsbericht " 78", Seite 35).
• Diese Unfälle und auch die Unfälle durch Berühren von betriebsmäßig spannungsführenden Geräteteilen, die allein 35,4 ffi ausmachen (siehe "F 78", Seite 65) können durch FI-Schalter mit hohen Auslöseströmen (z.B. 0,3 A oder 0,5-A) niemals verhindert werden, wohl aber durch empfindliche Fehlerstromschutzschalter (EPI-Schalter), d.h. durch solche mit niedrigen Auslöseströmen (z.B. 30 mA). Die Auswertung der 860 tödlichen Stromunfälle,- die von 1954 bis 1967 in Bayern aufgetreten sind, hat gezeigt, daß von den 576 Unfällen an Stromverbraucheranlagen 94 % durch den EFI-Schalter hätten verhindert werden können (siehe "F 78", Seite 106).
• Die Schwierigkeiten, die der allgemeinen Einführung des EFI-Schalters entgegenstehen sind in zwei Tatsachen begründet: Erstens: Die Störanfälligkeit des Schutzschalters selbst0 Zweitens:Die Installateure befürchten, daß der Schutzschalter relativ häufig abschaltet und sie deshalb mit unverdienten Schwierigkeiten zu rechnen haben.
• Wie die Erfahrungen der letzten Jahre, in denen zunehmend EFI-Schalter eingebaut wurden, zeigen, ist die Befürchtung gemäß Punkt zwei völlig unberechtigt, denn die Schutzschalter haben keineswegs die befürchtete Erhöhung der Abschalthäufigkeit gebracht.
• Der erste Hinderungsgrund, nämlich die Störanfälligkeit des Schutzschalters selbst, wird durch die hier vorgeschlagene redundante Anwendung zweier FI-Schalter aufgehoben.
• In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung sprechen beide FI-Schalter bzw. beide Betriebsstromleiter-Abschaltstellen auf unterschiedliche Fehlerströme an, vorzugsweise die eine bei einem relativ geringen und ungefährlichen (z.B. IfN = 30 mA), die andere bei einem relativ hohen Wert (z.B. IfN = 0,5 A).
• Es ist zweckmäßig, daß beide Schalter ein gemeinsames Einschaltbetätigungsorgan besitzen.
• In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung liegt parallel zum empfindlichen FI-Schalter (z.B. IfN = 30 mA) ein Handschalter mit dem dieser Schutzschalter überbrückt werden kann. Diese Schaltstellung kann optisch oder/und akustisch durch ein Signal angezeigt werden.
• Dieser Uberbrückungsschalter kann, wenn in seltenen Fällen tatsächlich ein relativ geringer Fehlerstrom zur Abschaltung führt, eingeschaltet werden. Auf diese Weise kann der Betrieb der elektrischen Anlage sofort und ohne Inanspruchnahme eines-Fachmannes fortgesetzt werden. Da jetzt nur mehr ein FI-Schalter und zwar ein solcher mit hohem Auslösestrom in Betrieb ist, beschränkt sich die Schutzwirkung allerdings nur mehr auf die Gerätegehäuse. Es ist also nur jener Schutz gegeben, wie er heute bei den vielen in Betrieb befindlichen FI-Schaltern mit hohen Auslöseströmen existiert. Das ist immerhin ein Schutz, der bis zur Behebung des Fehlers, die nun nicht mehr sofort, sondern gelegentlich geschehen kann, völlig ausreicht.
• Bei einem nicht geringen Teil der elektrischen Verbraucheranlagen ist eine Kombinierung zweier kompletter FI-Schalter nicht erforderlich, weil hier ohne Abschaltschwierigkeiten der EFI-Schalter allein eingesetzt werden kann.
• Um beim EFI-Schalter die erforderliche Redundanz zu erzielen, genügt es dieselbe nur bei jenen Schaltelementen zu realisieren, die störanfällig sein können. Es handelt sich hier in 1.Linie um das Schaltschloß und um den Anker.
