DE616358C

DE616358C - Vorrichtung zur UEberpruefung der Wirksamkeit der Erdung und Nullung

Info

Publication number: DE616358C
Application number: DEA62816D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Carl Reinarz
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1931-07-24
Filing date: 1931-07-24
Publication date: 1935-08-01

Description

AUSGEGEBEN AM
!.AUGUST 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 21 c GRUPPE 6870

Patentiert im Deutschen Reiche vom 24. Juli 1931 ab

Als Schutzmaßnahmen gegen Berührungsspannung werden in Niederspannungsanlagen bekanntlich die Erdung, die Nullung und die Schutzschaltung angewandt. Alle drei Systeme üben ihren Schutz dadurch aus, daß sie bei Auftreten eines Körperschlusses durch Abschaltung den betreffenden Verbraucher spannungslos machen. Die Schutzschaltung arbeitet mit der Überwachung der zwischen dem zu schützenden Teil und einer Hilfserde herrschenden Spannung. Überschreitet diese einen bestimmten Wert, z. B. 24 oder 42 V, so wird der Anker eines Elektromagneten angezogen, der auf mechanischem Wege die Entklinkung und dadurch die Öffnung eines Selbstschalters bewirkt. Voraussetzung für die Wirksamkeit der Einrichtung ist vor allem, daß auf dem gesamten Stromwege vom zu schützenden Apparatteil durch die sogenannte Fehlerstromspule bis zur Hilfserde keine Unterbrechung eintritt. Um den einwandfreien Zustand der Einrichtung zu überwachen, wird in den Schutzschaltern daher eine Prüfvorrichtung eingebaut, mittels derer das eine Ende der Fehlerstromspule von dem zu schützenden Apparatteil abgeschaltet und über Prüfwiderstände an eine bzw. zwei Phasem gelegt werden kann.

Bei Anwendung der Erdung und Nullung wird die Abschaltung des Apparatteiles, an dem ein Körperschluß aufgetreten ist, dadurch bewirkt, daß sich über die Fehlerstelle ein Strom schließt, dessen Höhe die normale Betriebsstromstärke überschreitet und der daher eine vorgeschaltete Sicherung bzw. einen Selbstschalter mit Überstromauslösung zum Ansprechen bringt. Voraussetzung für die Wirksamkeit der Erdung und Nullung ist, daß der Widerstand der Strombahn, die bei Auftreten eines Körperschlusses vom Stromerzeuger zum Verbraucher über die Fehlerstelle und zurück durchflossen wird, einen bestimmten Höchstwert nicht überschreitet. Bezeichnet U die wirksame Spannung, / die Stromstärke, die mindestens zustande kommen muß, so ist der erforderliche Höchstwiderstand gegeben durch die Beziehung

Für / ist nach den Verbandsvorschriften bei Anwendung von Sicherungen der 2,5fache Nennstrom zugrunde zu legen.

Der Widerstand R ist insbesondere bei Anwendung der Erdung zeitlichen Veränderungen unterworfen. Auch bei Anwendung der Nullung kann eine Widerstandserhöhung durch Lockerung von Klemmen oder Unterbrechen eines Leiters auftreten. Es ist daher bei der Erdung und Nullung eine Prüfein-

*J Von dem Patentsucher ist als der Erfinder angegeben worden:

DipL-Ing. Carl Reinars in Berlin-Adlershof.

richtung erforderlich, die es jederzeit erlaubt, sich von der Wirksamkeit der Schutzmaßnahme zu überzeugen.

Es sind daher zwar Einrichtungen bekannt, durch welche die Wirkung der Schutzschaltung dadurch erhöht wird, daß eine Abschaltung eintritt bzw. eine Einschaltung unmöglich ist, wenn in einem Teil der Strombahn, der für die Abschaltung im Fehlerfalle durch ίο die Fehlerstromspule maßgebend ist, eine Unterbrechung eintritt. Die bekannten Einrichtungen überwachen zu dem genannten Zweck indessen immer nur einen Teil der Strombahn, die für die Abschaltung maßgebend ist, während sie nicht in Wirkung treten, wenn in einem anderen Teil der Strombahn eine Unterbrechung auftritt. Die genannten Einrichtungen treten ferner nur dann in Tätigkeit, wenn eine Unterbrechung der Strombahn erfolgt. Die Abschaltung eines Körperschlusses durch die Schutzmaßnahme der Erdung und Nullung kann indessen nur dann sichergestellt werden, wenn der Widerstand der gesamten Strombahn überwacht wird und ferner die Schutzeinrichtung auch dann in Tätigkeit tritt, wenn nicht nur eine Unterbrechung erfolgt, sondern eine Erhöhung des Widerstandes der Strombahn über einen Wert hinaus, der die Sicherheit der Abschaltung durch eine vorgeschaltete Sicherung oder einen Überstromselbstschalter gewährleistet.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überprüfung der Wirksamkeit der Erdung-SS und Nullung, bei der erfindungsgemäß die Einschaltung eines Stromkreises davon abhängig gemacht wird, daß der Widerstand der gesamten Strombahn, die bei Auftreten eines Körperschlusses vom Strom durchflossen wird, einen ganz bestimmten, für die Sicherheit der Abschaltung des Körperschlusses durch eine vorgeschaltete Sicherung oder einen Selbstschalter maßgebenden Wert nicht überschreitet.

Diese Einrichtung besteht aus einem Elektromagneten, dessen Wicklung allein oder in Reihe mit einem bekannten Widerstand in den Stromkreis Außenleiter-Nulleiter bzw. Außenleiter-Erde eingeschaltet wird. Der Anker des Magneten wird angezogen, wenn die für die Abschaltung eines Fehlers erforderliche Größe des Widerstandes R nicht überschritten wird.

Der Elektromagnet wird nach der Erfindung mit einem Schaltgerät oder einer Steckvorrichtung so kombiniert, daß eine Einschaltung des Verbrauchers erst erfolgen kann, nachdem die Prüfung erfolgreich verlaufen ist. Handelt es sich z. B. um einen Stromkreis, der mit 10 A abgesichert ist, so muß nach den Vorschriften der Widerstand R bei einer Spannung U = 220 V gleich oder kleiner sein als -^- = 8,8 Ohm. Im normalen Zustand der Anlage, insbesondere bei Anwendung der Nullung, wird der Widerstand R stets wesentlich kleiner sein als 8 -f- 9 Ohm. Da betriebsmäßig mit Rücksicht auf die Lebensdauer von Glühlampen die Betriebsspannung gewisse maximale Schwankungen nicht überschreiten darf, sind die hierdurch zu erwartenden Stromschwankungen festgelegt. Sie seien mit + io°/₀ angenommen. Bezeichnet .man den Widerstand des Elektromagneten einschließlich eines etwaigen Vorschaltwiderstandes mit R₁ und wählt man R₁ M-mal größer als R, so werden Änderungen in der Größe von R kleiner als (n -\- 1) · io⁰/₀ nicht mehr erfaßt werden können. R₁ und damit η ist daher möglichst klein zu wählen. Wird R₁ z. B. gleich R gemacht, so müssen Widerstandsänderungen ron R in der Größenordnung ■ von + 20 °/₀ ohne Einfluß auf das Ansprechen der Prüfeinrichtung bleiben. Da, wie bereits erwähnt, der Widerstand R normalerweise nur einen Bruchteil des höchstzulässigen ist, kann die Nichterfassung von Widerstandsänderungen dieser Größenordnung ohne Bedenken mit in Kauf genommen werden. Die Ansprechstromstärke des Elektromagneten ergibt sich bei 220 V Phasenspannung und einer io-A-Sicherung zu

220

8,8 + 8,8

Um von den Schwankungen der Betriebsspannung unabhängig zu sein und ein nicht erforderliches Eintreten der Sperre zu verhindern, würde man im vorliegenden Falle den Elektromagneten auf eine Ansprechstromstärke von etwa 10 A einstellen.

Je kleiner der Widerstand R₁ gewählt wird, desto größer wird die bei der Prüfung entstehende Stromwärme. Es ist daher erforderlieh, den Widerstand gegen übermäßige Erwärmung zu schützen. Dieser Schutz kann beispielsweise durch einen Thermostaten erfolgen, der mittelbar oder unmittelbar durch die im Widerstand R₁ erzeugte Stromwärme beeinflußt wird und bei Überschreitung einer gewissen Temperatur den Prüfstromkreis öffnet. Nach der Erfindung kann die während der Prüfung erzeugte Stromwärme auch dadurch auf ein kleinstes Maß beschränkt wer- X15 den, daß die Zeit, während der der Prüfstromkreis geschlossen wird, unabhängig von der Schaltbewegung des Bedienenden auf ein Minimum festgelegt wird, das für das ordnungsgemäße Ansprechen des Elektromagneten erforderlich ist. Wie die vorstehenden Überlegungen zeigen, bestehen für die Wahl der

Größe von R₁ zwei entgegengesetzte Forderungen, zwischen denen ein Mittel gewählt werden muß. Hat man mit Rücksicht auf Spannungsschwankungen ein Interesse daran, R₁ möglichst klein zu wählen, wird mit Rücksicht auf die Erwärmung während des Prüf-Torganges das Entgegengesetzte erforderlich. Die letzte Entscheidung hierüber muß die Praxis ergeben.

ίο In der Zeichnung ist die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen dargestellt, und zwar zeigen die Abb. ι und 2 die Prüfvorrichtung in Verbindung mit einer Steckvorrichtung und die Abb. 3 und 3 a in Verbindung mit einem Schalter.

Nach den Abb. 1 und 2 ist in dem Hohlraum α der Steckdose b der Elektromagnet c mit dem Anker d und ferner der Bimetallschalter e eingebaut. Der Anker d ist mit der Sperrscheibe fest verbunden, die bei einem Fehler in der Erdungs- oder Nullungsleitung die Steckeröffnung g sperrt. In der Steckdose b sind die Steckerhülsen h, i und k angeordnet. Außerdem sind in der bereits erwähnten Steckeröffnung g die beiden Hülsenliälften m und η angeordnet. Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Abb. 2 keine genaue Projektion der einzelnen Teile nach Abb. ι ist, sondern daß in Abb. 2 die vier Steckerstifte des besseren Verständnisses wegen übereinander gezeichnet sind. An die Steckerhülse h wird eine Phase an die Hülse« im gewählten Beispiel der Nulleiter des Netzes angeschlossen. Am Steckerstift r liegt der Schutzleiter. Bei Anwendung der Nullung besteht die in Abb. 2 gestrichelt gezeichnete elektrische Verbindung der Hülsen k und i. Bei Anwendung der Erdung fällt diese Verbindung fort, dagegen ist die Hülse k mit der Schutzerde verbunden.

Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist folgende:

Wird der Stecker in die Steckdose eingeführt, so wird zunächst durch den Kopf j des Hilfssteckers der Prüfstromkreis geschlossen. Unterschreitet der Strom in der Spule des Elektromagneten c einen gewissen Wert, so kann der Anker d nicht gedreht werden und die Einführungsöffnung für den Hilfsstecker bleibt durch die Scheibe f gesperrt. Befindet sich dagegen die Erdung bzw. Nullung in Ordnung, so wird der Elektromagnet c genügend stark erregt. Es dreht sich daher der Anker d und somit auch die Sperrscheibe /, so daß nunmehr der Stecker in die Steckdose eingeführt werden kann. Die Prüfvorrichtung wird nach erfolgter Einführung des Steckers wieder abgeschaltet, da eine Überbrückung der Hülsen m und η infolge der Isolierhülse t nicht mehr stattfindet.

Wird jedoch aus irgendeinem Grunde der Stecker in der in der Abb. 2 gezeichneten Stellung längere Zeit festgehalten, gleichgültig, ob die Einführung des Steckers frei oder gesperrt ist, so wird nach einer gewissen Zeit infolge der Erwärmung der Bimetallschalter e ansprechen und den Prüfstromkreis unterbrechen.

Der Prüfstromkreis braucht nur verhältnismäßig kurze Zeit eingeschaltet zu sein, um feststellen zu können, ob die Erdung bzw-Nullung in Ordnung ist. Um die Zeitdauer des Einschaltens unabhängig von dem den Apparat Bedienenden zu machen, kann eine Vorrichtung angebracht werden, z. B. ein Schnappschalter mit Totpunktfeder ο. dgl., der bei Einführung des Hilfssteckerstiftes betätigt wird und den Prüfstromkreis vorübergehend schließt.

Wie die Abb. 3 a zeigt, stellt der Widerstand R bei Anwendung der Erdung die Summe dar der Einzelwiderstände des Außenleiters R_a, der Schutzerde R_s und der Betriebserde R_b. Bei Anwendung der Nullung (gestrichelte Leitung) tritt an Stelle von R_s + R_b der Widerstand des Nulleiters R₀. Die Hilfskontakte 0, p, s, t entsprechen den mit den gleichen Buchstaben bezeichneten Kontakten der Abb. 3. Sie werden bei Betätigung des Schalters gemäß der Erfindung vorübergehend geschlossen, wobei der Magnet mit der Wicklung«; kurzzeitig erregt wird und die Kontakte in die Einschaltstellung zieht, sofern der Widerstand R hinreichend klein ist. S5

In Abb. 3 ist die Prüfvorrichtung nach der Erfindung in Verbindung mit einem Sehalter dargestellt. Es stellen α und b die Anschlußklemmen dar, und zwar sind α die Zuleitungs- ' und b die Ableitungsklemmen. Die Klemmen b sind über die flexiblen Verbindungen c mit den Kontakten d und e verbunden, von denen der Nulleiterkontakt e bei Betätigung des Schalters mit Voreilung schließt. Der Schaltgriff f ist mit der Schalterwelle k derart gekuppelt, daß auf mechanischem Wege mittels des am Schaltgriff / angeordneten Nockens g und des mit der Schalterwelle k fest verbundenen Vorsprunges I eine Ausschaltung, dagegen aber keine Einschaltung erfolgen kann. Am Schaltgriff / ist ein Kontaktsegment t angeordnet, daß bei Drehung des Schaltgriffes / mit dem Hilfskontakt s, der als Doppelkontakt ausgebildet ist, in Berührung kommt und Kontakt gibt. Außerdem sind am Schaltgriff / zwei Nocken h und i angeordnet, die sich bei Drehung des Schaltgriffes / jeweils gegen den Hilfsschalter m legen und diesen in seine jeweilige Endlage bringen. Am Hilfsschalterw ist eine Totpunktfeder η vorgesehen, die eine plötzliche Schaltbewegung des Hilfsschalters m hervorruft. Bei dieser Schalt-

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bewegung kommt das Kontaktstück ο des Schalters m mit dem Hilf skontakt p, der ebenfalls als Doppelkontakt ausgebildet ist, kurzzeitig in Berührung. Der vordere Kontakt S des Hilfskontaktes ρ ist mit der Spule des Magneten w leitend verbunden, die über den Prüfwiderstand R₁ an Phase liegt, während der hintere Kontakt des Hilf skontaktes ρ mit dem hinteren Kontakt des Hilfskontaktes s in ίο leitender Verbindung steht. Sein vorderer Kontakt ist ferner mit dem Nulleiter q leitend verbunden, so daß bei Drehung des Schaltgriffes/ ein Stromkreis von Phase über Widerstand R₁, Magnetspule w, vorderen Kontakt von Hilf skontakt p, Kontaktstück o, hintere Kontakte der Hilf skontakte p und s, Kontaktsegment f und vorderen Kontakt von Hilf skontakt s zum Nulleiter geschlossen ist. Auf der Schaltwelle k ist ein dreifacher Knie- hebelu angeordnet, der durch den Ankerndes Magneten w betätigt wird. Zur Einstellung des Ankers χ ist eine besondere Feder y mit einer Einstellschraube s vorgesehen. Die Einschaltung erfolgt durch die einerseits am Kniehebel« und andererseits am Schaltgerät angeordnete Feder v.

Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende: Wird der Schaltgriff/ entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht, so kommt einerseits das Kontaktsegment t mit dem Doppelkontakt ί in Berührung und andererseits legt sich die Nocke i gegen den Hilfsschalter m und bewegt diesen im Uhrzeigersinn. Der Hilfsschalter m dreht sich so weit, bis eine Totpunktfeder η wirksam wird, so daß er plötzlich in seine entgegengesetzte Endlage springt. Bei dieser Bewegung wird kurzzeitig • der Doppelkontakt ρ berührt, so daß ein Prüfstromkreis von der Phase über den Prüfwiderstand R₁ und Magnetspule w zum Nullleiter q geschlossen ist. Nach Schließung des Prüfstromkreises wird der Anker s des Magneten w angezogen, so daß dieser schlagartig auf den Kniehebel u wirkt. Die Einschaltfeder w wird dann wirksam und bringt die Kontakte d und e zum Schließen. Die Zeit der kurzzeitigen Schließung des Prüfstromkreises kann zwangsläufig durch die Wahl der Feder η und entsprechende Bemessung der zu bewegenden Massen festgelegt werden.

Ist dagegen die Nullung oder Erdung nicht in Ordnung und wird die Spule des Magneten w nicht hinreichend erregt, so ist ein Einschalten des Schalters unmöglich, da der Anker χ nicht angezogen wird und eine mechanische Einschaltung durch die besondere Konstruktion nicht möglich ist.

Die Ausschaltung des Schalters erfolgt

durch Drehung der Schalterwelle k mittels des Handgriffes / im Uhrzeigersinn, und zwar legt sich der Nocken g gegen den Vorsprung / an der Schalter welle k, so daß diese mitgenommen wird. Gleichzeitig bringt der am Schaltgriff / angeordnete Nocken h den Hilfsschalter» wieder- in die Anfangsstellung, nachdem vorher der Prüfstromkreis an dem Hilf skontakt ί durch das Kontaktsegment t unterbrochen worden ist, so daß während der Ausschaltbewegung keine Schließung des Prüfstromkreises erfolgt.

Die Prüfvorrichtung kann mit einem Selbstschalter mit Freiauslöseschloß, z. B. einem überstromautomaten, dadurch verbunden werden, daß diese auf das Freiauslöseschloß wirkt und eine Einschaltung nur dann gestattet, wenn die Prüfung einen genügend kleinen Widerstand ergeben hat.

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Überprüfung der Wirksamkeit der Erdung und Nullung, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltung eines Stromkreises davon abhängig gemacht wird, daß der Widerstand (R) der gesamten Strombahn, die bei Auftreten eines Körperschlusses vom Strom durchflossen wird, einen ganz bestimmten, für die Sicherheit der Abschaltung des Körperschlusses durch eine vorgeschaltete Sicherung oder einen vorgeschalteten Selbstschalter maßgebenden Wert nicht überschreitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schalter in die Einschaltstellung nur mittelbar durch das Ansprechen eines Elektromagneten gebracht werden kann, dessen Ansprechstromstärke (/) gleich der wirksamen Betriebsspannung (U), geteilt durch den Widerstand (R), zuzüglich des Widerstandes der Wicklung des Elektromagneten einschließlich eines etwa noch in Reihe mit" demselben liegenden Vorschaltwider-

standes (R₁) gewählt ist I / = ~^r^~ I

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfstromkreis durch die Einschaltbewegung zwangsläufig nur für die Zeit geschlossen wird, die zum ordnungsgemäßen Ansprechen des Elektromagneten erforderlich ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Kontaktanordnung der Prüfstromkreis nur während der Einschaltbewegung geschlossen wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum thermischen Schutz der Spule des Elektromagneten und eines etwaigen Vorwiderstandes ein

Thermostat oder Wärmeauslöser angeordnet ist, der bei Überschreitung einer gewissen Temperatur den Prüfstromkreis unterbricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch ι und 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe in einem Schalter mit Freiauslöseschloß derart angeordnet ist, daß eine Einschaltung nur dann erfolgt, wenn die Prüfung einen genügend kleinen Widerstand (R) ergibt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen