DE3800291A1 - Elektrische sicherheitsschaltung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Sicherheitsschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, wie sie aus der "Electrical Review", 19. Dez. 1958, S. 1143, 1144 bekannt ist. Als spezielles Anwendungsbeispiel dient der Haartrockner, bei dem Schutz gegen den Stromtod für den Fall realisiert wird, daß der Haartrockner in die mit Wasser gefüllte Badewanne fällt.

Es sind bereits eine Reihe von Schutzmaßnahmen bekannt, die den tödlichen Stromunfall durch den Haartrockner in der Badewanne verhindern sollen.

Die Anwendung des empfindlichen Fehlerstrom-Schutzschalters (Nennfehlerstrom z. B. 30 mA) gilt derzeit offziziell als Stand der Technik. Ein wesentlicher Nachteil ist die Tatsache, daß er praktisch nur für Neuinstallationen in Frage kommt, da ein Nachrüsten mit zu hohen Kosten verbunden ist, insbesondere bei alten Anlagen (mit klassischer Nullung). Darüberhinaus ist die Frage, ob der empfindliche Fehlerstrom-Schutzschalter den Stromtod in der Badewanne bei allen möglichen Stromweg-Konstellationen überhaupt verhindern kann, keineswegs geklärt, da die diesem Schutzschalter zugrundegelegte Stromgefährdungskurve (IEC-Publikation 64.353, siehe z. B. VDE- Schriftenreihe 9/1983, S. 74) von Tierversuchen abgeleitet wurde (d. h. die Übertragbarkeit auf den Menschen keineswegs gesichert ist), diese nur für Erwachsene und vor allem nur für den Stromweg linke Hand-Füße gilt. Es wurde mehrfach wissenschaftlich nachgewiesen, daß die tödliche Strom-Gefährdungsschwelle umso tiefer liegt, je näher die Stromeintritts- und austrittsstellen am Herzen liegen (siehe Osypha, P.: Meßtechnische Untersuchungen über Stromstärke, Einwirkungsdauer und Stromweg bei elektrischen Wechselstromunfällen an Menschen und Tier. Elektromedizin, 1963, Heft 3 und 4). Wie die Auswertung der elektrischen Unfälle zeigt (eigene Untersuchungen), befindet sich der Haartrockner nicht selten in Herznähe, z. B. wenn einer Person der an der Steckdose angeschlossene Haartrockner versehentlich aus der Hand fällt und in die Badewanne gelangt, in der sich eine andere Person befindet.

Die angeführten Zweifel über die Wirksamkeit des empfindlichen Fehlerstrom-Schutzschalters bei Badewannenunfällen werden in Fachkreisen auch offen zum Ausdruck gebracht, z. B.

• ) "Elektrotechnik und Maschinenbau 1971", Seite 113 (G. Biegelmeier): ". . . die Versuche von Kouwenhoven beweisen, daß Reize von der Dauer einer halben Periode technischen Wechselstromes 50 Hz, also 0,01 s, bei entsprechend hoher Stromdichte im Herzen zum Kammerflimmern führen können . . . z. B. auch beim Niederspannungsunfall . . . z. B. in der Badewanne. In diesen Fällen können Schutzschalter nicht schützen, da deren Abschaltzeiten kaum unter 30 ms liegen."
• 2) "DIN IEC 601 Teil 1/VDE 0750 Teil 1/05.1982", Seite 14: "Das Fehlen ausreichender wissenschaftlicher Unterlagen über die Empfindlichkeit des Herzens gegenüber Strömen, die Herzkammerflimmern verursachen, stellt immer noch ein Problem dar."
• 3) VDE-Schriftenreihe Nr. 9, Seite 42: "Schutzmaßnahmen gegen gefährliche Körperströme nach DIN 57 100/VDE 0100 Teil 410 und Teil 540", Seite 42: "Auch bei funktionsfähiger Fehlerstrom- Schutzeinrichtung I = 30 mA ist der Schutz bei direktem Berühren nicht in allen Fällen zu erwarten. So ist z. B. ungeklärt, ob ein derartiger Schutz für alle denkbaren Konstellationen des Badewannenunfalles gegeben ist."

Nicht auszuschließen ist auch ein tödlicher Unfall dann, wenn die Badewanne isoliert ist, eine Tatsache, die in den meisten Ländern gegeben ist, weil hier die künstliche Erdnung der Badewanne nicht vorgeschrieben ist und die Abflußrohre in vielen Fällen aus isolierendem Kunststoff sind. In diesem Falle kann der empfindliche Fehlerstrom- Schutzschalter nicht abschalten. Es ist zwar der im Badewasser um den Haartrockner kreisende Strom geriner (wie eigene Messungen zeigten), als der zu einer geerdeten Wanne fließende; doch kommt in diesem Falle der oben bereits erwähnte und stark gefahrenerhöhende Umstand der Herznähe hinzu, weshalb eine tödliche Wirkung infolge Herkammerflimmern nicht auszuschließen ist, insbesondere dann, wenn der erste Stromstoß in die vulnerable Phase fällt. Zu bedenken ist auch, daß in vielen Fällen Bewußtlosigkeit oder/und Muskelverkrampfung auftritt (wie die Unfallauswertungen zeigen) und daß schon deshalb ein Ertrinkungstod nicht ausgeschlossen werden kann.

Ein weiterer Nachteil der derzeit auf dem Markt befindlichen Fehlerstrom- Schutzschalter ist ihre relativ hohe Ausfallrate der Schutzfunktion, die im Bereich zwischen 1 und 3% liegt (siehe z. B. etz-b, 1978, S. 348).

Weiter wurden spezielle Schaltungen vorgeschlagen, die den Stromtod in der Badewanne verhindern sollen.

Auch diese Schutzmaßnahmen haben gravierende Nachteile und sind deshalb für die allgemeine Anwendung kaum zu akzeptieren.

Bei einem Vorschlag (DE-OS 31 16 285) befinden sich vor den Lufteintritts- und -austrittsöffnungen geerdete Metallgitter. Diese Lösung erfordert eine dreiadrige Zuleitung und einen Schukostecker, was die Handlichkeit des Gerätes sehr mindert. Weiter ist ein Schutz dann nicht gegeben, wenn der Schutzleiter unterbrochen oder mit dem Außenleiter verbunden ist.

Auch andere bekannte Lösungen sind viel zu aufwendig, z. B. sind bei einem Vorschlag sogar ein eigener Behälter und eine 4adrige Zuleitung erforderlich (EP 1831).

Bei einem weiteren Vorschlag (DE-PS 30 38 101) wird durch die Wassereinwirkung ein Kurzschluß ausgelöst, der die vorgeschaltete Sicherung zur Auslösung bringt. Hier erfolgt keine Abschaltung, wenn der Neutralleiter unterbrochen ist oder wenn der Netz-Schleifenwiderstand zu hoch ist.

Ein weiterer Vorschlag (DE 34 90 593) ist ebenfalls sehr aufwendig (u. a. dreiadriger Geräteleitung und zwei Sonderleitungen sind erforderlich) und hat zusätzliche Nachteile: Es ist ein gepolter Stecker erforderlich und bei Neutralleiterunterbrechung ist die Schaltung ohne Schutzfunktion.

Die ausbleibende Schutzfunktion bei Neutralleiterunterbrechnung ist auch bei einem weiteren Vorschlag (DE 35 14 135) gegeben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei geringem Aufwand eine bei einer betriebsmittelseitigen, definierten Zustandsänderung und unter allen Schaltungsumständen sicher ansprechende Abschalteinrichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 enthaltenen Merkmale gelöst. Die folgenden Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Die Funktionsanalyse der vorgeschlagenen Schaltung zeigt, daß der Schutz auch dann gegeben ist, wenn der Neutralleiter unterbrochen ist (z. B. durch Drahtunterbrechung, Sicherung oder Schalter), wenn die Netz-Schleifenimpedanz einen hohen Wert hat, wenn die Badewanne isoliert ist oder wenn ein Zwei-Phasenbetrieb gegeben ist. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben.

In Fig. 1 ist das Betriebsmittel 4, z. B. ein Haartrockner, an der Netzsteckdose S angeschlossen, die vom Netztransformator T gespeist wird. Die Relaisspule 1 des Relais, z. B. ein monostabiles neutrales Relais mit zwei Öffnerkontakten 2, 3, ist mit dem einen Ende 9 an der Mitte 7 des Spannungsteilers 6, 8 und mit dem anderen Ende 5 an einem Sensor 10 angeschlossen. Im Haartrockner sind an allen Stellen, bei denen Flüssigkeit eindringen kann, Sensoren (z. B. Drähte oder leitende Flächen) berührungssicher so angeordnet, daß eine eindringende Flüssigkeit zuerst einen Sensor berührt, bevor sie an eine spannungsführende Stelle, z. B. an die Heizwicklung, gelangt.

Fällt der Haartrockner in die mit Wasser gefüllte Badewanne und gelangt leitendes Wasser von der geerdeten Badewanne oder/und von der Heizwicklung an den Sensor, so erhält die Relaisspule 1 Spannung (unabhängig von der Steckerstellung!) und es erfolgt eine doppelpolige Abschaltung durch die Kontakte 2 und 3. Die Ausschaltung bleibt so lange bestehen, solange das eingedrungene Wasser die leitende Verbindung herstellt und solange der Haartrockner mit dem Netz verbunden ist. Durch entsprechende Dimensionierung des Relaisspulenwiderstandes, gegebenenfalls unter Einfügung eines entsprechenden Reihenwiderstandes, wird der über die Sonde fließende Strom so weit begrenzt, daß er ungefährlich ist.

Wird der Haartrockner im nassen Zustand vom Netz getrennt, so schalten sich die Kontakte 2 und 3 wieder ein. Es erfolgt aber erneut eine Ausschaltung, wenn er im nassen Zustand wieder ans Netz angeschlossen wird. Erst wenn das Wasser entfernt ist, z. B. durch Verdunsten, schalten die Kontakte 2 und 3 wieder ein und der Haartrockner ist wieder in Betrieb. Das bei anderen Vorschlägen gegebene Problem der automatischen Wiedereinschaltung ist hier ohne zusätzlichem Aufwand gelöst.

In Fig. 2 wird die Relaisspule 1 über einen Vollweggleichrichter 11, 12, 13, 14 gespeist. Auf diese Weise wird auch bei Verwendung eines gepolten Relais eine relativ kurze Ausschaltzeit erzielt.

In Fig. 3 besteht der Spannungsteiler aus zwei gegensinnig zueinander geschalteten Gleichrichtern 16 und 17. Der Vorteil dieser Schaltungsanordnung liegt darin, daß keine nennenswerte Wärmeentwicklung entsteht und daß eine höhere Ausschalt-Impulsspannung erzeugt wird und damit eine Abschaltung auch bei höheren Wasserwiderständen erzielt wird. Die Schaltung ist für monostabile gepolte Relais geeignet. Damit in den Strompausen kein Relaisabfall erfolgt (Folge: Relaisflattern mit Lichtbogen), wird parallel zur Relaisspule 1 ein Kondensator 19 geschaltet bzw. zunächst der Kondensator 19 aufgeladen und im aufgeladenen Zustand über den Spannungsschwellwertschalter 18, z. B. ein Diac, über die Relaisspule 1 entladen, was zu einer kräftigen Durchschaltung des Relais führt.

Weiter ist vom Sensoranschluß zu dem einen Pol ein Heißleiter 20 geschaltet, der im Haartrockner an geeigneter Stelle untergebracht ist. Wird im Haartrockner die zulässige Temperatur überschritten, dann verringert sich der Widerstand des Heißleiters entsprechend und es erfolgt eine Abschaltung.

Claims (8)

1. Elektrische Sicherheitsschaltung mit einem Relais (1, 2, 3) zur Trennung eines an einer elektrischen Spannungsquelle (T) liegenden Betriebsmittel (4) von der Quelle bei Auftreten einer betriebsmittelseitigen, definierten Zustandsänderung, wobei ein Ende (5) der die Abschaltung bewirkenden Relaisspule (1) an der Innenanzapfung (7) eines Spannungsteilers (6, 7, 8) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Ende der Relaisspule (9) über ein bei der Betriebszustandsänderung wirksam werdendes Auslöseelement (10) mit einem Pol der Spannungsquelle eine ausreichend leitende Verbindung erhält.

2. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (6, 7, 8) vor den Relais-Schaltkontakten (2, 3) liegt und daß der Widerstand des Spannungsteilers (6, 8) oder/und der Relaisspule (1), gegebenenfalls mitsamt eines zusätzlichen Reihenwiderstandes, mindestens so groß ist, daß der nach einer Abschaltung im Betriebsmittel (4) noch fließende Strom ungefährlich ist bzw. keine sonstigen unerwünschten Auswirkungen zur Folge haben kann.

3. Sicherheitsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Relaisspule (1) durch einen (10) oder mehrere Sensoren in Funktion gesetzt werden kann, die z. B. bei Feuchtigkeit, Flüssigkeit, Temperatur oder anderen physikalischen bzw. chemischen Zuständen reagieren.

4. Sicherheitsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Relaisspule (1) über einen Vollweggleichrichter (11, 12, 13, 14) gespeist wird und parallel zur Relaisspule (1) ein Kondensator (15) liegt.

5. Sicherheitsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus zwei gegensinnig zueinander geschalteten Gleichrichtern (16, 17) besteht.

6. Sicherheitsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe zur Relaisspule (1) ein Spannungsschwellwertschalter (18) und parallel zu dieser Reihenschaltung ein Kondensator (19) liegt.

7. Sicherheitsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß diese in einem elektrischen Handgerät, z. B. einem Haartrockner, einer Handbohrmaschine oder einer Heckenschere eingebaut ist und als Sensoren leitende Flächen dienen, die im Gerät berührungssicher überall dort und in der Weise eingebaut sind, daß eindringende Flüssigkeit zuerst mit den Sensoren und dann erst mit spannungsführenden Teilen in Berührung kommt.

8. Sicherheitsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor ein Temperaturschalter, z. B. ein Heißleiter (20) verwendet wird, der zusätzlich die Temperaturüberwachung übernimmt und bei Übertemperatur den Verbraucher, z. B. den Haartrockner, ausschaltet.