DE3431581A1 - Elektrischer Schalter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter, sowohl für die allgemeine Anwendung als insbesondere auch für die Anwendung als Schutzschalter, z.B. als Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter).

Beim Schaltvorgang treten an den Kontakten Erscheinungen wie Prellen und Lichtbögen auf, welche das Schaltvermögen und die Lebensdauer wesentlich reduzieren. Lichtbögen treten nicht nur beim Ausschalten, sondern auch beim Einschalten auf, weil das damit zwangsläufig verbundene Kontaktprellen mit mehreren rasch aufeinanderfolgenden Ausschaltungen verbunden ist.

Weiter treten bei hohen Überströmen, insbesondere bei Kurzschluß an den gegenüberliegenden Kontakten elektrodynamische Kräfte (Engekräfte) auf, welche den Kontakt-Schließkräften entgegenwirken. Auf diese Weise verringert sich der Kontaktübergangswiderstand, was eine erhöhte Wärmeentwicklung und Kontaktabnützung zur Folge hat. Übersteigen die Kontaktengekräfte die Kontaktschließkräfte, dann heben die Kontakte ab, und der entstehende starke Lichtbogen kann die Kontakte zerstören, insbesondere verschweißen.

Den geschilderten Erscheinungen wird mit einer Vielfalt von technischen Maßnahmen entgegengetreten, z.B. wird ein erhöhter Kontaktdruck angewandt, oder es werden die auftretenden elektrodynamischen Kräfte nutzbringend angewandt, z.B. beim Tulpenkontakt.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die erwähnten Nachteile mit möglichst einfachen Mitteln zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch den im Anspruch 1 angeführten Erfindungsgedanken gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen erwähnten weiteren Erfindungsgedanken bzw. Maßnahmen wird eine vorteilhafte Weiterentwicklung und Verbesserung des Erfindungsgedankens möglich.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung wiedergegeben.

In Fig. 1 ist ein Schalter in der Arbeitsstellung "Ein" wiedergegeben, der aus einem oder zwei federnden Kontaktträgern besteht. Der Stromübergang erfolgt über zwei Kontaktpaare 1 und 2. Da die Stromzuführung von links (3) und die Weiterleitung nach rechts erfolgt, fließt in beiden Kontaktträgerteilen 4 und 5 der Strom in derselben Richtung, und es erfolgt daher eine Anziehung derselben. Diese Kräfte wirken den Strom-Engekräften entgegen, so dass bei geeigneter Dimensionierung die zusammenhaltende Kontaktkraft umso stärker wird, wodurch der Kontaktübergangswiderstand entsprechend verringert wird, je höher der Strom ist.

In Fig. 2 ist derselbe Schalter wiedergegeben. Die beiden Kontaktträgerteile 4 und 5 haben im Zwischenraum eine dünne Isolierschicht, und der Abstand beider Metallflächen ist so gering wie möglich. Auf diese Weise werden die elektrodynamischen Anziehungskräfte verstärkt.

In Fig. 3 ist der untere Kontaktträger fest. Darunter befindet sich elektrisch isoliert und möglichst nahe ein Teil der Stromzuführungsleitung 6. Diese ist so angeschlossen, dass der in diesem Leitungsteil fließende Strom in derselben Richtung fließt wie der im darüberliegenden Kontaktträgerteil 5. Durch diese Anordnung wird die elektrodynamische Anziehung der Kontakte weiter verstärkt.

In Fig. 4 liegt die Stromzuführungsleitung 7 elektrisch isoliert und (im eingeschalteten Zustand) im geringsten Abstand zum Kontaktträger 8 unterhalb desselben. Dieser Leitungsteil 7 ist so angeschlossen, dass der Strom in entgegengesetzter Richtung zu dem im Kontaktträger 8 fließenden Strom fließt. Die Folge ist eine abstoßende Wirkung durch die elektrodynamischen Kräfte. Damit wird, bei geeigneter Dimensionierung, bei Kurzschluß eine selbsttätige oder (ev. zusammen mit anderen Maßnahmen) eine unterstützende Ausschaltung bewirkt.

Es kommt darauf an, dass die Abstoßungskräfte größer sind als die Anziehungskräfte beim nächst gelegenen Kontaktpaar 2. Ist dies ab einer vorbestimmten Stromstärke der Fall, so hebt zunächst (wegen der Federwirkung des Kontaktträgers 8) nur der Kontakt 2 (lichtbogenlos) ab. Die Folge ist, dass im unteren Kontaktträgerteil 5 kein Strom mehr fließt und die Kontakte deshalb nicht mehr zusammengehalten werden. Es erfolgt eine schnelle und endgültige Abschaltung.

In Fig. 5 ist eine weitere zusätzliche Anordnung wiedergegeben, bei der die erwähnten Effekte verstärkt auftreten. In der Ruhestellung (Aus-Zustand) liegt der federnde Kontaktträger 8 elektrisch isoliert möglichst nahe an einer in Ruhestellung befindlichen und als Teil der Stromzuführungsleitung dienenden Feder 9 - es kann auch eine starre Leitung sein - und dieser Leitungsteil ist so angeschlossen, dass der in ihm (im eingeschalteten Zustand) - siehe Fig. 6 - fließende Strom in derselben Richtung fließt wie der im Kontaktträger 8 fließende Strom. Bei hoher Stromstärke wird der federnde Kontaktträger 8 von rechts beginnend immer weiter nach oben gezogen, und auf diese Weise erfolgt eine Abschaltung ähnlich wie oben bei Fig. 4 bereits beschrieben.

Die zur Ausschaltung dienenden Leitungsteile 7 und 11 dürfen natürlich nur bis in die Höhe 9 des Kontaktpaares 2 reichen, damit sie die anziehende Wirkung der beiden Kontaktträgerteile 4 und 5 im Anfangsstadium des Abschaltvorganges nicht beeinträchtigen können. Der exakte, zuverlässige und schnelle Übergang vom Ein-Zustand in den bei der vorbestimmten Stromstärke gewünschten Aus-Zustand wird durch drei in Reihe geschaltete Kontaktpaare wesentlich verstärkt.

In Fig. 7 ist dieselbe Anordnung wie in Fig. 5 wiedergegeben, nur dass die zur Erzeugung der elektrodynamischen Kräfte dienenden Leitungsteile aus mehreren parallel zueinander angeordneten Lagen 11a, 11b, 11c bestehen. Die Verbindungsleitungen der einzelnen Lagen haben einen relativ großen Querschnitt, wodurch die notwendige Wärmeableitung sichergestellt wird.

In Fig. 8 befindet sich unter dem Kontaktträger 8 ein in der Stromzuleitung befindliches U-förmiges Bimetall, wodurch bei geringeren Überströmen zeitabhängig eine Abschaltung bewirkt wird.

Durch die entsprechend dimensionierte Kombination der oben erwähnten Schalteranordnungen wird bei relativ geringem Aufwand und ohne zusätzliche Mittel eine Überstrom- und Kurzschlußschnellabschaltung ermöglicht.

Wird dieser Schalter in der bei P 33 37 172.5 bzw. P 33 41 947.7 angegebenen Weise mit einem elektronischen Schalter (z.B. einem Triac) parallel geschaltet, dann wird zusätzlich der Schaltlichtbogen weitgehend eliminiert.

In Fig. 9 ist eine Weiterentwicklung dieser Schaltanordnung angegeben, bei der insbesondere auch dann ein Schutz gegeben ist, wenn bei Anwendung einer galvanischen Trennung mit Hilfe eines (15) oder zweier Leerschalter (15 und 16) auf einen Kurzschluß draufgeschaltet wird, d.h. wenn R[tief]v = 0. Normalerweise würden die beiden Leerschalter 15 und 16, die ja zeitlich vor den Schaltern 17 und 18 eingeschaltet werden müssen, bei Kurzschluß R[tief]v = 0 beschädigt werden, da hier kein elektronischer Lichtbogenschutz angewandt werden kann (dann wäre nämlich die angestrebte galvanische Trennung wieder nicht gegeben!). Durch die hier vorgeschlagene Schaltung wird bei Kurzschluß von vorneherein keine Einschaltung der Schalter 17 und 18 bewirkt. Das Relais hat zwei voneinander elektrisch isolierte Erregerspulen, nämlich die Einschaltspule 13 und die Hauptspule 14. Die Einschaltung der Leerschalter 15 und 16 erfolgt mit Hilfe des Hand- oder Relaisschalters 19, bei einem überhöhten Einschaltstromstoß durch die Einschaltspule 13. Mit Hilfe der Gleichrichterschaltung G wird auch bei Wechselstromspeisung ein ausreichend langer Stromstoß erzeugt. Der anschließend verbleibende geringere Strom muß einen bestimmten Wert besitzen, so dass zusammen mit der Erregung der inzwischen (durch die Kontakte 15 und 16) eingeschalteten Hauptspule 14 eine Summenerregung entsteht, die nacheinander den Hilfsschalter 17 und den Hauptschalter 18 zur Einschaltung bringt und die 4 Schalter 15, 16, 17 und 18 halten kann.

Wird 19 (mit der Hand oder durch Fernbetätigung mittels Relais) ausgeschaltet, so schalten wegen der jetzt geringeren Erregung zunächst der Hauptschalter 18 und anschließend der Hilfsschalter 17 ab. Die Leerschalter 15 und 16 schalten wegen des aufgeladenen Kondensators 20 erst später, wenn alle Ausgleichsvorgänge abgeklungen sind, funkenlos ab.

Wenn bei einem Kurzschluß (R[tief]v = 0) eingeschaltet wird, so kann die zusätzliche Erregung durch die Hauptspule 14 nicht zustande kommen (R[tief]v = 0 liegt parallel dazu!), und deshalb werden auch die Schalter 17 und 18 nicht eingeschaltet. Ein Stromfluß durch R[tief]v kommt nicht zustande, da der Triac H diesen sperrt.

In Fig. 10 ist eine kombinierte Schalteranordnung wiedergegeben, mit Hilfe derer beim Einschalten von 19 nacheinander die Kontaktpaare 15a/b (+16a/b) und 17a/b und 18a/b einschalten sowie beim Ausschalten von 19 nacheinander die Kontaktpaare 18a/b und 17a/b und 15a/b (+16a/b) ausschalten. Die erforderliche zeitgerechte und spulenabhängige Einwirkung auf die einzelnen Schalter erfolgt nicht nur durch die Kontaktanordnungen, sondern auch durch entsprechend räumliche Anordnung beider Erregerspulen und der mechanischen Übertragungsglieder.

In Fig. 11 ist die elektronisch-mechanische Schaltanordnung im Prinzip wiedergegeben, wobei als elektronischer Schalter zwei MOS-FET-Leistungstransistoren 21 und 22 verwendet werden. Diese haben gegenüber dem Triac den Vorteil, dass sie nur so lange durchschalten, so lange die Steuerspannung am Gate anliegt, d.h. es können hier sehr kurze Abschaltzeiten realisiert werden, was insbesondere beim Abschalten eines während des Betriebes auftretenden Kurzschlusses von Bedeutung ist. Die Kondensatoren 23 und 24 dienen zur Erzeugung des Steuerimpulses.

Der Schalter lässt sich auch beim Fehlerstrom-Schutzschalter (kurz "FI-Schalter") anwenden. Eine Weiterentwicklung dieses Schutzschalters ist in Fig. 12 wiedergegeben. Die in einem Gehäuse untergebrachte Schutzeinrichtung besteht aus einem Haupt-FI 25 und mehreren nachgeschalteten End-FI 27a, 27b, 27c, 27d

Der Haupt-FI 25 schaltet gegenüber den End-FI 27a, 27b, 27c, 27d zeitverzögert ab, d.h. er schaltet im Fehlerstromfalle nur dann ab, wenn ein End-FI nicht funktioniert (oder wenn zwischen Haupt-FI und End-FI ein genügend hoher Strom zum Schutzleiter PE zustande kommt). Durch die auf diese Weise erzielte Pedundanz wird die Zuverlässigkeit der Schutzeinrichtung außerordentlich erhöht und die Anwendung des elektronischen FI für den End-FI sinnvoll.

Weiter ergeben sich praktisch keine Probleme bezüglich unnützer Abschaltungen infolge von Ableitströmen bzw. der Summe von Ableitströmen. Nicht nur deshalb, weil jeder Endstromkreis 26a, 26b, 26c, 26d seinen eigenen End-FI 27a, 27b, 27c, 27d hat, wodurch zusätzlich auch eine optimale Selektivität erzielt wird, auch deshalb, weil bei richtiger Dimensionierung der Haupt-FI durch die Summe aller möglichen Werte der Ableitströme nicht zur Abschaltung gebracht wird, obwohl auch er einen Schutz bei direkter Berührung bietet.

Hat z.B. der Haupt-FI einen Fehlerstrom von 65 mA, dann bietet er praktisch einen ausreichenden Schutz gegen Stromtod. Wenn nun (siehe Fig. 12) der Drehstrom-End-FI 27a (z.B. für den Elektroherd) und die drei übrigen Wechselstrom-End-FI 27b, 27c und 27d (3 Lichtstromkreise) einen Fehlerstrom von 30 mA haben (Toleranzen wegen Übersichtlichkeit unberücksichtigt), so schaltet der Haupt-FI bei keiner der möglichen Ableitstromwerte-Konstellationen ab, auch nicht, wenn Stromwerte bis nahe 30 mA auftreten (weil nicht die algebraische, sondern die geometrische Summe der Fehlerströme zur Wirkung kommt).

Bei Anwendung eines 100 mA-Haupt-FI können deshalb bis 9 End-FI (30 mA), d.h. z.B. 9 Lichtstromkreise angeschlossen werden, ohne dass unnütze Störungen auftreten.

Wenn man bedenkt, dass schon Ableitströme von z.B. 20 mA je Endstromkreis in Hausanlagen kaum vorkommen und daher die ungünstigste Kombination der Ableitstromwerte noch viel unwahrscheinlicher ist, dann ist es durchaus realistisch, wenn man einen störungsfreien Betrieb auch beim Einsatz von noch mehr End-FI annimmt.

Allerdings ist die gleichmäßige Verteilung der End-FI auf die drei Phasen die notwendige Voraussetzung. Diese Voraussetzung ist bei der fabrikationsmäßigen Herstellung des Gesamt-FI-Schalters voll erfüllt.

Bei der vorgeschlagenen Schutzeinrichtung kommt der hohe Schutzwert des Nulleiters PEN (nämlich hohe Zuverlässigkeit im Bereich Netz bis Haupt-FI sowie geringe Berührungsspannung bis zum Abschaltende, meist unter 80 V) voll zur Wirkung, ohne dass damit für den Installateur oder für die EVU ein Risiko damit verbunden ist. Tritt nämlich vor dem Haupt-FI eine Nulleiterunterbrechung oder -vertauschung bzw. eine Anschlußverwechslung auf, so erfolgt eine selbsttätige Abschaltung des Haupt-FI, weil sich der Widerstand von mindestens einem der spannungsabhängigen Widerstände 28a, 28b oder 28c entsprechend vermindert und dadurch ein künstlicher Fehlerstrom erzeugt wird.

Die Anwendung eines FI-Schalters für jeden Endstromkreis wird wirtschaftlich und volumenmäßig deshalb möglich, weil bei der gegebenen Konzeption der Neutralleiter N nicht abgeschaltet werden muß. Dazu kommt, dass auch die Prüfeinrichtung wenig Aufwand erfordert. Es ist für die Gesamtschaltung nur eine Taste 29 in Fig. 12 bzw. P in Fig. 13) und nur ein Begrenzungswiderstand erforderlich. Die Prüfleitung ist durch die Summenstromwandler aller End-FI geführt. Beim Betätigen der Prüftaste schalten sowohl der Haupt-Fi als auch alle End-FI ab. Es ist zweckmäßig, dass die End-FI zusätzlich mit einer Überstrom- und Kurzschlußschnellabschaltung ausgerüstet sind. Weiter ist es sinnvoll, die End-FI mit elektronischen Verstärkern zu betreiben, da auf diese Weise das Bauvolumen reduziert werden kann. Die Anwendung elektronischer Bauelemente ist möglich, da im Falle eines Funktionsausfalles durch Unterbrechung des Nulleiters PEN oder bei Bauelementeausfall im Fehlerstromfalle der Haupt-FI in Funktion tritt.

In Fig. 13 ist ein Beispiel für die äußere Ausführung der vorgeschlagenen Schutzeinrichtung wiedergegeben. Der Haupt-FI befindet sich an der linken Seite. Die vom Netz kommenden Leitungen L1, L2, L3 und PEN werden links oben angeschlossen. Erfolgt hier eine irrtümliche Anschlußverwechslung durch den Installateur (Hauptleiter an PEN angeschlossen), so schaltet der Haupt-FI sofort ab und lässt sich bis zur Fehlerbehebung nicht wieder einschalten. Die zu den Endstromkreisen abgehenden Leitungen (Hauptleiter L1, L2 und L3 und Neutralleiter N und Schutzleiter PE werden an der unteren Seite angeschlossen. Die einzelnen Schalter können auch durch die Hebel 31, 32, 33, 34 und 35 mit der Hand ein- und ausgeschaltet werden. P ist die Prüftaste.

In Fig. 14 wird beim FI-Schalter ebenfalls der Nulleiter PEN als Schutzleiter PE

verwendet. Zum Schutze gegen einen spannungsführenden Nulleiter (oder auch Erdleiter) ist hier im FI-Schalter ein Kaltleiter, nämlich eine Glühbirne 31 in Reihe zum Schutzleiter geschaltet.

Tritt bei vorschriftsmäßiger Installation im Gehäuse des Verbrauchsgerätes G[tief]v ein Körperschluß auf, dann wird zunächst der relativ geringe Widerstand des Kaltleiters 31 wirksam und erzeugt einen genügend hohen Stromstoß, der zur FI-Abschaltung führt. Liegt dagegen eine vorschriftswidrige Installation vor, d.h. wenn der Schutzleiter PE Netzspannung führt, dann erfolgt zwar bei der Berührung des Verbrauchsgerätegehäuses G[tief]v durch den Menschen ein kurzer Stromstoß, doch dieser wird innerhalb weniger ms auf einen ungefährlichen Wert begrenzt.

Zur Frage, ob die hier vorgeschlagene Lösung vom sicherheitstechnischen Standpunkt zu rechtfertigen ist, ist folgendes zu sagen:

1. Sinnvoll ist diese Lösung nur, wenn sie bei einem empfindlichen FI-Schalter (z.B. 30 mA) Anwendung findet, weil bei hohen Nenn-Fehlerströmen (z.B. 300 mA) der Kaltwiderstand des Kaltleiters (er liegt je nach Auslegung im Bereich zwischen 500 und 950 Ohm) eine Abschaltung im Körperschlußfalle nicht gewährleistet.

2. Zwar erhöht der im Schutzleiter PE liegende Kaltwiderstand im Körperschlußfalle die bis zur Abschaltung auftretende Berührungsspannung, dann ist dieser Fall grundsätzlich bei Anwendung der FI-Schaltung gegeben, wenn ein im VDE-zulässigen

Bereich liegender Erdungswiderstand vorliegt. Entscheidend ist die Tatsache, dass in diesem Sinne kein Verstoß gegen die VDE-Bestimmungen vorliegt und insbesondere die Tatsache, dass die Abschaltung des gefährlichen Berührungsstromes innerhalb ca. 30 ms erfolgt und damit nach aller Erfahrung eine Lebensgefahr ausgeschlossen ist.

3. Der auftretende, ungefährliche Stromstoß ist wegen des in Reihe geschalteten Kaltleiters sogar etwas geringer als der bei direkte Berührung oder in manchen Körperschlußfällen auftretende Stromstoß.

4. Nach dem erfolgten Stromstoß über den Schutzleiter PE erfolgt zwar keine Abschaltung, doch der verbleibende Berührungsstrom liegt unterhalb etwa 23 mA. Er liegt also nicht höher als jener Berührungsstrom, der auch beim empfindlichen FI-Schalter 30 mA über den Menschen fließen kann, ohne dass der Schutzschalter abschaltet.

5. Wesentlich ist die Tatsache, dass bei dieser Lösung der Schutzpegel nicht unterhalb des beim empfindlichen FI-Schalter 30 mA gegebenen Schutzpegels liegt und diese Lösung sehr kostengünstig, zuverlässig und raumsparend ist. Dies muß vor allem auch im Vergleich zu der heute noch angewandten Lösung, bei der der Schutzleiter bei ortsveränderlichen FI-Schaltern die volle Netzspannung ohne abzuschalten übertragen kann, gesehen werden. Es ist zwar richtig, dass ein spannungsführender Schutzleiter ein vorschriftswidriger Zustand und meist auch ein Installationsfehler ist, doch sollte dies nicht davon abhalten, einen Schutz dagegen anzuwenden.

Die hier vorgeschlagene Lösung kann besonders sinnvoll in einem Zwischen-FI-Stecker (Fig. 14) angewandt werden, weil hier wenig Raum zur Verfügung steht und den Kosten sehr enge Grenzen gesetzt sind.

In Fig. 15 ist der endgültige, als Schutzschalter dienende Schalter wiedergegeben.

Zunächst sollen noch einmal übersichtlich die gegebenen Probleme und dann die hier vorgeschlagenen Lösungen erläutert werden:

Beim Fehlerstrom-Schutzschalter sind derzeit noch folgende Probleme gegeben bzw. Wünsche offen:

1. Nach Literaturangaben liegt bei den Fehlerstrom-Schutzschaltern die Ausfallrate bei 1 bis 3 % (exakte Zahlen sind bisher nicht ermittelt bzw. bekannt geworden). Diese Tatsache zwingt dazu, einen Schutz gegen den Ausfall der Schutzfunktion zu realisieren.

2. Die Verwendung des bestens geerdeten Netz-Nulleiters (PEN) bzw. Netz-Neutralleiters (N) als FI-Schutzleiter (PE) ist mit einem Risiko verbunden: Wird der PEN oder N aus irgend einem Grunde (Anschlußverwechslung oder Unterbrechung) unter Netzspannung gesetzt, dann wird die volle Netzspannung über den PE zu den Gerätegehäusen übertragen, ohne dass der FI abschaltet. Aus diesem Grunde wird diese Schaltungsweise nicht überall zugelassen, obwohl mit ihr (gegenüber einem Hauserder) große Vorteile verbunden sind, nämlich: direkte Verfügbarkeit, geringste Kosten, höchste Zuverlässigkeit, die bis zum Abschaltende bei Körperschluß auftretende Berührungsspannung beträgt nur bis max. 80 V (statt 220 V), die FI-Abschalthäufigkeit (insbesondere bei Gewitter) ist wesentlich geringer, was sich besonders günstig beim 30 mA-FI auswirkt.

Zwar tritt der erwähnte Fehler außerordentlich selten auf (z.B. sind in Bayern von 1954 bis 1967 bei insgesamt 576 Stromtoten bei Verbraucheranlagen nur zwei derartige Fälle vorgekommen, siehe BAU-Forschungsbericht F78, Seite 57), dennoch wäre es sehr wünschenswert, wenn dagegen ein technischer Schutz realisiert werden könnte.

3. Die Verwendung nur eines Fehlerstrom-Schutzschalters für mehrere Stromkreise hat zwei wesentliche Nachteile:

a) Es ist keine Selektivität gegeben, d.h. im Fehlerfalle werden alle angeschlossenen Stromkreise abgeschaltet, obwohl im allgemeinen nur bei einem Stromkreis der Isolationsfehler auftritt.

b) Beim FI summieren sich die Fehlerströme bzw. Ableitströme aller angeschlossenen Stromkreise, so dass dadurch eine erhöhte und nicht notwendige Abschalthäufigkeit auftritt.

Zur Lösung der gegebenen Probleme werden folgende Maßnahmen vorgeschlagen:

Zu 1: Zum Schutz gegen den Ausfall der FI-Schutzfunktion wird Redundanz angewandt, d.h. es werden zwei FI-Schalter (ein Haupt-FI und mehrere parallelgeschaltete End-FI) hintereinandergeschaltet. Der Haupt-FI spricht auf einen höheren Fehlerstrom an und schaltet zeitverzögert (z.B. durch Kondensatoraufladung) ab, d.h. er schaltet nur dann ab, wenn ein End-FI im Fehlerstromfalle nicht funktionsfähig ist. Um die Gesamtzuverlässigkeit zu erhöhen, ist es zweckmäßig, für Haupt- und End-FI verschiedene Funktionsprinzipien (z.B. den elektronischen und den konventionellen FI) anzuwenden.

Zu 2: Die risikolose Verwendung des PEN- bzw. N-Leiters als FI-Schutzleiter wird dadurch ermöglicht, dass zwischen mindestens 2 Hauptleitern und dem Schutzleiter PE je ein negativ spannungsabhängiger Widerstand geschaltet ist, der beim Überschreiten einer bestimmten Spannung (z.B. 260 V) seinen Widerstand so stark vermindert, dass der dadurch entstehende Fehlerstrom den FI zur Abschaltung bringt. Dadurch wird eine selbsttätige FI-Abschaltung bewirkt, wenn der Schutzleiter aus irgend einem Grunde eine unzulässig hohe Berührungsspannung erhält. Da in diesem Falle der Haupt-FI abschaltet und dieser grundsätzlich nur verzögert abschaltet, führen kurzzeitig auftretende Überspannungen (z.B. bei Gewitter) zu keiner Abschaltung.

Zu 3: Für jeden einzelnen Stromkreis wird ein eigener FI-Schalter (End-FI) vorgesehen. Dies wird wirtschaftlich dadurch ermöglicht, dass beim End-FI jeweils nur der Hauptleiter einen Schaltkontakt besitzt, während der Neutralleiter (N) ungeschaltet bleibt (was wegen der oben erwähnten Zusammenhänge kein untragbares Risiko bedeutet).

Die konstruktive Lösung erfolgt in der Weise, dass der Haupt- und alle nachgeschalteten End-FI in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind. Wie bereits erwähnt, kann beim End-FI auf die N-Abschaltung verzichtet werden, da der Haupt-FI abschaltet, wenn der PEN bzw. N spannungsführend ist. Es ergibt sich auf diese Weise ein wesentlich einfacherer und kostengünstigerer Aufbau bei geringerem Volumen. Gerade diese Vorteile erlauben es, für jeden einzelnen Stromkreis den FI-Schutz wirtschaftlich zu realisieren. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich durch die hier angewandte Prüfeinrichtung. Sowohl für den Haupt-FI, wie auch für alle End-FI genügt eine einzige Prüftaste und ein einziger Prüfwiderstand. Eine weitere Vereinfachung ergibt sich durch den Fortfall des Haupt-FI-Summenstromwandlers. Die Auslösespannung für das Haupt-FI-Relais kann dadurch gewonnen werden, dass bei den End-FI-Summenstromwandlern je eine zusätzliche Wicklung aufgelegt ist. Diese Wicklungen werden phasengerecht in Reihe oder parallel geschaltet und beim Haupt-FI-Relais angeschlossen.

Funktionsbeschreibung zur Figur 15:

1. Technische Daten (beispielhaft): Das Haupt-FI-Relais R[tief]H soll bei 65 mA, jedes End-FI-Relais bei 30 mA auslösen.

2. FI-Prüfung: Wird die Prüftaste F gedrückt, so fließt der künstliche Fehlerstrom durch alle Summenstromwandler. Nach max. 30 ms schalten alle End-FI ab. Schaltet einer nicht aus, ist er also funktionsunfähig, so ist dies an der unveränderten Stellung des Schalthebels zu erkennen. Der Haupt-FI schaltet verzögert nach 100 ms ab.

3. Ableitströme:

a) Gleiche Hauptleiter: Wenn bei einem Endstromkreis, bei einem bestimmten Hauptleiter (und nur bei diesen) ein Ableitstrom von z.B. 35 mA auftritt, dann liegt (bei den üblichen Verbraucheranlagen) auf jeden Fall ein Fehler vor und damit ein Fehlerstrom und nicht ein Ableitstrom. Es ist die Aufgabe des Fi diesen Fehlerstrom abzuschalten und er schaltet ihn auch ab. Hier schaltet er nur diesen fehlerbehafteten Stromkreis (selektiv) ab. (Wäre z.B. nur ein FI eingebaut, wie bisher üblich, dann würde keine Abschaltung erfolgen. Käme dann später beim selben Hauptleiter desselben oder eines anderen Stromkreises ein zusätzlicher Fehlerstrom von 30 mA hinzu, dann würde der FI abschalten und damit wären alle angeschlossenen Stromkreise spannungslos). Tritt später beim selben Hauptleiter eines anderen Endstromkreises ein Fehlerstrom von 30 mA auf, dann wird auch in diesem Falle nur dieser Endstromkreis abgeschaltet. Der zeitverzögernd abschaltende Haupt-FI bleibt aber eingeschaltet, weil die Stellspannung zu seiner Funktion mindestens 100 ms anstehen muß, diese aber vorher schon weggeschaltet wurde. Der Haupt-FI kann also niemals durch die Summe der Endstromkreis-Ableitströme abgeschaltet werden, weil immer, auch im ungünstigsten Fall, die betreffenden Endstromkreise für sich abgeschaltet werden.

b) Verschiedene Hauptleiter: In der Regel sind die Ableitströme auf alle drei Hauptleiter mehr oder weniger gleichmäßig verteilt, was zur Folge hat, dass der Summen-Ableitstrom entsprechend verringert ist (geometrische Summe!). Diese Tatsache hat für den praktischen Betrieb eine sehr günstige Auswirkung: Bei den hier beispielsweise vorausgesetzten technischen Daten (I = 65 bzw. 30 mA) können daher ohne weiteres weitere drei oder gar mehr End-FI vorgesehen werden, ohne dass mit unnützen Abschaltungen zu rechnen ist; denn die Wahrscheinlichkeit, dass z.B. bei sieben Endstromkreisen nur bei einem Hauptleiter die Summe der Ableitströme 65 mA erreicht, während bei den übrigen Hauptleitern fast keine Ableitströme auftreten, ist äußerst gering.

4. Indirekte Berührung (bei Körperschluß): Tritt bei einem Verbrauchsgerät ein Körperschluß (z.B. zum Gehäuse G[tief]3) auf, so schaltet nur der End-FI E[tief]3 (selektiv) ab. Die bis zum Abschaltende, d.h. im Zeitraum bis 30 ms auftretende Berührungsspannung ist in der Regel viel kleiner als 80 V (bei alleiniger Verwendung eines Hauserders treten dagegen 220 V auf). Sollte der End-FI nicht funktionieren, so schaltet etwa 100 ms später der Haupt-FI ab.

5. Spannungsverschleppung über den Schutzleiter: Erhält nach dem FI der Schutzleiter aus irgend einem Grunde eine zu hohe Berührungsspannung (z.B. infolge Hauptleiter/Schutzleitervertauschung oder Schutzleiterunterbrechung und gleichzeitiger Schutzleiter/Hauptleiterberührung), dann schaltet nur der betreffende End-FI (selektiv) ab. Auch in diesem Falle würde der Haupt-Fi zeitverzögert abschalten, wenn der End-FI nicht funktionieren sollte.

6. Direkte Berührung: Tritt bei direkter Berührung eines Hauptleiters (z.B. ein Nagel wird in die Steckdose gesteckt oder Berühren einer defekten Geräteleitung oder Berühren einer spannungsführenden Stelle eines beschädigten Schutzisolierungsgerätes oder ein Fön fällt in die Badewanne) ein Strom ab 30 mA auf und fließt der Unfallstrom über die Erde bzw. über den Schutzleiter zurück, so schaltet der vorgeschaltete End-FI allein (also selektiv) ab. Auch in diesem Falle würde der Haupt-FI zeitverzögert abschalten, für den Fall, dass der End-FI nicht funktionieren sollte.

7. FI-PEN-Anschluß steht unter Netzspannung: Wenn der PEN-Anschluß des Haupt-FI unter Netzspannung gesetzt wird (z.B. dem Installateur passiert irrtümlich eine Hauptleiter/PEN-Vertauschung oder dieser Fehler tritt in der Zuleitung auf oder in der Zuleitung tritt eine PEN-Unterbrechung auf), dann schaltet der Haupt-FI ab und die Gefahr ist beseitigt. Voraussetzung ist allerdings, dass die Hauswasserleitung oder der Haus-Potentialausgleich nicht bei der Hausanschlußsicherung mit dem PEN verbunden ist (weil dann der Haupt-FI-PEN-Schaltkontakt überbrückt wäre). Diese Verbindung darf erst nach dem FI mit dem Schutzleiter hergestellt werden. Eine etwa bei der Hausanschlußsicherung bereits vorhandene Erdleitung müsste daher abgeklemmt werden. Sie könnte für Überspannungsableiter verwendet werden, die bei der Hausanschlußsicherung zu montieren wären.

Redundanz, d.h. eine Abschaltung erfolgt im Fehlerstromfalle immer auch dann, wenn einer der beiden hintereinandergeschalteten FI funktionsunfähig ist, mit Ausnahme der Fehlerkonstellation gemäß Punkt 7. Allerdings ist in diesem Falle die Wahrscheinlichkeit, dass diese Fehlerkombination auftritt, außerordentlich gering, praktisch Null, wie die Stromunfall-Ursachenstatistik beweist, siehe BAU-Forschungsbericht F78, Seite 57 und 130. Konkret: Die Wahrscheinlichkeit, dass alle Voraussetzungen, nämlich

Haupt-FI-Ausfall + Netzspannung am PEN-Anschluß + Berührung durch einen Menschen bei ausreichend hohem Unfallstrom und gefährlichem Stromweg gleichzeitig erfüllt sind, ist so gering, dass sie weit unterhalb der Wahrscheinlichkeit eines tödlichen Blitzunfalles liegt, höchstwahrscheinlich wird mit diesem Fall überhaupt nie zu rechnen sein.

Redundanz-Ausfallwahrscheinlichkeit: Die Wahrscheinlichkeit, dass im Fehlerstromfalle beide in Reihe geschalteten FI in ihrer Schutzfunktion ausfallen, ist äußerst gering und kann im Verhältnis zu anderen vergleichbaren Gefahren ohne weiteres hingenommen werden. Um eine Vorstellung von der durch Redundanz zu erzielenden Sicherheitserhöhung zu bekommen soll folgendes Beispiel angeführt werden: Angenommen die Ausfallrate eines FI-Schalters beträgt 1 % (d.h. jeder 100. FI funktioniert nicht), dann verringert sich bei Redundanz die Ausfallrate auf 0,01 % (d.h. jede 10 000. Schutzeinrichtung funktioniert nicht).

Claims (23)

1. Elektrischer Schalter, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromübergang bei mindestens zwei in Richtung des Stromflusses liegenden Kontaktpaaren (1 und 2) und die Stromzuführung (3) so erfolgt, dass der Strom in den beiden dazwischenliegenden Kontaktträgerteilen (4 und 5) in der gleichen Richtung fließt.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der beiden Kontaktträger (4 und 5) im Bereich zwischen den Kontaktpaaren (1 und 2) möglichst gering ist und dass beide zueinander isoliert sind.

3. Schalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Stromzuführungsleitung (6) elektrisch isoliert möglichst nahe an einem Kontaktträger (5) liegt und der Anschluß so erfolgt, dass der Strom in diesem Leitungsteil (6) in derselben Richtung fließt wie der Strom im Kontaktträger (5).

4. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der Stromzuführungsleitung (7) elektrisch isoliert möglichst nahe am beweglichen und federnden Kontaktträger (8) liegt und der Anschluß so erfolgt, dass der Strom in diesem Leitungsteil (7) in entgegengesetzter Richtung zu dem im Kontaktträger (8) fließenden Strom fließt.

5. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der federnde Kontaktträger (8) in der Aus-Stellung (Fig. 5) elektrisch isoliert möglichst nahe an einem Teil der Stromzuführungsleitung (11) anliegt und dieser Teil (11) so angeschlossen ist, dass der in ihm fließende Strom in derselben Richtung fließt wie der im Kontaktträger (8) fließende Strom, wenn dieser im Ein-Zustand (Fig. 6) ist.

6. Schalter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Ende des Leitungsteiles (11) elektrisch isoliert mit dem festen Ende (10) des anliegenden Kontaktträgers (8) verbunden ist, während das andere Ende des Leitungsteiles (11) nur bis zur Höhe (9) des nächstliegenden Kontaktes (2) reicht.

7. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Erzeugung von elektrodynamischen Anziehungs- bzw. Abstoßungskräften dienenden Leitungsteile (5, 6 und 11 bzw. 7) aus mehreren parallel zueinander angeordneten Lagen (11a, 11b, 11c ) bestehen und die Verbindungsleitungen relativ hohe Leitungsquerschnitte besitzen.

8. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktträger oder ein zu einem Kontaktträger (8) parallel zugeordneter Leitungsteil (12) aus Bimetall besteht und dadurch bei Überstrom zeitabhängig eine Ausschaltung bewirkt wird.

9. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei magnetisch oder elektromagnetisch betätigten Schaltern die magnetische Erregung im Ein-Zustand geringer ist als die notwendige Mindest-Anzugserregung.

10. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteranordnung in der Schaltung gemäß Patentanmeldung P 33 37 172.5 bzw. P 33 41 947.7 Anwendung findet.

11. Schalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais zwei voneinander elektrisch isolierte Erregerspulen, nämlich eine Einschaltspule (13) und eine Hauptspule (14) besitzt, wobei die Einschaltspule nur auf die beiden Leerschalter (15 und 16) einwirkt, während die Hauptspule (14) zusätzlich auch auf einen Hilfsschalter (17) und den Hauptschalter (18) einwirkt, wobei die Einschaltung des Leerschalters (15 und 16) allein durch einen Hand- oder Relaisschalter (19) und nur durch einen überhöhten Einschaltstromstoß erfolgt, während das dann zeitlich nacheinander erfolgende Einschalten des Hilfsschalters (17) und des Hauptschalters (18) durch das Zusammenwirken der abgeschwächten Erregung der Einschaltspule (13) und der von der Hauptspule (14), die inzwischen durch die Leerschalter (15 und 16) zugeschaltet wurde, erzeugten Erregung bewerkstelligt wird, während das Ausschalten durch den Hand- oder Relaisschalter (19) infolge der damit abgeschalteten Teilerregung (13) die zeitlich nacheinander erfolgende Abschaltung des Hauptschalters (18), dann des Hilfsschalters (17) und zuletzt auch der Leerschalter (15 und 16) zur Folge hat, wobei die Leerschalter mit Hilfe eines aufgeladenen Kondensators (20) relativ stark verzögert abschalten.

12. Schalter nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass als elektronische Schalter MOS-FET-Leistungstransistoren (21 und 22) verwendet werden und in den Gate- oder/und Drainzuleitungen Kondensatoren (23 und 24) liegen.

13. Schalter nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung der thermischen Überlastung von Bauelementen, wie Triac (T), Transistoren (21 und 22) usw., z.B. infolge zu hoher Schaltfrequenz, eine zeitlich begrenzte Wiedereinschaltsperre, z.B. durch Reihenschaltung eines Kaltleiters im Relais-Erregerstromkreis, angewandt wird.

14. Schalter nach einem oder mehreren oder keinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter als allpoliger Hauptschalter (25) ausgebildet ist und die Auslösung des Schalters auch durch einen zur Erde oder/und zum Schutzleiter (PE) fließenden Fehlerstrom erfolgt und zwischen diesem Hauptschalter "Haupt-FI" (25) und den nachfolgenden, davon abgezweigten Stromkreisen (26a, 26b, 26c ...) weitere Schalter dieser Art ("End-FI"27a, 27b, 27c ) liegen, bei denen jedoch die Neutralleiter (N) nicht abgeschaltet werden.

15. Schalter nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt-FI (25) gegenüber jedem End-FI (27a, 27b ) zeitverzögert anspricht, so dass der Haupt-FI (25) nur dann abschaltet, wenn ein End-FI (27) im Fehlerstromfalle funktionsunfähig ist oder wenn zwischen Haupt-FI und End-FI ein genügend hoher Strom von einem Hauptleiter (L1 oder L2 oder L3) zum Schutzleiter (PE) zustande kommt.

16. Schalter nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Nulleiter (PEN) in an sich bekannter Weise als Schutzleiter (PE) verwendet wird und dieser vorzugsweise zwischen dem an der Netzseite liegenden Schaltkontakt des Haupt-FI (25) und dem nachfolgenden Summenstromwandler abgezweigt und zu den Verbrauchsgerätegehäusen geführt ist, wobei nach dem Summenstromwandler von mindestens zwei Hauptleitern je ein spannungsabhängiger Widerstand (28a, 28b ...) zum Schutzleiter (PE) führt und dieser Widerstand so dimensioniert ist, dass er bei Überschreiten einer festgesetzten Spannungsschwelle leitend wird und auf diese Weise der Haupt-FI (25) zur Abschaltung gebracht wird.

17. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt-FI (25) und mehrere End-FI (27a, 27b, 27c ) in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht oder einzeln in Kompaktbauweise konzipiert und aneinander steckbar sind.

18. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die End-FI (27a, 27b, 27c ) unterschiedlich hohe Nenn-Fehlerstromauslösungen incl. Anwendung der Nullung (z.B. für Kühltruhen) und Überstromabschalteinrichtungen besitzen.

19. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl für den Haupt-FI (25) als auch für alle End-FI (27a, 27b, 27c ) eine gemeinsame Prüftaste (29) verwendet und die Prüfleitung (30) nach dem Haupt-FI-Summenstromwandler jedoch vor den End-FI von einer Hauptleitung (z.B. L1) abgezweigt und durch die Summenstromwandler aller angeschlossenen End-FI (27a, 27b, 27c ) geführt wird.

20. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haupt-FI (N) keinen Summenstromwandler besitzt und die Auslösespannung dadurch gewonnen wird, dass bei den End-FI-Summenstromwandlern je eine zusätzliche Sekundärwicklung vorhanden ist und alle diese Wicklungen phasengerecht parallel oder in Reihe geschaltet sind, oder bei Verwendung von jeweils nur einer Sekundärwicklung mittels Gleichrichter die eine Halbwellenpolarität zur End-FI-Auslösung und die andere Halbwellenpolarität zur Haupt-FI-Auslösung herangezogen wird.

21. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle FI oder ein Teil als Schütz ausgebildet sind, welche nur einschalten, wenn die Netzspannung anliegt und ein elektronischer Verstärker in der Weise eingesetzt wird, dass ständig ein künstlich erzeugter Fehlerstrom verstärkt wird und dadurch das Schütz in Ein-Stellung gehalten wird, während bei Auftreten eines echten Fehlerstromes die dadurch an das Auslöserelais geleitete Gegenspannung das Relais zum Abschalten bringt und eine solche Abschaltung auch dann erfolgt, wenn der elektronische Verstärker funktionsunfähig ist oder seine Speisespannung ausbleibt.

22. Schalter nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem zu den Verbrauchsgerätegehäusen (C[tief]v) führenden Schutzleiter (PE) ein Kaltleiter, beispielsweise eine Glühbirne (31) in Reihe geschaltet ist, so dass bei Körperschluß eine sofortige Abschaltung gewährleistet ist, während im Falle eines spannungsführenden Schutzleiters bei Berührung durch den Menschen der Berührungsstrom auf einen ungefährlichen Wert begrenzt wird.

23. Schalter nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter in einem Zwischenstecker untergebracht ist und auf diese Weise das an der Ausgangssteckdose angeschlossene Verbrauchsgerät mitsamt der Zuleitung einen Schutz gegen zu hohen Berührungsstrom bietet, sofern ein Nenn-Fehlerstrom von gleich oder kleiner als 30 mA gewählt wird.