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Phasenkomparator, vorzugsweise für Distanzschutzanlagen Die Erfindung
betrifft einen Phasenkomparator, der zur Ermittlung der gegenseitigen Phasenlage
von zwei elektrischen Größen auf einer elektrischen Leitung, in einer elektrischen
Anlage od. dgl. mittels ihrer überlappungszeit, d. h. der Zeit, in der sie gleiche
Vorzeichen haben, dienen soll. Er soll vornehmlich Anwendung finden in Distanzschutzanlagen,
in denen die gegenseitige Phasenlage von zwei aus Strömen und/oder Spannungen abgeleiteten
Spannungen ermittelt und dann eine Signal- oder Befehlsgabe ausgelöst wird, wenn
die Überlappungszeit dieser Größen ober- oder unterhalb einer vorbestimmten Überlappungszeit
liegt. In derartigen Distanzschutzeinrichtungen wird beispielsweise mit Wandlern
eine dem Strom in der zu überwachenden Leitung proportionale Spannung und eine der
Spannung an der Leitung proportionale Spannung abgenommen, die dann direkt in ihrer
Phase verglichen werden oder aus denen zusätzlich die Differenzspannung gebildet
wird, wobei dann beispielsweise die Überlappungszeit von Differenzspannung und spannungsproportionaler
Spannung als Kriterium für die Auslösung der Schutzschaltung verwendet wird.
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Es ist einzusehen, daß die Schutzschaltung nur dann zuverlässig arbeitet,
wenn eine genaue Erfassung der gegenseitigen Phasenlage der miteinander zu vergleichenden
elektrischen Größen, beispielsweise der mittels der Wandler gewonnenen Spannungen,
möglich ist. Eine Fehlerquelle in dieser Hinsicht sind die häufig mit dem Auftreten
einer Störung, beispielsweise eines Kurzschlusses, verbundenen Einschwinggrößen.
Ihr Einffuß auf die Ermittlung der gegenseitigen Phasenlage der beiden elektrischen
Größen soll an Hand der Fig. 1 erläutert werden.
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Die beiden elektrischen Größen, deren gegenseitige Phasenlage mittels
ihrer überlappungszeit erfaßt werden soll, sind mit 1 und l1 bezeichnet. Im eingeschwungenen
Zustand, d. h. wenn keine Einschwinggröße vorhanden oder eine ursprünglich vorhandene
Einschwinggröße abgeklungen ist, wird die elektrische Größe 1 durch die in Fig.
1 gestrichelt angedeutete, um die Bezugslinie 0 oszillierende Sinusschwingung wiedergegeben.
Die Halbwellen dieser Sinusschwingung im positiven und negativen Gebiet, d. h. zu
beiden Seiten der Bezugslinie 0, sind gleich groß, so daß die durch kleine Kreise
angedeuteten Nulldurchgänge in gleichmäßigem Abstand aufeinanderfolgen.
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Diese elektrische Größe I soll mit der darunter dargestellten elektrischen
Größe 1I hinsichtlich der gegenseitigen Phasenlage verglichen werden. Dabei ergeben
sich während der positiven und negativen Halbwellen beider elektrischer Größen gleich
lange Überlappungszeiten T, die bei der in diesem Falle angenommenen Störung unterhalb
der für die Auslösung der Schutzschaltung erforderlichen Mindestzeit X liegen. Das
bedeutet, daß die Störung außerhalb des Schutzbereiches der betrachteten Distanzschutzeinrichtung
liegt. In Fig.1 ist der übersichtlchkeit wegen nur der Phasenvergleich für die positiven
Halbwellen dargestellt.
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Tritt nun infolge der Störung eine Einschwinggröße g auf, die nach
einer e-Funktion abklingen möge, so oszilliert die die erste elektrische Größe darstellende
Sinusschwingung 1 nicht mehr um die ursprüngliche Bezugslinie 0, sondern um diese
Einschwinggröße g als Bezugslinie. Für diese erste elektrische Größe ergibt sich
daher jetzt der durch die Kurve I' angedeutete Zeitverlauf. Bezeichnet man auch
jetzt den im Positiven verlaufenden Teil dieser Schwingung als positive Halbwelle
und dem im Negativen verlaufenden Teil der Schwingung als negative Halbwelle, d.
h. verwendet man als Trennungslinie für die beiden Halbwellen die ursprüngliche
Bezugslinie 0, so sind beim Vorliegen einer Einschwinggröße g positive und negative
Halbwellen nicht mehr gleich groß. Dementsprechend folgen die Nulldurchgänge der
elektrischen Größe I' nicht mehr in gleichen Abständen in Richtung der Zeitachse
0
aufeinander, sondern ihre Abstände sind, wie die durch kleine Kreuze angedeuteten
Punkte zeigen, insbesondere
zu Beginn der Störung, d. h. bei großer
Einschwinggröße g, stark verschieden. Der Vergleich der elektrischen Größe I' mit
der zweiten elektrischen Größe II, die keine Einschwinggröße aufweisen möge, liefert
nunmehr Überlappungszeiten T', T", T"' usw., die alle voneinander verschieden
und zumindest teilweise größer sind als die der Entfernung der Störung tatsächlich
entsprechenden Überlappungszeiten T. Sie sind sogar teilweise größer als die zum
Auslösen der Schutzschaltung erforderliche überlappungszeit X, so däß es zum Fehlauslösen
der Distanzschutzeinrichtung kommt, da eine außerhalb des Schutzbereiches auftretende
Störung als innerhalb des Bereiches liegend angesehen wird. Da von einer Auslösung
der Schutzschaltung im allgemeinen größere Teile eines Netzes mit einer Vielzahl
von Verbrauchem betroffen werden, muß ein derartiges Fehlauslösen verhindert werden.
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Es ist bekannt, diesen nachteiligen Einfiuß der Einschwinggröße dadurch
auszuschalten, daß man die gegebenenfalls die Einschwinggröße enthaltende elektrische
Größe über eine aus einem Widerstand und einer Induktivität bestehende Leitungsnachbildung
abgreift, an der die elektrische Größe ohne das Gleichstromglied auftritt. Diese
Schaltung erfüllt aber nur dann ihren Zweck, wenn das Verhältnis von Widerstand
zu Induktivität an der Leitungsnachbildung genau mit dem entsprechenden Verhältnis
der zu überwachenden Leitung übereinstimmt. Bekanntlich kann sich aber dieses Verhältnis
ändern, wenn eine Störung auftritt und die Nachbildung eine gegebenenfalls auftretende
Einschwinggröße möglichst vollkommen unterdrücken soll, da beispielsweise ein Lichtbogen
unterschiedliche ohznsche Widerstände RL haben kann. Eine entsprechende Angleichung
des jeweiligen Verhältnisses von Widerstand zu Induktivität an der Leitungsnachbildung
ist bestenfalls mit großem Aufwand und nur ungenau möglich. Aus diesem Grunde weist
dieses bekannte, mit einer Leitungsnachbildung arbeitende Verfahren grundsätzlich
den Nachteil auf, daß eine Berücksichtigung verschiedener Werte des Widerstandes
RL nicht möglich ist. Dies zeigt das in Fig. 2 skizzierte Arbeitsdiagramm dieser
Schaltung, in dem mit R die reelle und mit Y die imaginäre Achse bezeichnet sind.
