DE505379C - Selbsttaetiger Schalter zum Schutz gegen Beruehrungsspannungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf selbsttätige Schutzschalter, insbesondere für elektrische Anlagen, bei welchen ein oder mehrere Leiter von an Erde liegenden Metallteilen, Eisenkonstruktionen u. dgl. umgeben sind, in welchen infolge von Isolationsfehlern Ströme auftreten können. Derartige Schalter sind mit einer sogenannten Fehlerstromspule versehen, welche im normalen Betrieb zwischen die zu schützenden Teile und Erde gelegt sind; sie können auch in Verbindung mit einer Prüftaste als Versuchsschalter Anwendung finden, indem das eine Ende der Spule über einen Widerstand mit einer der Phasen der Elektrizitätsanlage, statt mit den zu schützenden Teilen, verbunden wird.

Die bekannten Ausführungsformen solcher Schutzschaltungen weisen einige Nachteileauf. Wenn nämlich ein Fehler in der einen wesent-

ao liehen Teil der Schutzeinrichtung bildenden Hilfserde entsteht, so wird die Schutzeinrichtung außer Tätigkeit gesetzt. Dieser Fehler läßt sich jedoch erst bei der folgenden Prüfschaltung feststellen, vorausgesetzt, daß noch keine Unfälle stattgefunden haben, welche um so leichter vorkommen können, wenn das Prüf- und Baupersonal in der Annahme der unbedingten Zuverlässigkeit der Einrichtung unvorsichtig handelt.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Schutzeinrichtungen liegt darin, daß die Spannung bei der Versuchsschaltung im allgemeinen hoch sein wird. Zur Prüfung der richtigen Wirkung des Schalters soll man bei der Versuchsschaltung dafür sorgen, daß die Stromstärke in der Spule nahezu mit derjenigen, bei welcher im normalen Betrieb der Schalter ausschalten müßte (etwa 20 mA), übereinstimmt. Zu diesem Zwecke wird bisher bei der Versuchsschaltung ein Widerstand mit der Fehlerstromspule in Serie geschaltet. Damit jedoch der Schalter auf weit entfernten Punkten des elektrischen Netzes, wo die Spannungen verhältnismäßig viel niedriger sind, bei der Prüfung richtig wirkt, muß der Widerstand einen entsprechend kleineren Wert besitzen.

Das bedeutet nun, daß der Versuchsstromkreis, wenn die Prüfung unter normalen Verhältnissen stattfindet, einen nichtkontrollierbaren, unerwünschten Widerstand besitzen kann, wobei die Versuchsschaltung doch in der richtigen Weise wirkt. Es kann z. B. eine Hilfserde durch die Beschädigung des Verbindungsdrahtes derart mangelhaft werden, daß dadurch ein mit der Herabsetzung des ursprünglichen Widerstandes für die Versuchsschaltung für weit entfernte Stellen übereinstimmender Widerstand entsteht. Mit einem derartigen großen Erdungswiderstand t>o wird der Schalter in Normalbetrieb, d. h. als Schutzapparat, erst bei bedeutend höheren Spannungen auf den zu schützenden Teilen als den zulässigen Spannungen, gegen welche die Vorrichtung angeblich schützen soll, die Ausschaltung bewirken. Ein derartiger vor-

geschalteter Widerstand weist also einen wesentlichen Nachteil für die Zuverlässigkeit der Vorrichtung auf.

Erfindungsgemäß läßt sich dem erstgenannten Nachteil dadurch vorbeugen, daß im Gegensatz zu den bekannten Schaltungen zwei Erdungen vorgesehen werden, welche im normalen Betriebe parallel geschaltet sind und bei der Versuchsschaltung in Serie liegen

ίο müssen. Bei der Prüfung wird dann sofort festgestellt, ob eine der Erdungen schadhaft ist, während ungeachtet eines derartigen Schadens das System noch genügend geschützt ist. Die Anwendung des Nulleiters als eine der Erdungen kann insofern Schwierigkeiten bereiten, als bei der Parallelschaltung die Möglichkeit vorliegt, daß die Hilfserde einen großen Ausgleichsstrom leiten wird, welcher sie innerhalb kurzer Zeit beschädigt. Deshalb ist nur unter sehr günstigen Verhältnissen die Anwendung einer Hilfserde und des Nulleiters für die zwei Erdungen zulässig.

Erfindungsgemäß wird der andere Nachteil dadurch vermieden, daß die Spannungen in dem Stromkreise, in welchem die Spule liegt, in den beiden Schaltstellungen ungefähr gleich gewählt werden, was dadurch erzielt wird, daß die zur Verfugung stehende Netzspannung in zweckmäßiger Weise herabgesetzt wird, wozu ein Potentiometer, eine Drosselspule, ein Transformator, ein Spartransformator oder sonst ein geeignetes Mittel verwendet werden kann.

Die Zeichnung zeigt die Erfindung in einigen Ausführungsbeispielen in schematischer Darstellung:

Abb. ι veranschaulicht die bisher übliche Schutzschaltung.

Abb. 2 gibt eine Schaltung wieder, bei der erfindungsgemäß ein Potentiometer oder Spannungsteiler vorgesehen und die Serienparallelschaltung von Hilfserde und Nulleiter zur Anwendung gebracht ist.

Abb. 3 stellt eine 'Schaltungsanordnung dar, welche erfindungsgemäß eine Serienparallelschaltung zweier Hilfserdungen und einen Transformator enthält.

Abb. 4 zeigt eine Schaltung, bei der gemäß der Erfindung der Versuchsstrom sowohl die in Serie geschaltete Hilfserde wie auch den in einen Ring gelegten Schutzdraht durchläuft.

Abb. 5 läßt eine Schaltung erkennen, bei der gemäß der Erfindung eine Minimalspule als Spannungsteiler verwendet ist.

Bei der in Abb. 1 dargestellten bekannten Schutzschaltung weist der Hauptschalter eine mit einem Kern versehene Spule 7 auf, die einerseits mit der Hilfserde 8 und andererseits mit dem Schalter 9 verbunden ist, welcher zwischen 'den beiden ruhenden Kontakten ι und 2 spielt. Bei Normalbetrieb wird der Schalter 9 mittels der Zugfeder 10 gegen den Kontakt 1 gedrückt, der mit der äußeren Verkleidung des Kabels, mit dem Maschinengehäuse oder mit anderen zu schützenden Metallteilen 11 verbunden ist, an denen ein Isolationsfehler 17 auftreten kann, während der Kontakt 2 über einen Widerstand 12 an einem der Phasenleiter 13 der Serienschaltung angeschlossen ist, der über Phasenwicklung 16 und Nullpunkt 15 an der Erde 14 liegt. Wenn der Schalter 9 in die Versuchsstellung, d. h. zum Anliegen an den Kontakt 2 gebracht ist, bildet sich der folgende Stromkreis: Erde 14, Nullpunkt 15, Phasenwicklung 16, Phasenleiter 13, Widerstand 12, Kontakt 2, Schalter 9, Spule 7, Hilfserde 8, Erde 14. Im Betriebszustande, bei dem der Schalter 9 als Sicherheitsschalter dient und an dem Kontakt 1 anliegt, entsteht anderseits folgender Stromkreis: Phasenwicklung 16, Phasenleitung 13, Fehler 17, Metallteil 11, Kontakt 1, Schalter 9, Spule 7, Hilfserde 8, Erde 14, Nullpunkt 15, Wicklung 16.

An Stelle des Erdweges 8, 14 kann auch der Nulleiter 18 benutzt werden. In diesem Falle kann die Hilfserde 8 in Wegfall kornmen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß der Nulleiter 18 infolge der ungleich belasteten Phasen relativ hohe Spannungen bekommen kann, insbesondere wenn auf einer großen Entfernung Strom entnommen werden muß. Ist hierbei das zu schützende System an sich gut an Erde gelegt, so kann der Schalter infolge der Wirkung des vom Nulleiter 18 über die Spule 7 zum zu schützenden System gehenden Stromes zur Ausschaltung gebracht werden. Außerdem kann unter bestimmten Verhältnissen das zu schützende System gefährliche Spannungen des Nulleiters annehmen. Im allgemeinen ist es also bei der Schaltung der Abb. 1 geraten, den Nulleiter nicht als Erde zu gebrauchen.

