Hans Fibi & Ingrid Hantschk Pädagogische Akademie des Bundes in Wien

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1 SIZ PA Wien-Favoriten Sicherheitsinformationszentrum der Pädagogischen Akademie des Bundes in Wien Favoriten und der Helfer Wiens Hans Fibi & Ingrid Hantschk Pädagogische Akademie des Bundes in Wien 1

2 State College of Education Vienna Published for Dissamination in the network AESTIT University of Rethymno, Crete-Greece CP GR-COMENIUS-C21 SIZ PA Wien-Favoriten Sicherheitsinformationszentrum der Pädagogischen Akademie des Bundes in Wien Favoriten und der Helfer Wiens The Power Point Presentations are the core of this publication. You will find them in German and English Language, structured in steps: - primary level - secondary level - scientific level - experiments For a comfortable utilisation use the presentation mode for being able to take advantage of the hyperlinks leading to the corresponding text. All rights reserved Permission to use is granted on the following conditions: The use is for educational purposes No fees or other income is charged Appropriate reference to this source is made. Hans Fibi State College of Education Vienna May

3 Vierleitersystem Außenleiter - Neutralleiter Sicherungen Elektrisch gezündete Brände KurzschlussDIAZED Sicherung ÜberstromschutzorganWasser und Strom eine tödliche Kombination Mensch und Elektrizität Hautwiderstand des Menschen Die elektrische Steuerung des Menschen Herz als elektrische gesteuerte Pumpe Nervöse Reizleitung Fehlerstrom Schalter und Berührungsspannung Schutzleiter PEN Stecker FI-Schalter Schutzbereich in Nassräumen Zusammenfassung Schrittspannung Hochspannung 3

4 Vierleitersystem Wechselspannung ACV L1 U = 400 V U = 400 V U = 230 V L2 U = 230 V U = 400 V L3 U = 230 V N L..spannungsführend Leiter (life), Außenleiter, früher Phase genannt N..Neutralleiter, nicht spannungsführend, geerdet 4

5 Außenleiter und Neutralleiter Außenleiter (spannungsführend) Die Sicherung liegt im Außenleiter bei Auslösen der Sicherung gelangt Spannung nur bis zu dieser, die Lampenfassung ist spannungslos. Neutralleiter (spannungslos) und mit Erde verbunden, liegt daher stets auf Nullpotential. 5

6 Außenleiter (nicht blau) 230 ACV Neutralleiter (blau) Schutzleiter (grün-gelb) Geräte (z.b. Waschmaschinen) in Feuchträumen sind fix an einer abgedeckten Steckdose montiert. E-Herde liegen zwischen zwei Außenleitern (400 ACV) und sind ebenfalls fix montiert. 6

7 Sicherungen Kurzschluss Überlastung Ein EinKurzschluss Kurzschlussentsteht, kann wenn die Drähte bei entstehen, wenn sich die elektrischen Geräten Drähte bei elektrischen einander an schadhaften Geräten an schadhaften Isolierstellen berühren. Isolierstellen berühren. Die Stromstärke nimmt Strom nimmt kürzeren Weg sprunghaft zu Kurzschlussstrom stark Stromstärke nimmt Brandgefahr zu => Drähte werden heiß Werden zualle viele Elektrogeräte Geräte in einem Leiterkreis auf einmalsind eingeschaltet, dann damit sie parallel geschaltet, kann die Leitung überlastet an der gleichen Spannung liegen. werden. Werden zu viele Geräte eingeschaltet, steigt die Stromstärke zu stark an. Zu große Ströme zu zugroße dünnestromstärken zu dünne Leitungen Leitungen =>. sehr große Wärmeentwicklung. Zur Verhinderung einer Brandgefahr bei Kurzschluss und bei Überlastung ist in jedem Leiterkreis eine Sicherung eingebaut. 7

8 Brandgefahr durch elektrischen Strom Kurzschluss: bei Kurzschluss wird ein Gerät überbrückt, die Stromstärke steigt extrem an. Überlastung: werden Geräte zugeschaltet (Parallelschaltung), so steigt die Stromstärke an. Überstromschutzorgane unterbrechen bei zu hoher Stromstärke den Stromkreis. Die Schmelzsicherung ist ein Überstromschutzorgan. Ein zu dünner Leiterquerschnitt ruft zu hohe lokale Erwärmung (großer Widerstand) hervor. Brandgefahr! Abgeschmorte Drähte und Kontakte sind Stellen kleinen Leiterquerschnitts Brandgefahr! Unzulässige Lampenleistung führt zu unzulässiger Erwärmung Brandgefahr! 8

9 Brandgefahr durch elektrischen Strom Besondere Vorsicht, wenn das Kabel unter einem Teppich verlegt ist. Wärmestau!! Durch das Anschlusskabel fließt die Summe aller Teilströme. Dieses Kabel mus daher einen entsprechenden Querschnitt haben. Sonst: Brandgefahr! 9