In die so gebildete komplexe Ebene sind der Vektor der stromproportionalen Spannung
ft" - Z, und der Vektor der spannungsproportionalen Spannung U@ eingezeichnet
(der mit genauer Abstimmung und metallischem Kurzschluß mit Jk - Z, den gleichen
Winkel gegen Y bilden würde), und als Kriterium für die Auslösung der Schutzschaltung
dient in diesem Fall der Winkel dy zwischen der spannungsproportionalen Spannung
U2 und der Differenz JJa - U." der beiden Spannungen. Bei allen Störungen,
die derartige elektrische Größen zur Folge haben, daß der Endpunkt des Vektors U2
außerhalb des gezeichneten Kreises liegt, d. h. der Winkel dy kleiner ist als der
dargestellte Grenzwinkel, erfolgt kein Auslösen der Schutzschaltung, weil in diesen
Fällen die Störung außerhalb des Schutzbereiches liegt. Dagegen tritt die Schutzeinrichtung
in Tätigkeit; wenn der Winkel d y größer als der in Fig. 2 dargestellte Grenzwinkel
ist, da dann die Störung innerhalb des Schutzbereiches aufgetreten ist. Brennt nun
innerhalb des Schutzbereiches beispielsweise ein Lichtbogen mit einem bestimmten
ohmschen Widerstand RL, so wird, wie Fig. 2 erkennen läßt, die Schutzschaltung nicht
auslösen, da der Arbeitspunkt nunmehr außerhalb des Schutzbereiches liegt, obwohl
die Störung innerhalb des Bereiches aufgetreten ist.
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Diesen Mangel zeigt eine andere bekannte Anordnung nicht, bei der
sowohl die negativen als auch die positiven Halbwellen der beiden zu vergleichenden
elektrischen Größen getrennt für sich ausgewertet werden und ein Auslöseimpuls nur
dann erzeugt wird, wenn beide Halbwellen für sich einer bestimmten Phasenbedingung
genügen. Aus dem in Fig. 3 wiedergegebenen Arbeitsdiagramm dieser Schaltung ist
ersichtlich, daß ein in bestimmten Grenzen variierender Lichtbogenwiderstand RL
auftreten kann, ohne daß die Wirkungsweise der Schaltung beeinträchtigt wird. Während
also bei der ersten beschriebenen Schaltungsanordnung sofort eine Auslösung erfolgen
kann, jedoch die Gefahr einer Fehlauslösung besteht, ist bei dieser Schaltungsanordnung
diese Gefahr vermieden, dafür rnuß aber das Ergebnis des Phasenvergleiches zumindest
der positiven oder der negativen Halbwellen beider elektrischer Größen gespeichert
werden. Die zuletzt beschriebene Anordnung weist vornehmlich den Nachteil auf, daß
infolge der parallel verlaufenden Auswertung sowohl der negativen als auch der positiven
Halbwellen ein sehr großer Aufwand an Schaltungselementen getrieben werden muß.
Dies macht sich nicht nur in kostenmäßiger Hinsicht bemerkbar, sondern infolge der
großen Zahl störungsanfälliger Schaltelemente, wie Transistoren u. dgl., sinkt die
Lebensdauer der Schutzschaltung, und die gerade bei einer Überwachungseinrichtung
unentbehrliche Betriebssicherheit ist nicht mehr gewährleistet.
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Die geschilderten Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet ein
Phasenkomparator, bei dem erfindungsgemäß zum Verhindern eines Fehlauslösens durch
Einschwinggrößen, die vorzugsweise infolge einer Störung außerhalb des Schutzbereiches
auftreten, Halbwellen einer einzigen Polarität zum Phasenvergleich dadurch herangezogen
werden, daß entweder Schaltmittel hierfür die um die gegebenenfalls auftretende
Einschwinggröße verminderten Halbwellen bestimmen oder Schaltelemente hierfür Halbwellen
einer vorgegebenen Polarität nur dann wirksam werden lassen, wenn ihre Dauer einen
vorbestimmten Wert nicht übersteigt. Der neue Phasenkomparator vermeidet also dadurch
einen nachteiligen großen Aufwand, daß jeweils nur Halbwellen einer Polarität zum
Phasenvergleich verwendet werden. Den weiteren Merkmalen, daß entweder Schaltmittel
die um die gegebenenfalls auftretende Einschwinggröße verminderten Halbwellen bestimmen
oder Schaltelemente Halbwellen einer vorgegebenen Polarität nur dann wirksam werden
lassen, wenn ihre Dauer einen vorbestimmten Wert nicht übersteigt, liegt die überlegung
zugrunde, daß ein sofortiges Ansprechen der Schutzschaltung nur dann erforderlich
ist, wenn der Störungsort so nahe liegt, daß infolge des geringen Leitungswiderstandes
zwischen Generator und Störung ein gefährlich hoher Kurzschlußstrom fließen kann.
