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Elektrisches Prüfgerät
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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Prüfgerät für die
Abgabe eines Prüfleckstroms an eine elektrische Schaltung, die eine strombetätigte
Schutzvorrichtung enthält, welche den Stromkreis nach Auftreten eines vorbestimmten
Leckstroms öffnet.
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Benutzer elektrischer Ausrüstungen sind dem Risiko elektrischer Schläge
durch das Schadhaftwerden von elektrischen Isolierungen ausgesetzt. Wo dieses auftritt,
können kleine Leckströme von den aktiven oder Phasenleitern durch die Isolierung
zu leitenden Materialien oder Personen, die sich am Erdpotential befinden, fließen.
Ziemlich kleine Ströme haben bereits pathophysiologisch gefährliche Auswirkungen
oder können sogar zu ventrikulärem Flimmern oder zu Schocktod führen. Normale Stromkreisschutzapparate
wie z. B. Schutzschalter oder Sicherungen gewähren nicht den Schutz des Abschaltens
des Stromkreises von diesen niedrigen Leckströmen, obwohl sie ziemlich wirksam sind
gegen alle direkten Stromwege von den aktiven Leitern zum Erdpotential.
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Strombetätigte Leiterausgleich-(Erdleckage)-Schutzvorrichtungen, auch
bekannt als Reststrom- oder Erdschlußstörung-Schutzvorrichtungen, sehen einen empfindlichen
Schutz gegen kleine Leckströme vor. Die Differenz zwischen dem fließenden Strom
im aktiven und dem neutralen Leiter, welche den Leckstrom darstellt, wird erfaßt
und falls diese eine voreingestellten Wert übertrifft, erzeugt die Vorrichtung ein
Signal zur Betätigung einer Stromkreisunterbrechungseinrichtung.
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Da diesen Schutzvorrichtungen die menschliche Sicherheit anvertraut
ist, ist es wichtig, daß man die Unversehrtheit und Schutzwirksgskeit der gesamten
Installation einschließlich der angeschlossenen Ausrüstung, überprüfen kann. Peri-
odische
Oberprüfungen um sicherzustellen, daß sich die Schutzwirksamkeit wegen Schadhaftwerden
der Isolation oder anderer Stromkreisveränderungen nicht verringert hat, können
unter Verwendung eines tragbaren Prüfgeräts vorgenommen werden, welches an die Steckdosen
oder Schaltungsglieder angeschlossen ist.
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Wo eine Leiterausgleichschutzvorrichtung an eine Verdrahtung angeschlossen
ist, um einen vollständigen Stromkreis zu schützen, welcher einzelne oder Mehrfachsteckdosen
oder individuelle Schaltungsauslässe enthält, ist es möglich, die Wirksamkeit der
Vorrichtung durch Aufschaltung eines bekannten Leckstroms vom aktiven zum Erdleiter
an der Dose oder am Schaltungsglied des Stromkreises zu prüfen. Es sind tragbare
Prüfgeräte bekannt, die durch einen Stecker mit der Dose verbunden werden können,
und bei welchen der Leckagepegel einstellbar ist. Die Einstellung kann direkt erfolgen,
wenn die Ausrüstung mit dem Stromkreis verbunden ist oder als vorangehende Einstellung,
nach der der Leckstrom beim Prüfvorgang dem Stromkreis aufgeschaltet wird.
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Beide beschriebene Methoden würden technisch zufriedenstellend für
die Oberprüfung der Schutzvorrichtung sein, falls sie von geübten Technikern in
Bereichen durchgeführt würden, zu welchen die Öffentlichkeit keinen Zutritt hat.
Sie verursachen jedoch ein unsicheres und mögliches letales Risiko eines Elektroschocks
für Benutzer irgendwelcher Ausrüstungen, die mit dem Stromkreis verbunden sind,
während die Überprüfung vorgenommen wird, falls bestimmte Typen sonst unbekannter
Fehler im Stromkreis vorliegen. Dieses ist eine unannehmbare Situation für die Prüfung
von elektrischen Installationen im häuslichen oder kommerziellen Bereich.
