DE1140634B

DE1140634B - Sicherheitsschalter zum Schutze gegen elektrische Kriechstroeme

Info

Publication number: DE1140634B
Application number: DEM46684A
Authority: DE
Inventors: Jacques Morel; Robert Moser
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1959-10-02
Filing date: 1960-09-28
Publication date: 1962-12-06
Also published as: NL256426A; NL110540C; US3214638A; CH366588A; FR1246800A; BE595274A; GB962658A; ES261758A1

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

M46684Vfflb/21c

ANMELDETAG: 28. SEPTEMBER 1960

BEKANNTMACHUN G
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 6. DEZEMBER 1962

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sicherheitsschalter für elektrische Geräte zum Schutz von Personen gegen elektrische Kriechströme und zur selbsttätigen Überprüfung elektrischer Anlagen.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung zu schaffen, die die Auslösung eines Sicherheitsschalters in elektrischen Installationen in allen Fällen bewirkt, die zu einer Gefährdung führen können.

Es sind dies:

1. die Stärke des zwischen der Phase und Erde durch den menschlichen Körper oder einen sonstigen leitenden Körper abgeleiteten Kriechstromes ;

2. die Stärke des zulässigen über die Erdleitung abfließenden Fehlerstromes;

3. das elektrische Potential des Nulleiters im Verhältnis zur Erde;

4. der Ohmsche Widerstand der Erdleitung.

Als Schutzvorrichtung gegen einen von der zufällig berührten Netzphase oder einer mit der Netzphase verbundenen metallischen Masse durch einen Körper unmittelbar zur Erde gehenden Kriechstrom sind Schalter gebräuchlich, die vom Sekundärstrom eines Transformators gesteuert werden, der mit zwei einander entgegengeschalteten Primärwicklungen in den Phasenleitungen bzw. der Nulleitung des zu schützenden Gerätes angeordnet ist. Hierbei wird die Unsymmetrie zwischen den die Phasenzuleitungen und den die Nulleiter durchfließenden Strömen ausgenutzt, die durch die genannten Kriechströme herbeigeführt wird (unabhängig davon, ob diese Kriechströme durch den menschlichen Körper gehen oder einen sonstigen Weg nehmen). Im Hinblick darauf, daß die lebensgefährlichen Ströme nur geringe Stärke besitzen, müssen die den Schalter auslösenden Relais außerordentlich leicht ansprechen.

Diese bekannten Schutzvorrichtungen sind bei den zahlreichen Geräten, bei denen durch Vorhandensein von Wasser, Dampf oder Kondenswasser die Masse vorübergehend ein Potential annehmen kann und die über eine gesonderte Erdleitung geerdet sind, normalerweise nicht verwendbar. Der über die Erdleitung abfließende Fehlerstrom bewirkt zwar ebenfalls eine Unsymmetrie zwischen den die Phasenzuleitungen und den Nulleiter durchfließenden Strömen, jedoch ist die zulässige Stärke dieses Fehlerstromes größer als die zulässige Stärke des durch einen Körper fließenden Kriech-Erdstromes. Falls daher bei einem solchen Gerät das elektrische Potential der Masse einen Höchstwert, der für Sicherheitsschalter zum Schütze gegen elektrische Kriechströme

Anmelder:

Jacques Morel, Paris, und Robert Moser, St. Gallen (Schweiz)

ίο Vertreter: Dr. K.-R. Eikenberg, Patentanwalt, Hannover, Am Klagesmarkt 10-11

Beanspruchte Priorität: Frankreich vom 2. Oktober 1959 (Nr. 806 618)

Jacques Morel, Paris,

und Robert Moser, St. Gallen (Schweiz),

sind als Erfinder genannt worden

gewöhnlich mit etwa 24 Volt festgelegt ist, z. B. infolge eines direkten Kontaktes zwischen Phase und Masse oder einer schadhaften Erdleitung überschreitet, können die bekannten Schutzvorrichtungen nicht die Bedingung erfüllen, unabhängig voneinander auf die verschieden großen Unsymmetrien anzusprechen, die durch einen maximal zulässigen Kriech-Erdstrom durch einen Körper und einen maximal zulässigen Fehlerstrom durch die Erdleitung hervorgerufen werden. Man beschränkte sich deshalb bisher darauf, ein Relais der oben beschriebenen Art mit geringerer Empfindlichkeit zu verwenden, indem in die Erdleitung ein Widerstand eingebaut wurde, der so bemessen ist, daß die Spannung zwischen Gerät und Erde auf eine gefahrlose Höhe begrenzt wird. Der Schutz besteht jedoch nur so lange, wie eine voll wirksame Erdleitung tatsächlich vorhanden ist.

4" Es ist auch bereits eine Überwachungseinrichtung vorgeschlagen worden, bei der ein mit je einer Primärwicklung in Gegeneinanderschaltung in den Phasenzuleitungen abgeordneter Transformator nur dann eine Ausgangsspannung in der Sekundärwicklung erzeugt, wenn ein Stromanteil über die Erdleitung abfließt. Mit der in der Sekundärwicklung erzeugten Spannung wird daher über ein Relais das Gerät abgeschaltet, wenn ein Masseschluß im Gerät auftritt.

Die Erfindung löst für einen Sicherheitsschalter, bei welchem ein Relais von der Sekundärwicklung eines Transformators gespeist wird, dessen Primär-

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wicklungen einander entgegengeschaltet sind und in eine Waschmaschine), dessen Masse durch eine Erdden Phasenzuleitungen und der Nullzuleitung des zu leitung M-T über einen Widerstand RM von unschützenden Gerätes liegen und beim Überschreiten gefahr 50 Ohm geerdet ist. Es sei ferner angenommen, des zulässigen Höchstwertes eines direkt durch den daß an das Netz noch ein weiteres elektrisches Gerät 3 menschlichen Körper gehenden Kriech-Erdstromes 5 angeschlossen ist, das nicht geerdet ist. einen Magnetfluß hervorrufen, der zum Auslösen des Die Erfindung hat den Zweck, eine derartige AnRelais ausreicht, die gestellte Aufgabe dadurch, daß lage gegen jede Elektrisierungsgefahr zu sichern, der Transformator eine zusätzliche Primärwicklung Diese Gefahr kann verschiedenen Ursprungs sein, enthält, die in der Erdleitung liegt und deren Windungs- Beispielsweise kann es bei einer schlechten Isolierung zahl von der Windungszahl der Primärwicklungen io der Leitungen oder durch Wasser, Dampf oder des Phasenleiters und des Nulleiters derart abweichend Kondenswasser zwischen der Phasenleitung Ph und gewählt ist, daß im Transformator durch den in der der Masse des Gerätes 2 oder 3 zu einem Schluß 4 Erdleitung fließenden Fehlerstrom erst bei einer kommen. Im Falle des Gerätes 3 kann dadurch die höheren Stärke der gleiche Magnetfluß erzeugt wird, Masse des Gerätes auf ein elektrisches Potential gewie ihn der zulässige Höchstwert des direkt durch 15 langen, das nahe der Betriebsspannung liegen kann, den menschlichen Körper gehenden Kriech-Erd- Dieses Potential ist gefährlich, denn es kann einen stromes im Transformator hervorruft. durch den menschlichen Körper zur Erde abgeleiteten Eine solche Vorrichtung gestattet die Überwachung Kriechstrom verursachen, dessen Stärke den Höchstder Größe des direkt von der Phase durch einen wert Idh überschreitet, der mit maximal 40 MiOi-Körper zur Erde abgeleiteten Kriechstromes oder 20 ampere angenommen wird, je nach den jeweils eines Schadens am Gerät, der durch Berührung mit geltenden Sicherheitsvorschriften aber auch davon sekundären Massen einen Kriechstrom hervorruft, abweichen kann. Im Falle des Gerätes 2 besitzt zwar sowie schließlich die Überwachung der Stärke des die Erdleitung M-T einen ausreichend kleinen Widerdurch die Bauart zugelassenen, durch die Erdleitung stand, so daß die Masse dieses Gerätes normalerabgehenden Fehlerstromes. Vorteilhaft kann die 25 weise nicht eine gefährliche hohe Spannung annehmen Vorrichtung noch so ergänzt werden, daß auch die kann. Es ist jedoch von Vorteil, den über die Erdbeiden weiter oben erwähnten zusätzlichen Über- leitung M-T abgeleiteten Fehlerstrom zu ermitteln, wachungsfunktionen erfüllt werden können. Dies sobald dessen Stärke einen zulässigen Höchstwert Idc wird dadurch erreicht, daß zwischen einem Punkt des — beispielsweise 200 Milliampere — überschreitet Nulleiters, der dem Verbraucher näher liegt als dessen 30 und damit zu einer Gefahrenquelle werden kann. Primärwicklung, und einem Punkt des Erdleiters, Weiterhin kann die Erdleitung durch Ansteigen des der zum Erdungspunkt näher liegt als die im Erd- Ohmschen Widerstandes RM oder durch Beschädileiter liegende zusätzliche Primärwicklung, ein Zusatz- gung ganz oder teilweise unwirksam werden, so daß widerstand eingebaut ist. im Ergebnis auch die Masse des Gerätes 2 ein

Die Größe des Zusatzwiderstandes wird so ge- 35 Potential erreichen kann, das oberhalb eines Höchstwählt, daß die Stärke des infolge eines den vor- wertes U_ci liegt und lebensgefährlich ist. Schließlich bestimmten Wert überschreitenden Potentials des kann auch der Nulleiter N der Anlage, z. B. infolge Nulleiters durch den Zusatzwiderstand zur Erde ab- eines Widerstandes, der durch Lockerung einer geleiteten Stromes — welcher derart einen Kriech- Schiene des Nulleiters erzeugt ist, auf ein abnormes strom darstellt, der die Wicklung des Nulleiters 40 Potential U_n gebracht werden, durchfließt — dem zulässigen Höchstwert des durch Im Sicherheitsschalter befindet sich ein Transeinen Körper zur Erde abgeleiteten Kriechstromes formator 5 mit einer Anzahl von Primärwicklungen 6, gleich ist, wodurch die Auslösung des Schalters her- die von den zu überwachenden Phasenströmen bzw. beigeführt wird. Diese Bauweise gestattet im übrigen vom Strom des Nulleiters durchflossen werden. Der die gleichzeitige Überwachung sowohl der Berühr ungs- 45 Transformator ist so angeordnet, daß eine vektorielle spannung zwischen der metallischen Masse des Summierung der durch die einzelnen Primärwick-Gerätes und der Erdung als auch des Ohmschen lungen induzierten Magnetflüsse stattfindet. Bei der Widerstandes der Erdung. Eine solche Berührungs- in der Zeichnung dargestellten einphasigen Anspannung kann nur dann eintreten, wenn der Ohm- Ordnung der Anlage werden zwei Primärwicklungen 6 sehe Widerstand der Erdung zu hoch ist, so daß der 50 von gleicher Windungszahl benötigt, die einander Zusatzwiderstand von einem Kriechstrom durch- entgegenwirken und von denen die eine in der flössen wird, der gleichzeitig sowohl die Primär- Phasenleitung Ph und die andere in dem Nulleiter N wicklung des Nulleiters als auch die zusätzliche liegt. Der Transformators besitzt darüber hinaus Primärwicklung der Erdleitung durchfließt. noch eine zusätzliche Wicklung 7 von abweichender

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der 55 Windungszahl, welche zwischen den Leitungsteilen M Erfindung an Hand der Zeichnung, welche das und T der Erdleitung M-T angeschlossen ist. Die Schema einer mit einem erfindungsgemäßen Sicher- Sekundärwicklung 8 des Transformators 5 liegt in heitsschalter ausgerüsteten elektrischen Anlage zeigt, Serie mit der Wicklung 9 eines Relais 10, dessen annäher beschrieben. gezogener Anker 11 über Kontakte den Sicherheits-

Der Sicherheitsschalter befindet sich in einem 60 schalter öffnet, wobei sowohl in der Phasenleitung Ph

schematisch durch die gestrichelte Linie 1 dargestellten als auch in der Nulleitung N je ein Schaltkontakt 12

Gehäuse und liegt als Niederspannungsanlage in einer angeordnet ist. Wenn die jeweils gültigen Sicherheits-

Phasenleitung Ph und dem Nulleiter N des Netzes. Vorschriften eine Trennung des Nulleiters verbieten,

An den Nullpunkt des Netzes ist ein Erdleitungs- entfällt der betreffende Schaltkontakt 12. Der Schalter

widerstand RM angeschlossen, dessen Wert beispiels- 65 kann von Hand aus mittels eines Druckknopfes 13

weise 1 Ohm betragen kann. ausgeschaltet und mittels eines Druckknopfes 14

Es sei angenommen, daß das Netz ein elektrisches wieder eingeschaltet werden. An den Nulleiter N

Gerät 2 speist (z. B. eine Heizplatte, einen Ofen oder zwischen Verbraucher und Primärwicklung 6 einer-

seits und an den Leitungsteil T zwischen Primärwicklung 7 und Erde andererseits ist ein Widerstand 16 angeschlossen.

Bei normalem Betrieb, d.h. wenn keinerlei Kriechstrom oder Fehlerstrom vorhanden ist, werden die Primärwicklungen 6 von gleich starken Strömen durchflossen und ergeben Induktionen, deren Vektorensumme gleich Null ist. Damit bleibt die Sekundärwicklung 8 völlig stromlos.

Tritt jedoch ein gelegentlicher Schluß 4 zwischen der Phase und der Masse eines nicht geerdeten Gerätes ein, und wird dabei ein durch den menschlichen Körper zur Erde abgeleiteter Kriechstrom gebildet, so ergibt sich in den durch die Wicklungen 6 erzeugten Induktionen eine Unsymmetrie, und die resultierende Induktion erzeugt in der Sekundärwicklung 8 einen Strom. Dieser Sekundärstrom muß ausreichen, um das Relais 10 zum Ansprechen zu bringen und damit den Sicherheitsschalter zu öffnen, sobald die Stärke Idh des Kriechstromes den genannten vorbestimmten Wert 40 Milliampere übersteigt. Die Stromempfindlichkeit des Relais 10 ist eine Funktion der Windungszahl /Vo der Wicklung 6. Die Schwelle der Relaisauslösung soll mithin bei einer Amperewindungszahl 7Vz erreicht sein, die gleich ist Noldh. Legt man einen Wert von 1200 mNi zugrunde, ergibt sich mit Idh = 40 Milliampere: /Vo = 30 Windungen.

Man erkennt, daß durch die Anordnung der Wicklungen 6 bei jedem Kriechstrom, der über die Masse mit einer den zulässigen Wert für Idh übersteigenden Stromstärke abfließt, das Relais betätigt und der Schalter geöffnet wird.

Bei dem Sicherheitsschalter durchfließt jeder von der Masse des Gerätes 2 über die Erdleitung M-T abgeleitete Fehlerstrom /' die Wicklung 7. Bei /Vi Windungen für diese Wicklung wird der dadurch erzeugte Magnetfluß im Transformator proportional /Vi/'. Durch den Kriechstrom ϊ wird aber auch bei den im Phasenleiter und im Nulleiter fließenden Strömen eine Unsymmetrie erzeugt, die zu einer entsprechenden Unsymmetrie des durch die Wicklungen 6 im Transformator induzierten Magnetflusses mit dem Wert /Vo/' führt. Die beiden Magnetflüsse No i' und /Vi/', deren durch die Bauart des Transformators bedingte Vorzeichen einander entgegengesetzt sind, addieren sich vektoriell. Ihre Vektorensumme ist also gleich (/Vi-/Vb)/', gleichgültig wie groß der die beiden Wicklungen 6 durchfließende Betriebsstrom ist. Da einerseits die Auslösung des Relais vor sich gehen soll, wenn die Stromstärke /' den zulässigen Wert Idc für den durch die Erdung abgeleiteten Fehlerstrom übersteigt (wobei Idc ein Vielfaches von Idh ist), andererseits das Relais aber ansprechen soll, wenn die Induktion im Transformator gleich /Vo Idh ist, muß der Transformator der Gleichung

Dabei sind Idc und Idh vorbestimmte Werte, und /Vo ist mit Rücksicht auf die zu erreichende Empfindlichkeit gewählt, so daß die für die Wicklung 7 erforderliche Windungszahl /Vi ebenfalls feststeht. Beispielsweise ergibt sich für den Fall Idc = 200 Milliampere und Idh = 40 Milliampere bei /Vo = 30 Windungen : /Vo = 36 Windungen.

Das Potential des Nulleiters gegen Erde, das im allgemeinen seinen Ursprung im Netz hat, ergibt

ίο einen durch den Widerstand 16 abgeleiteten Strom, der die Wicklung 6 des Nulleiters, aber weder die Wicklung 6 des Phasenleiters noch die zusätzliche Primärwicklung 7 der Erdleitung durchfließt. Wenn die Stärke dieses Stromes gleich Idh ist, öffnet sich der Schalter in der oben beschriebenen Weise. Ist U_n das maximal zulässige Potential des Nulleiters, so soll der Wert r_n des Widerstandes 16 so gewählt werden, daß

r„ + RM =

Un,

Idh

gilt. Beträgt das maximal zulässige Potential U_n 22 Volt, so erhält man

r_n + RM =

= 550 Ohm,

und dies ergibt:

r_n = 500 Ohm, RM = 50 Ohm.

Falls die Größe des Widerstandes RM unzulässig ansteigt, so erscheint an der Masse des Gerätes 2 bei einem Mangel der kontrollierten Anlage ein Potential U_ci, welches einen Strom ergibt, der zum Nulleiter fließt und dabei die zusätzliche Primärwicklung 7, den Widerstand 16 und die Primärwicklung 6 der Nulleitung durchfließt. Die Stärke dieses Stromes ist eine Funktion des Potentials U_ci bzw. der Berührungsspannung zwischen der Masse und dem Nulleiter bei einer Stärke r_n des Widerstandes 16 und des Erdungswiderstandes RM.

Wird der Widerstand RM in der Erdleitung unendlich, so gilt für den zwischen Masse und Nulleiter fließenden Strom

U₁

'ei

r_n

Dieser Strom /" durchfließt gleichzeitig die zusätzliche Primärwicklung 7 und die Primärwicklung 6 des Nulleiters und wirkt in der Folge wie ein Kriechstrom durch die Erdleitung, erzeugt aber zwischen der Phase und der Nulleitung keine Unsymmetrie. Die Unsymmetrie des Flusses wird

/Vi/" = /Vi

Ue 1

r_n

genügen.

(/Vi-/V₀) Idc = /V₀ Idh

N₀

Idc

(Ni-N₀) Idh

weil RN vernachlässigbar ist, und das Relais spricht in dem Augenblick an, in dem diese Unsymmetrie den Wert No Idh erreicht. Daraus ergibt sich, daß der Schalter bei einer Berührungsspannung

/Vi

Idh

(Idc+Μή

- ^m Idc

öffnet.

Für die vorangehend genannten Zahlenwerte für /Vo, /Vi, Idh und r_n liegt die Spannung U_ci bei 16,6VoIt.

Ist der Widerstand RM nicht unendlich, so erzeugt die Berührungsspannung einen Strom i', der den Widerstand RM durchfließt und daher eine Induktion JVo z' durch die Wicklungen 6 und eine entgegengesetzte Induktion Ni Ϊ durch die Wicklung 7 sowie einen zum Nulleiter fließenden Strom i" durch den Widerstand r_n ergibt. Von diesem letztgenannten Strom wird eine Induktion JVo z" durch die Phasenwicklung 6 und eine entgegengesetzte Induktion AOz" durch die Nulleiterwicklung 6 und eine weitere entgegengesetzte Induktion Ni i" durch die Wicklung 7 der Erdleitung erzeugt. Die die Sekundärwicklung durchquerende Induktion ist also gleich (Ni-No)i' +Nii". Wird dieser Wert dem zulässigen Maximum Noldh gleichgesetzt, so ergibt sich:

Uc

(JVi-JVo) ■%£ + JVi ^- = JV₀M .

Aus dieser Beziehung läßt sich (unter Benutzung der vorangehend genannten Zahlenwerte für JVo, JVi und IdH) die Höhe der Berührungsspannung U_ci, welche die Auslösung des Schalters bei einem Erdungswiderstand RM von 100 Ohm und einem Widerstand r_n von 500 Ohm bewirkt, zu 9 Volt errechnen.

Die in der vorangehenden Beschreibung erörterten Zahlenangaben für die Bemessung der einzelnen innerhalb des Sicherheitsschalters zu berücksichtigenden Werte sind nicht zwingend, sondern lediglich auf bestimmte vorausgesetzte Anforderungen an den Schalter abgestellt. Bei anders gelagerten Anordnungen können diese Zahlenwerte ohne weiteres entsprechend geändert bzw. angepaßt werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Sicherheitsschalter zum Schütze gegen elektrische Ströme, bei welchem ein Relais von der Sekundärwicklung eines Transformators gespeist wird, dessen Primärwicklungen einander entgegengeschaltet sind und in den Phasenzuleitungen und der Nullzuleitung des zu schützenden Gerätes liegen und beim Überschreiten des zulässigen Höchstwertes eines direkt durch den menschlichen Körper gehenden Kriech-Erdstromes einen Magnetfluß hervorrufen, der zum Auslösen des Relais ausreicht, dadurch gekenn zeichnet, daß der Transformator (S) eine zusätzliche Primärwicklung (7) enthält, die in der Erdleitung (M-T) liegt und deren Windungszahl (Ni) von der Windungszahl (JVo) der Primärwicklungen (6) des Phasenleiters (Ph) und des Nulleiters (N) derart abweichend gewählt ist, daß im Transformator durch den in der Erdleitung fließenden Fehlerstrom erst bei einer höheren Stärke der gleiche Magnetfluß erzeugt wird, wie ihn der zulässige Höchstwert des direkt durch den menschlichen Körper gehenden Kriech-Erdstromes im Transformator hervorruft.

2. Sicherheitsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungszahl (JVi) der zusätzlichen Primärwicklung (7) um die Windungszahl (JVi- JVo) größer ist als die Windungszahl (JVo) jeder der Primärwicklungen (6), wobei die Windungszahl (JVi-JVo) gleich ist der Windungszahl (JVo) multipliziert mit dem Verhältnis des direkt durch den menschlichen Körper gehenden Kriech-Erdstromes (IdIt) zum Fehlerstrom (Idc) in der Erdleitung.

3. Sicherheitsschalter nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstand (16) zwischen dem Anschluß des Nulleiters (JV) an den Verbraucher (2, 3) und dem von der zusätzlichen Primärwicklung (7) zum Erdungspunkt führenden Teil (T) der Erdleitung angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Britische Patentschrift Nr. 648 207.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen