DE4115225A1 - Schaltungsanordnung mit fi-schutzeinrichtung und sicherem schutz gegen direktes beruehren, insbesondere fuer zwei- oder mehrpolige tn-nezte - Google Patents

Description

Fehlerstromschutzschalter werden in sogenannten genullten Netzen eingesetzt, wobei man vor dem FI-Schutzschalter vom Neutralleiter mit Schutzfunktion den Schutzleiter abzweigt, ihn am FI- Schutzschalter vorbeiführt und an zu schützende leitfähige aber normalerweise nicht spannungsführende Anlagenteile anschließt. Nach VDE 0100 wird dieser Schutz allgemein als TN-Netz mit Schutz durch Fehler-Stromschutzeinrichtung gekennzeichnet. Bekannt ist dieser Schutz auch als schnelle Nullung. Setzt man einen FI-Schutzschalter mit I_{Δ N}=30 mA ein, so geht man davon aus, daß man sowohl gegen gefährliche Berührungsspannungen leitfähiger Teile sowie gefährliche Durchströmung bei Berührung spannungsführender Teile geschützt ist. Während die erste Annahme bei ordnungsgemäßer Ausführung der Schutzmaßnahme gewährleistet ist, trifft die zweite Annahme nur für den fehlerfreien Zustand der Installation nach dem FI-Schutzschalter bzw. den fehlerfreien Zustand der Verbraucher zu. Kommt es auf der Ausgangsseite des FI-Schutzschalters zu einem Schluß zwischen dem Neutralleiter und dem Schutzleiter, dies trifft mindestens mit der gleichen Wahrscheinlichkeit zu, wie ein Schluß zwischen Außenleiter und Schutzleiter, so entsteht eine Kurzschlußschleife, die den Wandler des FI-Schutzschalters umschließt.

Ist kein Verbraucher eingeschaltet, leitet eine Person an der Ausgangsseite des FI-Schutzschalters einen Fehlerstrom vom Außenleiter z. B. nach der Erde oder dem Neutralleiter mit Schutzfunktion ab. Dieser Fall ist dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerstrom hier nicht durch das fehlerhaft verbundene System Neutralleiter und Schutzleiter zurückgeleitet wird. Durch den Fehlerstrom wird nun in der Kurzschlußschleife ein Kreisstrom induziert, dessen Richtung nach der Lenzschen Regel gegen den Fehlerstrom gerichtet ist. Im Wandler wirkt also nur die Differenz aus Fehlerstrom und Kreisstrom als Fehlerstrom.

Die Folge ist, daß der Fehlerstrom je nach Widerstand auf mehrere 100 mA ansteigt, bevor eine Auslösung des FI-Schutzschalters erfolgt. Von einem Schutz der durchströmten Person kann keine Rede sein. Auf diesen Fall wird auch in der Literaturstelle: Peter Flohr, Zeitschrift elektro handel, 34. Jahrg. 1989, Nr. 7/8, S. 35, hingewiesen. Drückt man die Prüftaste, so erfolgt natürlich keine Auslösung, denn der vom Prüfwiderstand bereitgestellte Strom ist viel zu niedrig, so daß eventuell auch noch der Prüfwiderstand verbrennt.

Ein noch problematischerer Fall ist der, daß bei ausgeschaltetem Verbraucher eine Person auf der Ausgangsseite des FI- Schutzschalters einen Außenleiter berührt, während der Standort leitend mit dem fehlerhaft verbundenen System Neutralleiter und Schutzleiter verbunden ist. Jetzt wird der durch die Netzspannung angetriebene und durch den Außenleiter einfließende Strom aufgeteilt, d. h., bei etwa gleichem Widerstand von Neutralleiter und Schutzleiter fließt etwa die Hälfte des Stroms als Laststrom durch den Neutralleiter zurück und der andere Teil durch den Schutzleiter. Gleichzeitig wird nun auch, wie im ersten Fall, ein Kreisstrom in der Kurzschlußschleife induziert. Dieser überlagert sich mit dem ersten Teil des Stromes. Im Neutralleiter kommt es dadurch zu einer Stromerhöhung und im Schutzleiter zu einer Stromabsenkung. Ein praktischer Fall zeigte z. B., daß, wenn der vom Außenleiter einfließende Strom 350 mA beträgt, im Neutralleiter 330 mA fließen und im Schutzleiter nur 20 mA. Die gestörte Schaltung wirkt also stark fehlerstromabbauend bzw. der Strom, von dem man sich wünscht, daß er als Fehlerstrom erkannt wird, wird zum Laststrom umfunktioniert. Ein Schutz der durchströmten Person ist absolut nicht mehr gewährleistet.

Wird nun bei noch vorhandenem Schluß zwischen Neutralleiter und Schutzleiter ein Verbraucher eingeschaltet, so können verschiedene Fälle eintreten. Ist der Verbraucher niederohmig, so erfolgt Auslösung, denn der notwendige Fehlerstrom wird erreicht und der Fehler damit erkannt.

Ist der Verbraucher hochohmig, so erfolgt keine Auslösung und der Fehler bleibt unerkannt. Allerdings fließt natürlich ein gewisser Fehlerstrom, der nur nicht zur Auslösung reicht. Betätigt man dabei die Prüfeinrichtung, so addiert sich ein Strom hinzu und die Auslösung erfolgt. Dadurch wird nun vorgetäuscht, daß der FI-Schutzschalter vollständig in Ordnung ist, der Fehler bleibt also unerkannt. Prinzipiell ist dieser Fehler (Schluß zwischen Neutralleiter und Schutzleiter) und seine Auswirkung bekannt, denn auch in der Literaturstelle: Herhahn/Winkler, 16. Auflage, Sicherheitsfibel "Elektroinstallation nach VDE 0100", Vogel-Verlag, wird auf Seite 102 darauf hingewiesen, daß dieser Fehler zu starken Auslösestromerhöhungen führen kann. Das bedeutet, daß der Neutralleiter auf der Ausgangsseite des FI-Schutzschalters gut isoliert, wie ein Außenleiter zu verlegen ist. Schlüsse zwischen Außenleiter und Schutzleiter treten aber trotz guter Isolierung auf, so daß auf Grund gleicher Wahrscheinlichkeit auch solche zwischen Neutralleiter und Schutzleiter auftreten. Hinsichtlich der Tatsache, daß man bei Einsatz eines FI- Schutzschalters mit I_{Δ N}30 mA damit rechnet, daß die Auslösung bis I_{Δ N} unter allen Umständen erfolgt, muß das Auslöseversagen unter den genannten Bedingungen als Mangel der gegenwärtigen FI-Schutztechnik angesehen werden.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, bei Schluß zwischen Neutralleiter und Schutzleiter auf der Ausgangsseite des FI-Schutzschalters zu erreichen, daß bei Berührung eines Außenleiters und Ableitung des Fehlerstromes gegen Erde, gegen den Neutralleiter mit Schutzfunktion, gegen die Verbindungsstelle von Neutralleiter und Schutzleiter (Fehlerstelle) oder die Nähe der Fehlerstelle, einen Auslösestrom zu erreichen, der nicht oder nur unwesentlich über dem Auslösestrom im ungestörten Fall liegt.

Erfindungsgemäß wird das Problem durch die in den Patentansprüchen genannten Mittel gelöst.

Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind folgende:

• - Bei eingeschalteten Verbrauchern erfolgt Auslösung bei Lastwiderständen bis zu etwa 8 kΩ, bezogen auf einen 30 mA- Schalter und 220 V∼. Bei allen normalen Lastfällen erfolgt Auslösung und damit Erkennung des Fehlers. Bei einem FI-Schutzschalter ohne die Erfindung erfolgt Auslösung meist erst dann, wenn der Lastwiderstand etwa 600 Ω unterschreitet. Die Auslöseempfindlichkeit für letzteren Fall ist somit etwa um den Faktor 10 schlechter.
• - Ist kein Verbraucher eingeschaltet, so löst der FI-Schutzschalter nicht aus. Erfolgt jedoch Berührung eines Außenleiters gegen Erde oder gegen die Kurzschlußstelle von Neutralleiter N und Schutzleiter PE, so erfolgt Auslösung bis zu einem Strom von 30 mA, d. h., es besteht ein voller Berührungsschutz. Ohne die Erfindung beträgt der Auslösestrom bis zu einigen 100 mA.
• - Bei der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt bei Betätigung der Prüfeinrichtung Auslösung. Ohne die Erfindung erfolgt keine Auslösung und es verbrennt meist der Prüfwiderstand.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt:

Fig. 1 Schaltungsanordnung einer FI-Schutzeinrichtung im TN-Netz mit erfindungsgemäßer Sättigungsdrossel und Ableitung des Fehlerstromes gegen Erde.

Fig. 2 Schaltungsanordnung einer FI-Schutzeinrichtung im TN-Netz mit erfindungsgemäßer Sättigungsdrossel und Ableitung des Fehlerstromes zur Verbindungsstelle von Neutralleiter und Schutzleiter auf der Ausgangsseite des FI-Schutzschalters.

