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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung von Fehlerzuständen eines Schutzleiters (PE), eines Niederspannungsnetzes, vorzugsweise innerhalb zumindest einer Differenzstrom-Schutzeinrichtung.
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Vorrichtungen zur Erkennung von Fehlerzuständen eines Schutzleiters (PE) eines Niederspannungsnetzes, im Folgenden auch als Schutzleiterüberwachungen bezeichnet, sind als eigenständige Vorrichtungen im Stand der Technik bekannt. Zudem sind Schutzleiterüberwachungen im Stand der Technik bekannt, welche Bestandteil von Differenzstrom-Schutzeinrichtungen oder anderen Einrichtungen sind. Im Folgenden werden solche Einrichtungen näher erläutert und aus dem Stand der Technik bekannte nachteilige Vorrichtungen zur Erkennung von Fehlerzuständen eines Schutzleiters (PE) sowie auch Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und Ausgestaltungen werden aufgeführt.
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Differenzstrom-Schutzeinrichtungen werden beispielsweise zum Personenschutz und zum Schutz elektrischer Anlagen eingesetzt, indem sie die vektorielle Summe der in die Anlage hineinfließenden Ströme, den Differenzstrom, erfassen und, falls dieser einen Grenzwert überschreitet, eine Trennung der Anlage vom Versorgungsnetz bewirken. Beim Einsatz von Frequenzumrichtern, PV-Wechselrichtern sowie beim Laden von Elektrofahrzeugen können in elektrischen Anlagen sowohl im Fehlerfall als auch betriebsbedingt durch Abfluss zur Erde Differenzströme im Frequenzbereich von 0 Hz (glatter Gleichfehlerstrom) bis zu mehreren kHz entstehen, die nur von allstromsensitiven Differenzstrom-Schutzeinrichtungen erfasst werden können. Vorrichtungen zum Erfassen von Differenzströmen mit einem Frequenzspektrum von 0 Hz bis zu mehreren kHz sind als allstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtungen aus dem Stand der Technik bekannt.
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Allstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtungen vom Typ B oder Typ B+ sind zur Realisierung von Schutzmaßnahmen zum Schutz gegen elektrischen Schlag und zum zusätzlichen Schutz geeignet. Aufgrund der einschlägigen Produktnormen darf eine allstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtung mit einem Bemessungsdifferenzstrom von 30 mA bei Auftreten eines glatten Gleichfehlerstromes nicht unterhalb des halben Bemessungsdifferenzstroms, also nicht unterhalb von 15 mA, aber maximal mit dem zweifachen Wert des Bemessungsdifferenzstromes - also 60 mA - auslösen.
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Pulsstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtungen vom Typ A werden üblicherweise in Hausinstallationen und ähnlichen Anwendungen eingesetzt und sind daher sehr weit verbreitet. Gegenüber einer allstromsensitiven Differenzstrom-Schutzeinrichtung erfassen sie nur Wechsel- und pulsierende Gleichfehlerströme der Netzfrequenz (zum Beispiel 50 oder 60 Hz). Aufgrund einschlägiger Produktnormen dürfen pulsstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtungen vom Typ A jedoch unabhängig vom Bemessungsdifferenzstrom mit einem glatten Gleichfehlerstrom von nur maximal 6 mA beaufschlagt werden. Es besteht die Gefahr, dass der Summenstromwandler der Differenzstrom-Schutzeinrichtungen vom Typ A aufgrund eines glatten Gleichfehlerstromes > 6 mA unzulässig vormagnetisiert wird, wodurch eine einwandfreie Funktion nicht mehr gewährleistet ist. Somit darf in einer elektrischen Anlage einer pulsstromsensitiven Differenzstrom-Schutzeinrichtung vom Typ A eine allstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtung vom Typ B oder Typ B+ nicht nachgeschaltet werden. Wenn nun also eine allstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtung einer pulsstromsensitiven Differenzstrom-Schutzeinrichtung in unzulässiger Weise nachgeschaltet wäre, dann würde die pulsstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtung im ungünstigsten Fall mit 60 mA vorbelastet werden, also mit dem 10-fachen des zulässigen Wertes.
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Dieses ist jedoch nachteilig, weil allstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtungen vom Typ B oder Typ B+ in Form eines Fehlerstromschutzschalters (RCCBs oder RCBOs) auch in mobilen Einheiten mit Steckvorrichtung, zum Beispiel in mobilen Verteilern bzw. Baustromverteilern, eingesetzt werden. Diese mobilen Einheiten können auch von elektrotechnischen Laien bedient und an einem beliebigen geeigneten Übergabepunkt (Steckdose) angeschlossen werden, wobei eine möglicherweise für diesen Übergabepunkt vorhandene festinstallierte Differenzstrom-Schutzeinrichtung (zum Beispiel in einem Installationsverteiler eines Gebäudes) unbekannt ist. Von einem elektrotechnischen Laien kann nicht erwartet werden, dass er sich mit möglicherweise installierten Schutzeinrichtungen auskennt. Wenn nun dieser Übergabepunkt mit einer festinstallierten pulsstromsensitiven Differenzstrom-Schutzeinrichtung vom Typ A geschützt ist, besteht im Fehlerfall die Gefahr, dass diese Schutzeinrichtung mit einem glatten Gleichfehlerstrom > 6 mA beaufschlagt wird und möglicherweise weitere Fehler in anderen durch dieselbe Differenzstrom-Schutzeinrichtung geschützten Stromkreisen nicht mehr einwandfrei erfasst werden.
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Insbesondere auf Bau- und Montagestellen werden zunehmend mehrphasig betriebene stationäre aber auch handgeführte elektrische Betriebsmittel mit Frequenzumrichter (Steinkreissägen, Bohrmaschinen mit höherer Leistung, und so weiter) verwendet. Wie bereits weiter oben erwähnt, können diese Betriebsmittel im Fehlerfall glatte Gleichfehlerströme und Wechselfehlerströme ungleich der Bemessungsfrequenz generieren, sodass zum Fehlerstromschutz keine Differenzstrom-Schutzeinrichtungen vom Typ AC, A oder F verwendet werden dürfen. Die genannten Betriebsmittel sind Laien-bedienbar und verfügen über eine Drehstromsteckvorrichtung. Zur Schutzpegelerhöhung ist in der DGUV Information 203-006 (Auswahl und Betrieb elektrischer Anlagen und Betriebsmittel auf Bau- und Montagestellen) der BG Bau vorgesehen, dass der Betrieb eines Laien-bedienbaren und mit Steckvorrichtung ausgestatteten elektrischen Betriebsmittels an einer Steckdose mit unbekannter Schutzmaßnahme nur mit einer ortsveränderlichen Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (PRCD) erfolgen darf. Diese ortsveränderliche Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (PRCD) kann unterschiedliche Ausführungsformen aufweisen. Beispielsweise kann sie Bestandteil einer mobilen Einheit (zum Beispiel mobilen Baustromverteilers) sein. Eine ortsveränderliche Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (PRCD) besteht im Allgemeinen aus einer Differenzstrom-Schutzeinrichtung mit zusätzlichen Funktionen.
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Es ist daher vorteilhaft, wenn eine Differenzstrom-Schutzeinrichtung in einer mobilen Einheit auch glatte Gleichfehlerströme ≤ 6 mA zuverlässig erfassen kann, sodass eine Abschaltung bei Auftreten eines glatten Gleichfehlerstromes von maximal 6 mA erfolgt. Dadurch kann diese Differenzstrom-Schutzeinrichtung in vorteilhafter Weise problemlos einer pulsstromsensitiven Differenzstrom-Schutzeinrichtung in der festen Installation nachgeschaltet werden, weil eine vorgeschaltete pulsstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtung auch im ungünstigsten Fall nicht unzulässig mit einem glatten Gleichfehlerstrom > 6 mA vorbelastet wird. Eine elektrische mobile Einheit, zum Beispiel ausgeführt als mobiler Baustromverteiler, die mit einer solchen Differenzstrom-Schutzeinrichtung ausgestattet ist, kann somit auch von einem elektrotechnischen Laien bedient und an einem beliebigen Übergabepunkt (Steckdose) angeschlossen werden, auch wenn eine möglicherweise vorgeschaltete weitere Schutzeinrichtung unbekannt ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Differenzstrom-Schutzeinrichtung in der mobilen Einheit allstromsensitiv ist, da diese in der Regel eine breitbandige Erfassung von Differenzströmen erlaubt und somit den größten Schutzumfang bietet.
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In vielen älteren Hausinstallationen und ähnlichen Anwendungen sind an Stelle einer Differenzstrom-Schutzeinrichtung vom Typ A solche vom Typ AC vorhanden. Wechselstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtungen vom Typ AC erfassen nur Wechselfehlerströme der Netzfrequenz (zum Beispiel 50 Hz oder 60 Hz) und können durch glatte Gleichfehlerströme aber auch durch hohe Differenzströme mit höherfrequenten Anteilen in ihrer Funktion erheblich beeinträchtig werden. Es ist daher vorteilhaft, wenn eine Differenzstrom-Schutzeinrichtung nicht nur glatte Gleichfehlerströme ≤ 6 mA zuverlässig erfassen kann, sondern auch eine breitbandige Erfassung aufweist, um auch bei höherfrequenten Differenzströmen eine sichere Auslösung zu erzielen, sodass diese Differenzstrom-Schutzeinrichtung auch einer wechselstromsensitiven Differenzstrom-Schutzeinrichtung vom Typ AC nachgeschaltet werden kann. Zudem sind auch Differenzstrom-Schutzeinrichtungen vom Typ F am Markt verfügbar. Diese dürfen im Gegensatz zu Differenzstrom-Schutzeinrichtungen vom Typ A mit einem glatten Gleichfehlerstrom von maximal 10 mA beaufschlagt werden.
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Wie bereits zuvor erwähnt, sind aus dem Stand der Technik allstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtungen bekannt, also Differenzstrom-Schutzeinrichtungen, die sowohl glatte Gleichfehlerströme als auch pulsierende Gleichfehlerströme der Netzfrequenz und auch Wechselfehlerströme mit unterschiedlichen Frequenzen erfassen können. Eine einfache spannungsunabhängige Erfassung von glatten Gleichfehlerströmen nach dem bekannten Induktionsprinzip ist physikalisch nicht möglich. Daher wird zur Erfassung von glatten Gleichfehlerströmen üblicherweise das Prinzip der gesteuerten Induktivität verwendet, welches spannungsabhängig ist.
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Aus dem Stand der Technik ist nach
EP 1 267 467 eine Vorrichtung zur breitbandigen und verzerrungsfreien sowie signalgetreuen Erfassung von elektrischen Differenzströmen insbesondere von Mischströmen aus glattem Gleichstrom und Wechselströmen bekannt, wobei die zu überwachenden Leiter durch zwei magnetische Stromwandler geführt sind und wobei der zweite Stromwandler mit dem ersten Stromwandler verschaltet ist und auf dem Leitungsweg zwischen den Stromwandlern ein eine Phasendrehung des über den Leitungsweg geführten Stromes um etwa 180 DEG bewirkendes Koppelglied angeordnet ist, das als Hochpass ausgebildet ist. Diese Vorrichtung erlaubt den Aufbau einer aus dem Stand der Technik bekannten allstromsensitiven Differenzstrom-Schutzeinrichtung vom Typ B oder B+.
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Die Vorrichtung nach
EP 1 267 467 ist jedoch nicht zur Erfassung von sehr kleinen glatten Gleichfehlerströmen geeignet. Aus dem Stand der Technik ist nach
EP 2 765 665 daher eine Vorrichtung zum allstromsensitiven Differenzstromschutz bekannt, welche es ermöglicht sehr kleine glatte Gleichfehlerströme zu erfassen und wobei für glatte Gleichfehlerströme die Auslöseschwelle ≤ 6 mA ist.
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Aus dem Stand der Technik sind auch Schutzeinrichtungen für den Differenzstromschutz bekannt, welche für einen mobilen Einsatz (zum Beispiel auf Baustellen) vorgesehen sind und die über zusätzliche Funktionen verfügen. In der DGUV-Information 203-006 sind Anforderungen für solche zusätzlichen Funktionen enthalten. So muss unter anderem eine Unterspannungsauslösung vorhanden sein und alle Anschlussleitungen inklusive des Schutzleiters müssen allpolig schaltbar sein. Zudem ist ein selbständiges Wiedereinschalten nach Spannungswiederkehr nicht zulässig.
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Eine Schutzleiterüberwachung ist eine dieser zusätzlichen Funktionen. Die Anforderungen hierzu sind so bestimmt, dass eine mobile Differenzstrom-Schutzeinrichtung mit einer solchen Schutzleiterüberwachung zuverlässig auf Baustellen verwendet werden kann. Die Schutzleiterüberwachung muss eine Abschaltung bei Erkennung eines unterbrochenen Schutzleiters oder bei Erkennung von unzulässiger Spannung auf dem Schutzleiter bewirken. Ebenso darf eine Zuschaltung bei diesen Zuständen nicht möglich sein. Beim Auftreten von Fremdspannung auf dem Schutzleiter, zum Beispiel durch Anbohren einer Leitung eines anderen Stromkreises, darf der Schutzleiter hingegen nicht abgeschaltet werden.
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Eine normativ auch als ortsveränderliche Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (PRCD) bezeichnete mobile Differenzstrom-Schutzeinrichtung mit den oben genannten zusätzlichen Anforderungen ist nach
EP 0 806 825 im Stand der Technik bekannt. Nachteilig ist jedoch, dass diese Differenzstrom-Schutzeinrichtung nur zum Schutz von Stromkreisen mit einem Phasenleiter und einem Neutralleiter vorgesehen ist. Zudem ist diese Differenzstrom-Schutzeinrichtung nur zur Erfassung und Abschaltung von Fehlerströmen des Typs A vorgesehen. Eine Verwendung in mehrphasigen Stromversorgungssystemen, also mit mehreren Phasenleitern, ist nicht möglich, da diese Differenzstrom-Schutzeinrichtung zudem keine Fehlerströme des Typs B oder B+ erfasst. Ebenso ist eine Erfassung und Abschaltung sehr kleiner glatter Gleichfehlerströme ≤ 6 mA nicht möglich.
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Des Weiteren wäre es vorteilhaft, wenn eine Differenzstrom-Schutzeinrichtung der zuvor genannten Gattung über weitere Funktionen in der Art verfügt, sodass eine fehlerhafte Vertauschung der Anschlussleitungen erkannt und ggf. zur Abschaltung führt. Beim Anschluss von elektrischen Betriebsmitteln an unbekannten Steckdosen, kann nicht ausgeschlossen werden, dass diese Steckdosen in der Art mangelhaft sind, dass eine Vertauschung der elektrischen Leiter (L1, L2, L3, N, PE) vorliegt, die zu einem gefährlichen Zustand führen kann.
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Bei Verwendung in einem dreiphasigen Stromversorgungssystem wäre es zudem vorteilhaft, wenn der Benutzer über die Richtung des elektrischen Drehfeldes informiert wird. Insbesondere bei elektrischen Betriebsmitteln mit drehstrombetriebenen Elektromotoren kann eine falsche Drehrichtung des Motors zu gefährlichen Zuständen führen.
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Die Schutzeinrichtung in der bereits zuvor genannten Druckschrift
EP 0 806 825 weist zur Schutzleiterüberwachung einen kapazitiven Sensor auf. Eine bedienende Person stellt beim Berühren des Sensors mit der Hand durch den Körperwiderstand ein Erdpotenzial her. Dieses Erdpotenzial ist zur Erkennung von Schutzleiterfehlern (zum Beispiel eine Schutzleiterunterbrechung oder unzulässige Spannung auf dem Schutzleiter) erforderlich. Da es durchaus üblich ist, dass die bedienende Person zum Arbeitsschutz Handschuhe trägt, wird das Erdpotenzial durch den kapazitiven Sensor nur unzureichend erfasst, sodass eine zuverlässige Schutzleiterprüfung nicht möglich ist, die ggf. zu gefährlichen Zuständen führen kann.
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Aus diesem Grund zeigt die Druckschrift
EP 3 373 403 eine Weiterentwicklung, die es ermöglicht, eine zuverlässige Schutzleiterprüfung durchzuführen, auch wenn die bedienende Person den kapazitiven Sensor mit Handschuhen berührt. Vorteilhaft wäre es daher, wenn auf den in
EP 0 806 825 und
EP 3 373 403 genannten Sensor verzichtet werden kann. Bei Verwendung in einem Drehstromsystem bietet sich die Möglichkeit zur Bildung eines künstlichen Sternpunktes aus den drei Phasenleitern. Die Spannung dieses künstlichen Sternpunktes kann in einfacher Weise mit der Spannung des Schutzleiters verglichen werden. Überschreitet die Differenz beider Spannungen einen unzulässigen Wert, wird dieses als Fehler erkannt und kann zur Abschaltung führen. Bei Auftreten eines unzulässigen Wertes einer Spannungsdifferenz aufgrund einer Fremdspannung, zum Beispiel durch Anbohren einer Leitung eines anderen fremden Stromkreises, darf keine Abschaltung des Schutzleiters erfolgen. Auf einen kapazitiven Sensor, wie weiter zuvor beschrieben, kann in diesem Fall verzichtet werden.
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Differenzstrom-Schutzeinrichtungen müssen über eine sichtbare Schaltstellungsanzeige verfügen, welche den momentanen Zustand der Schaltkontakte anzeigt. Eine rote Anzeige weist auf geschlossene Schaltkontakte hin. Eine grüne Anzeige weist auf offene Schaltkontakte hin. Diese Schaltstellungsanzeige muss mechanisch mit den Schaltkontakten direkt gekoppelt sein, sodass ein unzulässiges Verschweißen der Schaltkontakte durch eine rote Anzeige auch dann erkennbar ist, wenn sich der eigentliche Bedienknebel in der Ausgeschaltet-Position befindet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine bedienende Peron über zumindest zwei separate Schaltstellungsanzeigen sowohl über den gemeinsamen Zustand aller Lastschaltkontakte (N, L1, L2, L3) als auch über den Zustand des Schutzleiterschaltkontaktes informiert wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn Differenzstrom-Schutzeinrichtungen in kompakter Ausführung in einem Gehäuse ausgeführt sind, welche die zuvor genannten zusätzlichen Anforderungen und weiteren Funktionen beinhaltet, sodass eine einfache Montage und ein einfacher Anschluss möglich sind.
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Eine Schutzleiterüberwachung ist eine Vorrichtung zur Erkennung von Fehlerzuständen eines Schutzleiters (PE) eines Niederspannungsnetzes. Wie weiter oben aufgeführt, kann eine Schutzleiterüberwachung eigenständig ausgeführt sein oder als zusätzliche Funktion Bestandteil einer Differenzstrom-Schutzeinrichtung oder einer anderen Schutzeinrichtung sein. Nachfolgend sind Fehlerzustände eines Schutzleiters (PE) genannt, welche von einer Schutzleiterüberwachung erfasst und bewertet werden. Die Schutzleiterüberwachung darf sich nicht einschalten lassen, wenn der Schutzleiter (PE) des speisenden Netzes unterbrochen ist oder wenn dieser unter einer unzulässig hohen Spannung steht. Wenn während des laufenden Betriebes der Schutzleiter (PE) im speisenden Stromkreis unterbrochen wird, muss die Schutzleiterüberwachung eine allpolige Abschaltung bewirken. Beim Auftreten von Fremdspannung auf dem Schutzleiter (PE), beispielsweise auf einer Baustelle durch Anbohren einer elektrischen Leitung eines anderen (fremden) Stromkreises, darf die Schutzleiterüberwachung hingegen keine Abschaltung des Schutzleiters (PE) bewirken.
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Ein Fehlerzustand ist eine wie bereits zuvor beschriebene unzulässig hohe Spannung des Schutzleiters (PE) gegenüber einem Bezugspotential. Im Stand der Technik sind Schutzleiterüberwachungen aus den Druckschriften
DE 20 2014 101 858 ,
DE 10 2016 105 882 sowie
EP 3 016 225 bekannt. Bei den Vorrichtungen in den zuvor genannten Druckschriften wird in bekannter Weise ein Effektivwert der elektrischen Spannung zwischen dem Schutzleiter (PE) und einem Bezugspotential gemessen. Dieses Bezugspotential kann beispielsweise ein aus den drei Außenleitern (L1, L2, L3) gebildeter künstlicher Sternpunkt oder der Neutralleiter sein. Die Spannung dieses Bezugspotentials hat somit üblicherweise den Wert 0. Übersteigt der Effektivwert der gemessenen Spannung einen bestimmten Wert, so kann eine Meldung oder eine Abschaltung in Verbindung mit einer zugeordneten Schalteinrichtung erfolgen. Wobei, wie bereits weiter oben aufgeführt, eine Separierung erfolgen muss, ob die Spannung durch den zu schützenden Stromkreis oder einem anderen und somit fremden Stromkreis generiert wurde. Für die Netzfrequenz 50 Hz gilt im Allgemeinen eine Spannung > 50 V als gefährliche Berührspannung. Unter besonderen Bedingungen, wenn beispielsweise die Möglichkeit von großflächigen Berührungen besteht und/oder mit erhöhter Feuchtigkeit gerechnet werden muss, gilt bereits eine Spannung > 25 V als berührgefährlich. Insbesondere auf Bau- und Montagestellen kann der zuletzt genannte Wert von 25 V daher als vorteilhaft erachtet werden.
