DE4219970A1 - Prüfschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Prüfschaltungen dieser Art werden insbesondere bei der Fertigung elektrischer, mit Netzspannung zu betreibender Geräte benötigt, bei denen gewähr­ leistet sein muß, daß leitende Gehäuseteile, ins­ besondere Metall-Außenteile, nicht mit der Netz­ spannung beaufschlagt sind und den spannungsfüh­ renden Teilen gegenüber auch mit ausreichender Durchschlagsfestigkeit isoliert sind und daß diese Teile auch über den vorgeschriebenen Schutzleiter­ kontakt geerdet sind. Neben der Sicherheitsprüfung solcher Geräte ist regelmäßig auch eine Funktions­ prüfung von Interesse, um insoweit auch eine End­ kontrolle für die Fertigung zu erhalten.

Herkömmliche Geräte für die Sicherheitsprüfung sind durchgehend Spezialgeräte für Einzelfunktio­ nen, etwa für die Funktionsprüfung oder die Span­ nungsfestigkeitsprüfung oder die Durchgängigkeits­ prüfung des Schutzleiters zu den leitenden (metal­ lischen) Gehäuse-Außenflächen gewesen. Dies ist unbefriedigend. Vollends unbrauchbar sind herkömm­ liche Prüfgeräte und Prüfverfahren für solche netzspannungsbetriebenen Geräte und sonstige Be­ triebsmittel, die intern mit Relais für die Be­ triebsspannung ausgestattet sind. Bei hohen zu schaltenden Leistungen oder bei Geräten, die einen Überlastungsschutz, einen Unterspannungs-Auslö­ sungsschutz oder einen Wiederanlaufschutz umfassen, ist ein solches Gerat häufig noch durch ein Relais vom Netz getrennt, so daß eine reelle Sicherheits­ prüfung ohne Netzspannungsversorgung nicht möglich ist. Ersatzweise wurden hier oft Sicherheitsprü­ fungen am geöffneten (und nachher wieder zu schließenden) Gerät vorgenommen, was aber Fehler­ risiken beinhaltet und sehr große Umstände mit sich führt.

Aufgabe der Erfindung ist es dementsprechend, eine Prüfschaltung zu schaffen, die elektrische, mit Netzspannung zu betreibende Geräte, insbeson­ dere auch Geräte mit Einschalt- oder Abschalt­ relais, im Betriebssystem einsatzgerecht zu prüfen erlaubt, und zwar in einer schnellen und für Bedienpersonen einfachen und sicheren Weise, wobei ein aussagefähiges Ergebnis zu erzielen ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe von einer Prüfschaltung nach dem Oberbegriff des Anspruchs ausgehend mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dieser Prüfschaltung ist von Bedeutung, daß diese einen Anschluß des zu prüfenden Geräts über dessen Standard-Anschlußelement, typischerweise also den Netzstecker, vorsieht. Der Prüfling ist also bei der Untersuchung nicht zu öffnen oder sonstwie zu manipulieren, sondern wird integral und einsatzgerecht untersucht. Auf Seiten der Prüfschaltung wird in einer genau zuzuordnenden Weise für die Aufschaltung der Netzspannungen auf das Betriebssystem und für die Aufschaltung von Prüfspannungen oder Erdpotential auf das Schutzleitersystem gesorgt.

Zur Einleitung dieser Prüfungen mit Aufschaltung von Netzspannung und mit Aufschaltung von Hochspan­ nung wird vorab über einen Fühler festgestellt, daß elektrisch leitende (metallische) Gehäuseflä­ chen, die mit dem Schutzleiterkontakt verbunden sein müssen, diesem gegenüber auch einen ausrei­ chend niedrigen Widerstand von z. B. weniger als 0,2 Ohm aufweisen. Erst wenn das Gerät bei dieser Eingangsprüfung eine intakte "Erdung", also Verbin­ dung der Gehäuseflächen mit dem Schutzleiterkontakt feststellt, gibt es über ein zugehöriges Steuer­ gerät nacheinander die weiteren Vorgänge mit ent­ sprechenden Schaltbefehlen frei. Damit ist sicher­ gestellt, daß sich eine nachfolgende Messung der Spannungsfestigkeit nicht etwa fälschlich auf einen Erdungsfehler bezieht. Der entsprechende Fühler kann als Taststift von Hand geführt sein, er kann aber auch Teil einer Halterung oder Auflage zur Aufnahme des Prüflings sein.

Danach wird Netzspannung an den Prüfling angelegt zu einer Funktionsprüfung, die typischerweise den Betriebs- und/oder Anlaufstrom überwacht. Erst dann kann die Prüfung auf Spannungsfestigkeit beginnen. Der Hochspannungsgenerator ist dabei so ausgelegt, daß seine Ausgangsleistung für den Menschen nicht gefährlich ist. Durch ein Generator­ system geringer Energie bzw. durch hochohmige Ausgangswiderstände lassen sich die vom Hochspan­ nungsgenerator bei Berührung ausgehenden Ströme auf für den Menschen unkritische Werte begrenzen.

Hochspannungsgenerator mit einer derartigen Aus­ gangsimpedanz zwingen allerdings dazu, kapazitive Belastungen vom Schutzleitersystem des Prüflings her zu berücksichtigen. Ladevorgänge dieser Art, die beispielsweise Kapazitäten am Prüfling bis zu 10 Nanofarad berücksichtigen sollen, werden zweckmäßig mit einem rampenförmigen Gleichspan­ nungsverlauf der Prüf-Hochspannung bewältigt, bei dem die kapazitiven Ladevorgänge so klein bleiben, daß sie von Durchbruchsströmen bei Isolationsfehlern um Größenordnungen unterscheidbar bleiben. Eine rampenförmig ansteigende Hochspannung erlaubt es dann auch, bei einem Spannungsdurch­ schlag festzustellen, welche Spannung zum Durch­ schlag geführt hat. Grundsätzlich kann eine solche Rampenform gleichförmig und stetig ansteigend vorgesehen werden. In Anpassung an moderne Geräte­ technik ist jedoch eine stufenförmig ansteigende Hochspannungsrampe vorzuziehen, die beispielsweise einen Rampenanstieg von 0 Volt bis 1530 Volt in 255 Stufen à 6 Volt durchführt.

Die Hochspannungsprüfung wird bei ungeerdetem Schutzleiterkontakt durchgeführt. Darüber hinaus läßt sich die Spannungsfestigkeit damit bei Be­ triebsbedingungen, auch thermische Belastungen und Dauerbetrieb einschließend, erfassen.

In der einzigen Figur der Zeichnung ist schemati­ siert eine insgesamt mit 1 bezeichnete Prüfschal­ tung, ein mit 2 bezeichneter nachgeschalteter Drucker sowie (als Prüflings-Alternativen zueinan­ der) ein elektrisches Gerät 3 für dreiphasige Netzspannung ohne Nulleiter bzw. ein elektrisches Gerät 4 für dreiphasige Netzspannung mit Nulleiter dargestellt. Beide Geräte sind mit einem Stecker 5 bzw. 6 versehen, der über entsprechende Pole die Netzspannung zu übernehmen erlaubt und der auch einen Schutzleiterkontakt 7 bzw. 8 umfaßt, über den zu erdende metallische oder sonstwie leitende Teile des Gerätes, insbesondere solche, die berührbar an der Außenseite liegen, zu erden sind. Entsprechende Flächen sind mit 9 bzw. 10 angedeutet und bezeichnet.

Es versteht sich, daß das Nachfolgende sich ganz entsprechend auch für Prüflinge mit einphasigen Betriebssystem verwenden läßt, wobei sich jeweils andere Netzstecker ergeben.

Im folgenden ist davon auszugehen, daß einer der beiden Prüflingen 3 oder 4 mit seinem Stecker 5 bzw. 6 in eine passende Steckerkupplung 11 der Prüfschaltung 1 eingesteckt und damit angeschlossen ist. Die Prüfschaltung umfaßt ein computerisiertes Steuergerät 12, welches im wesentlichen eine zen­ trale Steuerung von Schaltfunktionen, zum Teil aber auch Meßeinrichtungen umfaßt. Beispielsweise ist eine Widerstandsmeßeinrichtung zwischen einem Schutzleiterkontakt 13 (PE) der Steckerkupplung 11 und einem Fühler 14 mit beweglichem Kabelanschluß integriert. Eine Bedienperson bringt den Fühler 14 mit der Prüflings-Außenfläche 9 bzw. 10 in Kontakt und das Steuergerät mißt dabei, ob der Durchgangswiderstand zwischen dem Fühler 14 und Erdpotential den vorgegebenen Wert von z. B. 0,2 Ohm oder besser noch 0,1 Ohm unterschreitet, so daß dadurch eine Vorbedingung für den Spannungs­ festigkeits-Meßvorgang erfüllt ist, daß die Erdung ordnungsgemäß vorliegt.

Das Steuergerät 12 schaltet dann über eine Trenn­ schalteinrichtung 16 die Netzspannungsleiter L1, L2, L3 auf die entsprechenden Buchsen der Stecker­ kupplung 11 auf - der Nulleiter N läuft nicht über Kontakte 17 der Trennschalteinrichtung 16. Dadurch wird an dem Prüfling die zum Betrieb erfor­ derliche Netzspannung angelegt, und eine Funktions­ prüfung ausgelöst, bei der ein Funktionsmeßkreis 26 die Betriebsströme - und zweckmäßig auch zuvor die Anlaufströme - überwacht und bei ordnungsge­ mäßen Werten ein Freigabesignal zum Steuergerät 12 hin ausgibt.

Die Bedienperson legt daraufhin den Fühler 14 an eine Sensorplatte 15 an der Prüfschaltung an und hält den Kontakt für den weiteren Verlauf der Messung aufrecht - anderenfalls wird die wei­ tere Messung abgebrochen. Dies ist im Sinne eines Berührungsschutzes vorgesehen, um auch bei der ungefährlich vorgesehenen Hochspannung Berührungen mit dem Prüfling zu vermeiden, aber auch sonstige Manipulationen während der Messung auszuschließen.

Erst auf dieses Freigabesignal läßt das Steuer­ gerät 12 durch ein Schaltelement 18 den Erdleiter der Steckkupplung 11 von einem Erdungsanschluß 19 abtrennen, so daß keine direkte Erdung besteht. Weiterhin wird gleichzeitig ein Hochspannungsreg­ ler 20 aktiviert, der einen Hochspannungsgenera­ tor 21 zu einem rampenförmigen Spannungsanstieg steuert. Der Hochspannungsgenerator 21 erzeugt dabei eine stufig ansteigende Gleichspannungsrampe mit 255 Stufen à 6 Volt und einer Endspannung von 1530 Volt. Wird diese erreicht, dann hat der Prüfling die Hochspannungsprüfung bestanden und das Steuergerät kann ein entsprechendes Prüfproto­ koll über den Drucker 2 ausgeben.

Der rampenförmige Spannungsanstieg in einzelnen Stufen ist vorgesehen, um zum einen eine definierte Aussage zu erhalten, bei welcher Spannung Fehler auftreten. Insbesondere aber soll eine verläßliche Unterscheidung zwischen Durchschlägen und Kriech­ strömen in der Isolierung des Prüflings, die als Fehler zu erkennen sind, und solchen ordnungs­ gemäßen Umladevorgängen möglich sein, die durch rein kapazitive Belastung von Seiten des Prüflings her möglich sind. Die entsprechenden Ladevorgänge sind insbesondere deshalb nicht vernachlässigbar, weil der Hochspannungsgenerator ausgangsseitig so energieschwach ausgelegt ist, daß eine Berührung hochspannungsführender Teile durch Testpersonen unkritisch ist. Dies wäre grundsätzlich schon von der Konzeption des Generators her vorgebbar - etwa mit einem elektrostatisch arbeitenden Gene­ rator. Im Ausführungsbeispiel wird aber ein geläu­ figes Generatorkonzept dadurch "berührungssicher", daß ein hochohmiger Ausgangswiderstand 22 für den Berührungsfall sicherstellt, daß nur unkritisch schwache Ströme an die berührende Person abgegeben werden.

Wegen der sich aus dem Ausgangswiderstand 22 und der Kapazität des Prüflings ergebenden Ladezeit­ konstanten ist die Aufeinanderfolge der Einzel­ stufen der Hochspannungsrampe zeitlich so bemessen, daß sich die stufenbedingten Umladevorgänge nur geringfügig überlagern.

Tritt allerdings ein Ausgangsstrom am Hochspan­ nungsgenerator 21 auf, der oberhalb der zulässigen und für Umladevorgänge akzeptierbaren Strombereiche liegt, dann meldet der Hochspannungsgenerator 21 dies an eine Fehlerstromerkennung 23 weiter, die ihrerseits ein entsprechendes Signal an die Steuerschaltung 12 zur Protokollierung über den Drucker 2 und zum Abbruch des Prüfverlaufs weiter­ gibt. Im Zuge des Abbruchs wird die Trennschaltein­ richtung 16 zur Abschaltung der Netzspannungen gesteuert.

Weiterhin wird das Schaltelement 18 betätigt, um die direkte Erdung des Schutzkontakts wieder herzustellen. Diese Erdung wird allerdings erst nach einer Verzögerung von z. B. 100 Millisekunden ausgelöst. Zuvor wird die Hochspannung am Ausgang des Hochspannungsgenerators abgebaut, indem ein Hochspannungstransistor 24 aufgesteuert wird, der über einen Widerstand 25 einen Entladungsstrom gegen Erdpotential freigibt. Erst dann, wenn die Hochspannung ausreichend abgebaut ist, wird das Schaltelement 18 zur direkten Erdung geschlossen. Dies vermeidet das Erzeugen eines EMP (elektro­ motorischer Puls).

Ein grundsätzlicher Vorteil des Verfahrens ist, daß die Hochspannungsprüfung mit einer niedrig begrenzten Leistung erfolgt, die mit einem empfind­ lichen und genauen Gleichspannungsprüfverfahren sehr verläßliche Meßwerte schon bei sehr geringen Strömen erzielt. Insbesondere die auf äußerst niedrige Ausgangsströme im Mikroamperebereich ausgelegte Hochspannungserzeugung schafft den Vorteil, daß gerätetechnische und handhabungstech­ nische Vorkehrungen gegen einen Berührungsschutz eigentlich entbehrlich sind. Diese Strombegrenzung schafft aber auch den Vorteil, daß im Durchschlags­ fall keine Störungen im Stromnetz auftreten, die von der Stromversorgungsseite kritisch betrachtet werden und die auch in anderen Abnehmerbereichen, insbesondere bei elektronischen Geräten, sonst Fehler erzeugen könnten. Herkömmliche Hochspannungs­ erzeugungen mit Transformatoren größerer Leistung stellen insofern einen unakzeptablen Stand der Technik dar.

Die Meßgenauigkeit, die mit einer genau definier­ ten rampenförmigen Anschließfunktion der Hochspan­ nung und den dadurch vorgebbaren kleinen Ladeströ­ men erzielt ist, ermöglicht eine sehr genaue Prü­ fung. Insbesondere aber ist es ganz wesentlich, daß diese Prüfung betriebsgerecht erfolgen kann, d. h., mit aufgeschalteter Netzspannung und einge­ schaltetem Betriebssystem, so daß auch Gefährdungen der Schutzisolierung und des Schutzleitersystems, die sich elektrisch, mechanisch oder thermisch durch das Betriebssystem ergeben können, miterfaß­ bar sind. Insbesondere aber lassen sich damit auch Prüflinge mit Netzspannungsrelais einsatz­ gerecht erfassen.

Claims (10)

1. Prüfschaltung für elektrische Geräte, die mit ein- oder mehrphasiger Netzspannung zu betrei­ ben und mit einem Netzstecker oder dergleichen Standard-Anschlußelement mit Schutzleiterkontakt anzuschließen sind und die zumindest eine elek­ trisch leitend mit dem Schutzleiterkontakt verbun­ dene Gehäusefläche aufweisen, wobei die Prüfschal­ tung einen auf den Schutzleiterkontakt aufschalt­ baren Hochspannungsgenerator umfaßt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Prüfschaltung (1) eine Steckerkupplung (11) zur Aufnahme des Netz­ steckers (5, 6) mit einem mit dem Hochspannungs­ generator (21) und über ein Schaltelement (18) mit Erdpotential (19) verbindbaren Schutzleiter­ kontaktanschluß, mit zumindest zwei Kupplungsan­ schlüssen für Netzspannung und einer Trennschalt­ einrichtung (16, 17) vor diesen sowie einen Fühler (14) zur Anlage an der mit dem Schutzleiterkontakt (5, 6) verbundenen Gehäusefläche (9, 10) umfaßt, wobei ein dem Fühler (14) zugeordneter Stromdurch­ gangs-Überwachungs-Kreis (Steuerschaltung 12) den Stromdurchgang zwischen Schutzleiterkontakt (5, 6) und Gehäusefläche (9, 10) auf Niederohmigkeit überwacht und ein Freigabesignal für die Durch­ schaltung der Netzspannung über die Trennschaltein­ richtung (16, 17) liefert und wobei ein Funktions­ meßkreis (26) ein Freigabesignal für die Ein­ schaltung des Hochspannungsgenerators (21) liefert.

2. Prüfschaltung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Hochspannungsgenerator (21) mit zumindest einem hochohmigen Ausgangswider­ stand (22) zur Begrenzung von Kurzschlußströmen versehen ist.

3. Prüfschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungsgenerator (21) mit einer Steuerschaltung (20) für einen rampen­ förmigen Verlauf der Ausgangsspannung versehen ist.

4. Prüfschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochspannungs­ generator (21) mit einer Grenzstromüberwachung (23) verbunden ist, die bei Überschreiten eines vorge­ gebenen Stromwerts am Ausgang des Hochspannungs­ generators (21) ein Abschaltsignal zur Abschaltung des Hochspannungsgenerators (21) liefert.

5. Prüfschaltung nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Abschaltsignal zusätzlich der Trennschalteinrichtung (16, 17) als Trennbefehl zugeleitet wird.

6. Prüfschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschaltsignal als Steuer­ befehl dem Schaltelement (18) zur Erdung des Schutzleiter-Kontakts zugeleitet wird.

7. Prüfschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschaltsig­ nal einer Fehlerprotokollierung (Drucker 2) zuge­ leitet wird.

8. Prüfschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler ein beweglicher handgeführter Fühler (14) ist und daß die Prüfschaltung eine Sensorfläche (15) aufweist, die bei Kontaktierung mit dem Fühler (14) ein zusätzliches notwendiges Freigabesignal lie­ fert.

9. Prüfschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das den Schutz­ leiter (5, 6) mit Erdpotential verbindende Schalt­ element einen Entladestromkreis mit einem Wider­ stand (25) und einem Hochspannungstransistor (24) und ein verzögert zu schaltendes Kurzschluß­ relais (18) umfaßt.

10. Prüfschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch ein Steuergerät (12) zur Freigabe aufeinanderfolgender Prüfvorgänge.