• In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorzugsweise nur ein FI-Schalter verwendet und die redundante Abschaltung erfolgt zeitverzögert durch eine Durch bzw. Auftrennung der die Betriebs ströme führenden bzw. dafür vorgesehenen Leiter, d.h.
• der Betriebsstromleiter. Das Fehlerstrommagnetfeld wirkt nicht nur auf die normale, ursprüngliche Abschalteinrichtung, es wirkt zeitverzögert direkt oder indirekt, vorzugsweise mit Hilfe eines Sperrmagneten, der auf Reedkontakte einwirkt, auch auf ein Leiter durchtrennungswerkzeug und setzt dieses in Bewegung, wenn der ursprüngliche Schaltmechanismus nicht funktioniert.
• Weiter ist es zweckmäßig, die Bewegung des Leiterdurchtrennungswerkzeuges mit Hilfe eines Explosivstoffes auszulösen oder/und den Explosivstoff direkt auf die Leiter einwirken zu lassen.
• Um den Explosivstoff von Umwelteinflüssen zu schützen, ist derselbe in einem hermetisch abgeschlossenen Gefäß untergebracht, zweckmäßigerweise zusammen mit dem Reedkontakt, der bei magnetischer Beeinflussung durch Aufschlagen die Explosion zur Auslösung bringt. Die Durchtrennung der Leiter darf erst dann eingeleitet werden, wenn der FI-Schalter nicht oder nicht rechtzeitig oder/ und bei zu hohen Fehlerströmen auslösen wurde. Die zeitverzögerte Auslösung der. ieiterunterbrechungseinrichtung kann z.B.
• mit Hilfe eines RC-Gliedes oder eines Heißleiters geringsten Volumens bzw. durch den zeitabhängigen Entmagnetisierungseffekt erfolgen.
• Es ist zweckmäßig, die Leiterunterbrechungseinrichtung mit Sicherungs-Schmelzleitern zu kombinieren, welche gegebenenfalls durch Federkraft gespannt sind. Auf diese Weise kann der FI-Schalter im Notfalle, d.h. wenn die vorgeschriebenen Kurz-.
• schlußsicherungen nicht vorgeschaltet sind, den Kurzschlußschutz, insbesondere die notwendige Lichtbogenunterbrechung übernehmen.
• Um einen FI-Schalter, der für höhere Auslöseströme ausgelegt ist, bei geringeren Fehlerströmen zur Auslösung bringen zu können, kann mit Hilfe eines vom Fehlerstrommagnetfeld direkt oder indirekt beeinflußten Schalters, vorzugsweise eines Reedkontaktes, ein weiterer Fehlerstromkreis eingeschaltet werden, so daß zusammen mit dem ursprünglichen Fehlerstrom eine Abschaltung bewirkt wird.
• Bei Nichtfunktionieren des BI-Schalters kann die im Fehlerfalle notwendige Abschaltung auch dadurch erfolgen, daß das Fehlerstrommagnetfeld direkt oder indirekt auf Schalter, vorzugsweise auf Reedkontakte einwirkt, die einen Kurzschluß zwischen den Netzleitern, vorzugsweise zwischen den Außenleitern und demMittelleiter, herstellt. Auf diese Weise werden die vorgeschalteten Überstromschutzorgane zur Abschaltung gebracht, Der Fehlerstromschutzschalter kann auch dann den bestimmungsgemäßen Schutz nicht bzw. nicht voll gewährleisten, wenn der Schutzleiter am Erder nicht angeschlossen ist bzw. der Erdungswiderstand zu hoch ist. In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der vom FI-Schalter zur Verbraucheranlage fuhrende Schutzleiter allein oder zusätzlich zu einem eigenen Erder im schalter über einen Reihenwiderstand vorzugsweise zwischen den Schaltkontakten und dem Summenstromwandler am Mittel-bzw.
• Nulleiter angeschlossen, wobei 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 dn MenscLell ungefährlichen Wert begrenzt wird0 Die zeitverzögerte Widerstandserhöhung, die zur Begrenzung des Berührungsstromes führt, kann z.B. mit Hilfe eines Kaltleiters, 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. Ableitoder/und Körperschlußströme bis etwa 20 mA, Ausgleichsströme als Folge der Mittelleiter- bzw. Nulleiter-Betriebsspannung bzw. als Folge einer kurzzeitigen 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.
• Weiter ist es zweckmäßig im FI-Schalter zwischen den Außenleitern und dem Mittelleiter oder/und dem Erdungsleiter Uberspannungsableiter 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 Erfindungsgedanken 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 bei Drehstromanlagen.
• In Fig.1 versorgt der Netztransformator 1 über den Außenleiter 2 und den Mittel- bzw. Nulleiter 3 das Verbrauchsgerät 4. Das Metallgehäuse 5 des Verbrauchsgerätes wird durch einen Fehlerstromschutzschaiter 6 gegen Berührangsspannungen geschützt.
• Tritt ein Fehlerstrom auf, z.B. durch einen Körperschluß im Verbrauchsgerät (RíSw RiS zulässig) dann wird durch die Netzwicklungen 7 und 8.im Summenstromwandler ein magnetischer Fluß und in der Sekundärwicklung 9 eine Spannung erzeugt, die über die Wicklung 10 den dauermagnetischen Fluß zum Anker 11 des Sperrmagneten 12 sperrt. Die Folge ist, daß der Anker nicht mehr magnetisch gehalten wird und der Zugkraft einer beider folgt, was zur Auslösung des Schaltschlosses und damit zur Abschaltung führt.
• Für den Fall, daß das Schaltschloß oder der Anker bei den Nennwerten bzw. etwas darüber nicht funktionieren, tritt die erfindugsgemäße Redundanzeinrichtung in Funktion: Der spannungsabhängige Widerstand, hier die Vierschichtdiode 13, sperrt in der Zeit vom Beginn des Fehlerstromes bis zur Nennabschaltzeit -bzw. etwas darüber die Entladung des Kondensators 15. Erst -nach Ablauf dieser Zeit, d.h. wenn der FI-Schalter nicht bestimmungsgemäß abgeschaltet hat, ist wegen der entsprechend dimensionierten RC-Werte (14 und 15) die Spannung am Kondensator 15 so weit angewachsen, daß der Schwellenwert der Vierschichtdiode 13 erreicht wird und eine Entladung des Kondensators 15 über die Sperrmagnetwicklung 16 erfolgt. Dieser zeitliche Funktionsablauf wird durch erhöhte Fehlerströme nicht bzw. nur unwesentlich beeinflußt, da der Summenstromwandlerkern v-om Fehlernennstrom ab gesättigt ist. Der durch die Wicklung 16 fließende Kondensator-Entladestrom bewirkt eine kurzzeitige Sperrung des über die Reedkontakte 17 führenden dauermagnetischen Flusses. Die Reedkontakte öffnen sich und die auf der Rückseite der einen Zunge liegende Spitze schlägt auf den Explosivstoff 18 bzw. den Zünder desselben auf und löst eine Explosion aus. Diese Explosion hat eine Durchtrennung der Leiter an den Stellen 19 und 20 und damit eine allpolige Abschaltung der angeschlossenen Verbraucheranlage zur Folge.
• In Fig.2 ist die erwähnte Leiterdurchtrennungseinrichtung im Längsschnitt (links) und im Querschnitt (rechts) wiedergegeben.
• Die Leiter sind hier als Sicherungs-Schmelzleiter (19 und 20) durch zwei Körper 21 und 22 geführt. In der Mitte befindet sich ein beweglicher Körper 23, durch den ebenfalls die beiden Leiter 19 und 20 (siehe auch Querschnitt Bild rechts) führen.
• Darunter befindet sich der Reedkontaktansatz mit der Explosivfüllung 18. Schnellt beim Öffnen der Reedkontakte die Spitze 17a auf den Explosivstoff 18, dann explodiert derselbe und drückt nach dem Durchschlagen der umgebenden Reedkontaktbehälter-Sollbruchstelle (z.B. dünnwandiges Glas) -den Körper 23 mit Wucht nach oben. Die folge ist, daß die Leiter 19 und 20 je an zwei Stellen, nämlich an den Grenzflächen der Körper 21 und 22 bzw. 25 durchtrennt werden, was durch scharfkantige Ansätze bei den anliegenden Körpern 21 und 22 begünstigt wird.
• Durch diese Leiterdurchtrennung wird eine irreversible Abschaltung der angeschlossenen Verbraucheranlage bewirkt. Die Sicherungs-Schmelzleiter 19 und 20 sind an den Außenflächen, d.h.
• links und rechts der Körper 21 und 22 fixiert bzw. zusätzlich mit Federn gespannt. Im Innern der Körper 21 und 22 sind Hohlläume, in denen die Sicherungs-Schmelzleiter verlaufen und die mit Löschmaterial gefüllt sind. Um den Einfluß von fremden magnetischen Feldern (z.B. als Folge von Kurzschlußströmen) vom Reedkontakt 17 fernzuhalten, ist der Reedkontaktbehälter mit einer Abschirmung umgeben, bzw. besteht der Behalter selbst aus abschirmendem Material.
• Fig. 3 gibt ein Schaltungsbeispiel wieder, bei dem mit Hilfe eines schwachen Fehlerstromes (z.B. 30 mA) ein FI-Schalter zur Abschaltung gebracht wird, der für einen hohen Fehlerauslösestrom (z.B. 500 mA) ausgelegt ist.
• Tritt im Verbrauchsgerät ein schwacher Körperschluß auf (z.B.
• Ris = 7,3 kl, so daß bei 220 V ein Fehlerstrom von 30 mA zum Fließen kommt) bzw. berührt ein auf leitendem Boden stehender Mensch den Außenleiter im Leitungsbereich 24 direkt, dann erzeugt das um die Wicklungen 7 und 8 resultierende Fehlerstrommagnetfeld in der Wicklung 9 eine Spannung, welche die Relaisspule 25 speist. Das in der Relaisspule 25 entstehende Magnetfeld reicht zwar nicht aus um das Schaltschloß zu entklinken, es reicht aber aus um den Reedkontakt 26 einzuschalten. Der Reedkontakt zeichnet sich d 8Btdurch eine außerordentlich hohe Zuverlässigkeit aus; er hat auch eine extrem geringe Mindest-Kommandozeit und Schaltzeit, sowie eine sehr geringe Ansprechempfindlichkeit, insbesondere in Verbindung mit einem Sperrmagneten. Der Reedkontakt 26, der u.U. auch vom Fehlermagnetfeld direkt eingeschaltet werden kann (in diesem Fall sind die Netzleitungen direkt durch die Sperrmagnetfenster zu führen) schaltet den Widerstand RH ein und erzeugt auf diese Weise einen erhöhten Fehlerstrom, der die Abschaltung bewirkt.
• Es ist zweckmäßig als Widerstand RH einen Heißleiter zu verwenden um den Reedkontakt nicht durch zu hohe Einschaltströme belasten zu müssen. Durch das Abschalten des FI-Schalters wird auch der hohe Fehlerstrom weggeschaltet, so daß auch der Reedkontakt wieder abschaltet, ohne dabei die Abschaltarbeit übernehmen zu müssen. Funktioniert der Abschaltmechanismus nicht, dann steigt der Fehlerstrom durch die Wirkung des Heißleiters RH in kürzéster Zeit so stark an, daß er zum Kurzschluß wird und die vorgeschaltete Sicherung 27 zur Abschaltung bringt. Es ist jedoch nicht zweckmäßig die Kurzschlußeinrichtung auf diese Art zu gestalten. Schaltet der El-Schalter beim Erreichen eines sehr hohen Fehlerstromes doch noch ab, dann kann der gleichzeitig abschaltende Reedkontakt ohne zu verschweißen so stark beschädigt werden, daß er für den nächsten Schaltvorgang nicht mehr funktionsbereit ist. Aus diesem Grunde ist es zweckmäßig, den zusätzlichen Fehlerstrom durch einen in Reihe zum Heißleiter RH geschalteten Eestwiderstand zu begrenzen.
• Fig.4 gibt ein Ausführungsbeispiel für eine redundante Einrichtung wieder, die beim Versagen des Schaltschlosses einen Kurzschluß erzeugt. Schaltet der FI-Schalter bestimmungsgemäß d.ho innerhalb der Nennausschaltzeit im Bereich bis zum Nennfehlerauslösestrom aus, dann wird der durch den Fehlerstrom eingeschaltete Schalter 26 in kürzester Zeit (z.B. nach 30 mA) 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 26 beim Abschaltvorgang vermieden. Schaltet der FI-Schalter jedoch nicht bestimmungsgemäß ab, dann,verkleinert der durch den Schalter 26 eingeschalteten Heißleiters RH infolge Stroindurchgang seinen Widerstand (z.B. nach 100 ms)- auf einen so geringen Wert (z.B.
• 500 m n), daß praktisch ein Kurzschluß eintritt. Die Folge ist, daß die Kontaktzungen des Schalters 26 zusammenschweißen und die vorgeschaltete Sicherung 27 die Stromzufuhr unterbricht.
• Diese Anordnung er]aubt auch einen Reedkontakt 26 zu verwenden, bei dem die Schaltkontakte im Aus-Zustand relativ weit auseinander liegen, so daß eventuelle Überspannungen keinen unns"cigen Einfluß ausüben können.
• Es ist zweckmäßig, die Zuleitung des Schalters 26 durch den Summenstromwandler (Wicklung 28) zu führen. Dadurch wird das notwendige Verschweißen der'Kontaktzungen auch dann gewährleitet, wenn der Pl-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 verhinder.
• In Fig.5 ist im FI-Schalter erfindungsgemäß ein Reihenwiderstand Rz eingebaut, der einerseits am Mittelleiter bzw. Nullleiter und andererseits über die Schutzleiter-Anschlußstelle 29 zum Metallgehäuse 5 des Verbrauchsgerätes führt. Der Wert des Reihenwiderstandes RZ richtet sich nach dem maximal zulässigen Berührungsstrom im Falle des an sich äußerst selten vorkommenden Fehlers 'tzu hohe Mittelleiter- bzw. Nulleiterspannung".
• Wählt man beispielsweise bei einem empfindlichen FI-Schalter mit IfX = 30 mA ein RZ = 5 k#, so treten bei diesem Fehler im ungünstigsten Falle, wenn man für den Menschen incl. des Standort- und Übergangswiderstandes RM = 1 kflrechnet, IM = 37 mA auf. Dieser Wert verringert sich, wenn bei 30 zusätzlich ein eigener Erder angeschlossen ist oder/und das Verbrauchsgehäuse 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 Balls, wenn nur isolierte Geräte angeschlossen sind (RG =oo) und der eigene Erder nicht angeschlossen bzw. unwirksam wurde (RE =#), erfolgt sowohl bei Körper-Kurzschluß (Ris = 0) als auch im Bereich 0<Ris # 2,35 k#, d.h.- bei Fehlerspan-15 nungen von 220 V bis herab auf 150 V eine sofortige Abschaltung. Ist ein Fehlerauslösestrom von 25 mA gegeben, so sind die betreffenden Werte 3,8 knbzw. 125 V. Erfolgt eine gleichzeitige Berührung durch den Menschen (RM = 1 kil), so reduziert sich die Fehlerspannung auf die Berührungsspannung UM = 25 V (bzw. 20,8 V). Auf den eigenen Erder RE kann deshalb verzichtet werden.
• In Fig.6 ist parallel zum Kaltleiterwiderstand Rx ein Widerstand R5 geschaltet, dessen Zuleitung in mehreren Windungen 31 durch den Summenstromwandler führt. Im Körperschlußfalle sindhier dieselben Verhältnisse wie in Fig.5 gegeben. Der Vorteil der Schaltung in Fig.6 gegenüber Fig.5 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. Nullleiter-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 31 fließt und eine Abschaltung bewirkt. Beim Nachbar-Kurzschluß (RL = O) erhöht sich zwar die Mittelleiter- bzw. Nullleiterspannung 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 noch nicht aufgeheizt ist.
• Die Verwendung des Kaltleiters erlaubt es für den Widerstand R einen relativ geringen Wert zu wählen. Auf diese Weise Z werden die im Körperschlußfalle möglichen Fehler- und Beruhrungsspannungen wesentlich verringert. Wählt man z.B.
• RZ = 180n, den Kaltwiderstand des Kaltleiters RKK = 20# und den sich im Fehlerstrombereich 20 bis 30 mA einstellenden Heißleiterwiderstand R = 20 kSl, 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 31 ein Draht mit sehr geringem Durchmesser verwendet werden.
• Es ist vorteilhaft, in an sich bekannter Weise die Anzahl der Schutzleiter-Summenstromwandlerwindungen 31 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 O mA stattfindet. Die Erhöhung des Schutzleiter-Fehlerauslösestromes gewährleistet einen unterbrechungsfreien Betrieb, insbesonders bei ausgedehnten Anlagen und vermindert die Schutzwirkung des empfindlichen Fehlerstromschutzschalters nicht wesentlich. Die deshalb bewirkte Erhöhung der nicht zur Abschaltung führenden Fehlerspannungen ist bei entsprechender Wahl der Werte von RZ, Rs und RK unbedeutend, da die Fehlerspannungen in beiden Fällen außerordentlich gering sind.
• Bei einem Unfall mit Stromweg Außenleiter-Mensch-Schutzleiter bringt die Erhöhung des Abschaltstromes (z.B. von 30 auf 100 mA) zwar eine höhere Gefährdung mit sich, doch ist zu berücksichtigen, daß dieser äußere Unfallstromweg wegen der damit verbundenen Leitungslage in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle eine Querdurchströmung des menschlichen Herzens, die ungefährlicher ist, zur Folge hat. Es ist sowohl durch Tierversuche als auch durch die Unfall statistik signifikant nachgewiesen (siehe Forschungsbericht P 78" "Unfallverhütung bei Stromverbraucheranlagen durch empfindliche Fehlerstromschutzschalter" und"2119" "Schutzwert der Nullung mit besonderem Schutzleiter gegenüber der klassischen Nullung" der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Unfallforschung in Dortmund), 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 mA) verantwortet werden.
• Wird in der Schaltung Fig.6 für R5 ein genügend hoher Wert gewählt (z.B. R5 = 5 k>), 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 tTetzspannung" und "nicht schaltfähiger El-Schalter" gleichzeitig auf, dann wird der in der Verbraucheranlage mögliche Gehäuseberührungsstron auf einen ungefährlichen Wert begrenzt.
• Dieser Schutz ist auch dann gegeben, wenn der eigene Erder ungenügend ist, z.B. bei Verwendet man einen empfindlichen Fehlerstrorxischutzschalter (EFI-Schalter) z.B. mit einem Fehlerauslösestrom von 30 mA und kombiniert die Schaltungen gemäß Fig.1 und 6, dann erfolgt in jedem Fehlerfalle eine Abschaltung, z.B. auch dann, wenn von den 2 (bei Wechselstromanlagen) bzw. 4 Netzleitern (bei Drehstromanlagen) bis auf einen spannungsführenden Beiter der bzw. die übrigen Netzleiter vor dem Schutzschalter eine Unterbrechung haben und ein Mensch bei defekten Schaltschloß diesen Netzleiter berührt. Die eingebaute Unterbrechungseinrichtug führt zu einer irreversiblen Abschaltung, so daß der Benutzer gezwungen ist, den Schutzschalter durch einen neuen zu ersetzen.