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U. U. können bei einigen Typen von Prüfvorrichtungen Risiken entstehen
durch Verwechselung von Phase- und Nulleiterverdrahtung hinter einer Steckdose.
Das größte Risiko kann auftreten, wenn ein hoher Widerstand oder ein offener Stromkreis
im
Erdleiter der Schaltung vorliegt. In diesem Fall würden während der Oberprüfung
die geerdeten Bereiche aller mit dem Stromkreis verbundenen Ausrüstungen unter Strom
stehen, z. B. alle metallischen Bauteile von Kühlschränken, Waschmaschinen usw.
Hier könnten schwere Schocks eintreten und falls der Erdleiter unterbrochen ist,
könnte die Summenwirkung des kontinuierlich aufgeschalteten Prüfleckstroms und die
Spannung tödlich sein. Ein schadhafter Erdleiter an einer Hauptbedienungstafel könnte
ein ähnliches Schockrisiko verursachen, welches an Ausrüstungen auftreten würde,
die mit anderen Stromkreisen verbunden sind als mit demjenigen der gerade überprüft
wird.
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Falls das Prüfgerät ausgelegt ist zur Prüfung der Kalibrierung von
Schutzvorrichtungen, muß es für einen maximalen Leckstrom ausgelegt sein, der mindestens
so groß ist wie der für die Vorrichtungen spezifizierte. Die Amplitude kann daher
nicht reduziert werden im Interesse der Sicherheit. Falls jedoch die Dauer des Leckstromes
an der Installation hinreichend verringert wird, kann eine Person Zufallskontakt
mit anderen mit dem Stromkreis verbundenen Ausrüstungen herstellen und einen elektrischen
Schock empfangen, aber dieser könnte einen Wert unterhalb der Schwelle für irgendeinen
gefährlichen pathophysiologischen Effekt befinden.
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Eine Studie der medizinischen Aspekte des den menschlichen Körper
passierenden elektrischen Stroms führt zur Feststellung von Auslegungsparametern,
die zur Entwicklung von technischen wirksamen und sicheren Ausrüstungen verwendet
werden können. Das Ausmaß des Elektroschockrisikos ist eine Funktion des Leckstrompegels
und der Aussetzungszeitspanne und wird weiterhin beeinflußt durch den Körperwiderstand,
die Spannung, usw.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisches
Prüfgerät der eingangs bezeichneten Gattung bereitzustellen, welches die Grundlage
für alternative Prüfmethoden bildet, und welches das Risiko letalen Schocks eliminiert
durch Steuerung des Prüfleckstroms, so daß die Kombination von Strom und Zeit sich
unterhalb der gefährlichen Pegel befindet, jedoch noch ausreichend lang ist, um
ein wirksames Ausschaltsignal zur Schutzvorrichtung, beispielsweise Leiterausgleichschutzvorrichtung,
vorzusehen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Prüfgerät der eingangs bezeichneten Gattung
gelöst durch Mittel für die Erzeugung eines Leckstroms einer aus einem vorbestimmten
Bereich auswählbaren Größe, Schaltmittel für Einspeisung des ausgewählten Leckstroms
in die Schaltung und Zeitsteuermittel, welche die Einspeisung des ausgewählten Leckstroms
in die Schaltung begrenzen, derart, daß sich die Zeit-Strom-Charakteristik des Prüfleckstroms
unterhalb der Schwelle befindet, bei welcher gefährliche pathophy-iofoische Auswirkungen
zu erwarten sind.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
2 bis 4.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Darin zeigt: Fig. 1 ein funktionales Blockschaltbild eines Prüfgeräts
für strombetätigte Leiterausgleichvorrichtungen gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung, Fig. 2 eine graphische Darstellung der Zonen der Wirkung von Wechselstrom
(50/60 Hz) auf erwachsene Personen, und Fig. 3 ein Schaltbild einer bevorzugten
Ausführungsform des in Fig. 1 dargestellten Prüfgeräts.
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In Fig. 1 ist das Grundgerät dargestellt für die Aufschaltung eines
Prüfleckstroms auf eine elektrische Schaltung, welche eine strombetätigte Leiterausgleichschutzvorrichtung
enthält, die zur Öffnung einer die Leiterausgleicheinheit enthaltenden Schaltung
nach dem Auftreten eines vorbestimmten Leckstroms ausgebildet ist. Das System besteht
aus einer einstellbaren Wechselspannungsquelle 11 zwischen einer der Zuleitungen
12 und dem Erdleiter 13. Die Spannung kann an einer kalibrierten Scheibe eingestellt
werden oder vorzugsweise an einer Hochimpedanzmeßschaltung 14 angezeigt werden.
Die Impedanz der Meßschaltung 14 sollte derart sein, daß der Pegel des durch den
Erdleiter 13 fließenden Stroms hinreichend klein ist, so daß er selbst bei kontinuierlicher
Einspeisung keinerlei Wirkung auf den Menschen verursacht.
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Eine praktische Begrenzung der Prüfausrüstung ergibt sich aus der
Tatsache, daß der Nulleiter eines Niederspannungsverteilungssystems und insbesondere
der Nulleiter in einer privaten Installation, welcher bei Erdpotential nominal ist,
häufig über Erdpotential ansteigt. Dieses verursacht einige
Probleme
in der Auslegung der Ausrüstung insofern, als es nicht möglich ist, den Nulleiter
als auf dem gleichen Poli eend tential wie der Erdleiter zu betrachten. Die Verwendung
der Hochimpedanzmeßschaltung überwindet dieses Problem indem die Einstellung unabhängig
vom Nullpotential gemacht wird.
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Sobald die Prüfspannung angelegt worden ist, wird die Prüfimpedanz
15 zwischen die Spannungsquelle 11 und den Erdleiter 13 geschaltet, um den gewünschten
Leckstrom, d. h. unausgeglichenen Strom, vorzusehen. Der Schalter 16 ist so ausgebildet,
daß die Kontakte sich für eine voreingestellte Maximalzeit schließen, die so gewählt
werden kann, daß eine hinreichende Arbeitszeit für das Leiterausgleichrelais ermöglicht
wird, jedoch nicht lang genug ist, um irgendwelche gefährliche pathophysiologische
Wirkungen in Menschen hervorzurufen.
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Auf diese Weise können die Prüfbedingungen voreingestellt werden ohne
Erzeugung eines großen Leckstroms, wobei der tatsächliche Auslösestrom nur für eine
verhältnismäßig kurze Zeit aufgeschaltet ist.
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Das Schaltbild eines grundsätzlichen PrüfsYstems ist in Fig. 3 dargestellt.
In diesem Fall besteht die Spannungsquelle 11 aus einem einstellbaren Einspulentransformator
T1, welcher dafür verwendet wird, eine Prüfspannung VT gegen den Erdleiter vor Einleitung
der Prüfung voreinzustellen. Während dieser Zeit befindet sich der Erdleckstrom
auf einem Maximalwert I1, der durch die Meßgerätempfindlichkeit (100 - 200 pA) bestimmt
ist. Sobald die Prüfspannung eingestellt worden ist, wird der Leckstrom durch Betätigung
des Schalters 16 eingespeist. Dies veranlaßt das Relais RL für eine Zeitperiode
zu arbeiten, die bestimmt ist durch die Zeitkonstante RC, wobei R die Parallelkombination
von R2 und dem Spulenwiderstand von RL ist.
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Eine Schließung der Relaiskontakte RL1 vergrößert den Prüfstrom für
die vorbestimmte Zeit auf einen Wert 1PRÜF = I1 + I2
(Spannungsabfall am Meßgerät vernachlässigt)
Da R3 und R4 festliegen, ist der Leckstrom proportional zu VT und daher kann das
Spannungsmeßgerät M1 direkt in Milliamperes des Leckstroms kalibriert werden.
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Wenn der Schalter 16 unterbrochen ist, wird C wieder aufgeladen über
D1 und R1 bis zu einer Spannung, die durch die Zenerdiode D2 bestimmt ist, welche
sich in Serie mit der Leuchtdiode D3 befindet. Die Leuchtdiode D3 zeigt an, wenn
der Kondensator voll geladen ist, worauf das Gerät für einen anderen Prüfimpuls
bereit ist.
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Die Schaltungsausführung und die Elementenwerte für die bevorzugte
Ausführungsform der Erfindung sind ausgewählt worden um sicherzustellen, daß der
der Schaltung eingespeiste Leckstrom während des Prüfens ausreichend ist, um die
Leiterausgleichrelais zu betätigen. Dies erfüllt die Anforderungen der australischen
Norm und befindet sich noch innerhalb der international anerkannten Sicherheitsgrenzen,
wie sie im IEC Report, Veröffentlichung 479, 1974, "Auswirkungen des durch den menschlichen
Körper fließenden Stroms" beschrieben sind. Typische Arbeitsbereiche sind in Fig.
2 aufgetragen, welche die Zonen der Auswirkung von Wechselstrom auf erwachsene Personen
darstellt, wie sie in der IEC-Veröffentlichung beschrieben sind. Die Zonen sind
wie folgt:
Zone 1: Normalerweise keine Reaktionsauswirkung.
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Zone 2: Normalerweise keine pathophysiologisch gefährliche Auswirkung.
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Zone 3: Normalerweise keine Flimmergefahr.
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Zone 4: Flimmern möglich (bis zu 50 z Wahrscheinlichkeit).
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Zone 5: Flimmergefahr (mehr als 50 t Wahrscheinlichkeit).
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Es ist erkennbar, daß der während der Einstellung des Prüfgeräts (d.
h. während die Größe des Leckstroms ausgewählt wird) aufgeschaltete Leckstrom geringer
als 200 pA ist, welcher innerhalb der Zone 1 der Fig. 2 liegt, so daß der Prüfstrom
keine Auswirkungen auf erwachsene Personen hat. Während des Prüfimpulses ist der
Prüfleckstrom auf ein Maximum von 30 mA einstellbar und wird @@@g@@@ altet für eine
Maximal zeit von 250 Millisekunden, so daß die Z@@@-Stromcharakteristik des Prüfleckstroms
in die Zone 2 der Fig. 2 fällt.
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Daher hält sich der Prüfleckstrom innerhalb des schraffierten Bereiches
der Fig. 2 und verbleibt unterhalb der Schwelle, bei welcher gefährliche pathophysiologische
Auswirkungen erwartet werden können (dargestellt durch Linie b in Fig. 2). Das vertikale
Band in Fig. 2 veranschaulicht die Zeit-Stromcharakteristik während der Einstellung
des Prüfleckstroms. Wie ersichtlich ist, trifft das Band sogar nach ausgedehntem
Stromfluß nicht mit der Schwellenlinie b zusammen.
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Die Schaltungskonstanten können natürlich verändert werden, um aus
weiterer Forschung entstehenden nationalen oder internationalen Anforderungen für
Leckstrom und Aussetzzeit zu entsprechen.
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Alternative Verfahren für die Ableitung des Prüfleckstroms im Grundsystem
können aus einer gestuften Spannungsquelle oder einer einstellbaren Prüfimpedanz
in Verbindung mit einer festliegenden Spannungsquelle bestehen, wobei jedoch das
Grundkonzept der Begrenzung der Dauer des Leckstroms noch verwendet wird.
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Die vorstehende Ausrüstung kann kombiniert werden mit einem oder sämtlichen
der nachfolgenden zusätzlichen Prüfsysteme: 1. Meßgeräte oder Anzeigegeräte für
die Oberwachung richtiger Polarisation der aktiven und Nullschaltung und/oder zur
Anzeige der Kontinuität der Erdschaltung.
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2. Eine Meßschaltung zur Bestimmung der verstrichenen Zeit, welche
die Schutzvorrichtung benötigt, um die Schaltung zu unterbrechen, nachdem der Prüfleckstrom
aufgeschaltet worden ist.