DE617225C - Schutzschaltung gegen die beim Bruch vom Nulleiter auftretenden zu hohen Beruehrungsspannungen der Nulleiter innerhalb von Verteilungsnetzen - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

AUSGEGEBEN AM
15. AUGUST 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

JVl 617225 KLASSE 21c GRUPPE 6870

21C A 22$.

Patentiert im Deutschen Reiche vom 28. Mai 1930 ab

Zum Schutz von Verbraucherapparaten gegen das Auftreten einer zu hohen Berührungsspannung an ihrer Masse bedient man sich der sogenannten Heinisch-Riedl-Schutzschaltung. Bei ihr ist die Masse des Verbraucherapparates, an der das Auftreten einer gefährlichen Berührungsspannung verhütet werden soll, an eine sogenannte Fehlerstromspule angeschlossen, welch letztere geerdet ist, so daß sie zwischen der Verbrauchermasse und einer Erdung liegt. Entsteht an der Verbrauchermasse, etwa dem Gehäuse eines Elektrokochers, eine gefährliche Berührungsspannung,: so fließt von der genannten Masse über die Fehlerstromspule ein Strom solcher Stärke zur Erde, daß der Anker der Fehlerstromspule angezogen wird und durch diese Bewegung den Installationsschutzschalter zum Ansprechen bringt.· Hierdurch wird der betreffende Verbraucherapparat vom Netz, durch das er zuvor gespeist wurde, getrennt. Grundsätzlich müßte man, um die Gefährdung von Lebewesen durch gefährliche Berührungsspannungen zu beseitigen, alle Anschlußanlagen in der angegebenen Art schutzschalten. Es erwies sich jedoch als unmöglich, diesen Gedanken allgemein durchzuführen, weil Millionen von alten Anlagen von Grund auf geändert und mit Installations-Schutzschaltern mit Fehlerstromrelais hätten ausgerüstet werden müssen. Millionen von Anschlußgeräten.' waren aber genullt, weil bisher die VDE-Mußvorschrift bestand, daß dort, wo ein geerdeter Nulleiter erreichbar ist, dieser zum Nullen der Anschlußgeräte zu verwenden sei. Für die genullten Körper besteht jedoch die große Gefahr, daß sie sehr hohe Berührungsspannungen über den Netznulleiter erhalten können, falls durch Vorgänge im Netz selbst dieser zu hohe Beruhrungs spannung¹ annimmt. Daher entstand die Aufgabe, den Nulleiter des Niederspannungsverteilungsnetzes in seiner ganzen Länge zu schützen. Die Lösung dieser Aufgabe sollte der sogenannte Heinisch-Riedl-Stationsschalter bringen, worunter man einenStationsschalter versteht, der eine Fehlerstrom- oder Spannungsspule aufweist, die einerseits in der Station an den Nulleiter angeschlossen und an ihrem anderen Ende geerdet ist, und deren Anker auf das Schloß des Stationsschalters einwirkt.

Der Netznulleiter kann entweder über seine ganze Länge oder nur auf einem Teil seiner Ausdehnung eine zu hohe Berührungsspannung erhalten. Schwere Erdschlüsse eines Phasenleiters bedingen in der Regel eine generelle Spannungserhöhung im Nulleiternetz. Diese kann durch die Spannungsspule des in der Station befindlichen Stationsschalters, die eine Ab-Schaltung des ganzen Netzes von der Station bewirkt, beseitigt werden.,

Bei Kurzschlüssen am Ende langer Stichleitungen zwischen Phasenleiter¹ und Nulleiter entsteht längs des Nulleiters ein Spannungsabfall, der sich als zu hohe Berührungsspan-

nung in den genullten, aber nicht schutzgeschalteten Anlagen auswirkt. Dabei mag aber die Nulleiterspannung _ gegen Erde in der Station so gering bleiben, daß die Spannungsspule des Stationsschalters diesen nicht zum Ansprechen bringt. Gegen diese Möglichkeit suchte man sich durch Einbau eines Nulleiterauslösers im Stationsschalter zu schützen, der beim Überschreiten einer unzulässigen NuIlleiterstromstärkeden Stationsschalter zum Ansprechen bringt.

Trotz dieser Vorkehrungen ist jedoch ein erheblicher Teil der verbliebenen Unfälle auf ein Reißen, des Nulleiters zurückzuführen, bei welchem infolge einseitiger Netzbelastung das der Station abgelegene Nulleiterende eine sehr hohe Berührungspannung annimmt. Ein derartiger gefährlicher Fehler kann in der Station unmittelbar überhaupt nicht nachgewiesen werden, so daß die genullten Anschlußgeräte in Netzen mit einer Betriebsspannung von 380/220 V Berührungsspannungen bis 220 V annehmen können, ohne daß diese Gefahr irgendwie angezeigt oder beseitigt wird.

