DE3641083A1 - Steckvorrichtung mit schutzschaltung - Google Patents

Description

Die derzeitige Situation auf dem Gebiet der Schutzmaßnahmen gegen gefährliche Berührungsspannungen bei Niederspannungs-Stromverbrau­ cheranlagen ist wie folgt gekennzeichnet:

Auf der einen Seite existiert die große Anzahl der bestehenden Verbraucheranlagen, die zu etwa 70% die Schutzmaßnahme Nullung und zu etwa 30 % die Schutzmaßnahme Fehlerstrom-Schutzschaltung anwenden. Die Aufgabe besteht darin, diese Anlagen kostengünstig so zu verbessern, daß die ohnehin schon sehr hohe elektrische Sicherheit noch mehr erhöht wird. In erster Linie geht es darum, daß der Schutz bei den an Steckdosen angeschlossenen Geräten er­ höht wird, da hier rd. 85% der tödlichen Stromunfälle auftreten, siehe Seite 110 des Forschungsberichtes F78 ("Unfallverhütung bei Stromverbraucheranlagen durch empfindliche Fehlerstrom-Schutzschal­ ter" der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Unfallforschung in Dortmund). Der Schwerpunkt liegt hier wiederum bei den tödlichen Unfällen in Badezimmern (hauptsächlich beim Gebrauch des Handhaar­ trockners, der durch unglückliche Umstände in die Badewanne geraten kann) und im Freien (z.B. beim Gebrauch des Rasenmähers, wenn das Zuleitungskabel angeschnitten und anschließend berührt wird). Die spezielle Aufgabe besteht darin, eine kostengünstige und leicht nachrüstbare Steckdose zu schaffen, welche die Systemmängel der heute bei den elektrischen Verbraucheranlagen angewandten Schutz­ maßnahmen weitgehend vermeidet.

Auf der anderen Seite geht es darum, bei den in Zukunft zu errich­ tenden Neubauten eine optimale elektrische Sicherheit zu bieten, wobei unter optimal auch die Komponente Preis einbezogen ist.

Für die Nachrüstung von Altanlagen werden zur Problemlösung orts­ feste Steckdosen und Verlängerungsleitungen angeboten, in denen empfindliche Fehlerstrom-Schutzschalter (z.B. Nenn-Fehlerstrom 30 mA) eingebaut sind. Der Hauptnachteil dieser Lösung liegt im zu hohen Preis. Hierbei ist zu bedenken, daß die Schutzeinrichtung oft bis zu viermal so teuer ist als das anzuschließende Verbrauchs­ gerät (z.B. Handhaartrockner). Ein weiterer Nachteil ist die Tat­ sache, daß keineswegs sicher ist, ob der empfindliche Fehlerstrom- Schutzschalter den Stromtod in der Badewanne in allen Fällen ver­ hindern kann, insbesondere dann, wenn der Haartrockner in der Nähe des Herzens zu liegen kommt. Ein weiterer Nachteil des heute im Handel befindlichen Fehlerstrom-Schutzschalters liegt in der rela­ tiv hohen Ausfallrate der Schutzfunktion, die im Bereich von schä­ tzungsweise 1 bis 3% liegt.

Für Neuanlagen wird nicht nur ein optimaler Schutz, sondern auch eine optimale Betriebszuverlässigkeit angestrebt, was heißt, daß eine maximale Selektivität im Fehlerabschaltfalle anzustreben ist. Nach dem Stand der Technik kann zwar bei jedem Endstromkreis, d.h. bei jeder Sicherung ein empfindlicher Fehlerstrom-Schutzschalter zugeordnet werden, doch diese Lösung ist einfach zu teuer, wenn man an die vielen Stromkreise denkt, die heute in jeder Neubauwoh­ nung installiert sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Steckvorrichtung mit Schutz­ schaltung zu schaffen, welche die gegebenen Probleme löst und die erwähnten Nachteile nicht aufweist. Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 und weiter durch die folgenden Ansprüche gelöst.

In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wie­ dergegeben. zunächst zu Fig. 1:

An den Klemmen 1 und 2, zwischen denen die Netzspannung liegt, ist die Steckdose mit Sicherheitsschaltung fest angeschlossen. Am Aus­ gang befindet sich eine normale, genormte Steckdose mit Schutzkon­ takt und den Steckdosenhülsen 4 und 5. Dazwischen liegt in jedem Leiter ein Schaltkontakt 6 und 7 des Relais, das zwei Erregerspu­ len 8 und 9 besitzt. An der Stirnseite der Steckdose und zwar an einer Stelle, wo der eingeführte Stecker des angeschlossenen Ver­ brauchsgerätes anliegt, ragt der Stößel 10 des Schalters 11 heraus.

Der in die Steckdose eingeführte Stecker drückt diesen Stößel nach innen, wodurch der Schalter 11 eingeschaltet wird. Im Einschalt­ moment entsteht durch die Aufladung des Kondensators 12 ein erhöh­ ter Stromstoß der vorgegebenen Polarität, wodurch die Schaltkon­ takte 6 und 7 eingeschaltet werden und auf diese Weise der Verbrau­ cherwiderstand 14 unter Spannung gesetzt wird.

Der Widerstand 13 ist so dimensioniert, daß das Relais im einge­ schalteten Zustand verbleibt, jedoch bei wesentlich geringerem Haltestrom im Vergleich zum Einschaltstrom. Damit das Relais, das nur bei einer bestimmten Polarität eingeschaltet werden kann und eingeschaltet bleibt, in den Pausen des speisenden Wechselstromes, d.h. während der anderen Polarität und in den Phasen des Null­ durchganges nicht abfallen kann, erfolgt eine Vollweggleichrichtung mittels Grätzschaltung 15 und parallel zur Erregerspule 9 liegt ein Kondensator 16.

Die zusätzliche Relaisspule 8 ist mit dem Nulleiter (PEN), oder mit einem eigenen Erder und über den Schutzkontakt 3 mit dem Metallge­ häuse 17 bzw. mit der Sondenleitung (z.B. beim Haartrockner) des angeschlossenen Verbrauchsgerätes verbunden.

Tritt im Verbrauchsgerät ein Körperschluß (= Schluß zwischen 14 und 17) auf, so wirkt in der ersten oder zweiten Halbwelle, je nach Phasenlage, das Magnetfeld des in der Spule 8 fließende Wechsel­ stromes dem Magnetfeld der Spule 9 entgegen und hebt dies auf, so daß die Kontakte 6 und 7 abschalten und die Gefahr beseitigt ist.

Nach diesen Störfall bleibt das Verbrauchsgerät abgeschaltet. Da nur der relativ geringe Haltestrom fließt, kann eine selbstän­ dige Wiedereinschaltung nicht erfolgen. Zur Wiedereinschaltung muß der Stecker für kurze Zeit ausgesteckt werden. Während der Unter­ brechungszeit ist der Kontakt 11 ausgeschaltet und die Kondensato­ ren 12 und 16 entladen sich. Beim Wiedereinführen des Steckers wird das Relais durch den oben bereits beschriebenen Stromstoß wieder eingeschaltet.

Die Abschaltung erfolgt auch bei einem schutzisolierten Verbrauchs­ gerät (z.B. bei einem Hand-Haartrockner), wenn dieses im Innern mit einer Sondenleitung ausgerüstet ist, die örtlich so verlegt ist, daß sie von eindringendem Wasser berührt wird, bevor dieses zu den spannungsführenden Stellen weiter vordringt.

Eine Abschaltung erfolgt auch dann, wenn die Isolierhüllen der Stromleiter eine gemeinsame oder separate leitende und mit dem Schutzleiter verbundene Umhüllungen (18 und 19) besitzen und die Leitungsisolierung durch Metalleinwirkung bis hin zum Stromleiter beschädigt wird (z.B. beim Rasenmäher oder der Heckenschere), oder wenn der Benutzer den offen liegenden spannungsführenden Stromlei­ ter und gleichzeitig die leitende Umhüllung berührt.

Wird die Steckdose vom Installateur versehentlich falsch ange­ schlossen (d.h. Leitervertauschung bei den Klemmen 1 und 2), so wird der über den Schutzkontakt 3 u.U. fließende Fehlerstrom durch die dazwischenliegende hochohmige Relaisspule 8 auf einen ungefährlichen Wert begrenzt und noch im ungefährlichen Strombe­ reich erfolgt eine Abschaltung.

Die Steckdose bietet in hohem Maße auch einen Schutz für den Fall, daß (z.B. von einem Kind) ein leitender Gegenstand (z.B. ein Nagel) in eine Steckdosenhülse eingeführt wird, wenn sich in der Steckdose kein Stecker befindet. Da der Schalter 11 in diesem Falle ausge­ schaltet ist, führt die Hülse keine Spannung, es sei denn, daß gleichzeitig der schwer zugängliche Stößel 10 gedrückt wird.

Bei schutzisolierten Verbrauchsgeräten, die mit der oben erwähnten Sondenleitung ausgerüstet sind, werden die unangenehmen Elektri­ sierungen, welche bei naßen Verbrauchsgeräten (z.B. Verwendung von Heckenscheren bei Regen) infolge Kriechströme auftreten, vermieden.

Die Schutzschaltung hat noch einen weiteren wesentlichen Vorteil: Der Geräte-Ableitstrom fließt über den Nulleiter (PEN) zurück, d.h. er addiert sich nicht zum Fehlerstrom, der einen vorgeschal­ teten Fehlerstrom-Schutzschalter, insbesondere einen solchen mit geringem Nenn-Fehlerstrom (z.B. 30 mA), zur Abschaltung bringen kann.

In seltenen Fällen, wenn ein schutzleitergeschütztes Geräte-Metall­ gehäuse über Fremdmetalle niederohmig mit dem vor dem FI-Schalter liegenden Nulleiter verbunden ist, ist allerdings eine FI-Abschal­ tung infolge Betriebsstromaufteilung möglich. Auch kann in einem solchen Fall, d.h. wenn die Relaisspule 9 niederohmig überbrückt ist, die Abschaltung im Körperschlußfalle nicht gewährleistet sein. Da aber in diesem Falle das Geräte-Metallgehäuse keine nennenswerte Berührungsspannung haben kann, ist jedoch keine Gefahr gegeben.

Zum Schutze der Schaltkontakte 6 und 7 gegen die thermischen Aus­ wirkungen eine Überstromes, insbesondere eines Kurzschlusses, ist in der Zuleitung eine entsprechend dimensionierte und leicht aus­ wechselbare Schmelzsicherung 20, z.B. eine superflinke Feinsicher­ ung vom Typ FF, dazwischengeschaltet.

Vorteilhaft ist die kurze Abschaltzeit im Fehlerfalle. Bei Verwen­ dung eines geeigneten Miniaturrelais beträgt diese bei 50 Hz max. 20 ms incl. Lichtbogenzeit bzw. max. 10 ms, wenn Vollweggleichtung realisiert wird. Sie ist also wesentlich kürzer, als die des Feh­ lerstromschutzschalters, die max. 30 ms beträgt.

Ein weiterer Vorteil der Schutzschaltung ist, daß ohne zusätzli­ chem Aufwand eine hohe Ansprechempfindlichkeit realisiert werden kann, z.B. 2 mA. Dies hat auch den betrieblichen Vorteil zur Folge, daß ein vorgeschalteter FI-Schalter nicht zusätzlich abschaltet, d.h. eine hohe Selektivität erreicht wird.

Vorteilhaft ist vor allem die Tatsache, daß genormte Steckvorrich­ tungen verwendet werden können, d.h. daß bei den in Verwendung be­ findlichen beweglichen Verbrauchsgeräten keine Umrüstung notwendig ist. Nur schutzisolierte Geräte müssen, sollen sie den hier be­ schriebenen umfassenden Schutz bieten, fabrikationsmäßig mit einer im Geräteinnern befindlichen Sondenleitung ausgerüstet sein. Hier kommen insbesondere solche Geräte infrage, die in Badezimmern (z.B. Haartrockner und Heizlüfter), im Freien (z.B. Rasenmäher und Heckenschere) sowie in feuchten Räumen (Industriegeräte) Verwendung finden.

Ein wesentlicher Vorteil der Schaltung liegt in der hohen Zuver­ lässigkeit der Schutzfunktion, insbesondere der hohen Langzeitzu­ verlässigkeit. Mit Ausnahme der Schaltkontakte 6 und 7 ist kein Bauelement einem Verschleiß unterworfen. Die Funktion fast aller Bauelemente im Steckdosenteil, nämlich 9, 10, 11, 12, 13, 15, 16 und 20, geht in Richtung fale-safe, d.h. fällt eines dieser Bau­ elemente aus, so erfolgt eine Abschaltung. Lediglich der Leiter­ zweig von 3 über 8 zu 21 ist ausgenommen. Hier aber handelt es sich um eine Leitungsverbindung, die (bei normaler Dimensionierung und Montage) von Natur aus unterbrechungsfrei ist. Eine sehr hohe Zuverlässigkeit ist bei entsprechender Dimensionierung (z.B. Spei­ se-Nennspannung 48 V) auch für die Relaisspule 8 gegeben, da diese im allgemeinen elektrisch unbelastet ist. Bei Auftreten eines Feh­ lerstromes im Bereich bis zum Auslösewert liegt die Strombelastung weit unterhalb des Nennstromes. Überschreitet der Fehlerstrom den Nenn-Auslösestrom, so ist wegen der extrem kurzen Abschaltzeit (siehe oben) praktisch keine Belastung gegeben. Insgesamt gesehen ist die Langzeitzuverlässigkeit der Schutzfunktion wesentlich höher als beim Fehlerstrom-Schutzschalter. Beim FI-Schalter liegt die Ausfallrate schätzungsweise in der Größenordnung von 10 l/h, bei der hier vorgeschlagenen Schutzschaltung bei schätzungsweise 10 l/h.

Da die Zuverlässigkeit der vorgeschlagenen Steckvorrichtung mit Schutzschaltung außerordentlich hoch ist, ist bei Ausfall eines vorgeschalteten Fehlerstrom-Schutzschalters dennoch ein Schutz gegeben, also eine Redundanz gegeben.

Ein weiterer Vorteil der hier vorgeschlagenen Steckdose mit Schutz­ schaltung ist der Preis, der weit unterhalb des Preises eines Fehlerstrom-Schutzschalters liegt und deshalb für ein Einzelge­ rät wirtschaftlich tragbar ist. Die Verwendung ist sowohl in TN- Netzen, wie auch in TT-Netzen ohne zusätzlichem Aufwand möglich.

In Fig. 2 ist im Schnitt eine zweiadrige Geräteleitung mit Mantel 22 wiedergegeben, bei der die Isolierhüllen 24 der beiden Adern 25 durchgehend mit Leitlack bzw. mit leitenden Kunsttoff 23 umgeben sind, der als Schutzleiter dient. Auf diese Weise kann eine zweiad­ rige Geräteleitung ohne Durchmessererhöhung als dreiadrige, d.h. als eine zweiadrige mit Schutzleiter dienen. Die Schutzleiteran­ schlüsse an den Enden einer Leitung sind denkbar einfach herzu­ stellen. Die leitende Aderumhüllung 23 wird z.B. mit einer Me­ tallschelle befestigt, die gleichzeitig als Zugentlastung dient.

In Fig. 3 ist eine Steckdose wiedergegeben, die mit dem erfindungs­ gemäßen Einsteckschalter 10 und 11 ausgerüstet ist. An der Stirn­ seite der Schutzabdeckung, welche vor den Steckdosenhülsen liegt, ist der Stößel 10 des Schalters 11 zu sehen. Befindet sich kein Stecker in der Steckdose (wie in Fig. 2), so ragt der Stößel 10 heraus, d.h. der Schalter 10 ist ausgeschaltet. Wird ein Stecker eingesteckt, so wird der Stößel 10 gleichzeitig hineingedrückt, was eine Einschaltung des Schalters 11 zur Folge hat. Der Stößel 10 kann auch an einer anderen Stelle der Schutzabdeckung liegen. Der Einsteckschalter kann als Hebelschalter auch seitlich ange­ bracht sein.

Statt dem Relais mit zwei Erregerspulen kann auch ein solches mit nur einer Spule, d.h. ein normales Relais verwendet werden. In die­ sem Falle wird der Schutzkontakt 3 mit dem einen Anschluß der Re­ laisspule 9 und der Nulleiter 21 mit dem anderen Anschluß der Re­ laisspule 9 verbunden. In den beiden Zuleitungen zur Spule sind Strombegrenzungswiderstände einzufügen, damit im abgeschalteten Zustand kein gefährlicher Berührungsstrom zum Verbrauchsgerät fließen kann und damit die Vollweggleichrichtung ihre Funktion erfüllen kann.

In Fig. 4 ist ein Handhaartrockner gemäß Anspruch 8 im Prinzip wiedergegeben. Die Heizwicklung ist in der Mitte 28 angezapft und über den Geräteschalter 27 mit dem Außenleiter 26 verbunden. Die beiden Außenanschlüsse 29 und 30 sind miteinander verbunden und am Neutralleiter 31 angeschlossen. Damit der Stecker nur in der richtigen Steckerstellung eingeführt werden kann, wird bei der Schutzkontaktsteckdose ein leicht nachrüstbarer Einsatz montiert und der Stecker so gestaltet, daß einer nur in der richtigen Steckerstellung eingesteckt werden kann. Die eine Außenwicklung der Heizspirale 29 liegt an der Lufteintrittsöffnung 32, während die andere 30 an der Luftaustrittsöffnung 33 liegt. Fällt der Haartrockner in das Badewasser, so ist an den Öffnungen haupt­ sächlich das Nullpotential des Neutralleiters, so daß nach außen kein gefährlicher Strom dringen kann. Die Anschlüsse des Schalters 27 müssen isoliert sein, ebenso die weitergehende Leitung zum Mit­ telanschluß 28. Es ist zweckmäßig, in die Mitte der beiden Heiz­ spiralen-Endwicklungen eine leitende Fläche anzuordnen, die zur Heizwicklung elektrisch isoliert ist.

In Fig. 5 ist ein Schnitt durch die vorgeschlagene Schutzkontakt­ steckdose wiedergegeben. 34 ist der nachrüstbare und festmontier­ bare Einsatz und 35 ist der entsprechend geformte Stecker, der in umgekehrter Stellung nicht eingeführt werden kann.

Claims (8)

1. Steckvorrichtung mit Schutzschaltung, bei der im Fehlerfalle eine Abschaltung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß ein mag­ netisches Feld bestimmter Richtung die Relaiskontakte (6 und 7) im eingeschalteten Zustand hält und eine Ausschaltung durch ein gegengerichtetes Magnetfeld erfolgt, wenn über den Geräteschutz­ leiter ein unzulässig hoher Fehlerstrom über den Steckdosen- Schutzkontakt (3) zum Nulleiter bzw. zur Erde fließt.

2. Steckvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Verbrauchsgerät abgehende Schutzleiter beim Nulleiter (PEN) nach dem Schaltkontakt (7) angeschlossen wird, so daß er im Fehlerstromfalle mit abgeschaltet wird.

3. Steckvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, welche beim Ausbleiben der Netzspan­ nung oder/und bei nicht eingestecktem Stecker eine Abschaltung bewirken.

4. Steckvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Relais monostabil ist und zwei Erregerspulen (8 und 9) besitzt, wobei die eine Spule (9) nur die Einschaltung und die andere Spule (8) nur die Ausschaltung im Fehlerstromfalle bewirkt.

5. Isolierte Stromleitung, insbesondere geeignet zum Anschluß an die Steckdose mit Schutzschaltung gemäß Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Aderisolierun­ gen (24) an der Außenhülle durchgehend und vollständig eine leitende Oberfläche (23) besitzen und diese leitende Schicht als Schutzleiter dient.

6. Schalteinrichtung, insbesondere geeignet für die Steckvorrich­ tung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite der Steckdose bzw. des Steckers der oder die Stößel eines ein- oder mehrpoligen Schalters so angeordnet sind, daß der ein- bzw. mehrpolige Schalter nur bei eingestecktem Stecker eingeschaltet ist und nur auf diese Weise die Stromzufuhr be­ wirkt wird.

7. Schutzisoliertes Verbrauchsgerät, z.B. Handhaartrockner, Rasen­ mäher, Heckenschere, Handbohrmaschine usw., insbesondere zum Anschluß an die Steckvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 geeignet, dadurch gekennzeichnet, daß im Gerätegehäuse leitende und als Sensoren dienende Flächen in der Weise eingebaut sind, daß ein­ dringende Flüssigkeit zuerst mit den Sensoren und dann erst mit spannungsführenden Teilen in Berührung kommt.

8. Handhaartrockner mit Isoliergehäuse, insbesondere zum Anschluß an die Steckvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4 geeignet, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß des Außenleiters 26 über den Geräteschalter 27 in der Mitte der Heizspirale 28 erfolgt, die beiden Enden der Heizspirale 29 und 30 am Neutralleiter 31 ange­ schlossen sind und die eine Außenwicklung 29 bei der Luftein­ trittsöffnung 32 und die andere 30 bei der Luftaustrittsöffnung 33 liegt und weiter, daß der Stecker so geformt ist, daß er bei einer mit einem Einsatz nachgerüsteten Schutzkontaktsteckdose nur in einer bestimmten Stellung eingesteckt werden kann.