-
-
Fehlerstromschutzschalter Die Anwendung des Fehlerstroui-chutzscI1alters
erfordert einen eigenen Erder. Die Erfüllung dieser bedingung ist mit einem Aufwand
verbunden. Gleichzeitig bedeutet die Schaffung und die Existenz des Erders mitsamt
der Zuleitung ein risiko bei der Installation bzw. während der langen Betriebszeit;
denn Installations- oder/und betriebsfehler können nicht nur die Wirkungslosigkeit
der Berührungsschutzmaßnahme, sondern auch die über tragung der lsetzspannung über
den Schutzleiter zu den Metallgehäusen der Verbrauchsgeräte zur Folge haben und
auf diese Weise Unfälle auslösen.
-
Vor allem die Störanfälligkeit des meist ofen verlegten Erdungsleiters
und die Unzuverlässigkeit des Erders selbst, man denke nur an den Ersatz von lSletall-Wasserrohrleitungen
durch Kunststoffrohrleitungen, macht in manchen Fällen die Fehlerstrom-chutzschaltung
unwirksam. In speziellen Mängelstatistiken wurde das Ausmaß dieser fehler erfaßt:
Bei 250 beliebig ausgewählten Anwesen war der Erdungswiderstand bei 5,7 > der
5683 FI-geschützten Betriebsmittel ungenügend. Zusätzlich war bei 9,5 % der Betriebsmittel
der Schutzleiter nicht angeschlossen bzw. unterbrochen, wobei die Unterbrechungsstelle
allerdings bei einem unbestimmten Teil im Bereich zwischen Verteilungstafel und
ortsfestem Betriebsmittel lag (siehe "Der Elextromeister 1964, Seite 1599). Auf
Baustellen ist die Eehlerhäufigkeit erheblich größer: Bei 350 FI-Erdungsmessungen
wurde in 19 % der Fälle ein ungenügender Erdungswiderstand ermittelt (Württembergische
Bau-Berufsgenossenschaft 1968, Heft 2, Seite 15).
-
Die erwähnten Fehler wirken sich entsprechend im Unfallgeschehen aus:
Nach dem Forschungsbericht "F 78" (Unfallverhütung bei Stromverbraucheranlagen durch
empfindliche Fehlerstrom-Schutzschalter) der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und
Unfallforschung in Dortmund (Seite 58) sind auf diese Fehler in Bayern
im
Laufe von 14 Jahren bei Anwendung der Schutzerdung bzw. Fehlerstrom-Schutzschaltung
12 tödliche Stromunfälle zuruckzuführen. Weitere 5 tödliche Unfälle traten auf,
weil der Erdungsleiter am Erder nicnt angeschlossen war bzw. sich gelockert hatte.
Berücksichtigt man, daß die beiden genannten Schutzmaßnahmearten in Bayern nur 15,4
% des Schutzumfanges ausmachten, siehe Seite 50 eines weiteren Forschungsberichtes
NrO 119 (Schutzwert der Nullung mit besonderem Schutzleiter gegenüber der klassischen
Nullung), dann wären bei 100 zeiger Anwendung von Schutzmaßnahmen mit eigenem Erder
etwa 110 tödliche Stromunfälle zu erwarten gewesen. Diese Zahl hat natürlich nur
hypothetischen Charakter und wäre in Wirklichkeit etwas geringer gewesen, weil es
im Einzelfalle auf die erforderliche Abschaltstromstärke der angewandten Schutzmaßnahme
angekommen wäre, und deshalb bei einem Teil der Fälle der gewesene Erdungswiderstand
für die Schutzfunktion ausgereicht hätte.
-
Gelingt es, im FI-Schutzschalter sozusagen fabrikationsmäßig einen
eigenen Erder einzubauen, dessen Schutzfunktion von den erwähnten Unzulänglichkeiten
unabhängig ist, dann würden die erwähnten Unfälle vermieden und erhebliche Kosten
eingespart werden.
-
Eigentlich steht ja beim FI-Schutzschalter ein Erder zur Verfügung
und er ist sogar bezüglich der Qualität des Erdungswiderstandes, der Störarmut und
der Zugänglichkeit jedem Einzelorder um ein Vielfaches überlegen. Gemeint ist der
im Netz mehrfach geerdete Mittelleiter0 Die erwähnten Vorteile und die Kostenersparnis,
die die Verwendung des Mittelleiters al8 Erder mit sich bringen, führten in manchen
Ländern dazu, diese Installationsweise zuzulassen. In anderen Ländern wird diese
Installationsweise nicht zugelassen, weil damit bestimmte Gefahren verbunden sind.
