DE4439072A1 - Schutzschalter für die Abschaltung von Fehlerströmen beliebiger Stromart - Google Patents

Description

Als Schutzmaßnahme gegen zu hohe Berührungsspannungen wird in elektrischen Anla­ gen überwiegend die Fehlerstromschutzschaltung eingesetzt.

Die FI-Schutzschaltung ist eine sogenannte Schutzleiterschutzmaßnahme d. h. für die Funktion des Schutzschalters wird ein intakter Schutzleiter benötigt, über den im Fehlerfall der Fehlerstrom zur Erde abfließt und das Schaltgerät auslöst.

Fehlerstromschutzschalter besitzen darüberhinaus eine Prüfeinrichtung, bei deren Betätigung ein künstlicher Fehlerstrom erzeugt wird, der das Schaltgerät ebenfalls zur Auslösung bringt.

Für die Erfassung des Fehlerstroms wird ausnahmslos ein Summenstromwandler benö­ tigt, der hervorgerufen durch die im Fehlerfall auftretende Differenz der zu- und abfließenden Ströme in der Sekundärwicklung eine Spannung induziert, die den Auslö­ ser - meist ein gepoltes Relais - zum Ansprechen veranlaßt.

Derartige Schutzschalter sind für die Erfassung und Abschaltung von Wechselfehler­ strömen sehr gut geeignet, sie arbeiten netzspannungsunabhängig und benötigen für ihre Funktion keinerlei elektronische Bauteile.

In elektrischen Verbrauchsmitteln im Haushalt und in der Industrie werden jedoch vermehrt Schaltungsarten angewendet, bei denen im Fehlerfall pulsierende Gleichfeh­ lerströme bis hin zu glatten Gleichfehlerströmen auftreten können.

Durch Beschaltung des Auslösekreises mit Halbleitern ist man zwar in der Lage, auch pulsierende Gleichfehlerströme zu beherrschen, die Erfassung von Gleichfehlerströmen nach diesem Prinzip ohne erheblichen Beschaltungsaufwand in der Auswerteelektronik und ohne Zuhilfenahme der Netzspannung zur Versorgung ist hingegen nicht möglich.

Der Versuch, glatte Gleichfehlerströme mittels Summenstromwandler zu erfassen, hat bisher zu aufwendigen und komplizierten Lösungen geführt. So ist z. B. aus der OS-23 48 881 eine Fehlerstromschutzeinrichtung bekannt geworden, die zusätzlich zum Erfassungsteil für Wechsel- und pulsierende Gleichfehlerströme einen Erfassungsteil für glatte Gleichströme beinhaltet, die nur netzspannungsabhängig arbeitet und über einen erheblichen Aufwand an elektronischen Bauteilen in der Auswertebeschaltung verfügt.

Abgesehen davon, daß bei dieser Einrichtung die Schutzfunktion immer dann versagt, wenn die Spannungsversorgung für die Elektronik ausfällt, ist ein Schutzschalter nach diesem Konstruktionsprinzip für den Einsatz in Gleichstromnetzen nicht geeignet.

Hinzu kommt, daß elektronische Auslöser äußerst empfindlich auf geringste Netzstö­ rungen reagieren, was zu unerwünschten Auslösungen und damit zu Betriebsstörungen führen kann.

Um dies zu verhindern, wurden aufwendige Schutzbeschaltungen etwa nach DE 37 18 183 C2 entwickelt, die wiederum die elektromagnetische Verträglichkeit EMV der Schaltge­ räte negativ beeinflussen - von der erheblichen Baugröße derartiger Konstruktionen einmal abgesehen.

Bei Verwendung von empfindlichen Fehlerstromschutzschaltern ist auch bekannt, daß eine unerwünschte Auslösung schon dann zustandekommt, wenn der Isolationswider­ stand der Anlage etwa durch Feuchtigkeit absinkt und aufgrund geringer Potential­ differenzen von wenigen Volt der Fehlerstrom zum Fließen kommt.

Ein sicherheitstechnischer Mangel prinzipieller Art besteht darüberhinaus in der Funktion der Prüfeinrichtung. Durch Betätigen der Prüftaste wird bei bekannten Feh­ lerstromschutzschaltern lediglich deren Auslösung überprüft, nicht aber ob die Auslö­ sung zur Erfüllung der Schutzmaßnahme wegen z. B. eines fehlenden oder unterbro­ chenen Schutzleiters überhaupt möglich ist.

Es wird zwar verlangt, daß sowohl die Hauptleiter als auch der Neutralleiter an die Klemmen des Schutzschaltgerätes geführt werden, als Schutzleiter von dessen Unver­ sehrtheit das Funktionieren der gesamten Schutzmaßnahme abhängt, können hingegen Metallrohre oder andere Metallumhüllungen, fremde leitfähige Teile usw. verwendet werden. Die Folge davon ist, daß z. B. bei einer von der Elektroberatung Bayern an ca. 25 000 elektrischen Anlagen durchgeführten Untersuchungen bei 22% der Anlagen der Schutzleiter unterbrochen war und daß die Schutzmaßnahme gegen zu hohe Berüh­ rungsspannung unwirksam ist und dies, obwohl beim Betätigen der Prüftaste dem Anwender einwandfreie Funktion vorgetäuscht wird.

Als weiterer Mangel gilt die Tatsache, daß ein Fehlerstromschutzschalter im TNC- System der sogenannten klassischen Nullung eingesetzt, keinen Schutz bietet, wenn der PEN-Leiter vor dem Fehlerstromschutzschalter unterbrochen wurde.

In Anbetracht dessen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Schutzschalter der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß die oben beschriebenen Mängel vermieden werden, daß der Schutzschalter also bei Fehlerströmen beliebiger Stromart netzspannungsunabhängig abschaltet und zwar erst, wenn die Berührungsspannung den noch ungefährlichen Wert von 25 V erreicht, beim Betätigen der Prüftaste der Schutzleiter mitgeprüft wird, und daß er auch schützt, wenn vor der Schutzeinrichtung im TNC-Netz-System der PEN unterbrochen ist. Außerdem soll die Baugröße die herkömmlicher FI-Schalter nicht überschreiten, d. h. ein 4poliges Schaltgerät soll in der Teilungsbreite 4 × 18 mm = 72 mm untergebracht werden.

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung von der Überlegung aus, für die Erfassung des Fehlerstroms den tatsächlich über den Schutzleiter zur Erde abfließenden Strom zu benützen.

Der Fehlerstrom wird dabei vorzugsweise über einen spannungsabhängigen Widerstand geführt, der erst bei einer Berührungsspannung von z. B. 25 V leitend wird. Dieser Impuls, der beim Durchsteuern entsteht, wird als Erfassungssignal dazu benützt, einen Ruhestromauslöser z. B. ein handelsübliches, gepoltes Relais zum Ansprechen zu brin­ gen.

Nachdem bei dieser Anordnung ein Summenstromwandler zur Erfassung des Fehler­ stroms nicht erforderlich ist, und der spannungsabhängige Widerstand auf alle Stromarten gleichermaßen reagiert, ist der Schutzschalter auch in Gleichstromnetzen einsetzbar.

Wegen der direkten Erfassung des Fehlerstroms arbeitet der Schutzschalter netzspan­ nungsunabhängig, d. h. irgendwelche Spannungsversorgung für eine Auswerteelektronik ist nicht erforderlich - seine Funktion ist auch bei teilweisem Netzausfall gewährlei­ stet. Er wirkt im Sinne der EMV nicht als Störer und wird auch selbst nicht gestört.

Selbst bei Unterbrechung des Nulleiters im TNC-Netz vor dem Schutzschalter schützt dieser, da der Fehlerstrom auch in diesem Fall ein Erfassungssignal erzeugt und den Stromkreis unterbricht.

Erfindungsgemäß wird der Schutzleiter über den Schutzschalter geführt, d. h. der Schutzschalter erhält zwei zusätzliche Klemmen für den Schutzleiteranschluß.

Dies wiederum ermöglicht die Anordnung der Prüfeinrichtung zur Erzeugung eines künstlichen Fehlerstroms zwischen Hauptleiter und Schutzleiter.

Im Gegensatz zu bekannten Fehlerstromschutzschaltern, die Schutzleiteranschluß­ klemmen nicht kennen, wird deshalb beim Betätigen der Prüfeinrichtung gemäß der Neuerung nicht nur die Funktion des Schutzschalters getestet, sondern auch die Wirksamkeit der Schutzmaßnahme überprüft.

Durch den Schutzleiteranschluß wäre es in einer Weiterbildung z. B. auch leicht mög­ lich, ein Display zu integrieren, das den tatsächlich fließenden Fehlerstrom anzeigt.

Durch den Wegfall des Summenstromwandlers mit seiner Primär- und Sekundärbewick­ lung sowie der erforderlichen Auswerteelektronik könnte der Schutzschalter in seiner Baugröße sogar kleiner als die bekannten Produkte ausgeführt werden, zumal die im Schutzschalter verbrauchte Verlustleistung zwangsläufig geringer sein wird. Es ist aber auch möglich, die Neuerung zusätzlich bei konventionellen FI-Schaltern einzusetzen, um die Allstromsensitivität zu erreichen.

Desweiteren ist es möglich, den spannungsabhängigen Widerstand beim Ausschalten des Schutzschalters mit einem Hilfskontakt zu überbrücken, um die Isolationsmessung bzw. die Messung der Impedanz im Schutzleiter anlagenseitig zu erleichtern.

Die Wirkungsweise des Schutzschalters ist aus dem Prinzipschaltbild in Fig. 1 erkenn­ bar, wobei der Einfachheit halber ein 2poliger Schutzschalter gewählt wurde - die Funktion ist bei 4poligen Schaltern identisch.

Die Darstellung zeigt den Schutzschalter 1 im TNC-System mit angeschlossenem elek­ trischen Verbraucher in Einschaltstellung.

Der Schutzleiter ist an den Klemmen 2 und 3 angeschlossen, so daß der spannungs­ abhängige Widerstand 4 im Schutzleiterstromkreis liegt. Das Erfassungssignal wird vom Auslösesystem 5 über die Verbindungen 6 und 7 am spannungsabhängigen Widerstand 4 abgegriffen.

Das Auslösesystem 5 bestehend aus Relais und Schaltmechanik wirkt in bekannter Weise auf die Hauptkontakte 8 und 9 sowie auf den Hilfskontakt 10, der in der Ein­ schaltstellung des Schutzschalters geöffnet ist.

Wird nun bei einem defekten elektrischen Verbraucher die Berührungsspannung auf einen unzulässigen Wert angehoben, fließt schlagartig ein Fehlerstrom IF über den spannungsabhängigen Widerstand 4 zur Erde. Dieses Erfassungssignal reicht aus, das gepolte Relais des Auslösesystems 5 ansprechen zu lassen, und dessen Schaltmechanik zu entklinken. Der defekte Stromkreis wird durch die Kontakte 8 und 9 abgeschaltet, gleichzeitig wird der Hilfskontakt 10 geschlossen und der spannungsabhängige Wider­ stand 4 überbrückt.

Der Schutzschalter schützt unabhängig von der Stromart bei indirektem Berühren.

Ebenso erfolgt die Abschaltung, wenn der Nulleiter PEN am Punkt A also vor dem Schutzschalter unterbrochen wird. Die Netzspannung liegt über dem Schutzleiter des eingeschalteten Schutzschalters am Gehäuse des elektrischen Verbrauchers an. Berührt nun eine Person das spannungsführende Gehäuse und stellt dabei eine Erdverbindung her, dann entsteht das Erfassungssignal und der Stromkreis wird unterbrochen.

Der Schutzschalter schützt auch bei unterbrochenem Nulleiter.

Reicht hingegen die Berührungsspannung am Gehäuse nicht aus, ist sie also ungefähr­ lich und niedriger als z. B. 20 V, dann erfolgt keine Auslösung. Störungen wie sie z. B. durch vorübergehende Feuchtigkeit und der damit verbundenen ungefährlichen Ver­ ringerung des Isolationswiderstandes hervorgerufen werden, führen hingegen zu keiner Auslösung.

Der Schutzschalter ist störsicher.

Durch die Anordnung der Prüfeinrichtung, also der Reihenschaltung von Prüftaste 11 und Prüfwiderstand 12 zwischen Hauptleiter und Schutzleiter wird erreicht, daß beim Betätigen der Prüftaste nur dann ein künstlicher Fehlerstrom zum Fließen kommt, wenn die Impedanz des Schutzleiters den zur Erfüllung der Schutzmaßnahme notwen­ digen Wert nicht überschreitet.

Löst der erfindungsgemäße Schutzschalter beim Betätigen der Prüftaste aus, dann kann der Benutzer davon ausgehen, daß nicht nur der Schutzschalter funktioniert, sondern darüberhinaus auch die Schutzmaßnahme in Ordnung ist.

Der Schutzschalter erhöht damit den Sicherheitspegel in elektrischen Anlagen.

Die Darstellung in Fig. 1 zeigt das Prinzipschaltbild eines bekannten Fehlerstrom­ schutzschalters, in den die Neuerung integriert wurde. Das im Summenstromwandler 13 im Fehlerfall entstehende Erfassungssignal wirkt ebenfalls auf das Auslösesystem 5 ein, so daß auch bei direktem Berühren eines spannungsführenden Teils die Auslösung erfolgt.

Claims (3)

1. Schutzschaltungsanordnung zur stromartunabhängigen Abschaltung von Fehlerströmen an den Betriebsmitteln in Haushalt, Gewerbe und Industrie, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Fehlerströme in den zusätzlich über das Schutzschaltgerät geführten Schutzleiter (PE) ein spannungsabhängiger Widerstand (4) eingeschleift ist und an diesem das Auslösesignal für das gemeinsame Auslöserelais (5) abgegriffen wird.

2. Schutzschaltanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der spannungsabhängige Widerstand (4) bei der Abschaltung des Schutzschaltgerätes durch einen Hilfskontakt (10) überbrückt wird.

3. Schutzschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfeinrichtung (11, 12) zwischen einem Hauptleiter (L) und dem Schutzleiter (PE) angeordnet ist.