Bei der Schaltung nach Abb. 2 wird gemäß der Erfindung eine Verbesserung gegenüber der der Abb. 1 dadurch erreicht, daß die vom Netz herrührende Spannung für die Prüfung der Wirkung des Schalters mittels eines Spannungsteilers und durch Anwendung der Serienparallelschaltung von Hilfserde und Nulleiter herabgesetzt wird. Hierbei bilden die Widerstände 22 und 23 zusammen ein Potentiometer. Der bei Normalbetrieb gebildete Stromkreis läuft über Phasenwicklung 16, Phasenleitung 13, Fehler 17, Teile 11, Kontakt I, Kontakt 3, Spule 7, Hilfserde 8, Erde 14, Nullpunkt 15, Phasenwicklung 16, und eine Parallelabzweigung geht von der Spule 7 ab über die Kontakte 4

und 5, Widerstand 23, Leitung 18 zum Nullpunkte 15. Der bei der Prüfung gebildete Stromkreis verläuft folgendermaßen: Phasenwicklung 16, Phasenleitung 13, Widerstand 22, Kontakte 6 und 5, Widerstand 23, Leitung 18, Nullpunkt 15, Wicklung 16, und eine Parallelabzweigung führt von Kontakt 5 über die Kontakte 2 und 3, Spule 7, Hilfserde 8, Erde 14 zum Nullpunkte 15.

Im letztgenannten Parallelstromkreis tritt eine elektromotorische Kraft auf, welche der Spannung der Wicklung 23 gleich ist. Beim ersterwähnten Stromlauf ist diese Spannung nicht vorhanden, da der Widerstand 22 hierbei nicht mit dem Widerstand 23 verbunden ist. Es ist nicht ratsam, das untere Ende des Widerstandes 23 an eine gesonderte Hilfserde statt an den Nulldraht zu legen, da der Totalstrom bei der Prüfung dann doch durch diese Hilfserde gehen müßte und der Widerstand dieser Erde die Spannungsverteilung beeinflussen würde. Bei einer schlechten Hilfserde würde der Apparat bei der Probeschaltung doch die Ausschaltung vollziehen.

Eine Schaltung mit zwei Hilfserden ist jedoch viel zuverlässiger. Hierbei soll aber der Versuchsstromkreis elektrisch \-ollkommen vom Netze getrennt sein, wofür also ein Transformator die am besten geeignete Lösung gibt. Abb. 3 zeigt eine Schaltung mit einem kleinen Transformator 18 und mit zwei in Serienparallelschaltung liegenden Hilfserden 19 und 20. Der Schalter ist im übrigen bei Abb. 3 in ähnlicher Weise wie bei Abb. 2 ausgebildet und weist ebenfalls Kontakte i, 2, 4, 6 und Schalthebel 3, 5 auf.

Bei einer Ausführungsform der bekannten Schutzschaltungen besteht der Schutzdraht aus einem im Betriebszustande an zwei Seiten über die Fehlerstromspule an Erde gelegten Ringleiter, und im Prüfungszustand wird ein geschlossener Ring gebildet. Diese Schaltungsweise stimmt scheinbar mit der Schaltung nach Abb. 3 mit zwei Erdungen überein. Der Schutzdraht geht jedoch über einige Metallteile, wie Rohre, Motorgestelle, Schalter und ähnliche Geräte, welche meistens an Erde liegen. Bei der Versuchsschaltung liegen diese sämtlichen Erdungen parallel mit der Spule. Es fragt sich nun, ob der Totalstrom, der bei der Prüfung durch den vorgeschalteten Widerstand auf einen bestimmten Maximalwert begrenzt wird, noch zum Ausschalten des Schalters genügen wird. Wenn es sich daher bei der Prüfung ergibt, daß die Vorrichtung anscheinend nicht in Ordnung ist, besteht keine Sicherheit, ob dies auch wirklich der Fall ist.

Ein größerer Nachteil dieser bekannten Schaltung mit Ringleiter ist aber, daß es nicht sicher ist, daß bei der Versuchsschaltung ein wirklich bestehender Fehler auch angezeigt wird. Dadurch, daß der Ringleiter an mehreren Stellen an Erde liegt, ist es möglich, daß er an irgendeiner Stelle unterbrochen ist, während bei der Prüfung der Strom den Leiter an einem Punkte an der einen Seite der schadhaften Stelle verläßt und an dem anderen Punkte an der schadhaften Stelle vorbei wieder in den Leiter zurückkehrt.

Erfindungsgemäß wird diese Schaltung dadurch verbessert, daß ein Transformator vorgesehen wird, welcher den Vorteil besitzt, daß die Sekundärspannung eine nahezu konstante ist, so daß aruch bei Parallelerdungen ein genügend starker Strom durch die Stromspule geht, während die Gefahr, daß die Vorrichtung scheinbar in Ordnung ist, ob- »u wohl z. B. der Leiter unterbrochen ist, auf ein Minimum verringert wird, da der Gesamtwiderstand unterhalb einer verhältnismäßig niedrigen Grenze bleiben muß.

Wie in Abb. 4 gezeigt ist, können z. B. bei der Versuchsschaltung vier Erdungswiderstände in Serie geschaltet sein. Wenn hier der Schalter ebenfalls ausschaltet, so deutet dies auf eine derartige gute Erdung, daß darin an sich schon ein Schutz liegt. Dabei stehen die beiden Erdungen 19 und 20 in Normalbetrieb wiederum parallel, und der Schutzdraht 11 wird auf zwei Wegen über die Spule 7 an Erde gelegt. Falls der Draht 11 bei 21 gebrochen ist, wirkt die Vorrichtung in Normalbetrieb noch gut. Bei der Prüfung stehen die vier Erdungen in Serie, und der Schalter wird nur ausschalten, wenn diese Erdungen einen verhältnismäßig geringeren Übergangswiderstand besitzen.

In Apparaten, in welchen für andere Zwecke eine Minimalspule erforderlich ist, wird diese gleichzeitig entweder gemäß Abb. S als Spannungsteiler 24 oder als Primärspule eines Transformators dienen können. Die Serie- i°5 parallelschaltung von Hilfserde und Nulleiter ist dabei nicht möglich. Im übrigen kann die Erfindung im einzelnen auch in einer von den Beispielen der Zeichnung abweichenden Weise ausgeführt werden. »o

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Selbsttätiger Schalter zum Schutz gegen Berührungsspannungen in elektrischen Anlagen mit einer einseitig geerdeten Schaltspule (Fehlerstromspule), deren andere Seite mit Berührungsspannungen ausgesetzten Metallteilen verbunden ist und die durch eine Prüftaste von diesen Metallteilen getrennt und gleichzeitig zum Prüfen der Anlage mit einem Strom beschickt werden kann, der dem im Fehler-

   falle auftretenden Strom entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß für den eigentlichen Prüfkreis eine elektromotorische Kraft Verwendung findet, die kleiner ist als die Netzspannung.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfung durch die mittels eines Spannungsteilers (z. B. Drosselspule, Spartransformator u. dgl.) oder mittels eines Transformators mit getrennten Wicklungen herabgesetzte Netzspannung erfolgt.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Minimalspannungsspule als Primärwicklung des Transformators oder als Spannungsteiler (Spartransformator).
4. 4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltspule an zwei Hilfserden (19, 20, Abb. 3 und 4) liegt, und die beiden Erdungen im Normalbetrieb parallel und in der Prüfschaltung in Serie geschaltet sind.
5. 5. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Erdungen der Nulleiter des Systems bildet.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen