DE2700145C2 - Fehlerstromschutzschaltung - Google Patents

Fehlerstromschutzschaltung

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DE2700145C2 DE19772700145 DE2700145A DE2700145C2 DE 2700145 C2 DE2700145 C2 DE 2700145C2 DE 19772700145 DE19772700145 DE 19772700145 DE 2700145 A DE2700145 A DE 2700145A DE 2700145 C2 DE2700145 C2 DE 2700145C2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Fehlerstromschutzschalter mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Die Anwendung des Fehlerstromschutzschalters erfordert im TT-Netz einen eigenen Erder (VDE 0100 Teil 410, 6.1.4.1 und 6.1.4.3), während im TN-Netz der vom Netz kommende und dort geerdete Nulleiter (PEN) als Erder Verwendung finden darf (VDE 0100 Teil 410 5.1.3.1 und 6.1.3.4). Der Erder wird über den Schutzleiter (PE) an die Metallgehäuse der zu schützenden Betriebsmittel angeschlossen.
Die Schaffung eines eigenen Erders ist sehr aufwendig. Darüber hinaus bedeutet die Existenz des Erders mitsamt seiner Zuleitung eine gewisse Gefahr bei der Installation und vor allem während der meist jahrzehntelangen Betriebszeit; denn Installations- oder/und Betriebsfehler können nicht nur die Wirkungslosigkeit der Berührungsschutzmaßnahme, sondern auch die Übertragung der Netzspannung über den Schutzleiter zu den Metallgehäusen der Verbrauchsgeräte zur Folge haben und auf diese Weise Unfälle auslösen.
Vor allem die Störanfälligkeit des meist offen verlegten Erdungsleiters und die Unzuverlässigkeit des Erders selbst man denke nur an den Ersatz von Metall-Wasser rohrleitungen durch Kunststoffrohrleitungen, macht in manchen Fällen die Fehlerstromschutzschaltung unwirksam. In speziellen Mängelstatistiken wurde das Ausmaß dieser Fehler erfaßt: Bei 250 beliebig ausgewählten Anwesen war der Erdungswiderstand bei 5,7% der 5682 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 Verteilung und ortsfestem Betriebsmittel lag (siehe »Der Elektromeister« 1964, Seite 1599). Auf Baustellen ist die Fehlerhäufigkeit erheblich größer: Bei 350 FI-Erdungsmessungen wurde bei 19% de«· Fälle ein ungenügender Erdungswiderstand ermittelt (Württembergische Bau-Berufsgenossenschaft 1968, Heft 2, S. 15). Die Verhältnisse haben sich zwar in den letzten Jahren wesentlich gebessert jedoch muß die noch gegebene Fehlerhäufigkeit ernst genommen werden, insbesondere auch deshalb, weil der Anteil der Altanlagen noch verhältnismäßig groß ist
Die erwähnten Fehler wirkten sich entsprechend im Unfallgeschehen aus: Nach dem Forschungsbericht »F78« (Unfallverhütung bei Stromverbraucheranlagen durch empfindliche Fehlerstrom-Schutzschalter; hier Seite 58) der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Un fallforschung in Dortmund sind auf diese Fehler in Bay ern im Laufe von 14 Jahren bei Anwendung der Schutzerdung bzw. Fehlerstromschutzschaltung 12 tödliche Stromunfälle zurückzuführen. Weitere 5 tödliche Unfälle traten auf, weil der Erdungsleiter am Erder nicht an- geschlossen war bzw. sich gelockert hatte. Berücksichtigt man, daß die beiden Schutzmaßnahmearten in Bayern damals bei etwa 15,4% der Anlagen angewandt wurden (siehe Seite 50 des Forschungsberichts Nr. 119 der genannten Bundesanstalt) gegenüber 84,6% mit der klassischen Nullung, dann wären bei 100%iger Anwendung von Schutzmaßnahmen mit eigenem Erder etwa 110 tödliche Stromunfälle 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 Er dungswiderstand für die Schutzfunktion ausgereicht hätte.
Bei der im TN-Netz erst jüngst (VDE 0100 Teil 410, 6.13.4) allgemein zugelassenen Verwendung des Nulleiters (PEN) als Erder für die Fehlerstromschutzschaltung treten zwar die erwähnten Fehler im wesentlichen nicht auf und es fällt auch der Aufwand zur Schaffung eines eigenen Erders weg, doch sind auch mit dieser Lösung gewisse Gefahren verbunden. Treten nämlich vor dem Fehlerstromschutzschalter bestimmte Installationsoder/und Betriebsfehler auf (Außenleiter/Nulleiter-Vertauschung, z. B. durch den Installateur bei der Verteilung oder Nichtanschluß bzw. Unterbrechung des Nulleiters), dann wird die volle Netzspannung über den Schutzleiter auf sämtliche metallenen Verbrauchsgerätegehäuse übertragen, ohne daß der Fehlerstromschutz-
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schalter die Stromzufuhr unterbrechen kann. Nach dem oben erwähnten Forschungsbericht »F78« (Seite 57) haben diese Fehler in Bayern im Laufe von 14 Jahren zu zwei tödlichen Unfällen geführt In diesen wallen war die Schutzmaßnahme Nullung angewandt worden; doch wären diese Unfälle ebenso aufgetreten, wenn die Fehlerstrom-Schutzschaltung angewandt und dabei der Nulleiter (PEN)As Erder verwendet worden wäre.
Um die Schutzwirkung des Nulleiters (PEN) als F.rder nutzen zu können, ohne die erwähnten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, wird gemäß DE-PS 10 93466 der Schutzleiter nach dem Summenstromwandler am Nulleiter angeschlossen. Ein Nachteil dieser Schaltung ergibt sich als Folge der Nulleiterbetriebsspannung: Durch die normale Netzbelastung erfährt der Nulleiter auf der Strecke vom Netztransformator bis zum FI-Schutzschalter infolge seines eigenen Widerstandes einen Spannungsabfall von Bruchteilen bis max. 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 Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung ist die Tatsache, daß bei einem Stromunfall mit dem Stromweg Außenleiter gegen Schutzleiter (z. B. die eine Hand berührt das körperschlußbehaftete Gerätegehäuse während die andere Hand die defekte Geräteleitung berührt) keine Abschaltung durch den FI-Schutzschalter erfolgt
Bei einem anderen, dem Oberbegriff des Anspruches 1 zugrundeliegenden Stand der Technik (DE-AS
11 23 752) wird der Nulleiter ebenfalls als Erder verwendet und seine Spannungsfreiheit mit Hilfe eines Schutzschalters überwacht Nachteilig bei diesem Vorschlag ist der erhöhte Aufwand und die Notwendigkeit einen eigenen Hilfserder zu schaffen. Fehlt dieser Hilfserder, ist seine Zuleitung unterbrochen oder ist er elektrisch zu stark mit dem Neutralleiter (N) gekoppelt dann ist die Schutzwirkung nicht gegeben.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Schutzschalter so abzuwandeln, daß bei einer vor dem Fl-Schutzschalter liegenden Außenleiter/ Nulleiter (PEN)-Vertauschung eine Auslösung und damit ein Abtrennen der geschützten Betriebsmittel erfolgt ohne daß ein eigener Hilfserder für den Schutzschalter bzw. für die geschützten Betriebsmittel erforderlich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1.
Die erfindungsgemäße Schaltung funktioniert im TT-Netz ebenso wie im TN-Netz, wenn hier der Neutralleiter (N) als Erder verwendet wird. Erfahrungsgemäß und gemäß VDE 0100 Teil 410, 6.1.8 ist der vom Netz kommende Neutralleiter (N) ausreichend geerdet um die notwendige Schutzfunktion erfüllen zu können. Die erfindungsgemäße Schaltung gewährt aufgrund der angeführten Vorteile eine risikofreie Zurverfügungstellung des Neutralleiters (N)als Erder.
Durch die Merkmale des Anspruches 2 wird zusätzlich erreicht daß bei einer vor dem FI-Schutzschalter auftretenden Nulleiter (PEN)- oder Neutralleiter (//^Unterbrechung bei gleichzeitig eingeschaltetem Verbraucher (Rw~ Rd) eine Abschaltung erfolgt für den Fall, daß der Verbraucher einen entsprechend geringen und damit zu einer Personengefahr werdenden Widerstandswert besitzt.
Das Auslöseelement wird z. B. dadurch realisiert, daß zwischen dem Nulleiter (PEN) bzw. Neutralleiter (N) und mindestens zwei der drei Außenleiter je ein spannungsabhängiger Widerstand liegt dessen Zuleitung durch den Summenstromwandler bzw. durch die Sperrmagnetfenster führt
Damit kurzzeitige Spannungserhöhungen (z. B. bei Nachbarkurzschluß oder bei Gewittereinwirkungen) zu keinen unnötigen Abschaltungen führen, ist in der weiteren Ausgestaltung der Erfindung in Reihe zu jedem spannungsabhängigen Widerstand ein stromanstiegdämpfendes Bauelement vorzugsweise ein Heißleiter geschaltet
Damit der vorgeschlagene Fehlerstromschutzschalter beim Vorhandensein einer gefährlichen Nulleiterbzw. Neutralleiterspannung abschalten kann, müssen mindestens zwei der drei Außenleiterspannungen zum FI-Schutzschalter führen. Um diese Voraussetzung zu garantieren, führt in der weiteren Ausgestaltung der Erfindung von jedem Außenleiter ein Leiter zum Schutzleiter (PE), wobei der Widerstand eines jeden Leiterzweiges, in dem vorzugsweise ein Kondensator liegt gleich groß ist
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Tatsache, daß sie mit dem heute vorgeschriebenen Potentialausgleich oder/und Fundamenterder verträglich ist Werden diese beiden Schutzmaßnahmen (durch Anschluß an die Schutzleiterklemme 14) zusätzlich angewandt so wird bekanntlich die Schutzwirkung je nach Größe des Erdungswiderstandes verbessert, d. h. im Kurzschlußfalle (incl. Körperkurzschluß) werden die Berührungsspannung gegen Erde und die Abschaltzeit weiter verringert Wird ein empfindlicher Fehlerstromschutzschalter (z. B. l/m = 30 mA) verwendet dann wird auch die in manchen Fällen nachteilige Wirkung des Potentialausgleiches, nämlich die Möglichkeit eines tödlichen Unfalles durch gleichzeitiges Berühren eines Außenleiters und eines ursprünglich isoliert gewesenen, aber durch den Potentialausgleich nachträglich geerdeten Metallteiles aufgehoben.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben.
Der Drehstrom-Netztransformator T versorgt über die Zuleitungen den Drehstromverbraucher mit den drei Verbraucherwiderständen Rd oder/und den Wechselstromverbraucher Rw. Das Metallgehäuse des Verbrauchsgerätes M ist über den Schutzleiter PE vor dem Summenstromwandler (5) mit dem Nulleiter (PEN)bzv/. Neutralleiter ^verbunden.
Soweit ist die Schaltung des normalen Fehlerstrom-Schutzschalters gegeben. Tritt ein Körperschluß (Rk) auf, dann kommt ein Summenstrom zustande, der über den Schutzleiter (PE) zum Nulleiter (PEN) führt und die Schaltkontakte (C) des Fl-Schutzschalters zur Abschaltung bringt.
Wird ein empfindlicher Fehlerstromschutzschalter
(z. B. /jn = 30 mA) verwendet dann erfolgt eine Abschaltung auch dann, wenn eine Person einerseits einen Außenleiter und andrerseits eine leitende geerdete Fläche (z. B. Hand/Füße-Unfall) berührt bzw. auch dann, wenn sie einen Außenleiter und einen Schutzleiter (PE) berührt (meist ein Hand/Hand-Unfall) bzw. auch dann, wenn nach dem FI-Schutzschalter der Schutzleiter unterbrochen ist und ein körperschlußbehaftetes Verbrauchsgerät berührt wird oder nach dem FI-Schutzschalter eine Schutzleiter/Außenleiter-Vertauschung bei gleichzeitiger Berührung des Gerätegehäuses gegeben ist.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind zwischen je einem von mindestens zwei Außenleitern je ein
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spannungsabhängiger Widerstand (1,2) durch den Summenstromwandler (bei 3,4 und 5) hindurch zum Schutzleiter (PE) geführt. Die Widerstände 1 und 2 haben bei 220/380 Volt-Anlagen im Bereich bis etwa 280 Volt eff. einen relativ hohen Widerstand. Wird die angelegte Spannung überschritten, so sinkt ihr Widerstand so weit herab, daß durch sie ein Strom zum Fließen kommt, der höher ist als der Fehlernennstrom des FI-Schutzschalters. Wenn nun vor dem Fl-Schutzschalter (im Bereich bis zur Hausanschlußsicherung oder im Netz) der Nulleiter (PEN) bzw. der Neutralleiter (N) irrtümlich mit dem Außenleiter vertauscht wird oder eine Unterbrechung bei gleichzeitig eingeschaltetem Verbraucher erfährt, dann führt der Schutzleiter (PE) eine gefährliche Berührungsspannung gegen Erde. Das bedeutet, daß der Schutzleiter (PE) gegen den zweiten Außenleiter nicht mehr die Spannung 220 Volt, sondern nahezu 380 Volt führt. Das hat wiederum zur Folge, daß der spannungsabhängige Widerstand (1) seinen Widerstandswert verringert, was eine Erhöhung des künstlichen Fehlerstromes und damit eine Abschaltung nach sich zieht.
Die Heißleiter 6 und 7 bewirken eine Dämpfung des Stromanstieges, so daß kurzzeitige Überspannungen (z. B. bei Nachbarkurzschluß oder bei Gewittertätigkeit) zu keinen unerwünschten Abschaltungen führen können.
Die Widerstände 11, 12 und 13 haben gleiche Werte. Wenn alle drei Außenleiter am Eingang des FI-Schutzschalters angeschlossen sind, dann fließt wegen der Symmetrie kein Strom über den Schutzleiter (PE) ins Netz zurück. Sind jedoch nur zwei, oder ist nur ein Außenleiter am Fl-Schutzschalter angeschlossen, dann fließt wegen der auftretenden Spannungsdifferenz über den Schutzleiter (PE) ein Strom ins Netz zurück, der den Fl-Schutzschalter zur Auslösung bringt.
Mit dem Drehstrom-Fl-Schutzschalter ist zwar ein reiner Wechselstrombetrieb ohne weiteres möglich, der Schutzschalter muß aber an mindestens zwei Außenleitern angeschlossen werden, um die erwähnten Schutz-Wirkungen zu erzielen. Werden bei der vorgeschlagenen Schaltung ein oder zwei Außenleiter nicht angeschlossen, dann erfolgt eine selbsttätige Abschaltung, so daß ein Betrieb nicht möglich ist.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die erfindungsgemäße Schaltung ohne zusätzlichem Installationsaufwand eine Kombinierung der Nullung (incl. Potentialausgleich oder/und Fundamenterder) mit der Fehlerstromschutzschaltung erlaubt und damit die Vorteile des direkt verfügbaren Nulleiters (PEN) bzw. des Neutralleiters (N) (die bis zum Abschaltende auftretende Berührungsspannung liegt unter 110 Volt gegenüber 220 Volt bei der üblichen FI-Schutzschaltung und kürzere Abschaltzeit, meist kleiner 10 ms gegenüber 10 bis 30 ms bei der FI-Schutzschaltung) zum Tragen kornmen, und daß eine Abschaltung auch dann erfolgt, wenn vor dem Fl-Schutzschalter eine gefährliche Nulleiterunterbrechung oder eine Außenleiter/Nulleitervertauschung gegeben ist.
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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

27 OO 145 Patentansprüche:
1. Fehlerstromschutzschalter für ein Netz, bei dem der Nulleiter (PEN) oder Neutralleiter (N) als Erder für die geschützten Betriebsmittel verwendet wird und der Anschluß des Schutzleiters am Nulleiter (PEN) bzw. Neutralleiter (N) zwischen dem an der Netzseite liegenden Schaltkontakt und dem nachfolgenden Summenstromwandler oder Sperrmagneten liegt, dadurch gekennzeichnet, daß von mindestens zwei Außenleitern je ein Auslöseelement zum Schutzleiter (PE) geschaltet ist, so daß eine Abschaltung bewirkt wird, wenn die an einem Auslöseeleinent anliegende Spannung wesentlich größer ist als die Netz-Nennspannung eines Außenleiters gegen den Nulleiter (PEN)bzw. Neutndleiter (N).
2. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von jedem Außenleiter je ein Auslöseelement zum Schutzleiter (PE) führt
3. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von mindestens zwei Außenleitern je ein spannungsabhängiger Widerstand (1, 2) zum Schutzleiter (PE) geschaltet ist und die Zuleitungen (3,4) durch den Summenstromwandler (5) oder durch das Sperrmagnetfenster führen.
4. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zu jedem spannungsabhängigen Widerstand (1, 2) je ein stromanstiegdämpfendes Bauelement (Heißleiter 6, 7) liegt
5. Fehlerstromschutzschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß von jedem Außenleiter ein Widerstand (11,12,13) zum Schutzleiter (PE) geschaltet ist und die Werte dieser Widerstände gleich groß sind.
6. Fehlerstromschutzschalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (11, 12,13) kapazitive Blindwiderstände sind.
7. Fehlerstromschutzschalter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen der Widerstände (11, 12, 13) oder/und der spannungsabhängigen Widerstände (1, 2) in mehreren Windungen durch den Summenstromwandler (5) oder durch das Sperrmagnetfenster geführt werden.
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