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Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Schutzleiterüberwachungen aus den zuvor genannten Druckschriften
DE 20 2014 101 858 ,
DE 10 2016 105 882 sowie
EP 3 016 225 ist jedoch nachteilig, dass zur Bewertung einer Abschaltung nur der Effektivwert der gemessenen Spannung zwischen dem Schutzleiter (PE) und einem Bezugspotential verwendet wird. Es wird also nur der Effektivwert der gemessenen Spannung mit einem Referenzwert verglichen. Der Frequenzbereich über welchem die Spannungsmessung erfolgt, ist in nachteiliger Weise undefiniert, wobei vermutet werden kann, dass sich die Spannungsmessung nur auf die Netzfrequenz (50 Hz) bezieht. Insbesondere auf Bau- und Montagestellen werden zunehmend mehrphasige elektronische Betriebsmittel verwendet, die beispielsweise Frequenzumrichter zur Drehzahlsteuerung von Motoren enthalten. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Frequenzumrichter mit zugehörigen Maßnahmen zur Einhaltung einschlägiger Vorschriften zur Elektromagnetischen Verträglichkeit, zum Beispiel in der Art von elektrischen EMV-Filtern, sowohl im fehlerfreien Betrieb als auch im fehlerbehafteten Betrieb, Ströme im Schutzleiter generieren können, welche viele Frequenzanteile ungleich der Netzfrequenz (50 Hz) enthalten. In üblicher Weise sind Frequenzanteile der Schaltfrequenz und deren Harmonischen (typisch im Bereich von 1 kHz bis 100 kHz) und auch Frequenzanteile der Maschinenfrequenz (typisch im Bereich < 100 Hz) sowie Frequenzanteile ungeradzahliger Vielfache (3, 5, 7, und so weiter) der dritten Harmonischen (150 Hz) der Netzfrequenz (50 Hz) vorhanden. In Bezug auf den Schutz gegen elektrischen Schlag sind Grenzkurven aus der Normenreihe IEC 60479 bekannt, welche in Bezug auf gefährliches Herzkammerflimmern die Stromwerte in Abhängigkeit der Frequenz darstellen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Erkennung von Fehlerzuständen eines Schutzleiters zu verbessern.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Erkennung von Fehlerzuständen eines Schutzleiters durch eine Erfassung einer an dem Schutzleiter anliegenden Spannung durchgeführt wird, wobei diese Erfassung über einen Frequenzbereich von DC (0 Hz) bis 1 MHz durchgeführt wird.
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Es ist vorteilhaft, wenn bei einer Schutzleiterüberwachung die Messung der Spannung zwischen dem Schutzleiter (PE) und einem Bezugspotential über einen weiten Frequenzbereich erfolgt, wobei dieser Frequenzbereich zumindest DC (0 Hz) bis 1 kHz umfasst. In bevorzugter Weise umfasst dieser Frequenzbereich DC (0 Hz) bis 1 MHz. Um unerwünschte Abschaltungen zu vermeiden und somit eine größtmögliche Anlagenverfügbarkeit zu erzielen, ist es vorteilhaft, wenn eine Abschaltung erst bei einem möglichst hohen Wert der Schutzleiterspannung erfolgt. Allerdings darf der Wert nicht oberhalb eines als berührgefährlich definierten Wertes liegen. Um eine größtmögliche Sicherheit in Bezug auf den Schutz gegen elektrischen Schlag zu bieten und zudem eine größtmögliche Anlagenverfügbarkeit zu erreichen, ist es vorteilhaft, wenn die Bewertung der gemessenen Schutzleiterspannung und eine daraus resultierende mögliche Meldung oder Abschaltung in Bezug auf berührgefährliche Werte in Abhängigkeit der Frequenz erfolgt. In vorteilhafter Weise kann dabei für den Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 Hz eine maximal zulässige Schutzleiterspannung von 25 V vorgesehen werden, sodass auch unter den weiter oben genannten besonderen Bedingungen stets ein zuverlässiger Schutz gegen elektrischen Schlag geboten ist. Im Frequenzbereich von 100 Hz bis 1000 Hz kann ein stetiger Verlauf der maximal zulässigen Schutzleiterspannung von 25 V bei 100 Hz ansteigend auf 50 V bei 1000 Hz vorgesehen sein. Oberhalb von 1000 Hz kann ein stetiger Verlauf der maximal zulässigen Schutzleiterspannung mit demselben Anstieg wie im Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 1000 Hz vorgesehen sein. Bevorzugt bleibt der Wert der maximal zulässigen Schutzleiterspannung oberhalb von 1000 Hz in vorteilhafter Weise konstant. Beispielsweise kann bei einer Frequenz von 100 kHz oder 1 MHz somit auch ein Wert von 50 V vorgesehen sein. Im unteren Frequenzbereich von nahezu 0 Hz bis 10 Hz kann ein stetiger Verlauf der maximal zulässigen Schutzleiterspannung von 50 V bei nahezu 0 Hz abfallend auf 25 V bei 10 Hz vorgesehen sein. Für 0 Hz, also DC, kann ein Wert von 50 V oder in bekannter Weise 60 V als Grenzwert vorgesehen sein. Der Verlauf der Kennlinie der maximal zulässigen Schutzleiterspannung in Abhängigkeit der Frequenz ist dabei so ausgeführt, dass alle Spanungswerte stets unterhalb einer bekannten Grenzkurve für Herzkammerflimmern gemäß der Normenreihe IEC 60479 bleiben. Hierbei sind allgemein anerkannte Werte der Impedanz des menschlichen Körpers nach IEC 60479 berücksichtigt. In vorteilhafter Weise ergibt sich somit ein größtmöglicher Schutzpegel in Bezug auf den Schutz gegen elektrischen Schlag, wobei insbesondere durch den Anstieg der Kennlinie der maximal zulässigen Schutzleiterspannung oberhalb von 100 Hz sowie unterhalb von 10 Hz eine hohe Immunität gegenüber unerwünschten Ableitströmen auf dem Schutzleiter und somit eine hohe Anlagenverfügbarkeit erreicht wird. Durch den zuvor genannten frequenzabhängigen Verlauf der Kennlinie der maximal zulässigen Schutzleiterspannung ergeben sich über einen weiten Frequenzbereich stets definierte Werte, die zu einer sicheren Abschaltung führen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine zuverlässige Schutzleiterüberwachung auch dann erfolgen, wenn die erfasste Schutzleiterspannung verschiedene spektrale Anteile in einem weiten Frequenzbereich aufweist.
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Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine dafür verwendete Umsetzung in einem Schaltbild ist in den nachstehenden Figuren erläutert. Es zeigen:
- 1: ein Blockschaltbild der Vorrichtung für das Verfahren zur Erkennung von Fehlerzuständen eines Schutzleiters (PE);
- 2: ein Diagramm der Schutzleiterspannung über einen weiten Frequenzbereich der Vorrichtung für das Verfahren zur Erkennung von Fehlerzuständen eines Schutzleiters (PE) bezüglich einer Bewertung zur Abschaltung;
- 3: ein Blockschaltbild der Vorrichtung für das Verfahren zur Erkennung von Fehlerzuständen eines Schutzleiters (PE) als Bestandteil einer Differenzstrom-Schutzeinrichtung.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Erkennung von Fehlerzuständen eines Schutzleiters PE zur Verwendung in einem dreiphasigen Stromversorgungssystem. Je nach Ausführungsform kann die Vorrichtung 1 auch zur Verwendung in einem einphasigen Stromversorgungssystem vorgesehen sein. Die Vorrichtung 1 ist eingangsseitig über eine Steckvorrichtung 10 mit der Spannungsquelle 2 verschaltet. Ausgangsseitig kann die Vorrichtung 1 mittels einer Steckvorrichtung 11 mit einem elektrischen Verbrauchsmittel 3 verschaltet sein. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Auswerteeinheit 8. Die Auswerteeinheit 8 ist eingangsseitig mit allen elektrischen Stromleitern 7 der Spannungsquelle L1, L2, L3, N und des Schutzleiters PE elektrisch verbunden. Erfindungsgemäß erfolgt zumindest die Erfassung und Bewertung der Spannung des Schutzleiters PE durch die Auswerteeinheit 8 über einen weiten Frequenzbereich. Zur Messung des Stromes im Schutzleiter PE umfasst die Vorrichtung 1 eine Strommesseinrichtung 6. Die Strommesseinrichtung 6 ist elektrisch mit der Auswerteeinheit 8 verschaltet. Die Strommesseinrichtung 6 kann beispielhaft in Form eines magnetischen Stromwandlers ausgeführt sein, wobei der Schutzleiter PE die Primärwicklung ausbildet und eine Sekundärwicklung elektrisch mit der Auswerteeinheit 8 verschaltet ist. Die Messung und Auswertung des Stromes im Schutzleiter PE kann über einen weiten Frequenzbereich erfolgen. Die Vorrichtung 1 umfasst zudem zwei Schalteinrichtungen 4 und 5. Die Schalteinrichtung 4 umfasst 4 elektrische Schaltkontakte, die in den Stromleitern 7 der Außenleiter L1, L2, L3 und des Neutralleiters N angeordnet sind. Die Schalteinrichtung 5 umfasst einen elektrischen Schaltkontakt, der im Stromleiter 7 des Schutzleiters PE angeordnet ist. Die Schaltkontakte sind zum elektrischen Öffnen und Schließen der Stromleiter 7 vorgesehen. Die Schalteinrichtungen 4 und 5 umfassen jeweils einen elektrischen Steuereingang, sodass hierdurch ein Öffnen und Schließen der Schaltkontakte ermöglicht werden kann. Je nach erkanntem Fehlerzustand des Schutzleiters PE kann die Auswerteeinheit 8 eine unabhängige Steuerung der Schalteinrichtungen 4 und 5 bewirken. Die Auswerteeinheit 8 ist elektrisch separat mit jedem der beiden Steuereingänge der Schalteinrichtungen 4 und 5 verschaltet.
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Ein für eine Spannungsmessung des Schutzleiters PE erforderliches Bezugspotential kann durch den Neutralleiter N gebildet werden. Alternativ kann das Bezugspotential durch einen aus den Außenleitern L1, L2, L3 gebildeten künstlichen Sternpunkt 9 gebildet sein. In Abhängigkeit des Zustandes der eingangsseitig verschalteten Stromleiter 7 der Spannungsquelle L1, L2, L3, N und des Schutzleiters PE sowie eines erfassten Stromes der Strommesseinrichtung 6 und einer daraus erfolgten Bewertung durch die Auswerteeinheit 8 bezüglich eines Fehlerzustandes des Schutzleiters PE, werden die Eingänge der Schalteinrichtungen 4 und 5 gesteuert. Eine Messung der Spannung des Schutzleiters PE erfolgt dabei durch Ermittlung der Potentialdifferenz des Schutzleiters PE und des Sternpunktes 9 oder des Neutralleiters N als Bezugspotential. Die Messung und Auswertung der Spannung des Schutzleiters PE erfolgt erfindungsgemäß über einen weiten Frequenzbereich. Wird ein unzulässig hoher Wert der Spannung ermittelt, können die Schalteinrichtungen 4 und 5 so gesteuert werden, dass eine Abschaltung erfolgt.
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Wird eine Fremdspannung erkannt, zum Beispiel auf einer Baustelle durch Anbohren einer Stromleitung mit einer Bohrmaschine eines anderen fremden Stromkreises, darf keine Abschaltung des Schutzleiters PE erfolgen. In diesem Fall erfolgt nur eine Steuerung zur Öffnung der Schaltkontakte der Schalteinrichtung 4 für die Stromleiter 7 von L1, L2, L3 und N, während der Schaltkontakt der Schalteinrichtung 5 und damit der Stromleiter 7 des Schutzleiters PE geschlossen bleibt. Dadurch ist gewährleistet, dass eine im fremden Stromkreis angeordnete Überstrom-Schutzeinrichtung abschalten kann. Eine Erkennung von Fremdspannung erfolgt in der Art, dass neben einer ermittelten unzulässig hohen Spannung des Schutzleiters PE zudem ein unzulässig hoher Strom im Schutzleiter PE mittels der Strommesseinrichtung 6 erfasst wird. In vorteilhafter Weise erfolgt die Messung und Bewertung des Stromes im Schutzleiter PE über einen weiten Frequenzbereich. Bei dem oben genannten Beispiel des Anbohrens einer fremden Stromleitung fließt ein Strom mit der Netzfrequenz 50 Hz. Die Bewertung des Stromes im Schutzleiters PE kann daher in vorteilhafter Weise so erfolgen, dass nur Frequenzanteile im Strom mit 50 Hz berücksichtigt werden, sodass mögliche Ableitströme im Schutzleiter PE mit weiteren Spektralanteilen, welche durch elektronische beziehungsweise getaktete Betriebsmittel (zum Beispiel Frequenzumrichter) generiert werden können, nicht zur Beeinflussung führen.
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Ein weiterer Fehlerzustand des Schutzleiters PE ist in der Art berücksichtigt, dass sich die Vorrichtung 1 mittels der Schalteinrichtungen 4 und 5 nicht einschalten lässt, wenn der Schutzleiter PE der Spannungsquelle 2 unterbrochen ist oder wenn dieser unter einer unzulässig hohen Spannung steht. Hierzu erfolgt durch die Auswerteeinheit 8 eine Bewertung der Spannung des Schutzleiters PE gegenüber einem Bezugspotential N oder 9. Wenn während des laufenden Betriebes der Schutzleiter PE der Spannungsquelle 2 unterbrochen wird, erfolgt eine allpolige Abschaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mittels der Schalteinrichtungen 4 und 5.
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Die Vorrichtung 1 ist so ausgestaltet, dass eine zur Meldung oder Abschaltung erforderliche Bewertung der Spannung des Schutzleiters PE mit Hilfe der Auswerteeinheit 8 in Abhängigkeit der Frequenz erfolgt. Die Auswerteeinheit 8 kann als Microcontroller oder als analoge Schaltung ausgeführt sein. Dabei erfolgt die Bewertung der Spannung des Schutzleiters PE mit Hilfe von im Stand der Technik bekannten digitalen Filtern oder analogen Filterschaltungen in Form von Hoch- oder Tiefpässen oder Kombinationen dieser, als Bandpässe oder -sperren. Auch die Bewertung des Stromes im Schutzleiter PE kann in dieser Art erfolgen.
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2 zeigt ein Diagramm mit einem erfindungsgemäßen frequenzabhängigen Verlauf der Spannung des Schutzleiters PE, welcher bezüglich einer Meldung ober Abschaltung von der Vorrichtung 1 berücksichtigt wird. Auf der X-Achse ist logarithmisch die Frequenz ab 0,1 Hz (quasi DC) aufgetragen. Die Y-Achse zeigt die Auslösespannung in V. Die Auslösespannung ist hierbei die Spannung des Schutzleiters PE, oberhalb welcher eine Meldung bzw. Abschaltung mittels der Abschalteinrichtungen 4 und 5 erfolgt.