Die Häufigkeit der durch Nulleiterbruch verursachten unzulässigen Berührungsspannungen ist deshalb besonders groß, weil man in Freileitungen aus Gründen der Materialersparnis für den Nulleiter einen schwächeren Querschnitt als für die Phasenleiter wählt und infolgedessen die Bruchgefahr des Nullleiters größer als die der Phasenleiter ist.

Im Hinblick auf die beim Nulleiterbruch entstehenden gefährlichen Berührungsspannungen hat man versucht, das Ende jedes Nulleiterausläufers möglichst gut zu; erden. Damit . wollte man für den Fall des Nulleiterbruches bei einfeitiger Belastung des Netzes eine erhebliche Absenkung der Berührungsspannung am abgetrennten Nulleiterende erreichen. Wenn jedoch der Nulleiter seiner Länge nach und in seinen Verzweigungen an den. verschiedensten Stellen geerdet ist, wird beim Erfolgen eines Nulleiterbruches in der Nähe des Endes der Nulleitung ungeachtet seiner guten Erdung eine hohe Berührungsspannung auftreten. Denn das Verhältnis der Berührungsspannungen in dem abgetrennten NuIlleiterende und dem am Transformator liegenden Nulleiterteil ist dem Verhältnis der zugehörigen Erdungswiderstände gleich. Infolgedessen bleibt auch die an der Fehlerstromspule des Stationsschalters liegende Spannung so niedrig, daß der Schalter nicht zum Ansprechen gebracht wird.

Dieser Mangel ist für die Einführung von Stationsschaltern mit Fehlerstromspule zwischen Nulleiter und Hilfserdung bisher überaus erschwerend gewesen. Die Erfindung, die als Zusatzeinrichtung zu dem genannten Schalter aufgefaßt werden kann, beseitigt den Mangel jedoch restlos, so daß der allgemeinen Einführung des sogenannten Heinisch-Riedl-Stationsschalters nichts mehr im Wege steht. In der Zeichnung dienen die Fig. ι und 2 zur näheren Erläuterung der Verhältnisse, die der Erfindung zugrunde liegen, wogegen die

Fig. 3 und! 4-zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen.

Gemäß Fig. 1 ist der Nullpunkt der Sekundärseite ι eines Drehstromtransformators an die Erdung SB angeschlossen. Zwischen dem · Nulleiter 0 und dem Phasenleiter T der drei Phasen R₁ S, T liegt die einseitige Belastung 2. Das Entstehen einer Unterbrechung 3 im Nulleiter 0 hat zur Folge, daß ein Strom von der Phase T über die! Belastung 2, den genullten Körper 4 und den ihn berührenden Mensehen S zur Stationserdung SB fließt. Durch ein Voltmeter 6, das einerseits an den Nullleiter und andererseits an eine Sonde 7 angeschlossen ist, kann man sich leicht davon überzeugen, daß die einseitige Belastung eine Berührungsspannung von der Höhe der vollen Phasenspannung zur Folge hat, die in einem Netz von 3S0/220 V genau 220 V ausmachen " würde, während bereits 40 V als Gefahrengrenze für Menschen betrachtet werden.

Fig. 2 dient zur Vefanschaulichung des Einflusses von möglichst vielen guten Erdungen SE_i:, SE₂ usw. des Nulleiters. In dieser Figur ist ferner der Überstromschalter 8 der Station, von der das Netz ausgeht, dargestellt, auf dessen vorzugsweise Freiauslösung aufweisende Sperrung 9 der Anker der Fehlerstromspule ι o, die zwischen dem Nulleiter O und einer Hilfserdung HE liegt, bei zu hoher Berührungsspannung am Nulleiter einwirkt. Wenn beispielsweise in der PhaseR ein schwerer Erdschluß ES entsteht, dann fließt ein Strom von der Phase über die Erdschlußstelle ES und die Nulleitererdung SE nach dem Nullpunkt des Transformators. Dieser i°5 Erdschlußstrom ist annähernd gleich der Phasenspannung dividiert durch die Summe der beiden durchflossenen Erdungswiderstände. Der Nulleiter nimmt eine Berührungsspannung an, die der Erdschlußstromstärke mal dem Widerstand SE der Stationserdung gleich ist. Wenn diese Berührungsspannung ein unzulässiges Maß überschreitet, so löst der Anker der Spule 10 die Sperrung 9 des Freiauslöseschlosses des Stationsschalters 3 aus, ¹¹S so daß alle drei Phasen und hierdurch auch die Fehlerstelle im Netz abgeschaltet werden. Wenn jedoch der Nulleiter O an der Stelle 3 bricht, so daß nur die letzte Erdung EE am Ende des Nulleiters eine Erdung der abgetrennten Strecke 11 bewirkt, so fließt ein Strom durch den Belastungs widerstand 2

nach der Enderdung EE und von dort über die Erdungen SE, SE₁, SE₂ usw. zum Nullpunkt des Transformators. Die Berühungsspannung zwischen dem abgetrennten NuIl- -leiterende ir und dem Stationsende 12 verteilt sich nach Maßgabe der beiderseitigen Erdungswiderstände. Ist der an die Station angeschlossene Nulleiterteil 12 mehrfach geerdet, etwa da viele Netzausläufer von der Station abgehen, deren Nulleiter alle gut geerdet sind, dann bleibt die Berührungsspannung im Nulleiterteil 12 sehr niedrig, wogegen im abgetrennten Teil 11 die Spannung um so höher steigt. Es kann also in diesem Falle der von der Spule 10 bewegbare Anker die Auslösung des Schalters 8 nicht herbeiführen, so daß die Gefahr der übermäßigen Berührungspannung auf der abgetrennten Nulleiterstrecke 11 dauernd bestehen bleibt.

Allen mit diesem Nulleiterende gewollt oder ungewollt, unmittelbar oder mittelbar verbundenen Körpern würde die gefährliche Berührungsspannung aufgedrückt werden.
Erfindungsgemäß soll im Verteilungsnetz außerhalb der Station mindestens eine zwischen den. Nulleiter und eine Erdung geschaltete Fehlerstromspule und eine ihr zugeordnete Einrichtung zum Kurzschließen der Phasenleiter vorgesehen werden, die derart zusammenwirken, daß beim Auftreten einer unzulässigen Berührungsspannung an der Nulleiterstelle, an welche die Fehlerstromspule angeschlossen ist, diese die Kurzschlußeinrichtung in Tätigkeit setzt, so daß zunächst ein Kurzschluß zwischen den Phasenleitern entsteht und sodann infolge des Überstroms, den dieser Kurzschluß zeitigt, entweder die Überstromauslöser oder ein Überstromsignalgerät des Stationsschalters ansprechen. Die Fehlerstromspule und die ihr zugeordnete Kurzschlußeinrichtung werden zweckmäßig am Ende des zu schützenden Verteilungsnetzes angeordnet.

Das Prinzip der Abschaltung durch Herstellung eines Kurzschlusses ist bereits bekannt. Die Erfindung besteht in der Anwendung dieses Prinzips in der oben angegebenen Art, um im Fall des Nulleiterbruchs bei einseitiger Belastung das Entstehen von gefährliehen Berührungspannungen zu verhüten.

Gemäß Fig. 3 ist außerhalb der Station, und zwar am Ende der Leitung, ein Fehlerstromrelais vorgesehen, dessen Spule 13 mit einem Ende an den Nulleiter 0 und mit dem anderen Ende an die Hilfserde HE₂ angeschlossen ist. Bei zu hoher Berührungsspannung infolge des Nulleiterbruchs 3 zieht die Fehlerstromspule 13 einen Anker 14 an, der seinerseits die eigentliche Kurzschlußeinrichtung 15 betätigt, so daß sie die drei Phasen R, S, T und den Nulleiter O miteinander verbindet. Hierdurch entsteht am Ende der drei Phasenleiter R₁ S, T ein neutraler Punkt, der zunächst gegen Erde annähernd die gleiche Spannung aufweist wie das Stationsende 12 des Nulleiters. Es ist also zunächst die Gefahr des abgetrennten Nulleiterendes beseitigt. Durch den vom Kurzschließer 15 hervorgerufenen Kurzschlußstrom wirken die Überstromauslöseorgane 16 des Stationsschalters 8 auf die Schaltersperrung 9 und veranlassen hierdurch den Schalter 8 zum Abschalten der gefährlich gewordenen Strecke.

