DE4029175A1 - Elektrische schutzeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Schutzeinrichtung gegen gefährliche Berührungsströme, wenn Personen direkt oder indirekt mit elektrischen Geräten oder Zubehörteilen in Berührung kommen.

Eine spezielle Anwendung der Erfindung ergibt sich bei transpor­ tablen Elektrogeräten oder Kombinationen von solchen, insbeson­ dere im elektromedizinischen Bereich.

Bei der medizinischen Verwendung von Elektrogeräten und deren Anwendungsteilen werden u. a. Elektroden an die Oberfläche des menschlichen Körpers gelegt (z. B. EKG, EEG, EMG) oder in natür­ liche (z. B. Mund) oder künstliche (z. B. Intensivüberwachung und Dialyse) Körperöffnungen eingeführt. Bei Anwendung des Herzka­ theters gelangt dieser sogar in das Herz. Elektromedizinische Anwendungsteile kommen auch bei Operationen am offenen Herzen mit dem Herzen in Berührung.

Bei Anwendung der üblichen Gebrauchspannungen (z. B. USA 115 V, bei 60 Hz Frequenz; Europa 220 V, 50 Hz) wird der Stromtod in nahezu allen Fällen durch das Herzkammerflimmern verursacht, das durch jenen Stromanteil ausgelöst wird, der durch das Herz fließt. Zwangsläufig ergeben sich daraus folgende, durch das Unfallgeschehen bestätigte Schlußfolgerungen:

• 1) Die Gefahr des Todeseintrittes wächst mit Höhe und der Zeit­ dauer des durch das Herz fließenden Stromes.
• 2) Je näher mindestens eine Stromübergangsstelle am Herzen liegt, umso größer ist die Gefahr. Daher ist die Herzkammerflimmer- Gefahr bei Herzkatheteranwendung am größten. Die Herzkammer­ flimmer-Auslöseschwelle liegt hier bei etwa 0,08 mA. Bei dem am häufigsten auftretenden Stromweg rechte Hand - beide Füße liegt die Schwelle bei 50 mA.

Aus diesen Tatsachen ergibt sich die Notwendigkeit, technische Berührungsschutzmaßnahmen anzuwenden. Der Schutzmaßnahmenaufwand ist um so größer, je geringer die Berührungsströme sind, die es zu verhindern gilt. Dies schlägt sich auch in den diesbezügli­ chen Sicherheitsvorschriften der einzelnen Länder nieder, z. B. in den Vorschriften des Verbandes Deutscher Elektrotechniker VDE.

So ist z. B. für die Stromversorgung der Anwendungsgruppe 2, das sind Räume, in denen z. B. Eingriffe am offenen Herzen erfolgen, die Installation eines sog. IT-Netzes (= von Erde isoliertes Netz) mit Trenntransformator und Isolationsüberwachung vorge­ schrieben, wobei "die Trenntransformatoren außerhalb der medizi­ nisch genutzten Räume ortsfest aufgestellt werden" (VDE 0107/ 11.89, Abs. 3.3.3.5). Die Realisierung dieser Vorschrift vermin­ dert insbesondere die Gefahr einer Schutzleiterunterbrechung oder Schutzleiter/Außenleitervertauschung, wie er beim Anschluß über eine Steckvorrichtung mit wesentlich höherer Wahrschein­ lichkeit möglich ist, auf ein Minimum.

Weiter ist für die Anwendungsgruppe 1 und 2 ein zusätzlicher Po­ tentialausgleich erforderlich (Abs. 4.4). Dieser verhindert die Gefahr, die von fremden Anlagenteilen ausgehen kann, wenn diese durch einen Fehler unter Spannung geraten. In der Praxis kommt es nämlich nicht allzu selten vor, daß unvermittelt die Notwen­ digkeit auftritt, ein zusätzliches Gerät, z. B. ein Oszilloskop oder ein anderes Megerät in Betrieb zu nehmen, das dann zufällig, oder mangels anderer verfügbarer Steckdosen, an einer nicht vom IT-Netz gespeisten Steckdose angeschlossen wird. Wenn nun an dieser Steckdose eine Schutzleiterunterbrechung, oder gar eine Schutzleiter/Außenleitervertauschung vorliegt, so ist beim Be­ trieb höchste Gefahr gegeben, trotz IT-Netz, Trenntransformator und Isolationsüberwachung, z. B. wenn eine Bedienungsperson das spannungsführende Gerätegehäuse und ein geerdetes Gerätegehäuse der IT-geschützten Anlage gleichzeitig berührt.

Diese Gefahr wird zwar dadurch vermindert, wenn in solchen Räu­ men die VDE-Empfehlung, "alle Stromkreise mit zweipoligen Steck­ vorrichtungen mit Schutzkontakt aus dem IT-Netz zu versorgen" (Abs. 3.4.1.1), berücksichtigt wird. Doch diese Empfehlung wird in der Praxis nicht immer realisiert, weil oft auch leistungs­ starke Geräte in Betrieb zu nehmen sind und bei diesen die An­ wendung von Trenntransformatoren zu aufwendig wäre.

Die erwähnten Gefahren treten im erhöhten Maße auf, wenn eine Kombination von elektromedizinischen Geräten ortsveränderlich in verschiedenen Räumen eingesetzt wird, und nicht bekannt ist, ob die notwendigen Schutzmaßnahmen dort angewandt werden, oder wenn die Erfüllung dieser Bedingung irrtümlich angenommen wird.

Durch die Einhaltung der Baubestimmungen für "Medizinische elek­ trische Geräte" wird zwar bei Anwendung der Schutzmaßnahmenkombi­ nation Trenntransformator und Isolationsüberwachung (mit Schutz­ leiter) ein sehr hohes Maß an Sicherheit gewährleistet, doch der praktische Betrieb, insbesondere die bei Untersuchungen und Ver­ suchen oft notwendigen Veränderungen machen Improvisationen in der Weise erforderlich, daß Geräte angeschlossen oder zusätzlich angeschlossen werden, welche die erwähnten Bauvorschriften nicht erfüllen. Tritt unter solchen Umständen bei zwei angeschlossenen Geräten je ein Isolationsfehler (z. B. bei den Transformatoren zweier Geräte) zu je einem anderen Leiter (2 und 3 in Fig. 1) auf, und wird die jeweilige Spannung über je eine Elektrode an zwei verschiedene Körperstellen des Patienten übertragen, so fließt ein Berührungsstrom, ohne daß eine Schutzmaßnahme wirksam werden kann. Der Isolationswächter kann nicht einmal Alarm geben, weil keiner der beiden Leiter einen Erdschluß hat.

Als Stand der Technik zur Minderung der erwähnten Gefahren gel­ ten die erwähnten und vorgeschriebenen bzw. empfohlenen Schutz­ maßnahmen.

Darüber hinaus ist eine weitere zusätzliche Schutzmaßnahme be­ kannt, bei der im Sekundärkreis des Trenntransformator ein emp­ findlicher Fehlerstrom-Schutzschalter liegt, siehe z. B. VDE 0100 Teil 410/11.83, S. 8 und 20. Der einzige Vorteil dieser zusätz­ lichen Maßnahme liegt jedoch nur darin, daß bei einem Doppelerd­ schluß auch bei geringen Fehlerströmen eine Abschaltung gewähr­ leistet wird, allerdings auch nur dann, wenn mindestens zwei FI-Schutzschalter installiert sind, und die Fehler hinter verschie­ denen FI liegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, die erwähnten Sicherheitsdefizite zu verringern und einen weitgehend gefahrlosen Betrieb eines elektromedizinischen Gerätes oder einer Kombination solcher Ge­ räte an jeder Steckdose zu ermöglichen, ohne Rücksicht auf die dort angewandte Schutzmaßnahme und ohne Rücksicht auf die am Einsatzort vorhandenen Umgebungsbedingungen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspru­ ches 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Die folgenden Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Die Erfindung wird in der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel erläutert.

In Fig. 1 ist die Prinzipschaltung der erfindungsgemäßen Schutz­ einrichtung wiedergegeben. Die Schutzeinrichtung ist an der Schutzkontaktsteckdose S1 angeschlossen, die vom Netztransforma­ tor T gespeist wird. Im Sekundärkreis des angeschlossenen Trenn­ transformators TR liegt der Spannungteiler R1 und R2. Von der Mittelanzapfung führt eine Leitung über den Schutzwiderstand R3 zum Patienten P. Die beiden Stromleiter 1 und 2 führen weiter zur Ausgangssteckdose S2, an der das oder die elektromedizini­ schen Geräte angeschlossen sind.

Wenn kein Isolationsfehler von einem Leiter 1 oder 2 zum Pa­ tienten P vorliegt, dann sind die Ströme in den Widerständen R1 und R2 gleich, und der Strom im Widerstand R3 ist gleich Null. Erfolgt ein Leiterschluß Ris1 oder Ris2, dann tritt im Wider­ stand 3 ein Strom auf, der zur Auslösung eines akustischen oder/und optischen Warnsignals verwendet werden kann.

In Fig. 2 sind dieselben Verhältnisse gegeben wie in Fig. 1 mit dem Unterschied, daß hier in den Spannungsteilerzweigen eigene Stromquellen vorhanden sind, hier die Transformatoren T1 und T2. Für die Widerstände R1, R2 und R3 sind Relais verwendet, damit die bei Isolationsfehlern unterschiedlich auftretenden Ströme die entsprechenden Warnsignale abgeben oder die Anlage, z. B. bei einem Doppelfehler ausschalten können. Aus Optimierungsgrün­ den ist es zweckmäßig, daß beide Sekundärspannungen denselben Spannungswert haben wie die Netzspannung.

In Fig. 3 ist die Schaltung erweitert. Der Patient ist hier über zwei Elektroden angeschlossen, und zwar an örtlich getrennten Körperstellen K1 und K2. Das hat den Vorteil, daß eine Warnein­ richtung (Anschluß-Überwachung AÜ) in Tätigkeit kommt, oder eine Abschaltung der Anlage erfolgt, wenn beide Elektroden nicht oder nicht kontaktsicher angeschlossen sind. Zur Auslösung kann das Relais R3 oder R4 dienen.

In Fig. 4 ist die Gesamtschaltung wiedergegeben, bei der neben der üblichen Isolations-Überwachung IÜ auch der für den Schutz des Bedienungspersonals notwendige empfindliche Fehlerstrom- Schutzschalter EFI vorgeschaltet ist.

Die beiden Stromleiter gehen durch den Summenstromwandler SW des empfindlichen Fehlerstrom-Schutzschalters EPI zur Primärwicklung des Trenntransformator TR. Von der Sekundärseite führen die bei­ den Leiter 1 und 2 zur Schutzkontaktsteckdose S2, an der die verschiedenen Elektrogeräte anzuschließen sind. Hier ist, der Übersichtlichkeit halber, nur ein Gerät G angeschlossen.

Der von der Schukosteckdose 1 kommende Schutzleiter ist eben­ falls durch den Summenstromwandler SW geführt. Er hat mehrere Windungen. Nicht nur um eine hohe Empfindlichkeit, z. B. 1 mA zu erzielen, sondern auch deshalb, um den Schutzleiter, der nach dem EFI verlegt ist, auf Spannungsfreiheit überwachen und gege­ benenfalls mit abschalten zu können. Die hohe Empfindlichkeit ist bei der gegebenen Schutzeinrichtung deshalb betrieblich mög­ lich, weil die Erdschlußfreiheit von PE notwendig und bei der hier gegebenen Anlage betrieblich auch realisierbar ist. Soll­ ten sich im Betrieb aufgrund nicht beabsichtigter Veränderungen dennoch eine Zwangserdung oder eine Zufallserdung ergeben, so schaltet der EFI die Schutzeinrichtung ab. Die Ableitströme der angeschlossenen Geräte, z. B. G, wirken sich hier nicht aus. Es existiert praktisch nur der außerordentlich geringe Ableitstrom des Trenntransformators TR.

Die Isolationsüberwachung IÜ funktioniert in bekannter Weise, d. h. sie signalisiert (akustisch und optisch rot) den ersten Leiterschluß, z. B. 1 gegen PE, oder 2 gegen PE, entsprechend dem eingestellten minimal zulässigen Isolationswiderstand.

Diese Schaltung bewirkt mit nahezu 100%iger Sicherheit eine Abschaltung auch dann, wenn ein Doppelfehler vorliegt, d. h. wenn beide Leiter 1 und 2 an verschiedenen Stellen mit dem Patienten eine leitende Verbindung haben. Die hohe Abschaltsicherheit ist in diesem Falle deshalb gegeben, weil selbst ein Brückengleich­ gewicht R1/R2 = Ris1/Ris2 zur Abschaltung führt.

Tritt beispielsweise ein Schluß der Leitung 1 zum Patienten auf, d. h. Ris1, so schaltet das Relais die optoakustischen Warnele­ mente ein. Gleichzeitig wird z. B. durch Überbrücken des Relais 2 die Empfindlichkeit desselben erhöht. Wenn nun auch noch der zweite Leiter 2 einen Isolationsfehler Ris2 erfährt, wenn also ein Doppelfehler gegeben ist, dann erhöht sich der Strom im Relais 2 und es wird eine Abschaltung bewirkt.

Der in dem Überwachungskreis fließende Ruhestrom ist so gering, z. B. 0,1 mA, daß ihn der Patient nicht spüren kann.

Auch das Bedienungspersonal ist bei allen möglichen Konstella­ tionen geschützt. Fließt ein Fremdstrom FS, d. h. ein von einer außerhalb der geschützten Anlage kommender Strom z. B. über die Hände B1 und B2 zum Gerätegehäuse G, so schaltet der EFI ab. Eine Abschaltung erfolgt auch dann, wenn die Schukosteckdose S1 falsch angeschlossen ist, d. h. wenn der Schutzkontakt mit dem spannungs­ führenden Leiter verbunden ist und der Weg des Berührungsstromes von G ausgeht und über B1, B2 zur Fremderde FE (z. B. eine in den Potentialausgleich einbezogene Metallfläche) fließt. Eine Ab­ schaltung würde nicht erfolgen, wenn die Fremderde FE zwangsläu­ fig oder zufällig mit dem Schutzleiter PE verbunden wäre. Um diese Voraussetzung zu verhindern, erfolgt bei diesem Zustand eine automatische Abschaltung. Auch alle anderen Berührungsstromwege führen zu einer Abschaltung, z. B. auch ein solcher, der über Pa­ tienten und Bedienungspersonal führt, da hier eine Verbindung über die konventionelle Isolations-Überwachung zum Schutzleiter PE gegeben ist.

Eine noch schnellere Abschaltung des Berührungsstromes wird dann ermöglicht, wenn z. B. die am betreffende Relais auftretende Spannung zusätzlich zur Zündung eines Triacs benutzt wird. Auf diese Weise wird ein Kurzschluß zwischen den Leitern 1 und 2 erzeugt, der die Berührungsspannung bis zum Abschaltende auf praktisch Null reduziert. Anode und Kathode des Triacs sind an 1 bzw. 2 angeschlossen.

Claims (9)

1. Elektrische Schutzeinrichtung gegen Berührungsströme, beste­ hend aus einem Trenntransformator (TR) und einer Isolations­ überwachung (IÜ), dadurch gekennzeichnet, daß an der Sekundär­ wicklung des Trenntransformators (TR) ein Spannungsteiler (R1, R2) angeschlossen ist, mit dessen Mittelanzapfung die zu schützende Person (P) über einen Widerstand R3 verbunden ist und bei der die durch einen einfachen oder doppelten Isola­ tionsfehler (Ris1 oder Ris2 oder Ris1 und Ris2) in den drei Widerständen (R1, R2, R3) verursachten Stromänderungen zur Auslösung eines Warnsignals oder/und zur Abschaltung bzw. Ab- und Umschaltung auf eine redundante Schutzeinrichtung gleichen Systems dient.

2. Elektrische Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spannungsteiler (R1, R2) in beiden Zweigen je eine eigene Spannungsquelle hat, z. B. Transforma­ toren (T1, T2), die pol- bzw. phasengerecht dazwischenge­ geschaltet sind.

3. Elektrische Schutzeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Isolationsüberwachung dienenden Widerstände (R1, R2, R3, R4) Relais sind, der Anschluß der Person (P) über hochohmige Schutzwiderstände (Rs1, Rs2) an zwei örtlich getrennten Körperstellen (K1, K2) erfolgt und der Nichtanschluß ein optoakustisches Signal (AÜ) auslöst.

4. Elektrische Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Abschaltung gemäß Anspruch 1 im Sekundärkreis des Trenntrans­ formators ein Kurzschluß erzeugt wird, der die von hier aus­ gehende gefährliche Berührungsspannung sofort auf Null redu­ ziert.

5. Elektrische Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschluß mit Hilfe eines Triacs oder eines ähnlichen elektronischen Bau­ elementes erfolgt.

6. Elektrische Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Trenntransformator (TR) ein empfindlicher Fehlerstrom-Schutzschalter (EFI) mit zusätzlicher Schutzleiter-Überwachung vorgeschaltet wird, der im Fehlerfalle neben den Netzstromleitern (L, N) auch den Schutzleiter (PE) vom Netz trennt.

7. Elektrische Schutzeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Fehlerstrom-Schutzschalter (EFI) durch entsprechende Wahl der Komponenteneigenschaften oder durch eine eigene Überwachungseinrichtung auch dann abschaltet, wenn der nach dem Fehlerstrom-Schutzschalter (EFI) befindli­ che Schutzleiter (PE) zwangläufig oder zufällig geerdet ist, oder mit dem Schutzleiter eines außerhalb der mit der Schutz­ einrichtung geschützten Anlage in Berührung kommt.

8. Elektrische Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bauteile in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, wobei der Anschluß an das Netz über einen Stecker (S1) mit Schutzkontakt (SK) er­ folgt und die anzuschließenden Verbrauchsgeräte (G) am Aus­ gang der Schutzeinrichtung durch eine oder mehrere Steckdosen (S2) mit Schutzkontakt (SK) erfolgt.

9. Elektrische Schutzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Anspruch 6 als selbständiger Anspruch mit den Unteransprüchen 7, 8, 1, 2, 3, 4 und 5 gilt.