Distanzschutzrelaisanordnung mit elliptischer Auslösecharakteristik für Wechsel- oder Drehstromleitungen Bei Distanzschutzrelais ist es üblich, die Aus lösecharakteristik in ein Diagramm mit kartesischen Koordinaten einzutragen. In den meisten Fällen sind die Blindwiderstände auf der Ordinate und die Wirk widerstände auf der Abszisse aufgetragen. Die Aus lösecharakteristik eines einfachen Impedanzrelais ist dabei ein Kreis, dessen Mittelpunkt mit dem Ursprung der Koordinatenachsen zusammenfällt.
Da jede Lei tung ein bestimmtes Verhältnis von Wirk- und Blind widerstand pro Längeneinheit aufweist, lässt sich eine Übertragungsleitung in dem Diagramm als Gerade darstellen, die durch den Koordinatenursprung geht und einen dem Verhältnis von Blind- und Wirkwider stand entsprechenden Winkel gegenüber der Abszisse aufweist.
Ein einfaches Impedanzrelais mit einer kreis förmigen Auslösecharakteristik spricht nun unab hängig vom Phasenwinkel des jeweils fliessenden Stromes am Relaisort in bezug auf die Spannung an, wenn ein bestimmter Impedanzwert unterschritten wird. Ist das Unterschreiten des Impedanzwertes auf einen Fehler auf der Leitung zurückzuführen, so wird gleichzeitig der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung am Relaisort dem Widerstandsverhältnis der zu schützenden Leitung entsprechen. Eine gering fügige Abweichung kann auftreten, wenn am Fehler ort ein Lichtbogen auftritt.
Für den Fall eines Laststosses bzw. bei bestimmten Belastungsfällen kann es aber ebenfalls vorkommen, dass der am Impedanzrelais eingestellte Impedanzwert unterschritten wird, ohne dass ein Fehler auf der Lei tung vorliegt. In den meisten Fällen wird dabei jedoch der Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung am Relaisort von demjenigen bei einem Leitungsfehler erheblich abweichen.
Zur Berücksichtigung dieser Abweichung sind bereits Distanzschutzrelaisanord- nungen bekannt, deren Auslösecharakteristik ver schobene Kreise oder Geraden sind. Ausserdem ist es bekannt, zur Erzielung der Richtungsempfindlich keit zusätzlich Richtungsrelais vorzusehen oder als Auslösekennlinie Kreise zu wählen, die durch den Nullpunkt des Koordinatensystems gehen. Es sind ausserdem Distanzschutzrelais mit elliptischen Aus lösekennlinien bekannt.
Diese Auslösekennlinie wird dadurch erreicht, dass eine stromproportionale elek trische Grösse gleichgerichtet wird und in einer Brük- kenschaltung mit der Summe zweier weiterer ebenfalls gleichgerichteter elektrischer Grössen verglichen wird, von denen die eine der geometrischen Summe von Strom und Spannung, die andere der geometrischen Differenz von Strom und Spannung am Relaisort ent sprechen. Durch diese Schaltung erhält man eine elliptische Auslösecharakteristik, bei der die Haupt achse der Ellipse mit der Abszisse, also der R-Achse zusammenfällt.
Durch diese Kennlinie soll beim Be kannten allerdings erreicht werden, dass auch Fehler mit gleichzeitig auftretendem Lichtbogen erfasst wer den. Es ist ausserdem möglich, Relaisanordnungen zu bauen, die unempfindlich gegenüber Werten niedriger Impedanz sind, wenn gleichzeitig der Phasenwinkel wesentlich von dem auftretenden Phasenwinkel zwi schen Strom und Spannung bei einem Fehler auf der Übertragungsleitung abweicht. Dies kann dadurch erreicht werden, dass ein oder mehrere Hilfsrelais oder dass ein Relais mit einer nicht kreisförmigen Auslöse charakteristik bestimmter Form verwendet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zu Grunde, eineDistanzschutzrelaisanordnung zu schaffen, die nur anspricht, wenn gleichzeitig mit dem Unterschreiten eines bestimmten Impedanz wertes auch ein bestimmter Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung am Relaisort auftritt. Diese Forderung kann eine Relaisanordnung dadurch er füllen, dass sie eine elliptische Kennlinie mit einer relativ kleinen Nebenachse hat, deren Hauptachse etwa die gleiche Neigung hat wie die Kennlinie der zu schützenden Leitung.