Claims (18)

Fatentansprüche

1. Feh.lerstromschutzschalter, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Fehlerstrom-Abschalteinrichtungen oder Teile davon in einem Gerat zusammengebaut sind, oder als Funktionseinheit für eine gemeinsame Anlage dienen.

2. Schutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsstromleiter-Abschaltstellen hintereinandergeschaltet sind.

3. Schutzschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Betriebsstromleiter-Abschaltstellen auf unter--schiedlich hohe Fehlerströme ansprechen, vorzugsweise die eine bei einem relativ geringen und ungefährlichen (z.B.

IfN = 30 mA), die andere bei einem relativ hohen Wert (z.B. TfN = 0,5 A).

4. Schutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Pl-Schalter ein gemeinsames Einschalt-Betätigungsorgan haben,

5. Schutzschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum empfindlichen Fl-Schalter (z.B. I = 30 nA) ein Handschalter liegt mit dem dieser Schutzschalter überbrückt werden kann und daß diese Schaltstellung optisch oder/ und akustisch durch ein Signal angezeigt wird.

6. Schutzschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die redundante Abschaltung zeitverzögert und durch eine Durch- bzw. AuStrennung der die Betriebsströme führenden bzw. dafür vorgesehenen Leiter, d.h. der Betriebsstromleiter erfolgt.

7. Schutzschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fehlerstrommagnetfeld zeitverzögert direkt oder indirekt, vorzugsweise mit Hilfe eines Sperrmagneten - =f Reedkontakte (17) einwirkt, auf ein (eiterdurchtrennmigswerkzeug (23) einwirkt und dieses in Bewegung setzt.

8. Schutzschalter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Beiterdurchtrennungswerkzeuges (23) mit Hilfe eines Explosivstoffes (18) ausgelöst wird oder/und der Explosivstoff direkt auf die Leiter (19 und 20) einwirkt.

Schutzschalter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Explosivstoff ganz oder teilweise in einem hermetisch abgeschlossenen Gefäß, vorzugsweise zusammen mit einem die Explosion auslösenden Reedkontakt, untergebracht ist.

10. Schutzschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verzögerte Aus--lösung der Leiterunterbrechungseinrichtung mit Hilfe eines RC-Gliedes (14 und 15), eines Heißleiters oder des zeitabhängigen Entmagnetisierungseffektes erfolgt.

11. Schutzschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,-dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterunterbrechungseinrichtung mit Sicherungs-Schmelzleitern (19 und 20) kombiniert wird, die vorzugsweise mit Federn gespannt sind.

12. Fehlerstromschutzschalter, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Schalter, vorzugsweise ein Reedkontakt (26 in Fig. 3) eingebaut ist, der beim Überschreiten des Nennfehlerauslösestromes einen weiteren Fehlerstromkreis (RH) einschaltet, dessen Magnetfeld zusätzlich auf den Summenstromwandler einwirkt.

13. Fehlerstromschutzschalter, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein Schalter, vorzugsweise ein Reedkontakt (26 in Fig.4) eingebaut ist, der bei Nichtfunktionieren des FI-Schalters direkt oder indirekt durch das Fehlermagnetfeld zeitverzögert eingeschaltet wird und einen Kurzschluß zwischen den-Netzleitern, vorzugsweise zwischen den Außenleitern und dem Mittelleiter herstellt.

14. Fehlerstromschutzschalter, dadurch gekennzeichnet, daß der vom FI-Schalter zur Verbraucheranlage führende Schutzleiter allein oder zusätzlich zu einem eigenen Erder im FI-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.

15. Schutzschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitverzögerte Begrenzung des Mittel- bzw. Nullleiterberührungsstromes durch einen Kaltleiter (RK) erfolgt.

16. Schutzschalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Außenleitern und dem Mittelleiter oder/und dem Erdungsleiter Überspannungsableiter eingebaut sind.

17. 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.

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