Verfahren und Gerät zum indirekten Messen der bei Erdschluss in Niederspannungsnetzen zu erwartenden Fehlerspannungen und zum Bestimmen des im Erdschlusstromkreis zu erwartenden Fehlerstromes
Nach Ziffer 4 des Art. 26 der bundesrätlichen Verordnung über Starkstromanlagen vom 7. Juli 1933 sind elektrische Niederspannungsverteilanlagen so einzurichten, dass bei Erdschluss z. B. an Apparategehäusen oder Motoren eine Berührungsspannung von höchstens 50 Volt gegenüber Erde und mit ihr verbundenen Teilen entsteht oder der defekte Anlageteil bei höheren Spannungen innert höchstens 5 Sekunden selbständig abgeschaltet wird.
Zum raschen Abschalten des defekten Anlageteiles oder zum Tiefhalten der bei Erdschluss an den Objekten entstehenden Spannungen gegen Erde wird in den Energieverbrauchsanlagen meistens die Nullung oder die Schutzerdung, gelegentlich auch die Schutzschaltung mit Fehlerstrom oder-spannung angewendet.
Die vorliegende Erfindung bezweckt, ohne Netzunterbruch die Nullungs-oder Erdungssysteme auf vorschriftsgemässes Funktionieren bei Erdschluss prüfen zu können, wofür ein einfaches Verfahren und ein zu seiner Durchführung bestimmtes Gerät gemäss nachstehender Beschreibung dienen.
Vom Verfahren der vorliegenden Erfindung ist nach- stehend ein Ausführungsbeispiel beschrieben. In den Figuren 1 und 2 bedeuten : U die Spannung am Transformator des Netzes oder an einem Stromerzeuger zwischen einem Polleiter und dem geerdeten Systempunkt, Uf die Potentialdifferenz über einen Teil der Fehler strombahn, die an den geerdeten Objekten als Be rührungs-oder Fehlerspannung auftritt, Zn die Summe aller Netzwiderstände, Zi + Ze, Ze den Erdungswiderstand des geerdeten Objektes, an dem die Fehlerspannung Uf auftritt, wenn ein Erd schluss an ihm entsteht, Rb den zur Begrenzung des Erdschlusses verwendeten
Schutzwiderstand, im vorliegenden Fall bei einer
Netzspannung gegen Erde von 210 Volt gleich 210 Rv den Ergänzungswiderstand zu Rb (210 Ohm),
bei erhöhter Netzspannung von 230 Volt gleich 20 Ohm oder im 500 Volt-Netz bei einer einfachen, erhöh- ten Phasenspannung von 320 Volt gleich 110 Ohm, Z, unbekannte Leitungsimpedanzen, Ta. eine Taste und V ein Voltmeter.
Bei einem Kurzschluss zwischen den Anschlusstellen des Voltmeters a und b im Schema nach Fig. 1 entsteht ein Fehlerstrom von i, =u=L.
Zl + Ze Zn
Die Potentialdifferenz am Widerstand Ze ist dabei die Fehlerspannung bei Kurzschluss u
Uf = Ze = If Ze-
Zn
Wird die Anlage mit einem Begrenzungswiderstand Rb belastet, so entsteht der Belastungsstrom : I-- ; daraus ergibt sich das Verhältnis Zn + Rb
I u-Z,, Zn Zn
If (Zn +Rb).UZn+Rb
Vor dem Kurzschluss zeigte das Voltmeter der Fig. 1 die Spannung U. Die Stellung, welche der Voltmeterzeiger dabei einnimmt, kann an der Voltmeterskala abgelesen werden. Sie kann aber auch mit einem Stellzeiger markiert werden.
Bei Belastung der Anlage über den Begrenzungswiderstand Rb verteilt sich die Spannung U auf den Widerstand Rb und die Impedanz Zn. Die Spannung am Voltmeter, d. h. zwischen den Punkten a und b, ist als Ub bezeichnet. Es gilt : .
UZn+RbUZn+Rb
Da gemäss unserer Festsetzung der Begrenzungswiderstand Rb in Ohm numerisch gleich gross gewählt wird wie die Spannung in Volt des Niederspannungsnetzes gegen Erde, also Rb = rU, beträgt der bei Belastung entstehende Belastungsstrom nach dem Ohm'schen Gesetz gerade 1 Ampère, sofern r = 1 und die unbekannten Leitungsimpedanzen Zl und der Erdungswiderstand Ze gegenüber dem Belastungswiderstand Rb sehr klein sind und vernachlässigt werden können. Wenn nun aber Ze, d. h. der Erdungswiderstand des geerdeten Objektes, gegenüber dem Belastungswiderstand Rb nicht und nur die Leitungswiderstände Z1 vernachlässigt werden kön
U-Ub Ze nen, so ergibt sich das Verhältnis = .
@ @@@@
U Ze-I-Rb
Wenn wir in dieser Gleichung die Nenner einander gleich setzen, so sind auch die Zähler einander gleich.
Also ist
U = Ze + Rb und U--Üb = Ze.
Unterdrücken wir nun mittels Zenerdioden jeweilen die kleinere Spannung Ub, so entspricht der Zeigerausschlag des Messinstrumentes U gerade dem gesuchten Erdungswiderstand Ze. Da diesem Erdungswiderstand Ze bei Vernachlässigung der Netzwiderstände Zl ein Erdschlusstrom Ik entspricht, ist der Zeigerausschlag des Messinstrumentes auch ein Mass für den Erdschlussstrom oder für den laut Sicherungsnormalien 2, 75 mal kleineren Sicherungsnennstrom der dem Netzteil vorzuschaltenden Schmelzsicherung, um ein vorschriftsgemäs- ses Durchschmelzen innert 10 Sekunden zu erreichen.
(Vergleiche die Sicherungsnormalien des Schweizerischen Elektrotechnischen Vereins SEV, Publikationen Nr. 121 und 153). Für ein Durchschmelzen der vorgeschalteten Sicherungen innert 5 Sekunden ist für das sichere Auftreten einer entsprechend höheren Erdschlusstromstärke zu sorgen. (Vergleiche Erläuterungen zu Ziffer 4 von Art.
26 der bundesrätlichen Verordnung über Starkstromanlagen vom 7. 7. 33).
Für die Fehlerstromstärke bei einem Erdschluss am
Objekt hatten wir den Ausdruck gefunden :
If = U, bei kleinem Zi ungefähr
Zl + Ze Ze
Bei Belastung mit einem Begrenzungswiderstand Rb war
1==-----,beikleinemZiungefähr-----'
Zn + Rb Ze + Rb Nun haben wir aber für die dabei auftretenden Fehlerspannungen :
Uf =If und U/= 1. Ze
Das Verhältnis Uf/Ff' = If/I ergibt, dass sich in den beiden Fällen die Fehlerspannungen wie die Belastungsströme verhalten. Es ist aber auch . Da bei einem
I Ze bestimmten Instrument Rb entsprechend dem numberischen Wert der Netzspannung, also konstant gemacht wird, kann das Messinstrument. auch mit einer geeichten Skala für Berührungsspannungen versehen werden.
Dies ermöglicht bei verschiedenen Erdungswiderständen Ze und Sicherungsnennstromstärken auch ein direktes Ablesen der dabei auftretenden Fehlerspannungen.
Zusammenfassend ergibt sich : Mit einem Voltmeter können aus einer geringen Belastung des Netzes, z. B. entsprechend einem kleinen Verbraucher, der satte Kurzschlusstrom (Fehlerstrom) und die daraus resultierende Fehlerspannungsdifferenz am geerdeten Verbraucher, welcher sich in der Fehlerstrombahn befindet, bestimmt werden. Dabei ist das Absinken des Voltmeterausschla- ges bei Belastung ein Mass für die eine, wie auch für die andere Grosse. Am Voltmeter können im Erdschlussfalle zu erwartende Potentialdifferenzen im Bereiche der Fehlerstrombahn in Volt und damit die ihnen entsprechenden Widerstände in Ohm sowie die Fehlerstromstärken oder 2, 75-mal kleineren Sicherungsnennstromstärken der vorzuschaltenden Sicherungen in Ampère abgelesen werden.
Die Messungen werden so ausgeführt, dass nach Anschliessen des Gerätes an das Niederspannungsnetz über einen Steckkontakt zuerst die Netzspannung ohne Einschalten des Belastungswiderstandes gemessen und eventuell mit einem Stellzeiger festgehalten wird. Dann wird die Belastungstaste gedrückt und die Netzspannung bei Belastung abgelesen, welche gegenüber dem erstgenannten Wert kleiner ist und eine Differenzspannung von Zehntelvolt oder Volt ergibt. Durch Einschalten von Zenerdioden kann diese kleinere Spannung auf Null gebracht und die Ablesung erleichtert werden. Diese entspricht nun ungefähr dem Erdungs-oder Nullungswi- derstand in Ohm.
Sollte die unbelastete Netzspannung wesentlich höher als 210 Volt sein, so wären mit dem Ergänzungswiderstand Rv soviele Ohm beizufügen, als die Netzspannung in Volt höher ist als 210 Volt. Z. B. bei 230 Volt Netzspannung wären 20 Ohm beizufügen, u. s. w.
Für 500 Volt-Netze mit einer betriebsmässigen Erdung des Systemnullpunktes beträgt die Spannung gegen Erde 290 Volt, was bedeutet, dass das Gerät einen Ergänzungswiderstand von etwas mehr als 80 Ohm benötigt, z. B. 100 Ohm.
Bei abnormal niederen Netzspannungen von 200 Volt wäre der Belastungswiderstand auf 200 Ohm und der Ergänzungswiderstand auf etwa 120 Ohm zu bemessen, um alle vorkommenden Fälle erfassen zu kön- nen.
Das durch Fig. 2 beispielsweise veranschaulichte Ge rät besteht aus einem Kasten mit einem Zuleitungsschlauch Sch und einem Zweistiftstecker St mit zwei Erdkontaktbuchsen, um ihn nötigenfalls als Polwendestecker bei um 180 verdrehtem Einstecken benützen zu können.
Bei einheitlichem Anschluss der Verbraucher mit Drei stiftstecker kann der Stecker St aber auch als sogenann- ter Kühlschrankstecker mit zusätzlicher Steckmöglich- keit gebaut sein.
E, E sind die beiden Erdkontaktbuchsen, N und P die beiden Kontaktstifte für den Nulleiter und den Polleiter des durch Anschliessen an eine Steckdose zu prüfenden Netzes. Im Schlauch aus Silikonkautschuk Sch ist eine mit dem Polleiter P in Verbindung stehende Widerstandsspirale aus Konstantandraht Rb untergebracht, die dem Widerstand Rb entspricht und zum ver änderlichen Ergänzungswiderstand Rv von 110 Ohm im Kasten führt. Ausserdem sind in diesem Schlauch noch mit Silikonkautschuk isolierte Verbindungslitzen Lp, T. a, und LE vorhanden, deren eines Ende mit dem Polleiterstift bezw. Nulleiterstift bezw. den Erdkontaktbuchsen in Verbindung steht und deren anderes Ende an den Wendeschalter S4 bezw. Wendeschalter Si im Kasten führt.
Der Kasten besitzt eine Frontplatte aus Isoliermaterial oder besteht ganz aus Isolierpressmaterial und weist ausser den bereits erwähnten Wendeschaltern auch zwei Anschlussklemmen Kb und Ke für den Anschluss eines zu prüfenden Objektes, z. B. einer Kaffeekanne K mit el. Heizung, und eines Erdpfahles EP oder einer Wasserleitung auf. Weiter ist auf der Frontplatte oder Frontseite des Kastens ein Wendeschalter SJ für die wahlweise Prüfung des erwähnten Objektes oder direkt des Steckkontaktes des Niederspannungsnetzes montiert. Der Belastungswiderstand Rb mit dem Begrenzungswiderstand Rv und einer Kontrollampe mit Pa rallelwiderstand Pw kann mit einem ebenfalls auf der Frontseite des Kastens montierten Taster Ta eingeschaltet werden.
Im Kasten ist ferner der Gleichrichter Gi untergebracht, der für die Messungen der Spannungen zwischen dem Drehpunkt des Wendeschalters S4 und jenem des Wendeschalters S2 mit dem in die Frontplatte eingesetzten Voltmeter V dient. Er kann mittels eines ebenfalls in der Frontplatte vorhandenen Wendeschalters S3 wahlweise über einen im Kasten eingebauten Vorschaltwiderstand w2 oder einen veränderlichen Widerstand Ri und Zenerdioden Zd mit Stufenschalter zur Unterdrückung der Belastungsspannung Uz mit dem Voltmeter verbunden werden.
Für die Spannungsanzeige des Polleiterzuleitungsdrahtes Lp kann zusätzlich mit ihm eine Glimmlampe verbunden sein, deren anderes Ende auf einen am Kasten eingesetzten und von aussen berührbaren Metallknopf führt. Diese Glimmlampe kann auch mit einem Mikroamperemeter versehen sein, um die Spannungsanzeige auch bei starkem Sonnenlicht zu ermöglichen.
Nach Einstecken des Steckers St in eine 2P +E-Haus- haltsteckdose Modell 14 wird also durch Berühren des erwähnten Metallknopfes mit dem Zeigefinger oder der Hand festgestellt, ob die Polarität stimmt, d. h. ob tatschlich der Polleiterstift P des Steckers St mit dem Polleiterkontakt der Netzsteckdose in Verbindung steht.
Ist dem nicht so, so wird dies durch Verdrehung des Steckers St um 180 erreicht. Dann wird am Voltmeter V die Spannung des Polleiters gegen den Erdkontakt E und den Nulleiterkontakt N abgelesen, was durch richtiges Stellen der Wendeschalter Si, S2, S3 und S4 erfolgt, die übrigens mit einer Feder für Ruhelage in dieser Stellung versehen sein können. Dann wird die Taste Ta gedrückt und die dann abgesunkene Netzspannung am Voltmeter abgelesen. Der Wendeschalter Sl soll hiefür mit dem Erdkontakt in Verbindung sein. Die Differenz dieser beiden gemessenen Spannungen ergibt den Erdungswiderstand des Erdkontaktes der Netzsteckdose in Ohm.
Sollte die zuerst gemessene Spannung wesentlich von der mit dem Ergänzungswiderstand Rv eingestellten Netzspannung abweichen, so wäre vorgängig durch Verstellen von Rv eine Korrektur anzubringen. Rv ist in Netzspannungen von 210-320 Volt geeicht. Für die dabei auftretende Fehlerspannung wird die Klemme Ke mit einem Erdpfahl EP oder einer Wasserleitung verbunden und nach Umstellen des Wendeschalters S4 und Niederdrücken der Taste Ta die Spannung am Voltmeter abgelesen. S3 kann hiefür auf den Vorschaltwiderstand Ws gestellt sein, um kleinere Spannungen noch messen zu können. Für die Prüfung der Erdung eines Verbrauchers E, wie z. B. einer elektrischen Kaffeemaschine, wird die Klemme Kb mit ihrem Gehäuse verbunden.
Die Kaffeemaschine ist mittels ihres Steckers an eine 2P4-E-Steckdose anzustecken, was eventuell unter Verwendung eines Mehrfachsteckers oder Kühlschranksteckers erfolgen kann, der eine zusätzliche Steckmög- lichkeit aufweist. Nach Stellen des Wendeschalters S2 auf die Klemme Kb und Niederdrücken der Taste Ta wird die Spannung am Voltmeter abgelesen. Die Differenz gegenüber der Netzspannung bei unbelastetem Widerstand Rb ergibt den Erdungswiderstand der Kaffeemaschine und damit auch die Fehlerstromstärke und die Nennstromstärke der ihr vorzuschaltenden Sicherung, um gerade noch ein Abschmelzen bei Erdschluss zu erreichen. Durch Einschalten von Zenerdioden mittels eines Stufenschalters kann die kleinere Belastungsspannung auf Null gebracht und die Ablesung am Instrument erleichtert werden.
Diese so ermittelte Nennstromstärke für die der Kaffeemaschine vorzuschaltende Sicherung liegt meistens wesentlich höher als die tatsächlich für die Leistung der Kaffeemaschine notwendige Nennstromstärke, was in Ordnung ist.
Bei Vorhandensein von Dreilochsteckdosen nach dem Modell 13 oder 12 wird ein passendes Ubergangsstück Modell 14/13 verwendet. Ebenso wenn andere Steckdosen geprüft werden sollen, sind passende Ubergangs- stücke anzuwenden.