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Schutz- und/oder Steueranordnung für Leitungen von Stromverbrauchern
In manchen Betrieben, wie z. B. Abbaubetrieben unter Tage, sind die Zuleitungen
zu den Verbrauchern, insbesondere die Gummischläuche für Kraft-und Lichtstromkreise,
die unter Tage in den Abbaustrecken verlegt werden, infolge der hohen mechanischen
Beanspruchung besonders gefährdet und müssen durch geeignete Einrichtungen ständig
überwacht werden.
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Die bergbehördlichen Vorschriften über die Verlegung derartiger Leitungen
verlangen, daß die Schutzeinrichtungen ansprechen, wenn an beliebiger Stelle des
Umfanges der Leitung ein geerdeter oder nicht geerdeter leitender Gegenstand in
die Leitung eindringt oder der Schutzleiter unterbrochen wird. Meist wird von den
Schutzeinrichtungen auch gefordert, daß bei Kurzschluß zwischen Netzleiter und Schutzleiter
die Anlage ausgeschaltet wird.
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Außerdem darf die Leitung bei bestehenden Fehlern nicht unter Spannung
gesetzt werden können.
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Um diesen Forderungen zu genügen, werden die einzelnen Adern der elektrischen
Zuleitungen mit einem Schutzschirm, dem sogenannten Uberwachungsleiter, umgeben.
Er kann aus einem Drahtgeflecht, metallischer Folie, halbleitendem Gummi u. dgl.
bestehen. Der Überwachungsleiter ist gegen die Netzphasen und den geerdeten Schutzleiter,
der in der elektrischen Leitung zur Erdung der metallischen Gehäuse der Stromverbraucher
mitgeführt wird, gut isoliert. Die Überwachung der Leitung erfolgt in bekannter
Weise dadurch, daß man zwischen den Schutzleiter und den Überwachungsleiter eine
Spannungsquelle legt, so daß in der Überwachungsschleife, die sowohl von einem Schluß
zwischen dem Überwachungs- und Schutzleiter als auch von einem Bruch derselben herrühren
kann, von der Schutzeinrichtung die Ausschaltung der zu schützenden Leitungen veranlaßt
wird.
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Um die Zuleitungen zu dem Stromverbraucher möglichst leicht und geschmeidig
zu halten, ist man bestrebt, bei ferngesteuerten Stromverbrauchern, bei denen der
Steuerschalter am oder in Nähe des Stromverbrauchers angebracht ist, die Steuerung
nur über den Schutzleiter und den Überwachungsleiter zu führen und auf zusätzliche
Steueradern zu verzichten. So erhält man einen kleinen Gesamtdurchmesser der Zuleitung.
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In explosionsgefährdeten Betrieben, insbesondere in Abbaubetrieben
unter Tage, besteht noch die Forderung, daß die Schutzeinrichtung eigensicher ausgebildet
ist, d. h. daß bei einem Schluß zwischen Überwachungs- und Schutzleiter keine zündfähigen
Funken auftreten können. Daher müssen Strom und Spannung im Überwachungsstromkreis
sehr klein gehalten werden.
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Es ist bereits eine Schutzschaltung unter Verwendung eines Schutzleiters
und eines Überwachungsleiters zur Überwachung von Starkstromleitungen in Grubenbauen
auf innere und äußere Fehler bekanntgeworden, bei der zur mittelbaren Beeinflussung
des Schaltschützes über ein Zeitrelais und ein Hilfsrelais ein polarisiertes Relais
mit zwei entgegengesetzt durchfluteten Wicklungen vorgesehen ist. Das polarisierte
Relais wird seinerseits über einen störungsempfindlichen Steuerkreis beeinflußt,
der aus dem Überwachungsleiter, dem Schutzleiter, einem Schaltorgan und der Reihenresonanzschaltung
einer Kapazität und einer Induktivität besteht- Da die Induktivität des Reihenresonanzkreises
am Ende der Leitung auf dem Verbraucher angeordnet ist, ist eine aufwendige druckfeste
Kapselung erforderlich. Außerdem ist die Abstimmung und deren Erhaltung bei langen
Kabeln mit verhältnismäßig großen, mit der Länge sich verändernden Kapazitäten schwierig.
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Ferner ist eine Schutzschaltung für Leitungen in Untertagebetrieben
bekannt, die als Steuerelement einen Differentialtransformator enthält. Die Primärseite
des Differentialtransformators wird bei ungestörter Leitung von einem Überwachungsstrom
durchflossen, dessen magnetische Wirkung von einem anderen störungsabhängigen Strom
aufgehoben wird. Bei einer Störung bleibt eine resultierende magnetische Komponente,
die einen Schaltbefehl auslöst.
Schließlich ist eine Schutzschaltung
unter Verwendung von Schutz- und Überwachungsleiter bekannt, die ei.Zene, aus je
einem Zweiwicklungsrelais bestehende Uberwachungseinrichtungen für innere und äußere
Fehler enthält. Das Überwachungsorgan für innere Fehler besitzt dabei eine zweite
Wicklung, die im Stromkreis der Überwachungseinrichtung für äußere Fehler liegt.
Das Überwachungsorgan für äußere Fehler wird von einem Verstärker ge-
| steuert. Die Schutzschaltung ist durch die Anwen- |
| dung von zwei Zweiwicklungsrelks neben der Ver- |
stärkereinrichtung aufwendig.
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Die Erfindung betrifft eine Schutz- und/oder Steuereinrichtung gegen
innere und äußere Fehler für Leitungen von Stromverbrauchern in Untertagenetzen
mit nur einem das Schütz des Stromverbrauchers unmittelbar betätigenden, in Abhängigkeit
von inneren und äußeren Fehlern von einem Schaltelement mit Verstärkerfunktion beaufschlagten
Zweiwicklungsrelais in dem Überwachungskreis, der gleichzeitig zur Steuerung dient.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Haltewicklung des
Zweiwicklungsrelais beim Auftreten innerer Fehler durch Potentialänderung an der
dem Haltekreis zugeordneten Steuereinrichtung des vorgeschalteten Steuerelementes
mit Verstärkerfunktion stromlos wird und daß die Einschaltwicklung beim Auftreten
äußerer Fehler von einem die Wirkung des Haltestroms aufhebenden Erdschlußstrom
durchflossen wird.
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Die Erfindung zeichnet sich gegenüber dem Stand der Technik dadurch
aus, daß im wesentlichen mit einem Überwachungsrelais und einem diesem vorgeschalteten
Schaltelement funktionsmäßig eine sehr zuverlässige Schaltung bei großer Empfindlichkeit
aufgebaut werden kann, die sowohl auf äußere als auch auf innere Fehler anspricht.
Darüber hinaus wird durch die Verwendung nur eines bewegten Teiles in der Schutzeinrichtung
auch betriebsmäßig eine besonders große Sicherheit erreicht.
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Bei sehr kleinen Strömen und Spannungen wird dem Zweiwicklungsrelais
ein Schaltelement mit Verstärkerfunktion vorgeschaltet. Dabei wird zweckmäßigerweise
eine Elektronenröhre mit zwei Steuergittern und zwei Anoden verwendet.
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Es ist auch möglich, magnetische Verstärker mit zwei Steuerwicklungen
und zwei Ausgangskreisen zu verwenden. Verstärker mit Transistorelementen sind ebenfalls
möglich.
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Als Differentialtransformator zur Steuerung des Einschaltkreises dient
ein Transformator mit einer Mittelpunktsanzapfung auf der Primärseite, die zur Hälfte
mit pulsierendem Gleichstrom, zur anderen Hälfte mit Wechselstrom gespeist wird,
wobei die Wechselspannung während der Betätigung des Einschalttasters durch eine
pulsierende Gleichspannung so ersetzt wird, daß sich die magnetischen Flüsse im
Transformator aufheben und auf der Sekundärseite keine Spannung induziert wird.
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An Stelle des Differentialtransformators können auch andere aus Widerständen
und Gleichrichter bestehende Mittel vorgesehen werden, die bei offenem Einschalttaster
eine Spannung zur Steuerung des Einschaltkreises des Stromverbrauchers abgeben.
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Zur Steuerung des Überwachungskreises ist eine i Widerstands- und
Gleichrichterkombination vorgesehen, deren Widerstände so abgestimmt sind, daß das
Potential eines Punktes bei einer Störung, d. h, bei Unterbrechung bzw. Kurzschluß
des Überwachungsleiters und des Schutzleiters, sich negativ ändert.