10 Häufige Ursachen für elektrisch gezündete Brände Zu hohe Stromdichten durch zu geringe Kabelquerschnitte (auch Quetschen der Kontakte bei der Montage, Reißen der Litzen). Wärmestrahlung durch zu hohe Leistungen Zu geringe Abstände von Spotlichtlampen 10

11 Kurzschluss Wird der Stromkreis mit dem Kabel kurz geschlossen, dann unterbricht der hohe Kurzschlussstrom die Sicherung. Das Gerät (die Glühlampe und die Fassung) wird spannungslos. 11

12 Der FI-Schalter schützt in diesem Fall nicht, da kein Fehlerstrom vorliegt. Falsches Material verursacht zu hohe Stromstärken. Das Netzgerät schaltet nicht ab, da auf Grund des falschen Drahtmaterials die Nennstromstärke auch im Kurzschlussfall nicht überschritten werden kann. Kurzschluss Kabelbrand 12

13 DIAZED Schmelzsicherung Prinzip: ein feiner Draht brennt bei Erreichen der Nennstromstärke durch und unterbricht damit den Stromkreis. Nennstromstärke in A Farbe des Anzeigers 2 rosa 4 braun 6 grün 10 rot 16 grau 20 blau 25 gelb 35 schwarz 50 weiß 63 kupfer 13

14 Schmelzsicherung Ein dünner Draht ist in Sand eingebettet und befindet sich in einer Patrone aus Keramik. Diese Sicherung reagiert wegen der wärmeableitenden Wirkung des Sandes flink (F FF). In trägen Sicherungen (T) befindet sich statt Sand nur die besser wärmeisolierende Luft. Träge Sicherungen lösen erst bei längerer oder starker Überschreitung der Nennstromstärke aus. Die Farbe des Kennplättchens auf der Sicherung gibt die maximale Stromstärke an. 14

15 Schmelzsicherung Sockel Sicherungselement Passring Schraubkappe Der Kopf einer 16 A Sicherung passt nicht in den Passring für eine 10 A Sicherung. 15

16 Schmelzsicherung Sockel Sicherungselement Passringe dürfen nicht entfernt oder durch solche für höhere Stromstärken ersetzt werden Zuleitungen glühen! Schraubkappe 16

17 Schmelzsicherung Stromfluss 17

18 Schmelzsicherung Feinsicherung Glassicherung DIAZED Sicherungspatrone 18

19 Schmelzsicherung Repariere niemals defekte Sicherungen! Flicken der Sicherung ist verboten! Eine mit einem dickeren Draht geflickte Sicherung ist vollkommen unwirksam! 19

20 Leitungsschutzautomat Überstromorgan Bei Überschreiten der Nennstromstärke unterbricht der Schutzschalter den Stromkreis. Nach Behebung des Fehlers kann er wieder eingeschaltet und der Stromkreis damit wieder geschlossen werden. Bei geringem Überstrom reagiert ein träges Bimetall, bei hohem Kurzschlussstrom eine flinke Magnetspule. 20

21 Das Bimetall schließt oder unterbricht den Stromkreis bei Überlastung. 21

22 Der Stromkreis ist über ein ferromagnetisches Metall (Nagel) geschlossen. 22

23 Lampe kurzgeschlossen Stromkreis unterbrochen Kurzschlussstrom magnetische Feldstärke der Spule steigt stark an. Der Nagel wird in die Spule hineingezogen und unterbricht den Stromkreis. 23

24 Sicherungsautomat Der Sicherungsautomat hat ausgelöst. Überlastung...Bimetall B Kurzschluss...Spule SK K B H S B...Das Bimetall verbiegt sich. S...Die Spule zieht den Hebel hinein. H...Der Hebel wird in Richtung Spule gezogen. SK.Die Sperrklinke wird geöffnet. K...Der Kontakt wird geöffnet, der Stromkreis ist unterbrochen. 24

25 Wasser und Strom tödliche Kombination Wasser leitet den elektrischen Strom. Elektrolyte (Lösungen von Salzen, Säuren oder Laugen) leiten den elektrischen Strom viel besser. Badewasser leitet wegen der Zusätze den elektrischen Strom wirklich gut. 25

26 Der Mensch leitet den elektrischen Strom. 26

27 Bei Netzspannung ist die Kombination aus Wasser, Strom und Mensch letal! 27

28 Mensch und Elektrizität Strompfad Hand-Hand ~ 1 kohm Parameter: Hautwiderstand Strompfad Hand-Fuß / Fuß-Fuß Parameter: Widerstand der Schuhsohlen R R R 1 ma: fühlbar R R 25 ma: Verkrampfen, loslassen unmöglich. 80 ma: Herzkammerflimmern Bewusstlosigkeit. Ungenügende Versorgung des Gehirns mit Sauerstoff. 28

29 Hautwiderstand des Menschen Die Haut ist ein spannungsabhängiger Widerstand. Er sinkt mit zunehmender Spannung bis hin zum Durchbruch. VDR-voltage dependent resistance. 29

30 Keine schädlichen physiologischen Auswirkungen Herzkammerflimmern wahrscheinlich ab 40 ms Loslassgrenze Herzstillstand, Atemstillstand, Tod Wahrnehmungsgrenze Keinerlei Auswirkungen und Reaktionen Muskelkontraktionen, Atemschwierigkeiten; Herz 30

31 Die elektrische Steuerung des Menschen Zelle (innen) - 70 mv K+ im Überschuss + 40 mv extrazelluläre Flüssigkeit Na+ Clim Überschuss Erregung: Membran wird für Na+ - Ionen durchlässig Erregung: Membran wird für K+ - Ionen durchlässig sammeln sich, da Carrier zurück gesperrt. ursprünglicher Zustand 31

32 Die elektrische Steuerung des Menschen Nur hydratisierte K-Ionen können passieren, keine Natriumionen. Wassermoleküle passieren ungehindert. Ionenkanal Wasserkanal Ionenfilter Zellmembran Zellmembran Zellmembran Zellmembran Pforte 32

33 Die elektrische Steuerung des Menschen U Membran R T ca = ln z F ci Nervenzelle im Ruhezustand: Potential - 70 mv Nervenzelle feuert: Potential mv Aktionspotential eines Neurons: U ~ 100 mv Dauer: 1 ms. vmax ~ 100 m/s bei sensorischen Nerven. U..Membranspannung z...ionenladung F...Faraday-Konstante c...ionenkonzentration Netzspannung überlagert die Steuerspannung und zwingt die Frequenz 50 Hz auf (Frequenz des Herzschlags ~ 1 Hz!!) mmol/l innen außen Natriumionen Kaliumionen Chloridionen andere

34 Potentialverlauf Abfolge der Herzpulse Signal Membranspannung in mv Signal(Aktionspotential) (Aktionspotential) 0 NatriumionenCalciumionenEinstrom Einstrom KaliumionenKaliumionenAusstrom Ausstrom Hyperpolarisation Depolarisation Repolarisation Sekunde NatriumionenEinstrom Natriumioneneinstrom (SchrittmacherDepolarisation) Schrittmacherpolarisation 34

35 Herz als elektrisch gesteuerte Pumpe Sinusknoten erzeugt elektrische Impulse schwarze Pfeile Impulsausbreitung Signal (Aktionspotential) M e m b ra ns p a nnung in m V S igna l (A k tio nsp o te ntia l) 0 C a lc ium io ne nnatriumionene ins tro m Einstrom KaliumionenAusstrom K a lium io ne na uss tro m N a trium io ne nnatriumioneneinstrom E ins tro m (S c hrittm a c he rschrittmacherpolarisation D e p o la ris a tio n) 1 S e k und e 35

36 Nervöse Reizleitung Pulscode - Modulation: Pulsspannung einer einzelnen Nervenzelle: U = 100 mv - 70 mv + 30 mv Ruhepotential Erregungspotential Zeitlicher Unterschied: 5-10 ms Frequenz (Übertragungsrate): Hz. Grenzen für separierte Erfassung: 5-10 ms Hz. Ein sensorisches Ereignis wird durch zehn Einzelpulse in einer Sequenz erfasst. Gehirn: Parallelrechner - etwa100 Milliarden Neuronen. 36

37 Nervöse Reizleitung Neuron Dendrit Axon Dendrit Zelle Axon Zelle Synapse Signalübertragung (Transmitter): chemische Übertragungsstoffe Neurotransmitter Übertragung elektrischer Pulse 37

38 Fehlerstrom Ein Griff in die spannungsführende Zuleitung......und Strom fließt durch den Menschen zur Erde hin ab. Stromstärke kleiner 1 A -- hier hilft keine Sicherung!! 38

39 Der Phasenprüfer erkennt die spannungsführende Leitung Lämpchen leuchtet und zeigt Spannung an. Vom Außenleiter (spannungsführend) kommend fließt ein ungefährlich kleiner Strom zur Erde ab. Das empfindliche Lämpchen leuchtet rot auf. Achtung: Phasenprüfer niemals bei hoher Luftfeuchtigkeit (Nebel) oder Regen verwenden. Gefahr des Kriechstroms und einer Spannungsverschleppung! 39

40 Der Phasenprüfer erkennt die spannungsführende Leitung Lämpchen leuchtet und zeigt Spannung an. In der Praxis fließt der ungefährliche elektrische Strom über den Menschen ab. 40

41 Fehlerstrom Fehlerstromschutzschalter FI Bei Fehlerstrom von größer 30 ma (Nassräume, Labor) bzw. größer 100 ma unterbricht der FI sofort den Stromkreis. 41

42 Fehlerstrom Fehlerstromschutzschalter FI Fehler: Kühlschrank nicht geerdet Körperschluss Berührungsspannung am Gehäuse des Kühlschranks Ein Mensch berührt die Spannung Strom fließt über ihn ab zu wenig zum Auslösen der Sicherung zu viel für den Menschen Wegen des fehlenden Schutzleiters kann die Sicherung nicht unterbrechen 42

43 Foto: Taner Yilmaz Fehlerstrom Fehlerstromschutzschalter FI zufließender Strom zum FI vom FI Der FI vergleicht über Magnetfelder zufließenden ( rot ) mit rückfließendem ( blau ) Strom. Fließt Strom über den Menschen ab: Iab < Izu Übersteigt die Differenz 30 ma, unterbricht der FI den Stromkreis. zum FI vom FI abfließender Strom 43

44 Als Experiment: maximal 12 ACV verwenden!! Niemals Netzspannung!! Schalter und Berührungsspannung Befindet sich der Schalter im Außenleiter, so unterbricht er die Spannung, bevor diese die Lampenfassung erreicht. Das Gerät ist spannungslos. Befindet sich der Schalter im Neutralleiter, so unterbricht er den Stromkreis, trotzdem gelangt Spannung an die Fassung. Schalter liegen stets im Außenleiter! 44

45 Schutzleiter PEN (Protection Earth Nought). Dadurch wird die Sicherung oder der FI ausgelöst, der Stromkreis wird unterbrochen. Körperschluss (Isolationsfehler): Spannung wird auf das Gehäuse transportiert. Ist der Schutzleiter an das Gehäuse angeschlossen, fließt sofort Kurzschlussstrom zur Erde ab. 45

46 Schutzkontakt (SCHUKO) Stecker und Konturstecker Die Schleifringe an der Steckdose sind mit dem Schutzleiter verbunden (SCHUKO-Dose). Die Schleifkontakte am Stecker sind mit dem zum Gehäuse des Geräts führenden Schutzleiter verbunden. Der Konturstecker (Flachstecker) hat keinen Schutzleiter. Er wird nur bei besonders schutzisolierten Geräten verwendet. Zeichen für schutzisoliertes Gerät. 46

47 Bildnachweis: Fibi et al., Beobachten-Experimentieren-Verstehen, HPT Verbotene Stecker: Stecker 1...Schutzkontakt 2...Klemmschraube für Schutzleiter 3...Klemmschraube für Stromadern 4...Zugentlastung 5...dreiadrige Leitung Verbotene Stecker: kein Schutzkontakt / aufschraubbarer Konturstecker Zwischenstecker unterbrechen den Schutzleiter 47

48 Fehlerstrom Fehlerstromschutzschalter FI Wasser und Strom führt zum... 48

49 Fehlerstrom Fehlerstromschutzschalter FI besser: keine Kabel keine elektrischen Geräte keine Netzspannung 49

50 Schutzbereiche in Nassräumen Schutzbereiche bei Badewannen: Bis zu 2,25 m Höhe darf kein Kabel gelegt sein, ebenso nicht innerhalb 0,6 m vom Rand entfernt Bei Wasserleitungshähnen: Abstand 0,6 m (Griffweite) Kennzeichnung E Bildnachweis: Fibi et al., Beobachten-Experimentieren-Verstehen, HPT 50

51 Abbildungen: EVN Fehlerstrom Feuchträume/Nassräume Keine Steckdose im Griffbereich (Abstand mindestens 60 cm) 51

52 Zusammenfassung L (live) I = 100 ma (30 ma) FI letal N (nought) Verbindung zwischen aktivem und inaktivem Teil des Stromkreises Körperschluss Schutzleiter Berührungsspannung muss vermieden oder sofort unterbrochen werden Kurzschlussstrom "Sicherung" I = 100 ma (30 ma) FI 52

53 Schrittspannung nur diese Kuh überlebt Schrittspannung Spannung zwischen zwei Punkten, die den Erdboden berühren die abgegriffene Spannung erzeugt einen Stromstoß Schritt Nullpotential der Erde Potentialabfall Potential bei Blitzeinschlag 53

54 Bildnachweis: Feuerwehrtechnik Hochspannung Bei herabhängenden, den Boden berührenden (Hochspannungs)Leitungen: Abstand 20 m!! Nicht einmal in die Nähe von Hochspannungsleitungen kommen! Funkenüberschlag! Mindestabstand 20 m 54