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Um eine größtmögliche Sicherheit in Bezug auf den Schutz gegen elektrischen Schlag zu bieten, ist n einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass ein Referenzwert in Abhängigkeit von der Frequenz stets unterhalb eines für den Schutz gegen elektrischen Schlag gefährlichen Wertes bezüglich Herzkammerflimmern nach der Normenreihe IEC 60479 liegt. Dabei sind allgemein anerkannte Impedanzwerte des menschlichen Körpers nach der Normenreihe IEC 60479 berücksichtigt. Dieser frequenzabhängige Referenzwert stellt den maximal zulässigen Wert der Spannung des Schutzleiters PE dar, oberhalb dessen eine Meldung oder Abschaltung erfolgt. Erfindungsgemäß beträgt im Frequenzbereich von 10 Hz bis 100 Hz die maximal zulässige Schutzleiterspannung in vorteilhafter Weise 25 V. Der Wert von 25 V gilt im Stand der Technik als anerkannt für Anwendungsfälle, bei denen mit einer erhöhten elektrischen Gefährdung gerechnet werden muss. Im Allgemeinen gilt ein Wert von 50 V als anerkannt. Wird im Bereich von 10 Hz bis 100 Hz eine Spannung des Schutzleiters PE gegenüber einem Bezugspotential N oder 9 größer als 25 V ermittelt, so erfolgt eine Meldung oder Abschaltung der Vorrichtung 1 mittels der Abschalteinrichtungen 4 und 5.
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Im Frequenzbereich von 100 Hz bis 1000 Hz kann ein stetiger Verlauf der maximal zulässigen Spannung des Schutzleiters PE von 25 V bei 100 Hz ansteigend auf 50 V bei 1000 Hz vorgesehen sein. Oberhalb von 1000 Hz kann ein stetiger Verlauf der maximal zulässigen Schutzleiterspannung mit demselben Anstieg wie im Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 1000 Hz vorgesehen sein. Bevorzugt bleibt der Wert der maximal zulässigen Schutzleiterspannung oberhalb von 1000 Hz in vorteilhafter Weise konstant. Beispielsweise kann bei einer Frequenz von 100 kHz oder 1 MHz somit auch ein Wert von 50 V vorgesehen sein. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine größtmögliche Anlagenverfügbarkeit erreicht, wobei im Stand der Technik als gefährlich geltende Werte der Berührungsspannung nicht überschritten werden.
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Im unteren Frequenzbereich von nahezu 0 Hz bis 10 Hz ist ein stetiger Verlauf der maximal zulässigen Schutzleiterspannung von 50 V bei nahezu 0 Hz abfallend auf 25 V bei 10 Hz vorgesehen. Für 0 Hz, also DC, ist ein Wert von 50 V als Grenzwert vorgesehen. Im Stand der Technik gilt ein maximaler Wert von 60 V bei DC als anerkannt, wenn mit einer erhöhten elektrischen Gefährdung gerechnet werden muss. Alternativ kann somit der Grenzwert hier 60 V an Stelle von 50 V betragen. Auch hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine hohe Anlagenverfügbarkeit erreicht.
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In vorteilhafter Weise ergibt sich ein größtmöglicher Schutzpegel in Bezug auf den Schutz gegen elektrischen Schlag, wobei insbesondere durch den Anstieg der Kennlinie der maximal zulässigen Schutzleiterspannung oberhalb von 100 Hz sowie unterhalb von 10 Hz eine hohe Immunität gegenüber unerwünschten Ableitströmen auf dem Schutzleiter und somit eine hohe Anlagenverfügbarkeit erreicht wird. Durch den frequenzabhängigen Verlauf der Kennlinie der maximal zulässigen Spannung des Schutzleiters PE ergeben sich über einen weiten Frequenzbereich stets definierte Werte, die zu einer sicheren Abschaltung führen.
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3 zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung 1 zur Erkennung von Fehlerzuständen eines Schutzleiters PE beispielhaft als Bestandteil einer Differenzstrom-Schutzeinrichtung 12. Die Vorrichtung 1 kann auch Bestandteil anderer im Stand der Technik bekannter Schutzeinrichtungen (zum Beispiel Überstrom-Schutzeinrichtungen) sein.
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In vorteilhafter Weise kann die Differenzstrom-Schutzeinrichtung 12 als ortsveränderliche Fehlerstrom-Schutzeinrichtung (PRCD) ausgeführt sein. In einer weiteren Ausgestaltung können die Vorrichtung 1 und die Differenzstrom-Schutzeinrichtung 12 Bestandteile einer mobilen Einheit sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Differenzstrom-Schutzeinrichtung 12 als allstromsensitive Differenzstrom-Schutzeinrichtung zumindest zur Erfassung und Abschaltung von glatten und pulsierenden Gleichfehlerströmen und Wechselfehlerströmen vorgesehen ist. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Differenzstrom-Schutzeinrichtung 12 bei glatten Gleichfehlerströmen > 6 mA eine Abschaltung bewirkt. Zudem ist es vorteilhaft, wenn die Differenzstrom-Schutzeinrichtung 12 mittels einer Zusatzfunktion eine Abschaltung bewirkt, wenn eine fehlerhafte Vertauschung der als Anschlussleitungen ausgebildeten Stromleiter 7 der Spannungsquelle 2 vorliegt. Fehlerhaft in diesem Sinne ist beispielhaft, wenn die Stromleiter L1 und PE vertauscht sind. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die Differenzstrom-Schutzeinrichtung 12 mittels einer Zusatzfunktion die Drehrichtung des elektrischen Drehfeldes, welches durch die Stromleiter 7 von L1, L2 und L3 bestimmt ist, optisch angezeigt wird. In bevorzugter Weise sind die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 und die Differenzstrom-Schutzeinrichtung 12 kompakt in einem Gehäuse angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1267467 [0011, 0012]
- EP 2765665 [0012]
- EP 0806825 [0015, 0018, 0019]
- EP 3373403 [0019]
- DE 202014101858 [0023, 0024]
- DE 102016105882 [0023, 0024]
- EP 3016225 [0023, 0024]