Treten nämlich vor dem Schutzschalter bestimmte Installationsfehler (AuBenleiter-Nulleiter-Vertauschung
im Netz bzw. im Bereich Hausanschlußsicherung bis zum Schutzschalter oder Nichtanschluß
des Nulleiters bzw.
-
Mittelleiters in den erwähnten Leitungsbereichen) oder Betriebsfehler
(Nulleiterunterbrechung in den erwähnten Leitungsbereichen) auf, daran wird die
volle Netzspannung über den Schutzleiter auf sämtliche metallenen Jerbrauchsgerätegehäuse
übertragen,
ohne das der FI-Schalter die Stromzufuhr unterbrechen kann. Nach dem oben erwähnten
Forschungsbericht "F 78" (Seite 57) haben diese Fehler in Bayern im Laufe von 14
Jahren zu zwei tödlichen Unflillen geführt. lii diesen Fällen war die Schutzmaßnahme
iullung angewandt worden; doch wären diese Unfälle ebenso aufgetreten, wenn die
FI-Schutzschaltung angewandt und dabei der Nulleiter als Schutzleiter verwendet
worden wäre.
-
Zu den Personenunfällen kommen noch die Rinderunfälle in den landwirtschaftlichen
Betrieben, die zahlenmäßig wesentlich höher liegen. Bei diesen Rinderunfällen liegt
der Fehlerort in der überwiegenden Mehrzahl der Fälle im versorgungsnetz (siehe
Seite 59 des Forschungsberichtes "F 78"). Dies bedeutet: Diese Unfälle würden auch
dann auftreten, wenn statt der Nullung die FI-Schutzschaltung angewandt und dabei
der Netznulleiter als Schutzleiter verwendet würde.
-
Um die SchutzwirI:ung des Nulleiters nutzen zil können, ohne die erwähnten
Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, wurde vorgeschlagen (DBP 1093466) den Schutzleiter
nach dem Summenstromwandler um Nulleiter anzuschließen. . Ein Nachteil dieser Schaltung
ergibt sich als Folge der Nulleiterbetriebsspannung: Durch die normale Netzbelastung
erfährt der Nulleiter auf der Strecke vom Netztransformator bis zur Verbraucheranlage
infolge seines eigenen Widerstandes einen Spamlungsabfall von wenigen bis max. etwa
10 Volt. Ist nun ein Verbrauchergehäuse zwangsläufig geerdet (z.B. ein Wasserboiler),
dann fließt der über diesen Erder gehende Teil des Betriebsstromes durch den Summenstromwandler
und bringt den Fl-Schutzschalter zur Abschaltun, obwohl kein Fehler vorliegt.
-
bei einem anderen Vorschlag (DAS 1123752) wird der Nulleiter ebenfalls
als Schutzleiter verwendet und seine Spannungsfrei heit mit Hilfe eines Schutzschalters
überwacht. Nachteilig bei diesem Vorschlag ist der erhöhte Aufwand und die Notwendigkeit
einen eigenen Hilfserder zu installieren. Fehlt dieser Hilfserder, ist seine Zuleitung
unterbrochen, oder ist er elektrisch zu stark mit dem Mittelleiter gekoppelt, dann
ist die Schutzwirkung in Frage gestellt.
-
Ein weiterer Vorschlag (DAS 1538490) bezieht sich speziell auf den
empfindlichen Fehlerstrom-Schutzschalter (EFI-Schalter), dessen Fehler-Nemiauslösestrom
meist bei 30 mA liegt. Dabei werden Geräte mit zwangsläufig geerdeten Metallgehäusen
nicht genullt, während die übrigen isoliert aufgestellten Geräte genullt werden.
Auf diese Weise werden Fehlabschaltungen infolge Nulleiterbetriebsspannungen vermieden.
Nachteilig ist jedoch, daß unfälle durch gleichzeitiges Berühren des Außenleiters
und des Schutzleiters bei isoliertem Standort zu keiner Abschaltung führen. Nach
dem Forschungsbericht F 78" (Seite 65) war in Bayern im Verlaufe von 14 Jahren ein
derartiger Unfallstromweg (unabhängig von der Art der angewandten Schutzleiter-Berührungsschutzmaßnahme)
bei insgesamt 59 tödlichen Unfällen gegeben, das sind immerhin 10 ,cS der gesamten
Stromverbraucheranlagenuntälle.
-
Weiter ist ein Vorschlag (DAS 1763584) für einen EFI-Schalter bekannt
geworden, bei dem der am Nulleiter angeschlossene Schutzleiter durch den bummenstromwandler
geführt ist und zwar mit einer Windungszahl, die mindestens doppelt so groß ist,
wie die Windungszahl der übrigen Netzleiter. Bei diesem Vorschlag erfolgt auch eine
Abschaltung bei Außenleiter-Schutzleiterberührung und bei Vorhandensein eines der
erwähnten Schalt- oder Betriebsfehler, wenn auch in manchen Fällen nur über den
menschlichen Körper; es tritt aber auch eine unnötige Abschaltung auf, wenn eine
Nulleiter-betriebæspannung gegeben und ein zwangsgeerdetes Gerätegehäuse (z.B.
-
Wasserboiler) angeschlossen ist.
-
Eine Weiterentwicklung des zuletzt erwähnten Vorschlages vermeidet
zwar Fehlabschaltungen durch normale Nulleiter-Betriebsspannungen mit Hilfe eines
spannungsabhängigen Widerstandes; doch bei Kurzschlüssen im nahen Netzbereich (Nachbar-Kurzschlüsse)
wird der Spannungsabfall am Nulleiter so hoch (max.
-
110 V bei 220 Volt-Anlagen), daß eine unnötige Abschaltung die Folge
ist. Aus diesem Grunde bleibt dieser Vorschlag auf die Anwendung bei ortsveränderlichen
Verbrauchsgeräten beschränkt; denn ortsveränderliche Geräte sind in der Regel nicht
zwangsgeerdet und das Zusammentreffen mit einem Nachbar
-Kurzschlub
wird daher zu einem sehr seltenen und deshalb kaum störenden Ereignis. Die Anwendung
dieses Vorschlages bei ortsfesten Anlagen (z.B. Einbau des Schutzschalters in Verteilungen)
scheitert an dem erwähnten Nachteil. Würde z.B.
-
in einem Mietshaus in einer Wohnung ein Kurzschluß auftreten, dann
würden u.U. die Schutzschalter aller Wohnungen und ev.
-
auch die der Nachbarhäuser abschalten. Ein weiterer Nachteil ist,
daß die speziellen Vorteile der Nullung im Körperkurzschlußfalle, nämlich die geringe
Berührungsspannung (60 bis max. 110 V) und die überschnelle Abschaltung bei geringer
Netz-Innenimpedanz (< 10 ms), nicht zum Tragen kommen kann.
-
Weiter ist ein Vorschlag (DOS 2414339) bekannt geworden, bei dem der
Schutzleiter über einen, den Berührungsstrom begrenzenden Reihenwiderstand, vorzugsweise
einem Kaltleiter, vor dem Summenstromwandler am Nulleiter angeschlossen ist0 Bei
dieser Schaltung kann zwar kein gefährlicher Berührungsstrom zum Schutzleiter übertragen
werden, doch sind damit andere Nachteile verbunden: Die Vorteile der Nullung (geringe
Berührungsspannung und schnellere Abschaltung im Körperkurzschlußfalle) kommen nicht
zum Tragen. Weiter erfolgt nur eine Strombegrenzung zu enzung und keine Abschaltung,
wenn der Schutzleiter über den Nulleiter eine gefährliche Berührungsspannung erhält.
-
Außerem kann ein vorgeschalteter FI-Schalter infolge Summierung der
Ableitströme abschalten, wenn in Reihe zu ihm mehrere parallel nachgeschaltete rI-Schalter
liegen.
-
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, die erwähnten Nachteile
zu beseitigen. Sie geht von einem jehlerstrom schutzschalter aus, bei dem der Mittel-
bzw. lSJulleiter als Schutzleiter verwendet wird und der Anschluß des Schutzleiters
vorzugsweise zwischen dem an der Netzseite liegenden Schaltkontakt und dem nachfolgenden
Summenwandler bzw. Sperrmagnetboliegt und ist dadurch gekennzeichnet, daß Mittel
vorgesehen sind, die eine Abschaltung bewirken, wenn die Spannung zwischen Mittel-
bzw. Null- bzw. Schutzleiter und je einem Außenleiter wesentlich größer ist, als
die Nennspannung eines Außenleiters gegen Erde.
-
Der Erfindungsgedanke wird z.B. dadurch realisiert, daß zwischen dem
Mittel- , ull- oder Schutzleiter und mindestens zwei der drei Außenleiter je ein
spannungsabhängiger Widerstand liegt, dessen Zuleitung durch den Summenwandler bzw.
durch die Sperrmagnetfenster führt.
-
Damit kurzzeitige Spannungserhöhungen (z.B. bei Nachbarkurzschluß
oder bei Gewittereinwirkungen) zu keinen unnötigen Abschaltungen führen, ist in
der weiteren Ausgestaltung der Erfindung in Reihe zu jedem spannungsabhängigen Widerstand
ein stromanstiegdämpfendes Bauelement, vorzugsweise ein Heißleiter geschaltet.
-
Damit der vorgeschlagene FI-Schalter beim Vorhandensein einer gefährlichen
Nulleiterspannung abschalten kann, müssen am FI-Schalter mindestens zwei Außenleiter
angeschlossen sein, Um diese Voraussetzung zu garantieren, führt in der weiteren
Ausgestaltung der Erfindung von jedem Außenleiter ein Leiter durch den Summenstromwandler
bzw. durch die Sperrmagnet fenster, vorzugsweise in mehreren Windungen zum Mittel-,
Null-oder Schutzleiter, wobei der Widerstandswert eines jeden Leiterzweiges, in
dem vorzugsweise ein Kondensator liegt, gleich groß ist.
-
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung ist die Tatsache,
daß sie mit dem Potentialausgleich oder/und dem Fundamenterder verträglich ist.
Werden diese beiden Schutzmaßnahmen (durch Anschluß an die Schutzleiterklemme 14)
zusätzlich angewandt, so wird bekanntlich die Schutzwirkung der Nullung je nach
Größe des Erdungswiderstandes entsprechend verbessert, d.h. im Kurzschlußfalle (incl.Körperkurzschluß)
werden die Berührungsspannung gegen Erde und die Abschaltzeit weiter verringert.
Wird ein empfindlicher Fehlerstromschutzschalter verwendet, dann wird auch die in
manchen Fällen nachteilige Wirkung des Potentialausglsiches, nämlich die möglichkeit
eines tödlichen Unfalles durch gleichzeitiges Berühren eines Außenleiters und eines
an sich isolierten, aber durch den Potentialausgleich nachträglich geerdeten Metalleiles
aufgehoben.
-
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindung wiedergegeben.
-
er Drehstrom-lmetztransformator T versorgt über die Luleitungen den
Drehstromverbraucher mit den drei Verbraucherwiderständen RD oder/und den Wechselstromverbraucher
mit dem Widerstand RW . Das Metallgehäuse des Verbrauchsgerätes M ist über den Schutzleiter
SL vor dem Summenstromwandler (5) mit dem Mittel- bzw. Nulleiter verbunden.
-
Soweit ist die Schaltung des normalen FI-Schalters gegeben.
-
Tritt ein Körperschluß (RK) auf, dann kommt ein Summenstrom zustande,
der über den Schutzleiter (SL) zum Nulleiter führt und die Schaltkontakte (C) des
FI-Schalters zur Abschaltung bringt.
-
Sind mehrere FI-Schalter parallel und ein gemeinsamer FI-Schalter
vorgeschaltet, so werden, sofern der Widerstand RE genügend groß ist, die Geräteableitströme
(entspricht RK) der einzelnen Pl-Stromkreise wieder zum Nulleiter zurückgeleitet
(und nicht unmittelbar zur Erde). Dies wirkt sich insofern günstig aus, weil der
vorgeschaltete, gemeinsame FI-Schalter nicht die Summe der Ableitströme führen muß.
Die Folge ist, daß er auch dann nicht abschaltet, wenn alle parallel nachgeschalteten
FI-Schalter bis kurz unter die FI-Auslöseschwelle belastet sind. Auf diese Weise
ist bei der Gesamtanlage eine stromkreismäßige Selektivität realisiert. Damit tritt
unter den angeführten Umständen auch das Problem der zeitlichen Selektivität nicht
auf.
-
Löst der FI-Schalter bereits bei relativ geringen Fehlerströmen (z.B.
30 mA) aus, dann erfolgt eine Abschaltung auch dann, wenn ein Mensch einerseits
einen Außenleiter und andrerseits eine leitende geerdete Fläche berührt (z.B.
-
Hand-Füße-Unfall) bzw. auch dann, wenn er einen Außenleiter und einen
Schutzleiter berührt (meist Hand-Hand-Unfall) bzw. auch dann, wenn nach dem Pl-Schalter
der Schutzleiter unterbrochen ist, ein Körperschluß auftritt und eine Berührung
stattfindet bzw. auch dann, wenn nach dem Pl-Schalter der Schutzleiter irrtümlich
mit dem Außenleiter verbunden wurde und eine Berührung stattfindet.
-
Wenn das Metallgehäuse eines Verbrauchers zwangsgeerdet ist so 80
so erfolgt keine Abschaltung, es sei denn, daß ein weiterer Pl-Schalter vorgeschaltet
ist.
-
Gemäß des Erfindungsgedankens sind zwischen je einem von mindestens
zwei Aubenleitern je ein spannungsabhängiger Widerstand (1 und 2) durch den FI-Wandler
(3, 4 und 5) hindurch zum Nulleiter geführt. Die Widerstände 1 und 2 haben bei 220/380
Volt-Anlagen im Bereich bis etwa 280 V eff. einen relativ hohen Widerstand. Wird
die angelegte Spannung überschritten, so sinkt ihr Widerstand so weit herab, daß
durch sie ein Strom zum Fließen kommt, der höher ist als der Fehlernennstrom des
Pl-Schalters. Wenn nun vor dem FI-Schalter (im Bereich bis zur Hausanschlußsicherung
oder im Netz) der Nulleiter nicht angeschlossen wird oder (im Bereich zwischen 8
und 9) eine Unterbrechung erfährt, dann führt der über den Verbraucherwiderstand
(Rw) mit einem Außenleiter verbundene Schutzleiter (Strecke 8 bis 10) eine gefährliche
Berührungsspannung gegen Erde. Die Folge ist, daß der Schutzleiter gegen den zweiten
Außenleiter nicht mehr die Spannung 220 V, sondern nahezu 380 V führt. Das hat zur
Folge, daß der spannungsabhängige Widerstand (1) seinen Widerstandswert verkleinert,
was eine Abschaltung nach sich zieht. Auf dieselbe Weise erfolgt auch dann eine
Abschaltung, wenn im Netz, bei der Steigleitung oder bei der FI-Anschlußstelle (8)
der Nulieiter irrtümlich mit dem Außenleiter vertauscht wird.
-
Die Heißleiter 6 und 7 haben eine Dämpfung des Stromanstieges zur
Folge, so daß kurzzeitige Überspannungen (z.B, bei Nachbarkurzschluß oder bei Gewittertätigkeit)
zu keinen unerwünschten Abschaltungen führen können.
-
Die Widerstände 11, 12 und 13 haben gleiche Werte. Wenn alle drei
Außenleiter am Eingang des FI-Schalters angeschlossen sind, dann fließt aus Symmetriegründen
kein Strom über den Schutzleiter ins Netz zurück. Sind jedoch nur zwei oder nur
ein Außenleiter am FI-Schalter angeschlossen, dann fließt über den Schutzleiter
ein Strom ins Netz zurück, der den PI-Schalter zur Auslösung bringt. Mit dem Drehstrom
FI-Schalter
ist zwar ein reiner Wechselstrombetrieb durchaus möglich,
der Schalter muß aber um die angeführten Schutzwirkungen zu haben, mindestens an
zwei Außenleitern angeschlossen werden0 Wird bei der vorgeschlagenen Schaltung ein
oder werden zwei Außenleiter nicht angeschlossen, dann erfolgt eine selbsttätige
Abschaltung, so daß ein Betrieb nicht möglich ist.
-
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die erfindungsgemäße
Schaltung ohne zusätzlicherninstallationsaufwand eine Kombinierung der sullung (incl.
fotentialausgleich und/oder Fundamenterder) mit der FI-Schaltung erlaubt und damit
die Vorteile des direkt verfügbaren Nulleiters (Berührungsspannung liegt unter 110
Volt gegenüber 220 V bei der üblichen FI-Schaltung und kürzere Abschaltzeit,meist
<10 ms gegenüber uns30 ms bei der FI-Schaltung) zum Tragen kommen, und daß eine
PI-Abschaltung auch dann erfolgt, wenn vor dem FI-Schalter eine Nulleiterunterbrechung
bzw. eine Außenleiter/ Nulleitervertauschung gegeben ist.