DE3621528C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Abschalteinrichtung, bei der bei Auftreten einer Betriebszustandsänderung ein genügend großer Strom durch einen Sensor und der in Reihe dazu geschalteten Erregerspulen eines bistabilen Relais fließt und auf diese Weise die allpolige Trennung des Verbrauchers von der Stromquelle bewirkt wird. Als spezielles Anwendungsbeispiel dient der Haartrockner, bei dem ein Schutz gegen den Stromtod für den Fall realisiert wird, daß der Haartrockner in das Badewasser fällt.

Es sind bereits eine Reihe von Schutzmaßnahmen bekannt, die den tödlichen Stromunfall durch den Haartrockner in der Badewanne verhindern sollen.

Die Anwendung des empfindlichen Fehlerstrom-Schutzschalters (Nennfehlerstrom z. B. 30 mA) gilt derzeit offiziell als Stand der Technik. Ein wesentlicher Nachteil ist die Tatsache, daß er praktisch nur für Neuinstallationen in Frage kommt, da ein Nachrüsten mit zu hohen Kosten verbunden ist, insbesondere bei alten Anlagen (mit klassischer Nullung). Darüber hinaus ist die Frage, ob der empfindliche Fehlerstrom-Schutzschalter den Stromtod in der Badewanne bei allen möglichen Stromweg-Konstellationen überhaupt verhindern kann, keineswegs geklärt, da die diesem Schutzschalter zugrundegelegte Stromgefährdungskurve (IEC-Publikation 64 353, siehe z. B. VDE- Schriftenreihe 9/1983, S. 74) von Tierversuchen abgeleitet wurde (d. h. die Übertragbarkeit auf den Menschen keineswegs gesichert ist), diese nur für Erwachsene und vor allem nur für den Stromweg linke Hand-Füße gilt. Es wurde mehrfach wissenschaftlich nachgewiesen, daß die tödliche Strom-Gefährdungsschwelle um so tiefer liegt, je näher die Stromeintritts- und austrittsstellen am Herzen liegen (sieh Osypka, P.: Meßtechnische Untersuchungen über Stromstärke, Einwirkungsdauer und Stromweg bei elektrischen Wechselstromunfällen an Mensch und Tier. Elektromedizin, 1963, Heft 3 und 4). Wie die Auswertung der elektrischen Unfälle zeigt (eigene Untersuchungen), befindet sich der Haartrockner nicht selten in Herznähe, z. B. wenn einer Person der an der Steckdose angeschlossene Haartrockner versehentlich aus der Hand fällt und in die Badewanne gelangt, in der sich eine andere Person befindet.

Die angeführten Zweifel über die Wirksamkeit des empfindlichen Fehlerstrom-Schutzschalters bei Badewannenunfällen werden in Fachkreisen auch offen zum Ausdruck gebracht, z. B.:

• 1) "Elektrotechnik und Maschinenbau 1971", Seite 113 (G. Biegelmeier): " . . . die Versuche von Kouwenhoven beweisen, daß Reize von der Dauer einer halben Periode technischen Wechselstromes 50 Hz, also 0,01 s, bei entsprechend hoher Stromdichte im Herzen zum Kammerflimmern führen können . . . z. B. auch beim Niederspannungsunfall . . . z. B. in der Badewanne. In diesen Fällen können Schutzschalter nicht schützen, da deren Abschaltzeiten kaum unter 30 ms liegen."
• 2) "DIN IEC 601 Teil 1/VDE 0750 Teil 1/05.1982", Seite 14: "Das Fehlen ausreichender wissenschaftlicher Unterlagen über die Empfindlichkeit des Herzens gegenüber Strömen, die Herzkammerflimmern verursachen, stellt immer noch ein Problem dar."
• 3) VDE-Schriftenreihe Nr. 9 (Schutzmaßnahmen gegen gefährliche Körperströme nach DIN 57 100/VDE 0100 Teil 410 und Teil 540) Seite 42: "Auch bei funktionsfähiger Fehlerstrom-Schutzeinrichtung I_AN≧30 mA ist der Schutz bei direktem Berühren nicht in allen Fällen zu erwarten. So ist z. B. ungeklärt, ob ein derartiger Schutz für alle denkbaren Konstellationen des Badewannenunfalles gegeben ist."

Nicht auszuschließen ist auch ein tödlicher Unfall dann, wenn die Badewanne isoliert ist, eine Tatsache, die in den meisten Ländern gegeben ist, weil hier die künstliche Erdung der Badewanne nicht vorgeschrieben ist und die Abflußrohre in vielen Fällen aus isolierendem Kunststoff sind. In diesem Falle kann der empfindliche Fehlerstrom-Schutzschalter nicht abschalten. Es ist zwar der im Badewasser um den Haartrockner kreisende Strom geringer (wie eigene Messungen zeigten), als der zu einer geerdeten Wanne fließende; doch kommt in diesem Falle der oben bereits erwähnte und stark gefahrenerhöhende Umstand der Herznähe hinzu, weshalb eine tödliche Wirkung infolge Herzkammerflimmern nicht auszuschließen ist, insbesondere dann, wenn der erste Stromstoß in die vulnerable Phase fällt. Zu bedenken ist auch, daß in vielen Fällen Bewußtlosigkeit oder/und Muskelverkrampfung auftritt (wie die Unfallauswertungen zeigen) und daß schon deshalb ein Ertrinkungstod nicht ausgeschlossen werden kann.

Ein weiterer Nachteil der derzeit auf dem Markt befindlichen Fehlerstrom-Schutzschalter ist ihre relativ hohe Ausfallrate der Schutzfunktion, die im Bereich zwischen 1 und 3% liegt (siehe z. B. etz-b, 1978, S. 348).

Neben dem empfindlichen Fehlerstrom-Schutzschalter wurden spezielle Schaltungen vorgeschlagen, die den Stromtod in der Badewanne verhindern sollen.

Bei einem Vorschlag (DE-OS 31 16 285) befinden sich vor den Lufteintritts- und -austrittsöffnungen geerdete Metallgitter. Diese Lösung vermindert zwar den Unfallstrom, doch sie verhindert ihn nicht. Außerdem ist eine dreiadrige Zuleitung erforderlich, was die Handlichkeit beeinträchtigt. Weiter ist die Schutzmaßnahme bei Schutzleiterunterbrechungen oder -vertauschung unwirksam.

Es sind weiter eine Reihe von Vorschlägen bekannt, die wegen der umfangreichen elektronischen Schaltung sehr aufwendig und damit auch relativ störanfällig sind, z. B. EP 1831 und DE-PS 26 31 785.

Bei einem weiteren Vorschlag (DE-PS 30 38 101) wird durch die Wassereinwirkung ein Kurzschluß ausgelöst, der die vorgeschaltete Sicherung zur Auslösung bringt. Hier erfolgt im Störungsfalle keine bzw. keine rechtzeitige Abschaltung, wenn der Neutralleiter unterbrochen oder wenn der Netzschleifenwiderstand zu hoch ist.

Weiter ist ein Vorschlag bekannt (EP 02 35 859), bei dem mit relativ wenig Aufwand eine Abschaltung im Störungsfalle bewirkt wird. Diese Schaltung hat jedoch folgenden Nachteil: Die Abschaltzeit ist relativ hoch (bis 25 ms bei 50 Hz), weil die Relais-Erregerspule wegen der verwendeten Gleichrichter nur während jeder zweiten Netzwechselstrom-Halbwelle erregt werden kann.

Ein weiterer Vorschlag (DE-OS 36 04 118) ist zu aufwendig, da er zwei Relais und eine dreiadrige Geräteleitung benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem Aufwand eine Schutzschaltung zu schaffen, die eine zuverlässige und genügend schnell wirkende Abschaltung für den Fall gewährleistet, daß beim Verbrauchsgerät eine unzulässige Betriebszustandsänderung, insbesondere ein Wasserzufluß gegeben ist.

Die Aufgabe wird bei einer gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 vorausgesetzten Abschalteinrichtung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Die folgenden Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Die Funktionsanalyse der vorgeschlagenen Schaltung zeigt, daß der Schutz auch dann gegeben ist, wenn der Neutralleiter unterbrochen ist (z. B. durch Drahtunterbrechung, Sicherung oder Schalter), wenn die Netz-Schleifenimpedanz einen hohen Wert hat, wenn die Badewanne isoliert ist oder wenn ein Zwei-Phasenbetrieb gegeben ist. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben.

In Fig. 1 ist das Verbrauchsgerät (2, 3, 4), z. B. ein Haartrockner, an der Netzsteckdose S angeschlossen, die vom Netztransformator T gespeist wird. Die Erregerspule 1 des bistabilen und gepolten Relais mit zwei Abschaltkontakten 5 und 6 ist in der Mitte der Heizwicklung (3) und am Sensor 7 angeschlossen. Im Haartrockner sind an allen Stellen, bei denen Flüssigkeit eindringen kann, Sensoren so angeordnet, daß die Flüssigkeit zuerst einen Sensor berührt, bevor sie an eine spannungsführende Stelle gelangt.

Fällt der Haartrockner in die mit Wasser gefüllte Badewanne und gelangt leitendes Wasser von der geerdeten Badewanne oder/und von der Heizwicklung an den Sensor, so erhält die Erregerspule 1 Spannung (unabhängig von der Steckerstellung!) und es erfolgt bei der nächsten Netzhalbwelle geeigneter Polarität, d. h. nach spätestens 15 ms eine doppelpolige Abschaltung durch die Kontakte 5 und 6. Da ein gepoltes bistabiles Relais verwendet wird, bleibt der Haartrockner ausgeschaltet; auch dann, wenn er aus dem Wasser genommen wird und erneut ins Wasser fällt.

In Fig. 2 liegt im Erregerstromkreis ein Grätz-Gleichrichter 8, wodurch die Erregerspule 1 bei jeder Halbwelle mit Strom gleicher Polarität gespeist wird. Dadurch wird erreicht, daß die Abschaltung bereits bei der ersten oder während der nächsten Halbwelle erfolgt, d. h. sie erfolgt nach max. 10 ms.

In Fig. 3 werden nicht die Verbraucherwiderstände 2, 3, 4, sondern zusätzliche Widerstände 9 und 10 als Spannungsteiler verwendet. Auf diese Weise wird eine wesentlich höhere Funktionszuverlässigkeit erreicht, da Heizwicklungen eher eine Unterbrechung erfahren können, als schwach belastete Widerstände.

Weiter ist vom Sensoranschluß zu dem einen Pol ein Heißleiter 11 geschaltet, der im Haartrockner an geeigneter Stelle untergebracht ist. Wird im Haartrockner die zulässige Temperatur überschritten, dann verringert sich der Widerstand des Heißleiters entsprechend und es erfolgt eine Abschaltung.

Die Wiedereinschaltung des Elektrogerätes ist bei dem hier verwendeten bistabilen gepolten Relais nur durch Anlegen von Gleichspannung bestimmter Polarität an die Erregerwicklung oder an eine zusätzliche Erregerwicklung möglich. In der Praxis wird ein ins Wasser gefallener Haartrockner, was sowieso außerordentlich selten vorkommt, meist weggeworfen. Die Wiedereinschaltung wäre aber z. B. in einer Elektrowerkstätte möglich. Sie kann durch die Schaltung gemäß Fig. 4 realisiert werden.

In Fig. 4 ist eine zusätzliche Schaltung angegeben, die eine automatische Wiedereinschaltung des Gerätes bewirkt. Mit Hilfe der nicht abgeschalteten Versorgungsspannung, siehe 12 und 13, wird über zwei Hochohmwiderstände 14 und 15 sowie dem Gleichrichter 16 der Kondensator 17 mit jener Polarität aufgeladen, die eine Wiedereinschaltung ermöglicht. Überschreitet die Kondensatorspannung den Schwellenwert des spannungsabhängigen Schalter 18 (z. B. Kippdiode oder Gasableiter), dann schaltet dieser Schalter durch und die Erregerspule 1 erhält einen Stromstoß, der das Relais wieder einschaltet. 19 ist ein notwendiger Schutzwiderstand.

Durch geeignete R-C-Dimensionierung (14, 15 und 17) kann die gewünschte Wiedereinschaltzeit festgelegt werden. Für den Fall, daß der Gefahrenzustand im Zeitpunkt der automatischen Wiedereinschaltung noch vorhanden ist, erfolgt erneut eine sofortige Ausschaltung.

Claims (5)

1. Elektrische Abschalteinrichtung, bei der bei Auftreten einer Betriebszustandsänderung ein genügend großer Strom durch einen Sensor (7) und der in Reihe dazu geschalteten Erregerspule (1) eines bistabilen Relais (1, 5, 6) fließt und auf diese Weise die allpolige Trennung des Verbrauchers (2, 4) von der Stromquelle (T) bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Anschluß der Erregerspule mittelbar oder unmittelbar an einem Abgriff (3) eines separaten oder durch den Verbraucher selbst gebildeten Spannungsteilers (2, 3, 4) liegt, während der andere am Sensor (7) angeschlossen ist, der so gestaltet bzw. angeordnet ist, daß er im Betriebszustandsänderungsfalle den Stromfluß zu einem Leiter der Stromquelle ermöglicht.

2. Abschalteinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Abschaltorgan (1, 5, 6) ein gepoltes Relais verwendet wird und im Erregerstromkreis eine Vollweggleichrichterschaltung (8) liegt.

3. Abschalteinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerspule (1) durch einen (7) oder mehrere Sensoren in Funktion gesetzt werden kann, die z. B. bei Feuchtigkeit, Flüssigkeit, Temperaturen oder anderen physikalischen bzw. chemischen Zuständen reagieren.

4. Abschalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe der vor dem Relais (1, 5, 6) abgegriffenen und somit nicht abgeschalteten Versorgungsspannung (12, 13) über hochohmige Widerstände (14, 15) und einem Gleichrichter (16) ein Kondensator (17) aufgeladen wird, der sich bei Erreichen der Schwellenspannung eines spannungsabhängigen Schalters (18) auf die Erregerspule (1) des Relais entlädt und auf diese Weise eine Wiedereinschaltung bewirkt.

5. Abschalteinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einem elektrischen Handgerät, z. B. einem Haartrockner, eingebaut ist und als Sensoren leitende Flächen dienen, die im Gerät berührungssicher überall dort und in der Weise eingebaut sind, daß eindringende Flüssigkeit zuerst mit den Senoren und dann erst mit spannungsführenden Teilen in Berührung kommt.