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Es ist auch möglich, die Widerstands- und Gleichrichterkombination
so auszulegen, daß sie einen Punkt mit bei Schluß zwischen Schutz- und Überwachungsleiter
sich positiv änderndem Potential und einen anderen Punkt mit bei Unterbrechung des
Schutz- und/oder Überwachungsleiters sich negativ änderndem Potential enthält.
| Die Zeichnung zeit in Fl@,1 und Z zwei Aus- |
führungsbeispiele der Erfindung. In der Zeichnung ist nur das für die Schutzeinrichtung
Wesentliche dargestellt.
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Die zu schützende Leitung, die aus den Phasen UVW besteht, die zu
dem Stromverbrauch M führen, ist über den Schalter K an die Netzphasen
RST angeschlossen.
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Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erhalten der Überwachungs-
und der Steuerstromkreis über den Gleichrichter n1 einphasig von der 42-V-Wicklung
des Umspanners ml Spannung. Von der 6,3-V-Wicklung wird die Heizung der Röhre P
und von der 160-V-Wicklung ihre Anodenstromkreise eingespeist, in denen die beiden
Wicklungen w1 und w2 des Relais d liegen, das gleichzeitig Schalt- und Überwachungsrelais
ist. Die Steuerung des linken Gitters p2 der Röhre P erfolgt über die Widerstandsanordnung
r1 ... rlo und r11 sowie die Gleichrichter n2 ...
n4. Das andere Gitter p1 der Röhre P wird über den Differentialtransformator
m2, die Gleichrichter n5 und n6 sowie die Widerstände r12; r13 und r11 gesteuert.
Der Gleichrichter n7 mit den Widerständen r14... r16 dient zur Erdschlußüberwachung.
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Bei abgeschaltetem Stromverbraucher haben die Kontakte die gezeichneten
Schaltstellungen. Es sind außer dem Heizkreis der Röhre P die beiden nachstehend
genannten Stromkreise geschlossen, die über die Wicklungen des Differentialtransformators
m2 gehen: 1. Linke Seite der 42-V-Wicklung des Umspanners ml, Gleichrichter n5,
Widerstand r12, linke Wicklungshälfte des Differentialtransformators m2, rechte
Seite der 42-V-Wicklung des Umspanners ml.
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Der Gleichrichter rr5 bewirkt, daß die linke Wicklung des Differentialtransformators
m2 nur in jeder zweiten Halbperiode von einem gleichgerichteten sinusförmigen Strom
durchflossen wird. Unter der alleinigen Wirkung dieses Stromes würde im Eisenkern
des Übertragers ein pulsierendes, magnetisches Feld entstehen.
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2. Linke Seite der 42-V-Wicklung des Umspanners ml, Widerstand r9,
Schutzleiter SL, Widerstand r11, Öffner des Tasters b1, Taster b2, Überwachungsleiter
ÜL, Öffner d22 des Relais d, Widerstand r13, rechte Hälfte der Primärwicklung des
Differentialtransformators m2, rechte Seite der 42-V-Wicklung des Umspanners ml.
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Dieser zweite Stromkreis durchfließt die Primärwicklung des Differentialtransformators
m2 im entgegengesetzten Sinne wie der
dadurch gekennzeichnet, daß
die Haltewicklung des Zweiwicklungsrelais (d) beim Auftreten innerer Fehler durch
Potentialänderung an der dem Haltekreis zugeordneten Steuereinrichtung (p2) des
vorgeschalteten Steuerelementes mit Verstärkerfunktion (P) stromlos wird und daß
die Einschaltwicklung beim Auftreten äußerer Fehler von einem die Wirkung des Haltestroms
aufhebenden Erdschlußstrom.durchflossen wird.
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2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltelement
eine Elektronenröhre mit zwei Steuergittern und zwei Anoden vorgesehen ist.
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3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
zum Einschalten eines Stromverbrauchers (» ein die Steuerspannung erzeugender Differentialtransformator
(m2) vorgesehen ist, dessen Primärseite zur Hälfte von pulsierendem Gleichstrom
und zur anderen Hälfte von Wechselstrom durchflossen wird, wobei während der Betätigung
des Einschalttasters (b1) die Wechselspannung abgeschaltet und dafür eine dem pulsierenden
Gleichstrom entgegenwirkende ebenfalls pulsierende Gleichspannung angelegt wird.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Widerstands-(rl ... r10) und Gleichrichterkombination (n2 ... n4)
vorgesehen ist, die einen Punkt (R1) mit einem bei Unterbrechung bzw. Kurzschluß
des Schutz-und des Überwachungsleiters sich negativ ändernden Potential enthält.