Während sich bei der neuen Relaisanordnung die elliptische Kennlinie wie beim Bekannten durch den Vergleich der Beträge einer stromproportionalen elektrischen Grösse mit der Summe der Beträge zweier weiterer elektrischer Grössen ergibt, von denen sich die eine aus der geometrischen Summe und die andere aus der geometrischen Differenz von Strom und Spannung am Relaisort zusammensetzt, besteht die Erfindung darin, dass als Quelle für die strompro portionalen elektrischen Grössen mindestens ein primärseitig an einen Stromwandler angeschlossener Kompensator vorgesehen ist, dessen Wechselstrom widerstand an denjenigen der zu schützenden Lei tungsstrecke angepasst werden kann.
Einzelheiten sind aus der folgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen zu ersehen, in denen ein Ausführungsbeispiel im einzelnen behandelt wird.
In Fig.l ist eine graphische Darstellung der Arbeitscharakteristik der neuen Relaisanordnung dar gestellt, auf der die ohmschen Widerstände längs der horizontalen Achse und die induktiven Widerstände längs der senkrechten Achse aufgetragen sind.
Fig. 2 zeigt ein Vektordiagramm, das bestimmte Zusammenhänge zwischen Strömen und Spannungen in den Stromkrei sen der Relaisanordnung zeigt und dient zum Ver ständnis der folgenden Ausführungen. In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels der Erfindung und in Fig. 4 eine Abwandlung derselben dargestellt.
Aus Fig. 1 lässt sich ersehen, dass die Impedanz eines Wechselstromkreises - z. B. ein Teil einer Wechselstromübertragungsleitung - einem Punkt in dem in Fig. 1 gezeichneten Diagramm entsprechen kann. In diesem Diagramm ist der Wirkwiderstand auf der horizontalen Koordinatenachse R und der Blindwiderstand auf der vertikalen Koordinatenachse X aufgetragen. Der Betrag einer Impedanz entspricht dann der Länge eines Radiusvektors zwischen dem betreffenden Punkt und dem Ursprung des Koordi natensystems F. Irgendeine gerade Linie, wie z. B.
FF', die durch den Koordinatenursprung F verläuft, ist der geometrische Ort aller Impedanzen mit verän derlichen Beträgen, die alle den gleichen Phasenwinkel einschliessen, das heisst alle Impedanzen, die das gleiche Verhältnis von Wirk- und Blindwiderstands komponente besitzen.
Der Betrag der Impedanz irgendeiner vorhan denen Leitung ist ein Mass der Entfernung vom Messort zur Fehlerstelle. In einem ausgedehnten Netz gibt es eine grosse Anzahl von Generatorstationen an verschiedenen Orten. Darüber hinaus sind Ver braucher über das ganze Leitungssystem verstreut. Es ist sehr wünschenswert, dass nicht alle Generatoren und Abnehmer gleichzeitig abgeschaltet werden, wenn an irgendeinem Ort des Netzes ein Fehler auf- tritt. Dies lässt sich vermeiden, indem nur Teile des Leitungssystems in der Nähe des Fehlers abgeschal tet werden, während weiter entfernte Generatoren und Lastabnehmer weiterhin mit den Leitungen ver bunden sind und daher ungestört weiter arbeiten können.
Ein Distanzrelais, welches einen benachbar ten Leistungsschalter nur dann auslöst, wenn die von ihm gemessene Impedanz so niedrig ist, dass ein Fehler innerhalb eines bestimmten Abschnittes vor liegen muss, ist in der Lage, diese Forderung zu er füllen, da andere Relais, die von der Kurzschluss stelle weiter entfernt sind, nicht ansprechen. Die Strecke FF' in Fig. 1, die durch den Koordinaten ursprung F geht und die den Winkel ss = arc tg
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mit der R-Achse einschliesst, lässt sich als graphische Dar stellung der Leitungsimpedanz ansehen.