Im Zusammenhang mit der Unterdrückung von Fehlauslösungen infolge von Einschwinggrößen
interessiert nun vornehmlich der Grenzbereich um den in den Fig. 2 und 3 dargestellten
Kreis, also gerade der Bereich, in dem bereits ein relativ großer Leitungswiderstand
zwischen Generator und Störungsstelle liegt, so daß ohne weiteres einige Zeit bis
zum Auslösen der Schutzschaltung verstreichen kann. Je näher die Störung liegt,
desto größer wird
von vornherein auch die überlappung der um die
Einschwinggröße verminderten Halbwellen, so daß dann auch eine entsprechend schnellere
Auslösung erfolgt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des ererfindungsgemäßen
Phasenkomparators führen die Schaltmittel, die die Halbwellen einer einzigen Polarität
zum Phasenvergleich heranziehen, beim Auftreten einer Störung eine Polaritätsbestimmung
bei einer die Einschwinggröße nachbildenden dritten elektrischen Größe durch. Diese
dritte elektrische Größe gewinnt man beispielsweise über eine aus einer Induktivität
und einem Widerstand bestehende Schaltung, die von der die Einschwinggröße nicht
enthaltenden elektrischen Größe gespeist wird. Vorzugsweise verwendet man hierfür
eine Leitungsnachbildung, so daß die so gewonnene dritte Größe etwa dieselbe Zeitkonstante
besitzt wie die bei der Störung auftretende Einschwinggröße. Während also normalerweise
bei der Verwendung einer Leitungsnachbildung die in ihr erzeugte zusätzliche Einschwinggröße
dazu verwendet wird, die störende Einschwinggröße zu kompensieren, so daß in bereits
beschriebener Weise eine reine Wechselspannung ohne überlagertes Gleichstromglied
abgenommen wird, ermöglicht in diesem Falle die Verwendung einer derartigen Schaltung
infolge der in ihr erzeugten Einschwinggröße einen bequemen Polaritätsvergleich.
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Das Ergebnis der Polaritätsbestimmung ist ein Rechteckimpuls bestimmter
Polarität, der ein Schaltorgan so betätigt, daß dessen Kontakte bis zum Abschalten
der Störung dem eigentlichen Phasenvergleichssystem die um die Einschwinggröße verminderten
Halbwellen zuführen. Als Schaltorgan kann beispielsweise ein polarisiertes Relais
Verwendung finden.
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Während bei der beschriebenen Schaltungsanordnung sofort nach dem
in der ersten Halbwelle erfolgenden Umlegen der Kontakte des Schaltorgans die Auslösung
des Phasenkomparators erfolgen kann, falls von dem bei jeder Schutzschaltung vorhandenen
Auslöserelais das Auftreten einer Störung gemeldet wird, werden bei einem Phasenkomparator,
bei dem die Halbwellen einer vorgegebenen Polarität nur dann wirksam werden, wenn
ihre Dauer einen vorbestimmten Wert übersteigt, die etwa vom Phasenkomparator erzeugten
Kommandos zur Signal- oder Befehlsgabe bis zum Abklingen der Einschwinggröße auf
einen bestimmten Wert unwirksam gemacht. Ist keine Einschwinggröße vorhanden, so
kann bei dieser Anordnung die Auslösung unmittelbar nach Auftreten der Störung erfolgen.
Aus der eingangs beschriebenen Fig. 1 ist ersichtlich, daß auch bei dieser Anordnung
dann eine vom Fehlerort abhängige Auslösezeit erzielt wird, wenn die Halbwellen
der vorgegebenen Polarität die um die Einschwinggröße verminderten Halbwellen sind;
denn da wiederum die überlappung aller Halbwellen um so größer ist, je näher der
Fehler liegt, wächst die Auslösegeschwindigkeit in dieser Richtung.
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Man wird den Phasenkomparator mit Schaltelementen, die die Halbwellen
einer vorgegebenen Polarität nur dann wirksam werden lassen, wenn ihre Dauer einen
vorbestimmten Wert nicht übersteigt, so aufbauen, daß die Schaltelemente -vorzugsweise
nach Umformung der Halbwellen in Rechteckimpulse -über einen verzögert ansprechenden
Schalter die Zuführung der Halbwellen der vorgegebenen Polarität bzw. der ihnen
entsprechenden Rechteckimpulse zum eigentlichen Phasenvergleichssystem dann unterbinden,
wenn die Dauer der Rechteckimpulse den vorbestimmten Wert übersteigt. Ebenso könnte
man auch die vom Phasenkomparator etwa erzeugten Auslösekommandos für die Signal-
oder Befehlsgabe während dieser Zeit unwirksam machen. Als vorbestimmten Wert wird
man vorzugsweise etwa 180° elektrisch wählen.
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Das eigentliche Phasenvergleichssystem bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen
des neuen Phasenkomparators ist beispielsweise in bekannter Weise im wesentlichen
aus einer Koinzidenzschaltung und einem nachfolgenden Amplitudendiskriminator aufgebaut.
Dabei gibt die Koinzidenzschaltung in ihrer Länge der Dauer der überlappungszeit
der zu vergleichenden elektrischen Größen entsprechende Impulse ab, die in einer
Integrationsschaltung in sägezahnförmige Impulse mit durch die Dauer der von der
Koinzidenzschaltung abgegebenen Impulse bestimmter Amplitude umgeformt werden. Die
Amplitude dieser Sägezahnimpulse wird dann im Amplitudenkomparator mit einer fest
vorgegebenen Amplitude verglichen.
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In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Phasenkomparators
wiedergegeben. Als eine elektrische Größe wird die der Spannung Uk auf der Leitung
od. dgl. proportionale Spannung UZ über einen Transformator Trl abgegriffen und
mittels der Gleichrichterelemente D3 und D4 in ihre positiven und negativen Halbwellen
U2, und U2 _ aufgeteilt. Die erforderlichen Schutzwiderstände sind mit R4 und R,
bezeichnet.
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Als zweite elektrische Größe für den Phasenvergleich dient die über
den Differenzstrom 1k-
aus der Differenzspannung abgeleitete Spannung U1, die an der Bürde R1 des Stromwandlers
W auftritt. Auch die Spannung U1 wird mittels der Gleichrichter D,
und D.,
mit den Schutzwiderständen R2 und R, in ihre positiven und negativen Halbwellen
zerlegt, so daß die positiven Halbwellen U1, und die negativen Halbwellen U1 _ an
verschiedenen Klemmen abgenommen werden können. Es besteht nun die Aufgabe, entweder
nur die positiven Halbwellen (U1" U2,) oder nur die negativen Halbwellen
(U, -, U2 _) beider elektrischer Größen in ihrer gegenseitigen Phasenlage
zu vergleichen, je nachdem, welches die jeweik um die gegebenenfalls auftretende
Einschwinggröße verminderten Halbwellen sind. Diese Halbwellen müssen dann dem eigentlichen
Phasenvergleichssystem zugeführt werden.
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Zu diesem Zweck wird mittels einer aus der Induktivität L und dem
Widerstand R bestehenden Leitungsnachbildung eine dritte elektrische Größe gebildet,
die die störende Einschwinggröße nachbildet. Diese dritte elektrische Größe wird
über den Transformator Tr, aus der Spannung Uk an der Leitung, die einen Sekundärstrom
JN durch die beschriebene Leitungsnachbildung treibt, als an dem Widerstand R abgegriffene
Spannung UN gewonnen. In der Schaltung B
mit Begrenzerwirkung, die
beispielsweise eine Kippschaltung sein kann, werden aus der Spannung UN
Rechteckimpulse
UB gewonnen, deren Polarität einen eindeutigen Rückschluß auf die Polarität
der gegebenenfalls die Einschwinggröße aufweisenden elektrischen Größe zuläßt. Die
von der Schaltung B abgegebenen Rechteckimpulse UB steuern nun ein
polarisiertes Relais P in der Weise, daß seine Kontakte p1 und p2 das eigentliche
Phasenvergleichssystem derart
an die Ausgänge der an den Stromwandler
W und den Transformator Tri angeschlossenen Gleichrichteranordnungen anschalten,
daß dem Vergleichssystem stets nur diejenigen Halbwellen zugeführt werden, die um
die gegebenenfalls auftretende Einschwinggröße vermindert sind. Als eigentliches
Phasenvergleichssystem dient in bekannter Weise die Reihenschaltung von Koinzidenzschaltung
K und Amplitudenkomparator A. Wird nun über die in der Figur nicht dargestellte,
bei jeder derartigen Schutzeinrichtung vorhandene Anregeschaltung AR das Auftreten
einer Störung gemeldet, so wird ein der Schaltung B nachgeschalteter Kontakt kurzzeitig
geschlossen. Während dieser Zeit kann das Relais P seine Kontakte p1, P2 entsprechend
der augenblicklichen Polarität der Spannung UB betätigen. Die im Phasenkomparator
etwa erzeugten Auslöseimpulse betätigen nun beispielsweise den Leistungsschalter
LS.
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Fig. 5 zeigt ein Oszillogramm für die wesentlichen Größen in der beschriebenen
Schaltungsanordnung. Man erkennt deutlich die im Strom IL auf der zu schützenden
Leitung od. dgl. nach dem durch das Zusammenbrechen der Spannung UI, an der Leitung
gekennzeichneten Störungsfall auftretende Einschwinggröße; die in dem in der Figur
dargestellten Beispiel negative Polarität hat. Da die Spannung UI;, auch an dem
Transformator Tr. liegt, in dessen Sekundärkreis die Leitungsnachbildung angeordnet
ist, zeigt der Strom IN ebenfalls beim Auftreten der Störung eine Einschwinggröße,
die bei der gewählten Anordnung positiv ist. Sie wird in der Schaltung B in entsprechende
Rechteckimpulse UB umgewandelt, deren Polarität in bezug auf die Polarität
des Stromes Il, im Fehlerfall eindeutig festliegt. Die Polarität des Rechteckimpulses
bei Störungsbeginn stellt daher ein Kriterium für die Wahl der zum Phasenvergleich
heranzuziehenden, um die Einschwinggröße verminderten Halbwellen des Stromes h,
dar, die in dem in Fig. 5 vorliegenden Fall die positiven Halbwellen sind.
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Fig. 6 zeigt die Verhältnisse bei Umkehr der Polarität der Einschwinggröße.
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Es ist einzusehen, daß verschiedene Variationen des neuen Phasenkomparators
möglich sind. So können beispielsweise an verschiedenen Stellen der beschriebenen
Schaltungsanordnungen zusätzliche Verstärker eingefügt werden, und an Stelle von
polarisierten Relais lassen sich elektronische Schaltelemente, beispielsweise Transistoren,
verwenden. Infolge des geringen Aufwandes an Schaltelementen arbeitet der erfindungsgemäße
Phasenkomparator auch bei mehrphasigen Netzen mit großer Sicherheit.
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Die Abstimmung der in einigen Schaltungsbeispielen verwendeten Leitungsnachbildung
ist nicht kritisch, da sich etwaige Abweichungen des Verhältnisses von Induktivität
zu Widerstand an der Nachbildung von dem entsprechenden Verhältnis der zu schützenden
Leitung nur in der Nähe des Nulldurchganges des Leitungsstromes, d. h. beim Polaritätswechsel,
bemerkbar machen könnten. Ein zu diesem Zeitpunkt auftretender Kurzschluß würde
aber keine f nennenswerte Einschwinggröße hervorrufen. Auch der Einfluß einer Änderung
des Lichtbogenwiderstandes RL würde keine nachteilige Wirkung auf die Arbeitsweise
des neuen Phasenkomparators haben.