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5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Widerstands- (r18 ... r22) und Gleichrichter- (n8 und rug) Kombination
vorgesehen ist, die einen Punkt (R2) mit einem bei Schluß zwischen Schutz- (SL)
und Überwachungsleiter (ÜL) sich positiv ändernden Potential und einem Punkt (R1)
mit einem bei Unterbrechung des Schutz- (SL) und/oder des Überwachungsleiters sich
negativ ändernden Potential enthält.
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6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch ekennzeichnet,
daß ein Überstromauslöser (0 zum Schutz der Verbraucherleitung gegen zu hohe Strombelastung
vorgesehen ist.
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In Betracht gezogene Druckschriften Deutsche Patentschrift Nr. 952
833; deutsche Auslegeschriften Nr. 1018 136, 1059 095.
.erste
Stromkreis, so daß sich die magnetischen Wirkungen der beiden Stromkreise im aktiven
Eisen des Differentialtransformators m2 subtrahieren. Da der zweite Stromkreis Wechselstrom
führt; muß bei der Überlagerung der Flüsse ein Restfluß übrigbleiben, der in der
Sekundärwicklung des Differentialtransformators m2 eine Spannung erzeugt, die nach
Gleichrichtung im Gleichrichter n$ das Gitter p1 der Röhre P sperrt. . Die Widerstände
r1. . . rlo und ril sind so aufeinander abgestimmt, daß am Gitter p2 der Röhre P
die Sperrspannung genügend groß wird, wenn der Schutzleiter SL bzw. Überwachungsleiter
UL unterbrochen ist oder wenn diese beiden Leiter miteinander Schluß haben. Solange
beide Gitter der Röhre P sperren, ist das Relais d ausgeschaltet, sein Schließer
d21 geöffnet und damit der Uberwachungsleiter UL unterbrochen. Das Gitter p2 der
Röhre P bleibt also gesperrt, solange das Relais d nicht angesprochen hat.
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Die Einrichtung -arbeitet wie -folgt: Wird der Steuertaster bi betätigt,`
dann wird der zweite Stromkreis, der über die rechte Hälfte der Primärwicklung des
Differentialtransformators m2 geht, auf den Gleichrichter n6 umgeschaltet.
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Ist der Widerstand r12 gleich der Summe der Widerstände r13, r9 und
r11, dann werden die beiden Hälften der Primärwicklung des Differentialtransformators
m2 in jeder zweiten Halbperiode von einem gleich großen, aber entgegengesetzt gerichteten
Strom durchflossen. Das Feld in dem aktiven Eisen des Übertragers verschwindet,
und die Sekundärwicklung des Differentialtransformators m2 gibt keine Spannung mehr
ab. Die Röhre P öffnet, und die rechte Wicklung w1 des Relais d, die Einschaltwicklung,
wird erregt. Das Relais d spricht an und schaltet über den Schließer dl das Schütz
c ein, das seinerseits den Stromverbraucher M an Spannung legt. Gleichzeitig öffnet
das Relais d den Öffner d22 und schließt den Schließer d21. Hierdurch wird die rechte
Hälfte der Primärwicklung von m2 abgeschaltet, so daß hierdurch das Gitter>pl der
Röhre P sperrt. Damit wird die Einschaltwicklung w1 des Relais d stromlos.
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Über den Schließer d21 schließt das Relais d beim Ansprechen den Überwachungsstromkreis,
der durch den Schutzleiter SL, den Widerstand r am Ende der Leitung, den Überwachungsleiter
gL und die Widerstandskombination ri ... rlo gebildet wird. Ist dieser Überwachungsstromkreis
in Ordnung, dann öffnet das Gitter p2 der Röhre P, und die linke Haltewicklung des
Relais d wird vom Strom durchflossen. Nunmehr kann der Einschalttaster b1 wieder
losgelassen werden.
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Der Stromverbraucher kann nur über den Gleichrichter n6 eingeschaltet
werden. Über Überbrückungswiderstände zwischen dem Schutzleiter SL und dem Überwachungsleiter
ÜL, z. B. einem verschlechterten Isolationswiderstand, kann er sich nicht von selbst
einschalten.
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Das Ausschalten des Stromverbrauchers erfolgt über den Steuertaster
62. Über diesen Taster wird die Verbindung zwischen dem Schutzleiter SL und dem
Überwachungsleiter UL aufgetrennt, so daß , das eingestellte Spannungsgleichgewicht
an der Widerstandkombination r1 ... rlo gestört und das Gitter p2 der Röhre
P wieder sperrt. Bei Unterbrechung des Schutzleiters SL oder des Überwachungsleiters
UL wird wie beim Ausschalten über den Taster b2 die eingestellte Potentialverteilung
an der Widerstandskombination r1 ... rlo gestört, so daß das Gitter p2 der
Röhre P sperrt und der Stromfluß über die Haltewicklung w2 des Relais d unterbrochen
wird.
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Bei gleicher Störung läßt sich der Stromverbraucher nicht einschalten,
da nur die linke Seite von m2 erregt wird und damit das Einschaltsystem der Röhre
P gesperrt bleibt.
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Eine Beschädigung der Leitung durch geerdete Metallteile kommt einem
Kurzschluß des Schutzleiters SL und des Überwachungsleiters UL und einer Überbrückung
des Endwiderstandes r11 gleich. Hierdurch wird die eingestellte Potentialverteilung
an der Widerstandskombination r1. . . rlo gestört, so daß das Gitter p2 der Röhre
P sperrt und die linke Haltewicklung w2 des Relais d stromlos wird.
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Auch hier läßt sich der Stromverbraucher M nicht einschalten, weil
durch den Schluß zwischen dem Schutzleiter SL und dem Überwachungsleiter UL der
Gleichrichter rr6 überbrückt ist, so daß das magnetische Feld im aktiven Eisen des
Differentialtransformators m2 nicht verschwindet.
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Bei Schluß eines Außenleiters UVW mit dem Schutzleiter SL bzw. Körperschluß
des Stromverbrauchers M fließt ein Erdschlußstrom über den künstlichen Sternpunkt
S, den Gleichrichter n7 und die Einschaltwicklung w1 des Relais d, der die
durch die Haltewicklung w2 verursachte Durchflutung kompensiert. Das Relais d fällt
ab und schaltet das Schütz c ab.
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Bei Schluß eines Außenleiters UVW mit dem Überwachungsleiter UL fließt
der Erdschlußstrom über den Endwiderstand r11, über den Schutzleiter SL und von
da über den Gleichrichter n-, zum Sternpunkt S der Widerstände r14 ... r16.
Die Abschaltung erfolgt wie zuvor.
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Die Widerstands- und Gleichrichterkombination kann nach dem Ausführungsbeispiel
nach Fig.2 auch so ausgelegt werden, daB bei Schluß zwischen Überwachungs- und Schutzleiter
sich das Potential des Punktes R2 innerhalb der Widerstands- und Gleichrichterkombination
B und damit das Potential der Kathode erhöht. Dies hat die gleiche Wirkung wie ein
Senken des Potentials des Punktes R1, das zugleich das Gitterpotential darstellt.
Hierbei müssen die Widerstände-r18 und rig größer als r21 und r22 sein. Die Widerstände
r20 und r11 müssen dagegen kleiner sein als rls, r19, r21 oder r22.
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Bei Überlastung der Verbraucherzuleitung schaltet das Schütz c über
den Schließer cl die Haltewicklung w2 des Relais d ab. Dieses fällt ab. Die Kontakte
gehen in die gezeichnete Ausgangsstellung. PATENTANSPRÜCHE: 1. Schutz- und/oder
Steuereinrichtung gegen innere und äußere Fehler für Leitungen von Stromverbrauchern,
insbesondere von ortsveränderlichen Stromverbrauchern in Untertagenetzen, mit nur
einem das Schütz des Stromverbrauchers unmittelbar betätigenden, in Abhängigkeit
von inneren und äußeren Fehlern von einem Schaltelement mit Verstärkerfunktion beaufschlagten
Zweiwicklungsrelais in dem Überwachungskreis, der gleichzeitig zur Steuerung dient,