Die Buch staben<I>r</I> und<I>x</I> entsprechen dem ohmschen und dem induktiven Widerstand der Leitung pro Längeneinheit. Ein Punkt G auf dieser Strecke in einer bestimmten Entfernung von dem Koordinatenursprung F ent spricht dabei dem Leitungsabschnitt, der von dem Relais geschützt werden soll. Damit ist ein kritischer Impedanzwert bestimmt, bei dessen überschreiten das Relais die Auslösespule eines Leistungsschalters nicht anregen soll. Bei dessen Unterschreitung durch irgendeinen Kurzschlussfehler soll das Relais den zugehörigen Leistungsschalter auslösen.
In modernen Netzen sind üblicherweise Verbraucher angeschlossen, deren Impedanz so klein ist, dass sie innerhalb der kritischen Zone, oftmals auch Reichweite des Re lais genannt, liegt. Aber dieser Verbraucher hat üblicherweise Impedanzen mit einem Phasenwinkel, der sich von dem Phasenwinkel der Leitung unter scheidet. Diese Verbraucher erscheinen in dem Dia gramm in Fig. 1 durch Punkte, die nicht auf der Strecke FF' liegen, sondern meistens mehr der R- Achse zugewandt sind.
Ein normales Impedanzrelais, welches den Schal ter bei einem bestimmten Impedanzbetrag auslöst, hat als Auslösecharakteristik einen Kreis, dessen Mittelpunkt mit dem Punkt F in Fig. 1 übereinstimmt. Wenn an einem Leitungsabschnitt ein Verbraucher angeschlossen wird, misst das zugehörige Impedanz relais eine gesamte Impedanz, die sich aus der Impe danz des Verbrauchers und der Leitungsimpedanz zwischen Verbraucher und Relais zusammensetzt. Wenn der Verbraucher nicht weit von dem Relais entfernt ist, kann diese gesamte vom Relais gemessene Impedanz geringer sein als der kritische Wert, der durch die Auslösecharakteristik des Relais gegeben ist.
Aus diesem Grunde kann der Leistungsschalter durch das Relais ausgelöst werden, obgleich der Phasenwinkel der Gesamtimpedanz kleiner ist als der jenige der Leitung. In der Praxis ist es wünschenswert, wenn ein Relais nur dann anspricht, wenn eine Im pedanz mit einem bestimmten Phasenwinkel unter halb eines kritischen Wertes liegt und wenn es nicht anspricht, wenn eine Impedanz mit ähnlichem Betrag und anderem Phasenwinkel vorliegt.
Um dies zu erreichen, enthält die neue Distanzschutzrelaisanord- nung als Auslösecharakteristik eine Ellipse, deren Hauptachse mit dem Impedanzwinkel der zu schüt zenden Übertragungsleitung übereinstimmt und die eine relativ kleine Nebenachse besitzt.
Die Kurve 9 in Fig. 1 ist eine schematische Dar stellung einer solchen elliptischen Auslösecharakte- ristik für ein Relais. Sie hat die Brennpunkte F und F'. Dabei fällt der Punkt F mit dem Ursprung des Koordinatensystems zusammen. Der Winkel ss stellt den Winkel der Leitungsimpedanz dar. Der Punkt G liegt auf der Strecke FF' bei einer Impedanz, die der Impedanz der zu schützenden Leitungsstrecke ent spricht. Es ist bei einer Ellipse bekannt, dass die Summe der Leitstrahlen von einem Ellipsenpunkt P zu den Brennpunkten F und F', hier Z bzw. Z. ge nannt, gleich dem Betrag der Hauptachse Z., der Ellipse ist.
Dabei lässt sich zeigen, dass
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ist. Dabei ist Z, der Abstand zwischen den Brenn punkten Fund F. Es lässt sich gleichfalls zeigen, dass die Nebenachse gleich
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ist und dass die Exzentrizität e gleich 2-' ist. Dabei sind die Strecken Z, Z., und Z, in dieser Gleichung skalare Grössen. Komplexe Grössen werden in dieser Beschreibung mit einem darübergesetzten Punkt, z. B. Z, bezeichnet.
In Fig. 1 stellt die Strecke FP die vom Relais aus gemessene Impedanz eines Verbrauchers zuzüglich derjenigen des Leitungsteils zwischen Relais und Ver braucher dar und zeigt gleichzeitig die maximale Im pedanz, bei der das Relais den zugehörigen Leistungs schalter auslöst. Das Produkt der komplexen Grössen IZ des Leitungsstromes 1 und der Impedanz Z stellt die Spannung der Leitung am Relaisort dar. Dabei ist O der Phasenwinkel zwischen der Spannung und dem Strom der Leitung.
Für die Impedanz Zg, die durch den Punkt G in Fig. 1 gegeben ist, gilt
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daraus ergibt sich
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wenn die gewünschte Reichweite des Relais und die Exzentrizität e der elliptischen Auslösecharakteristik bekannt sind.
Die Erfindung kann zum Schutze von einphasigen und mehrphasigen elektrischen Systemen dienen. Fig.3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine ein phasige elektrische Übertragungsleitung, deren Über tragungsfrequenz 60 Hz beträgt. Die Leiter sind mit L1 und L2 bezeichnet. Diese Leitung kann genau so gut als eine Phase einer mehrphasigen elektrischen Übertragungsleitung betrachtet werden.
Die Leitung ist aufgeteilt in einen ersten Abschnitt LSl und einen zweiten Abschnitt LS2. Diese Abschnitte sind über eine Relaisstation mit einem Leistungsschalter CB verbunden, der eine Auslösespule CBT und einen Arbeitskontakt CBI enthält. Ein Stromwandler CT und ein Spannungswandler <I>VT</I> sind an die Leiter L1 und L2 angeschlossen.
Die in Fig. 3 dargestellte Relaisanordnung schützt den Leitungsabschnitt LSl.
In Reihe mit der Sekundärwicklung des Strom wandlers CT ist die Primärwicklung eines Strom wandlers 11 und die einstellbare Primärwicklung eines Kompensators 12 geschaltet. Dieser Kompensator hat eine bestimmte Reaktanz und einen einstellbaren Belastungswiderstand 19, der die Phasenlage zwischen dem Primärstrom und der sekundär induzierten Span nung bestimmt.
Die Sekundärwicklung des Stromwandlers 11 ist über eine Gleichrichteranordnung an einen Wider stand 17 geschaltet, an dem eine Gleichspannung 1"'Z"' auftritt, deren Grösse dem Betrag des Leitungs stromes proportional ist. In der in Fig. 3 gezeichneten Lösung sind zwei Gleichrichter 14 und 15 mit ihren Anoden an die Enden der Sekundärwicklung des Stromwandlers 11 angeschlossen. Die Kathoden der Gleichrichter sind mit dem positiven Anschluss des Widerstandes 17 verbunden. Der negative Anschluss des Widerstandes ist an einen Mittelabgriff der Sekundärwicklung des Stromwandlers 11 angeschlos sen.
Ein einstellbarer Lastwiderstand 13 ist parallel zu der Sekundärwicklung des Stromwandlers 11 ge schaltet. Ein Glättungskondensator 16 liegt parallel zum Widerstand 17.
Die Ausgänge des Kompensators 12 und des Spannungswandlers<I>VT</I> sind in Reihe geschaltet und liegen parallel zu den Eingangsklemmen eines Zwei weggleichrichters 21. Der Ausgang dieses Gleich richters ist über einen Lastwiderstand 27 und einen Glättungskondensator 26 verbunden. Dadurch ergibt sich eine Gleichspannung E"', die am Widerstand 27 liegt und von dem Betrag der Spannung EX abhängig ist.
Der Spannungswandler 18 hat eine Primärwick- lung, die parallel zu der Sekundärwicklung des Span- nungswandlers <I>VT</I> geschaltet ist.
Die Sekundärwick lung des Spannungswandlers 18 liefert über eine Glebchrichteranordnung eine Gleichspannung E', die an dem Widerstand 25 abfällt und die proportional der Leitungsspannung E ist. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sind dazu die Anoden zweier Gleichrichter 22 und 23 an die Enden der Sekundärwicklung des Spannungs wandlers 18 angeschlossen. Die Kathoden der Gleich richter sind mit dem positiven Anschluss des Wider standes 25 verbunden. Der negative Anschluss des Widerstandes ist an einem Mittelabgriff der Sekundär wicklung des Spannungswandlers 18 angeschlossen.
Ein Glättungskondensator 24 liegt parallel zum Widerstand 25.
Aus Fig. 3 erkennt man, dass eine Gesamtspan nung EP <I>= E' + Ex -</I> ljZJ an Basis und Emitter eines npn-Transistors 32, an einem Widerstand 29 und an einem Gleichrichter 31 liegt. Der Gleichrichter ist dabei so gepolt, dass nur dann ein Strom fliessen kann, wenn die Spannung 1;,'Z3' dem Betrage nach grösser ist als die Summe der Spannungen E + E,'. Dabei ist der Transistor 32 durchlässig.
Ein Gleichrichter 34 ist zwischen Emitter und Basis des Transistors geschaltet. Er erlaubt einen Stromfluss vom Emitter zum Basisanschluss, wenn die Spannung so gepolt ist, dass der Transistor gesperrt bleibt. Er schützt dadurch diese Anschlüsse gegen Schäden, die durch fliessende Rückströme auftreten können.
Wenn der Transistor durchlässig gesteuert wird, fliesst - bedingt durch den Spannungsabfall am Wider stand 17 - ein Strom über Kollektor und Emitter des Transistors und einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand 33. Der Spannungsabfall am Widerstand 33 dient zur Erregung der Auslösespule CBT über den Arbeitskontakt CBI zur Auslösung des Leistungs schalters CB. Falls erforderlich, kann der Auslöse spule ein Verstärker zur Erhöhung der Nutzenergie der Auslösespule CBT vorgeschaltet sein.
Der npn- Transistor kann auch durch einen pnp-Transistor bei entsprechend abgeänderter Schaltung ersetzt werden.
Die Relaisanordnung in Fig.3 vergleicht den Betrag der Spannung IZa mit der Summe der Beträge der Spannungen E und EX. Wenn diese miteinander verglichenen Beträge gleich sind, ist der Transistor gesperrt. Dies entspricht einem Fehler am Balance punkt, das heisst an der Grenze der Reichweite der Relaisanordnung.
Der Betrag von IZa übertrifft die Summe der Beträge von E + Ex, wenn die vom Relais gemessene Impedanz kleiner ist als diejenige der Leitungsstrecke bis zum Balancepunkt. In diesem Fall wird der Transistor durchlässig und löst den Leistungsschalter aus.
Die Summe der Beträge von E +,g übertrifft den Betrag 1Z3, wenn die vom Relais gemessene Impedanz grösser als diejenige des Balancepunktes ist. In diesem Fall bleibt der Transistor gesperrt und der Leistungs schalter geschlossen.
Wie bereits ausgeführt wurde, ergibt diese Schal tung des Transistors eine e'll'iptische Kennlinie der Relaisanordnung.
Es ist üblich, eine übertragungsleitung in einzelne Abschnitte aufzuteilen, die miteinander über Relais stationen mit Leistungsschaltern verbunden sind. Jede Relaisstation des benachbarten Leistungsschal ters ist mit einer Relaisanordnung mit drei Zonen versehen. Die erste Zone schützt von der Relais station ab beispielsweise<B>90%</B> des geschützten Lei- tungsabschnittes. Die Relaisanordnung für diese Zone arbeitet mit vernächlässigbar kleiner Zeitverzögerung.
Eine zweite Zone erstreckt sich über den folgen den Leitungsabschnitt und ist mit einer Zeitverzöge rung von etwa 0,25 Sekunden versehen. Die dritte Zone schliesst sich an die zweite an, das dafür vorge sehene Impedanzrelais ist mit einer Zeitverzögerung von etwa 1 bis 2 Sekunden ausgestattet. Jede Relais anordnung für eine der drei Zonen kann ähnlich aufgebaut sein wie diejenige, die in Fig. 3 dargestellt ist. In jedem Fall ist die Reichweite des Relais (die Länge der Strecke FG in Fig. 1) auf die Impedanz eingestellt, die das jeweils zu schützende Stück der Leitung aufweist. Für die zweite und dritte Zone sind geeignete Zeitverzögerungsglieder vorgesehen.
Wenn eine Relaisanordnung - wie in Fig. 3 dar gestellt - verwendet wird, können bestimmte Fehler, die auf der Strecke hinter dem Relais, das heisst in entgegengesetzter Richtung auftreten, das Relais ver anlassen, den Leistungsschalter auszulösen. Um diesen dritten Quadranten auszuschalten, kann ein rich tungsmessendes Element zusätzlich vorgesehen sein, z. B. ist ein Richtungsrelais DR dem Eingangskreis des Transistors vorgeschaltet, dessen Kontakt offen ist, wenn der Fehler in der nicht zu schützenden Richtung liegt. In gleicher Weise kann der Eingangs kreis des Transistors durch Öffnen eines Schalters S aufgetrennt werden, wenn die Kontakte des Rich tungsrelais DR den Schalter S betätigen.
Durch andere Schaltungsmassnahmen lässt sich erreichen, dass der Punkt H der Ellipse 9 in Fig. 1 mit dem Ursprung des Diagramms übereinstimmt, wie z. B. durch die gestrichelt gezeichnete Ellipse 9a an gedeutet ist. Dies kann erreicht werden durch Ein fügung einer stromabhängigen Spannung zwischen die Spannungswandler VT und 18, wie es z. B. in Fig. 4 gezeigt ist. In Fig. 4 wird eine stromabhängige Span nung von einem Transduktor 41 abgenommen, des sen Konstruktion ähnlich derjenigen des Kompen- sators 12 sein kann.
Die Primärwicklung des Trans- duktors ist über Leitungen 41A und 41B in Reihe mit den Primärwicklungen der Stromwandler 11 und 12 in Fig. 3 geschaltet. Das Verbindungsstück 41C zwischen den Leitern 41A und 41B fällt in diesem Falle weg. Die Sekundärwicklung 42 des Transduktors ist in Reihe geschaltet mit der Sekundärwicklung des Spannungswandlers<I>VT,</I> so dass eine resultierende Spannung für die Erregung der Primärwicklung des Spannungswandlers 18 vorhanden ist. Die Spannung der Sekundärwicklung des Transduktors 41 kann ein gestellt werden, so dass eine Verschiebung der Ellipse in gewünschter Richtung mit wählbarem Betrag mög lich ist.
Wenn ein Fehler in der Nähe des Relaisortes auf tritt, kann die Leitungsspannung einen so kleinen Wert einnehmen, dass eine einwandfreie Betätigung des Relais nicht mehr möglich ist. Aus diesem Grund sind Gedächtniselemente in den Fig. 3 und 4 vorgesehen, die einen ausreichenden Spannungs betrag für kurze Zeit aufrechterhalten und damit die einwandfreie Funktion der Relaisanordnung sicher stellen.
Als Gedächtniselemente können Parallelschwing- kreise dienen, die eine Induktivität 46 und einen Kondensator 45 enthalten, auf die Netzfrequenz ab gestimmt sind und parallel zu der Primärwicklung des Spannungswandlers 18 in Fig. 3 geschaltet sind. Es ist genau so gut möglich - wie in Fig. 4 gezeigt - die Reihenschaltung einer Spule 46a mit einem Konden sator 45a in Reihe zu der Sekundärwicklung des Spannungswandlers<I>VT zu</I> schalten.
Wenn zwischen der Parallelschaltung der Spule 46 mit dem Konden sator 45 und der Sekundärwicklung des Spannungs wandlers<I>VT</I> ein Widerstand 47 eingeschaltet ist, so wird damit verhindert, dass ein Fehler auf der Leitung in der Nähe der Relaisstation die Parallel schaltung durch Kurzschliessen unwirksam macht, In Fig. 3 kann mit dem Widerstand 13 die Länge der Hauptachse der Ellipse eingestellt werden. Durch die Phasenlage der Ausgangsspannung des Kompen- sators kann der Wert des Winkels ss in Fig. 1 ver ändert werden. Der Betrag dieser Spannung dient zur Einstellung des Abstandes zwischen den Brennpunk ten F und F' in Fig. 1.