Fig. 1 zeigt eine FI-Schutzeinrichtung im TN-Netz, wobei die Kurzschlußstelle 2 zwischen Neutralleiter 5 und Schutzleiter 4 über die Verbindungsstelle 6 des Neutralleiters 5 und Schutzleiters 4 an der Eingangsseite des FI-Schutzschalters zu einer stark gezeichneten Kurzschlußschleife führt. Der Ringbandkern 7 induziert in dieser Schleife, hervorgerufen durch den Fehlerstrom I_L, eine Spannung, die durch den Widerstand der erfindungsgemäßen Sättigungsdrossel 3 nur einen unbedeutenden Kreisstrom treibt. Der Fehlerstrom I_L wirkt dadurch weitgehend ungestört als I_Δ und es kommt zur Auslösung in zulässigen Fehlerstromgrenzen. Die Fig. 1 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Fehlerstrom I_L≈I_Δ nicht in das System Neutralleiter 5 und Schutzleiter 4, sondern über die Erde, zurück zur Erde des Netztransformators geleitet wird. In Fig. 2 dagegen fließt der Fehlerstrom I_L in das System Neutralleiter 5 und Schutzleiter 4. Hier wirkt die Sättigungsdrossel 3 in zwei Komponenten. So verhindert sie weitgehend den Kreisstrom, der wie in Fig. 1 beschrieben, im Uhrzeigersinn in der Kurzschlußschleife fließt. Er fließt im Uhrzeigersinn nur in dem Zeitbereich, wenn der Fehlerstrom I_L von oben nach unten durch den Ringbandkern 7 fließt, denn in Wirklichkeit handelt es sich um Wechselstrom. Weiterhin steuert die Drossel 3 die Aufteilung des Fehlerstromes I_L zugunsten des Schutzleiters 4. Ist der Kreisstrom klein, so wird vom Fehlerstrom I_L im Schutzleiter 4 nur wenig subtrahiert, d. h., der durch die Person 1 fließende Strom wirkt auch in der in Fig. 2 fast vollständig als Fehlerstrom.

Entfernt man jetzt die Person 1 in Fig. 1 und 2 und schaltet die Verbraucher ein, so ist leicht zu erkennen, daß jetzt der Laststrom, auch wenn die Last hochohmig ist, fast vollständig als Fehlerstrom in den Schutzleiter 4 geleitet wird. Eine Auslösung wird also meistens erfolgen. Erfolgt dennoch keine Auslösung, so besteht keine Gefahr, denn berührt jetzt eine Person 1 den Außenleiter L, so braucht nur noch ein geringer Zusatzstrom, <30 mA, aufgebracht werden und die Auslösung erfolgt. Interessant ist noch der Fall, daß man bei ausgeschaltetem Verbraucher und Schluß zwischen Neutralleiter 5 und Schutzleiter 4 mit je einer Hand Außenleiter L und Neutralleiter 5 berühren kann, ohne daß eine Gefährdung auftritt, denn der Strom fließt vorwiegend in den Schutzleiter 4 und die Auslösung erfolgt bei 30 mA. Bei Schluß von Neutralleiter 5 und Schutzleiter 4 auf der Ausgangsseite des FI-Schutzschalters werden, auf Grund der Sättigungsdrossel alle Berührungsfälle, bei welchen ein Außenleiter berührt und der Fehlerstrom gegen Erde oder in das System Neutralleiter 5 und Schutzleiter 4 geleitet wird, gefahrlos bei 30 mA abgeschaltet.

Claims (4)

1. Schaltungsanordnung mit Fehlerstrom-Schutzeinrichtung und sicherem Schutz gegen direktes Berühren, insbesondere für zwei- oder mehrpolige TN-Netze, bestehend aus einem FI-Schutzschalter, der eingangsseitig mit dem TN-Netz verbunden ist, sowie einem oder mehreren Verbrauchern, die ausgangsseitig über eine entsprechende Installation mit dem FI-Schutzschalter verbunden sind, wobei der Neutralleiter mit Schutzfunktion vor dem FI-Schutzschalter an der Verzweigungsstelle in Schutzleiter und Neutralleiter aufgeteilt ist, gekennzeichnet dadurch, daß zwischen der Verzweigungsstelle (6) und einer ersten möglichen Kurzschlußstelle (2) zwischen Schutzleiter (4) und Neutralleiter auf der Ausgangsseite des FI-Schutzschalters eine oder mehrere in Reihe geschaltete Sättigungsdrosseln (3) im Neutralleiter (5) des FI-Schutzschalters und/oder dem Neutralleiter außerhalb des FI-Schutzschalters angeordnet sind.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Sättigungsdrosseln (3) unmittelbar oberhalb des Auslösestrombereiches des Schalters den Sättigungsknick überschreiten.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Sättigungsdrosseln (3) aus Ringbandkernen bestehen, durch die der Neutralleiter ein- oder mehrmals hindurchgeführt ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigungsdrosseln (3) aus Magnetwerkstoff mit niedriger Remanenz bestehen.