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Elektrischer Schalter mit Fehlerstromauslösung, insbesondere als Berührungsschutz
Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schalter, welcher bei Auftreten
eines Fehlerstromes, sei es bei verschlechterter Isolation oder bei Berührung der
Leitung durch eine Person, den betreffenden Stromkreis selbsttätig abschaltet.
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Bei den bisherigen Schaltern dieser Art besteht die Schwierigkeit,
den Schalter genügend empfindlich zu machen, so daß der auftretende Fehlerstrom
für die berührende Person nicht schädlich wirkt, aber trotzdem ausreicht, um die
Auslösung des Schalters zu bewirken. Dazu kommt noch die weitere Forderung, daß
die Abschaltung in möglichst kurzer Zeit (möglichst in etwa 1/10o Sekunde) erfolgen
soll, weil die Schädigungsgefahr bei Berührung um so geringer ist, je schneller
die Abschaltung erfolgt.
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Im Interesse einer schnellen Abschaltung ist es erwünscht, den Auslösemagneten
unmittelbar auf das mechanische Schaltschloß einwirken zu lassen unter Vermeidung
des Umweges über ein weiteres elektrisches Verstärkungsrelais. Die unmittelbare
Einwirkung des Auslösemagneten auf das Schältschloß macht aber im allgemeinen auch
einen stärkeren Auslösestrom erforderlich. Dieses ist aber unerwünscht, weil der
Auslösestrom im Falle der Berührung durch den menschlichen Körper hindurchgehen
muß.
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Die Aufgabe, schon durch einen geringen Fehlerstrom ein schnelles
und zuverlässiges Abschalten des Stromkreises zu bewirken, ist nun erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß der Auslösemagnet durch einen im Sinne des Fehlerstromes wirkenden
und vom Betriebsstrom unabhängigen Hilfsstrom vorbelastet wird. Dieser Hilfsstrom
erzeugt schon ein gewisses Feld konstanter Größe, welches so bemessen werden kann,
daß es nahe an der Auslösegrenze liegt, so daß nur noch ein ganz geringer Fehlerstrom
hinzuzukommen braucht, um die Auslösung zu
bewirken. Insbesondere
zeigt sich deseorteiL-hafte Wirkung bei Wechselstromanfag,, weil dann durch den
zur Vorbelastung dienenden Hilfsstrom die erforderliche Ummagnetisieruz arbeit geleistet
wird und nur noch ein gei Zusatz für die Feldschwächung bzw. verstärkung hinzuzukommen
braucht, um'Me' Auslösung zu bewirken. Vorteilhaft wird in diesem Falle ein polarisiertes
Relais mit einem permanenten Magneten verwendet, dessen Magnetfeld durch die wechselstromgespeiste
Hilfsstromwicklung in Schwankungen versetzt wird, und zwar so, daß das Feld an seinen
Tiefpunkten schon nahe an der Auslösegrenze liegt, so daß durch den hinzukommenden
Fehlerstrom die Feldschwankung nur noch wenig verstärkt zu werden braucht, um die
Auslösung herbeizuführen.
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Der Hilfsstrom kann zweckmäßig über eine Glimmlampe oder über einen
anderen Widerstand geleitet und dadurch in bestimmter Größe. gehalten werden. Die
Verwendung einer Glimmlampe hat den Vorteil, daß dadurch neben der Hilfsstrombemessung
gleichzeitig die Bereitschaftsstellung des Schalters angezeigt wird.
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Auf der Zeichnung ist die Erfindung in zwei Ausführungsbeispielen
dargestellt, und zwar zeigt Fig. i eine Ausführung mit Differentialstromwandler,
Fig. 2 eine Ausführung, beider die Differentialwicklung mit einer Hilfsstromwicklung
unmittelbar auf dem Auslöserelais angebracht ist.
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In den dargestellten Beispielen sind a und b
die beiden
Zuleitungen, und c ist der unter dem Einfluß einer Feder d stehende Selbstausschalter,
welcher in eingeschaltetem Zustande durch einen Riegel f gehalten ist. Der
Riegel - f ist durch eine nicht dargestellte Feder für gewöhnlich in der
gezeichneten Sperrlage gehalten und kann gemäß Fig. i durch eine Auslösespule g
ausgelöst werden.
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I4inter dem Schalter c ist gemäß Fig. i ein Differentialstromwandler
angeordnet, welcher zwei mit gleicher Windungszahi versehene aber entgegengesetzte
Wicklungen i, k trägt, von denen die eine vom zugeführten Strom, die andere vom
abgeführten Strom durchflossen wird. Die Belastung des Stromkreises ist durch Glühlampen
m angedeutet. Auf dem Differentialstromringwandler ist eine Hilfswicklung o angebracht,
deren Enden an die Auslösespule g ' angeschlossen sind. Schließlich ist das Ende
der einen Primärwicklung mit dem Anfang der anderen Primärwicklung über eine Glimmlampep
verbunden. -Infolge dieser besondern Verbindung stellt die Glimmlampe eine einseitige
Vorbelastung für die Differentialwicklung dar, und zwar eine Vorbelastung konstanter
Größe, da dieser Hilfsstrom von der übrigen Belastung des Stromkreises unabhängig
ist. Die Wirkungsweise dieser "Vorrichtung ist kurz folgende: Bei Belastung des
Stromkreises mit den lühlampen m oder anderen Stromverbrauchern keßt durch die beiden
gegeneinandergeschalten Transformatorenwicklungen i k der gleiche e,et'rom, so daß
sich die magnetischen Wirkungen gegenseitig aufheben und in der Hilfsspule o keine
Spannung erzeugt wird. Durch den gemäß der Erfindung- angeordneten Hilfsstromkreis
über die Glimmlampe p wird der Stromfluß in der Primärwicklung i um einen bestimmten
Betrag verstärkt, so daß eine geringe Gleichgewichtsverschiebung auftritt und in
der Hilfswicklung o ein - schwacher Strom erzeugt wird, welcher durch die Auslösespule
g fließt, aber so bemessen ist, daß er noch nicht ausreicht, um die Auslösung des
Schalters zu bewirken. Tritt nun ein Fehlerstrom F z. B. bei Berührung durch eine
Person oder bei Auftreten eines Isolationsfehlers an irgendeinem Punkt der Verbrauchsleitung
auf, so wird dadurch der Mehrstrom in der Primärwicklung i weiterverstärkt und dementsprechend
auch der Strom in der Hilfsspule o und in der Auslösespule g, so daß dadurch die
Auslösung des Schalters bewirkt wird.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich vom ersten
Ausführungsbeispiel im wesentlichen nur dadurch, daß die beiden Primärspulen
i, k der Verbraucherleitung unmittelbar auf den Magnetschenkeln eines polarisierten
Relais angebracht sind, während der zur Vorbelastung dienende Hilfsstrom über eine
Wicklung r auf den dritten Magnetschenkel einwirkt. Diese Einwirkung kann gegebenen-,
falls durch einen nicht mit dargestellten Vorsehaltwiderstand auf das jeweils günstigste
Maß eingestellt werden. Der Anker s des polarisierten Relais steht unter Wirkung
einer Feder t, welche bestrebt ist, den Anker vom Magneten abzuziehen und im Falle
der Ablösung gegen eine Klinke. v schlägt, die den Hauptschalter zur Auslösung freigibt.
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Die Wirkungsweise dieser Einrichtung nach Fig; 2 ist so, daß bei normalem
Betriebe die beiden gegeneinandergeschalteten, ebenfalls wieder mit gleicher Windungszahl
versehenen Primärwicklungen i und k nicht genau den gleichen Strom führen, sondern
daß die Wicklung i bereits einen Zusatzstrom führt, der über die Hilfswicklung y
geleitet wird und in Verbindung mit dieser das Feld des permanenten Magneten schwächt,
aber nur so weit, daß der Anker s noch gerade festgehalten wird. Tritt nun ein Fehlerstrom
F hinzu, so wird dadurch die Feldschwächung so vermehrt, daß der Anker abfällt und
die Abschaltung des ganzen Stromkreises bewirkt. Bei Betrieb der Anlage mit Wechselstrom,
wie es meist der Fall sein wird; wird das Feld des polarisierten Magneten dauernd
im
Rhythmus des Wechselstromes geschwächt und wieder verstärkt, also in leichte Schwankungen
versetzt, wobei die Ummagnetisierungsarbeit von dem Hilfsstrom geleistet wird und
durch den Fehlerstrom lediglich dieser Einfluß noch etwas verstärkt zu werden braucht,
um die Abschaltung zu bewirken.
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Natürlich ist die Erfindung 'nicht auf die dargestellten Beispiele
beschränkt, sondern es sind auch andere Ausführungsformen möglich, insbesondere
könnte die Anlage auch noch mit einem sogenannten Trennschutz (Heinrich Riedl) versehen
sein, d. h. es könnten die Verbraucherapparate, z. B. Glühlampen, Maschinen oder
Geräte, in bekannter Weise mit ihrem Metallgehäuse an eine Hilfsleitung angeschlossen
sein, die über einen Widerstand geerdet-ist und beim Auftreten eines Isolationsfehlers
unter Spannung gerät und dann die Auslösung des Hauptschalters bewirkt.
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Ferner kann der Auslöser gleichzeitig auch noch in an sich bekannter
Weise als Überstromauslösen ausgebildet sein, wobei die Überstromauslösung entweder
durch Elektromagnete oder thermische Relais oder auch durch magnetische Kurzschließung
des Auslösers erfolgen könnte.