Da in dem Augenblick des Kurzschließer das Nulleiterende 11 gegen Erde keine Spannung mehr aufweist, wird auch die Spule 13 die Kurzschlußemrichtung 15 nicht mehr geschlossen halten können, so daß ein Flattern des Kurzschließers eintreten müßte. Um dieses Flattern zu verhindern, wird der Kurzschließer 15 durch drei kleinere Hauptstrommagnete 17, die im Zuge der Phasenleitungen R, S, T liegen, so lange in der Kurzschlußstellung festgehalten, bis die Auslöser 16 des Stationsschalters 8 seine Abschaltung herbeigeführt haben. Erst dann wird der Kurzschließer 15 unter dem Einfluß einer Gegenkraft, etwa derjenigen einer Feder, eines Gewichtes o. dgl., in die Ausschaltstellung zurückbewegt. Sofern der Fehler auf der Linie wieder behoben ist, kann der Stationsschalter wieder eingeschaltet werden, ohne daß ein erneutes Kurzschließen der Phasen erfolgt.

Falls die Spannungsspule 13 nicht derart bemessen werden könnte, daß sie in der Lage ist, die Kurzschlußeinrichtung 15 zu bewegen, so hätte der durch sie bewegte Bauteil zusätzliche Kräfte auszulösen, die stark genug sind, den Kurzschließer einzuwerfen. Diese zweite Kraftquelle kann beliebiger Art sein. Sie kann beispielsweise aus einem Zugmagneten bestehen, der an die Phasen selbst angeschlossen ist. Sie könnte auch durch einen Motor, eine Feder o. dgl. gebildet sein.

Bei der vorbeschriebenen Anordnung könnte eine Schwierigkeit eintreten, falls in einer am Ende des Netzes abgezweigten Hausanschlußanlage ein Kurzschluß zwischen einer Phase und dem Nulleiter entsteht. In diesem Falle würde, solange die Überstromauslöser in der Hausanschlußanlage nicht den Kurzschlußstrom abgeschaltet haben, zwischen Nulleiter und Erder HE₂ eine Potentialdifferenz entstehen können, die groß genug ist, um den Anker der Spule 13 auch bei vollkommen unbeschädigtem Nulleiter zum Ansprechen zu bringen. In; diesem Falle würde natürlich eine unnötige und unerwünschte Ausschaltung des Netzes erfolgen. Eine solche Ausschaltung könnte auch erfolgen, wenn in einer Anschlußanlage ein schwerer Erdschluß auftritt, der in den Nulleitererdungen der-

artige Spannungsverluste erzeugt, daß der Nulleiter seiner ganzen Länge nach unter erhöhte Spannung kommt. Ein so schwerer Erdschluß kann naturgemäß selbst bei kleinen Stromverbrauchern auftreten, die' nur durch eine schwache Sicherung gesichert sind. Es kann ■ beispielsweise der kleine Motor einer Hauswasserversorgungsanlage Körperschluß bekommen. Dieser¹ Motor ist durch den Brun-ίο nenschacht und die Wasserleitung in der Regel ausgezeichnet geerdet. Seine Sicherung ist jedoch oft für 6 oder io'A bemessen. Es wird also, solange die kleine Sicherung am Pumpenmotor noch nicht zum Abschmelzen ^r5 gekommen ist, eine vorübergehende Spannungserhöhung im ganzen Nulleiter auftreten. Um alle diese unnötigen Störungsfälle zu beseitigen, wird vorgeschlagen, den von der Fehlerstromspule bewegten Bauteil, der dazu dient, den Kurzschließer zum Ansprechen zu bringen, und der entweder durch einen gewöhnlichen Anker oder durch eine Ferrarisscheibe gebildet sein kann, mit einer Verzögerungseinrichtung zu versehen, durch deren Einfluß die Kurzschlußeinrichtung erst dann wirksam werden kann, wenn die gefährliche Berührungsspannung des Nulleiters, nach Ablauf einer geringen Zeitspanne durch die Wirkung anderer Sicherungseinrichtungen nicht beseitigt ist.

Die Kurzschlußeinrichtung nebst Fehlerstromrelais werden zweckmäßig in ein Gehäuse aus Metall oder Isolierstoff derart eingeschlossen, daß sie den Einflüssen der umgebenden Atmosphäre entzogen sind. Zweckmäßigerweise wird man ein derartiges Kurzschließergehäuse am Ende der Freileitung auf den letzten Mast setzen oder bei der letzten Haus einführung in oder vor dem Haus vorsehen. In Kabelnetzen ist sinngemäß zu verfahren.

Handelt es sich um sehr lange Netze, bei denen zu befürchten ist, daß die Widerstände der Phasenleitungen R, S, T zu groß sind, um den; zum Ansprechen der Auslöser i6 notwendigen Kurzschlußstrom entstehen zu lassen, so können im Leitungszug an geeignet angeordneten Stellen Zwischenkurzschließer 15', d. h. zusätzliche Kurzschlußeinrichtungen, vorgesehen werden, wie aus Fig. 4 hervorgeht. Diese Einrichtungen können entweder ebenso beschaffen sein wie diejenige ,am Ende der Leitung, sie können jedoch auch durch Einrichtungen beherrscht werden, die beim Auftreten von Überströmen in den Phasen^· leitungen i?, O¹, T wirksam werden. Die gemäß Fig. 4 in· den Phasenleitungen liegenden Überstromspulen 18 sind für denjenigen Anzugstrom bemessen, der durch das Kurzschließen des letzten Kurzschließers 15 in der Leitung entsteht. Zweckmäßig werden derartige Hauptstromkurzschließer mit entsprechender Verzögerung arbeiten, da sie bei der normalen Last nicht ansprechen dürfen. Auch in geschlossenen Ringnetzen, kann die gleiche Anordnung sinngemäß verwendet werden. Die Erdung des die Phasenle'itungen R, S, T kurzschließenden Gliedes ist zweckmäßig, jedoch nicht unbedingt erforderlich.

Claims (7)

1. Patentansprüche:

   i. Schutzschaltung gegen die beim Bruch von Nulleitern auftretenden zu hohen Berührungsspannungen der Nulleiter innerhalb von Verteilungsnetzen, in deren Station entweder Überstromauslöser für einen dort befindlichen Selbstschalter oder ein Überstromsignalgerät für einen dort befindlichen Betätigungsschalter vorhanden! sind, dadurch gekennzeichnet, daß im Verteilungsnetz außerhalb der Station mindestens eine zwischen den Nulleiter (O) und eine Erdung [HB₂) geschaltete Fehl er stromspule (13) und eine ihr zugeordnete Einrichtung (15) zum Kurzschließen der Phasenleiter (R, S₁ T) vorgesehen sind, die derart zusammenwirken, daß beim Auftreten einer unzulässigen Berührungsspannung aru der Nulleiterstelle, an welche die Fehlerstromspule an- - geschlossen ist, diese die Kurzschlußeinrichtung in Tätigkeit setzt, so daß zunächst ein Kurzschluß zwischen den Phasenleitern entsteht und sodann infolge des Überstroms, den dieser Kurzschluß zeitigt, entweder die Überstromauslöser oder das Überstromsignalgerät des Stationsschalters ansprechen.
2. 2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fehlerstromspule (13) und die ihr zugeordnete Kurzschlußeinrichtung (1 S) am Ende des zu schützenden Verteilungsnetzes angeordnet sind.
3. 3. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kurzschlußeinrichtung (15) unter dem

   ' Einfluß von Kräften (17) steht, die durch den Überstrom wirksam werden, den die Kurzschlußvorrichtung im Wirkungsfall hervorruft, und die sie in der Kurzschlußstellung so lange festhalten, bis durch den Stationsschalter das Netz abgeschaltet worden ist, sie jedoch dann dem Einfluß anderer Kräfte freigeben, die sie außer Wirksamkeit setzen, so daß der durch sie ■ hervorgerufene Kurzschluß zu bestehen aufhört.
4. 4. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Fehlerstromspule (13) bewegte

   Bauteil (14) zusätzliche Kräfte auslöst, welche die Kurzschlußeinrichtung (15) in die Kurzschlußstellung bewegen.
5. 5. Schutzschaltung nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Fehlerstromspule (13) bewegte Bauteil (14) mit einer Verzögerungseinrichtung versehen ist, durch deren Einfluß die Kurzschlußeinrichtung (15) erst dann wirksam werden kann, wenn die gefährliche Berührungsspannung des Nulleiters (O) nach Ablauf einer geringen Zeitspanne durch die Wirkung anderer Sicherungseinrichtungen nicht beseitigt ist.
6. 6. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Verteilungsnetz zusätzliche Kurzschlußeinrichtungen (15') vorgesehen sind, die entweder von Spulen (13') beherrscht wer-' den, die zwischen dem Nulleiter (O) und ao einer Erdung liegen, oder von Einrichtungen (18), die beim Auftreten von Überströmen in den Phasenleitungen (R, S, T) wirksam werden.
7. 7. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Phasenleitungen (R, S, T) kurzschließende Glied geerdet ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen