DE2036060A1

DE2036060A1 - Elektrischer Hochspannungsschalter

Info

Publication number: DE2036060A1
Application number: DE19702036060
Authority: DE
Inventors: Edward Joseph Springfield Lauber Thornton Stewart Knowltonwood Pa Casey (V St A ) HOIh
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1969-07-23
Filing date: 1970-07-21
Publication date: 1971-01-28
Also published as: FR2055549A5; CH529434A; SE355690B; US3566152A; GB1312643A

Description

Elektrischer Hochspannungsschalter

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Hochspannungsschalter des Typs mit vorgeschalteten, bei der Schließung wirksam werdenden Widerständen und insbesondere einen Schalter, bei dem die Vorschaltung des oder der Widerstände mit einem besonderen Teil einer mit dem Schalter assoziierten Spannungswelle synchronisiert i3t, so daß Überspannungen, welche beim Schließen des Schalters entstehen, vermindert werden.

Es wurde bisher zwecks Verminderung der' Überspannungen beim Schließen des Schalters vorgeschlagen, einen Widerstand der Hochspannungsschaltung parallel zu den Hauptkontakten des Schalters vorzuschalten, bevor diese Kontakte während des Schließvorganges einander berühren. Während die Vorschaltung solcher Widerstände bereits eine Verminderung der beim Schlie-

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Ben erzeugten Überspannungen ergab₈ wipd ez»f.inäung&gemäß eine weit größere Verminderung der Überspannungen erreicht»

In der Veröffentlichung Nr-. I¹Jj von E.. Maury/, welche 1966 von der Conference Internationale de Grands -Reseaux Electriques in Paris, Prankreich, herausgegeben wurde,, wird vorgeschlagen, eine zusätzliche Verminderung der Überspannungen durch synchronisiertes Schließen der Hauptkontakte des Schalters mit einem Null-Spannungsdurchgang durch den vorgeschalteten Widerstand zu erreichen. Pur einen Dradpha'senschalt'er schlägt Maury vor, daß die Hauptkontakte des.. Schalters in jeder einzelnen Phase ungefähr synchron mit einem Hull-Spannungsdurchgang durch den Widerstand synchronisiert wird, welcher in dieser speziellen Phase vorgeschaltet ist.

Das Synchronisieren der Kontakte den Schalters in jeder Phase mit einer Null-Spannung in dieser Phas® ergibt eine erhebliche Komplexität und eine Verteuerung insoweit„ al» eine- getrennte Steuereinheit von erheblicher Genauigkeit für jede Phase notwendig ist.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Überspannungen, die beim Schließen eines Schalters mit einem vorgeschalteten Widerstand auftreten, auf einen sehr geringen Wert zu begrenzen, d, h. auf ungefähr am I₉7-fache der normalen Spitzenspannung, ohne die Notwendigkeit, separat jede Phase in bezug auf die Spannung^ welche über deia vorgeschalteten Widerstand erscheint, zu synchronisieren,, auch dann» wenn der Schalter an eine Leitung mit einer darauf liegenden Ladung infolge der Kapazität derselben angeschlossen wird.

Die beigefügten Zeichnungen zeigen:

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Fig. 1 ein Schaltschema eines Dreiphasenschalters und die erfindungsgemäße Regeleinrichtung zur Schließung desselben in einem AusführungBbeispiel»

Fig. 2 eine graphische Darstellung verschiedener Spannungsbeziehungen betreffend den zeitlichen Ablauf des Schließvorganges,

Fig. 3 eine schematische, jedoch mehr ins einzelne gehende Darstellung des Detektors für die eingefangene Ladung, welcher einen Teil der Fig. 1 bildet,

Fig. i» eine sehematische, jedoch mehr ins einzelne gehende Darstellung der Logik, welche einen Teil der Fig. 1 bildet.

Bezugnehmend auf Fig. 1 ist dargestellt eine mehrphasige Hochspannungs-Wechselstromsehaltung, welche drei voneinander im Abstand angeordnete Leitungen 12, 1*1 und 16- aufweist. Die Phasenfolge soll 12, I¹I, 16 sein.

Mit jeder Phase der Hochspannungsschaltung ist ein Hochspannungsschalter verbunden, welcher schematisch bei 20 dargestellt ist. Jeder Schalter 20 enthält einen Satz Hauptkontakte 22, welche einen beweglichen Kontakt 2k und einen festen Kontakt 25 enthalten. Beim Shunten jedes Satzes der Hauptkontakte werden ein Hauptwiderstarrd 27 und ein Hauptwiderstandsschalter 28 in Reihe geschaltet. Der Hauptwiderstandsschalter 28 enthält einen festen Kontakt 29 und einen beweglichen Kontakt 30. Während des Schließvorganges des Schalters wird der Widerstand 27 der Hochspannungsschaltung vorgeschaltet, parallel zu den Hauptkontakten, bevor diese einander berühren, um die Größe der überspannung, welche beim Bewegen des Schalters in die Schließstellung erzeugt wird, zu vermindern.

über die Hauptkontakte 22 ist auch ein zweiter Widerstand 31 und ein Nebenwiderstandsschalter 32 in Reihe geschaltet, der

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mit einem beweglichen Kontakt 3^ und einem festen Kontakt 35-versehen ist. Der zweite Widerstand 31 hat einen erheblich niedrigeren Wert als der erste Widerstand 27. Der zureite Widerstand 31 wird über die Hauptkontakte 22 in einem Moment geschaltet, der der Verbindung über den ersten Widerstand folgt, jedoch bevor die Hsuptkontakte einander berühren. Wenn der Nebenwiderstandsschalter 32 geschlossen ist,- so ist der Widerstandswert Über den offenen Hauptkontakten 22 der effektive Widerstand der Parallelschaltung der Widerstände 27 und 31, welcher natürlich geringer ist als der Widerstandswert, welcher eingangs vorgeschaltet wurde. Tatsächlich schaltet der Schalter über die Hauptleontakte zwei verschiedene Widerstandswerte an verschiedenen Punkten während des Schließvorganges vor, noch bevor die Hauptkontakte einander berühren. Der aweite Widerstand ist erheblieh niedriger als der erste Widerstand. In einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der wirkliche Wert des ersten Widerstandes 400 Ohm und der wirkliche Wert des zweiten Widerstandes 200 Ohm» Dies sind die Gesamtwerte der Widerstände für einen Sehalter mit Mehrfachunterbrechung,, welcher eine Anssahl von Widerständen in Reihe geschaltet aufweist.

Obwohl der effektive Widerstand über den Hauptkontakten des Schalters durch Einsetzen von ssusätsuchen Widerständen parallel zu dem eingangs vorgeschalteten Widerstand verringert ist, ist es selbstverständlich^ daß eine solche Verminderung alternativ durch Kurzschließen einiger vorgeschalteter Widerstände oder durch aufeinanderfolgendes Schließen der Hauptkontakte von in Reihe geschalteten Unterbrechereinheiten erreicht werden kann.

Der Widerstand 27 wird in dem dargestellten Äusführungsbeispiel sowohl während dem Schließen als auch während dem öffnen

■ er des Schalters verwendet. Während der Schauöffnung arbeitet er auf herkömmliche Weise, wie z. B. in dem US-Patent 3 390 239 beschrieben, um die Geschwindigkeit des Ansteigens der sich erholenden Spannung zu vermindern. Diesbezüglich

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schaltet der Widerstand 27 die Hauptkontakte während der 'ersten Stufen eines Schalteröffnungsvorganges parallel bis die Unterbrechung an den Hauptkontakten vollständig ist. Danach wird der Widerstandsschalter 28 geöffnet, um den Strom durch den Widerstand zu unterbrechen. Der Wert des Widerstandes 27 wird nicht höher sein als der doppelte Wellenwiderstand des Netzes, mit dem es verbunden ist und wird gewöhnlich dem Wellenwiderstand ungefähr gleich sein. Ein Widerstand von dem 1,2 oder l,3~fachem des Wellenwiderstandes soll von dem Ausdruck "ungefähr gleich dem Wellenwiderstand" umfaßt werden. Während des Schließvorganges des Schalters sind der relativ niedrige Wert dieses Widerstandes und insbesondere der niedrige Widerstandswert, welcher nach dem Schließen des Nebenschalters 32 verbleibt, wichtige Determinanten für die Durchführung des Schließvorganges, um die hierbei auftretenden Überspannungen zu verringern, wie nachstehend im einzelnen ausgeführt.

Am Ende eines Schließvorganges wird der Nebenschalter 32 geöffnet, so daß der Nebenwiderstand 31 kurzgeschlossen ist, wodurch der Widerstand 31 in einem darauf folgenden Öffnungsvorgang nicht mehr wirksam werden kann.

Da Einzelheiten des Mechanismus zur Betätigung der Schalter nicht zur Erfindung gehören, wurden sie nicht in den Zeichnungen dargestellt, und jeder Schalter ist lediglich achematisch dargestellt. So ist eine Schließvorrichtung in Form der Feder 40 dargestellt, welche den beweglichen Kontakt 30 des Hauptwiderstandsschalters 28 auf die geschlossene Stellung zu vorspannt, jedoch durch einen freigebbaren Offenhalteriegel vom Wirksamwerden zurückgehalten wird. Der Riegel 42 wird von einem Magneten 43 gesteuert, welcher nach Erregung den Riegel freigibt und der Feder 40 erlaubt, den beweglichen Kontakt des beweglichen Widerstandsschalters in Eingriff mit dem festen Kontakt 29 des Widerstandsschalters zu bringen. Der Schließvorgang des Hauptwiderstandsschalters 28 triggert eine Schließ-

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Vorrichtung 45 für einen Nebenwiderstandsächalter 32» welcher durch Schließen des NebenwiderstandsBchalters ungefähr 150 elektrische Grade (auf einer 60 Hz-Bäsis) anspricht nach dem Schließen des Hauptwiderstandsschalters,, Das Schließen des Nebenwiderstandsschalters 32 triggert eine Schließvorrichtung 46 für die Hauptkontakte, welche durch da® Sehließen der Hauptkontakte 22 ungefähr 150 elektrische Grade nach dem Schließen des Nebenwiderstandsschalters 32 anspricht»

Ein für den Schalter in jeder Phase der Schaltung geeigneter Arbeitsmechanismus ist dargestellt und beansprucht in dem US-Patent 3 390 239. Die Schließzeit für einen Schalter dieses Typs kann mit einem relativ hohen Grad an Genauigkeit vorherbestimmt werden. Dieser Schalter ist betriebssicher und schließt lückenlos seine Widerstandsschalterkontakte innerhalb von - 45 elektrischen Graden (auf 60 Hg-Basis) der vorherbestimmten Schließzeit. Eine typische Schließzeit für einen solchen Schalter sind 37,5 Millisekunden. Dies ist die Zeit, die zwischen der Erregung des den Riegel freigebenden Magneten 43 und dem Berühren der Widerstandsschalterkontakte 30und 29 verstreicht.

Da der Schalter in jeder der drei Phasen im wesentlichen identisch ist, wurden gleiche Bezugszeichen verwendet, um übereinstimmende Teile zu bezeichnen. Der Teil des Leiters jeder Phase, der links von dem Schalter 20 angeordnet ist, soll als Sammelschiene dienen und der Teil rechts von dem Schalter soll als Netzanschlußleitung dienen.

Eine bestimmte Schaltart, die besonders schwierig ist vom Standpunkt der Erzeugung hoher Überspannungen, ist das Anschließen an eine Netzleitung, die eine eingefangene Ladung (trapped charge) führt infolge der Kapazität dieser Leitung. Diese Situation wird für gewöhnlich bei den sich automatisch wieder schließenden Schaltern in Rechnung gestellt, welche auf typische Weise innerhalb einer kurzen Zeit nach der Öffnung wieder geschlossen werden, d. h. innerhalb von 4o elek-

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trischen Schwingungen oder weniger. Bei trocknem Wetter kann die eingefangene Ladung an einer offenen Netzleitung innerhalb weniger Prozente ihres Eingangswertes bleiben nach Ablauf einer oder mehrerer Sekunden. Dadurch ist im wesentlichen die volle eingefangene Ladung auf einem Netz ohne (Erd)-Fehler Cunfaulted)·, wenn der Schalter wieder schließt. Wie bekannt, kann das Vorhandensein einer solchen Ladung ein Anwachsen der Überspannungen, welche durch den Schließvorgang erzeugt werden, zur Folge haben»

Zwecks Reduzierung der Oberspannungen, die beim Anschließen an eine Netzleitung erzeugt werden, welche eine eingefangene Ladung aufweist, wird erfindungsgemäß eine Steuereinheit 60 vorgeschlagen, welche das Schließen des HauptWiderstandsschalters 28 in einer Phase 12, die die erste zu schließende Phase darstellt, auf solche Art und Weise steuert, daß die Widerstandsschalter-Kontakte 30 und 29 ungefähr in dem Moment einander berühren, in dem die Spannung zwischen Phase und Erde dieser bestimmten Phase, wenn sie atf der Schienenseite des Schalters gemessen wird, einen Spitzenwert erreicht von gleicher Polarität wie die eingefangene Ladung auf der Netzleitung dieser bestimmten Phase, Z. B. stellt die Kurve V, bezugnehmend auf Fig. 2, die Spannung zwischen Phase und Erde an der Phase 12 dar, welche auf der Schienenseite des Schalters gemessen wurdQ und die Kurve T stellt die Spannung der eingefangenen Ladung auf der Netzleitungsseite des Schalters dar, gemessen von der Phase 12 zur Erde. Die Steuereinheit 60 versucht, die Kontakte des Hauptwiderstandsschalters 28 in einem Moment X in Berührung miteinander zu bringen, in welchem die Spannung auf der SammeIschienenseite zwischen Netzleitung und Erde einen Spitzenwert erreicht, von gleicher Polarität wie die eingefangene Ladung T.

Bezugnehmend auf Fig. 2 haben Studien gezeigt, daß die Größe der Schließüberspannung direkt abhängig ist von der Differenz zwischen der sammeischienenseitigen Spannung V und der netzleitünpsseitigen Spannung^ im Moment der Kontaktberührung des

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Widerstandsschalters, und daß im Idealfall diese Spannungs- .' differenz Null sein soll. Es ist jedoch nicht durchführbar, einen Schließvorgang mit ausreichender Genauigkeit so zu steuern, daß präzise die Kontaktberührung mit dem Punkt der Null-Spannungsdifferenz synchronisiert ist. Um die Spannungsdifferenz, die vorhanden ist, wenn innerhalb praktischer Genauigkeitsgrenzen, d. h. - 45 elektrische Grade, geschlossen wird, zu verringern, wird erfindungsgemäß angestrebt, an dem Spitzenwert der schienenseitigen Spannung zwischen Phase und Erde' zu schließen. Dadurch werden die Widerstandsschalterkontakte innerhalb von - 45 elektrischen Graden der Spitzenspannung von gleicher Polarität wie die eingefangene Ladung geschlossen.

Die Schließung innerhalb dieses Bereichs stellt sicher, daß die maximale Spannungsdifferenz über den Widerstandsschalterkontakten im Moment der Schließung gleich ist der größeren der beiden nachfolgenden ge*annten Spannungen 1.) die Spitzenspannung minus der eingefangenen Ladung oder 2.) die eingefangene Ladung minus dem 0,707-fachen der Spitzenspannung. Obwohl der oben beschriebene Zeitsteuerbereich bevorzugt wird, ist die vorliegende Erfindung in ihren weitesten Aspekten auch dort anwendbar, wo der Widerstandsschalter an irgendeinem Zeitpunkt während einem Spannungsbauch (loop) der gleichen Polarität wie die eingefangene Ladung schließt. Dadurch wird eine maximale Spannung erzielt, die nicht höher ist als die Spitzenspannung, die sich über den Widerstandsschalterkontakten im Moment der Schließung aufbaut, mit Ausnahme des sehr seltenen Falles, daß die eingefangene Ladung die Spitzenspannung übersteigt. In einer derartigen Situation ist die maximale Spannung, die im Schließmoment vorhanden ist, gleich der Spitzenspannung plus der geringen Spannung, um die die eingefangene Ladung sie übersteigt.

Die Steuereinheit 60 enthält Meßfühler, welche die Spannung Phase zu Erde auf der Seite der Sammelschiene des Schalters messen und Mittel, welche den Moment des Null-Durchganges

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dieser Spannung und ihre Wechselrichtung in diesem Moment •festlegen. Die Meßfühler für die Spannung Phase zu Erde an der Sammelschienenseite des Schalters enthalten einen Spannungsteiler, welcher von einem Paar von Kondensatoren 70 und 72 gebildet ist, welche in Reihe geschaltet zwischen der Schienenseite des Schälters und der Erde liegen. Der untere Konden- . sator 72 hat eine sehr hohe Kapazität im Vergleich zu derjenigen des oberen Kondensators 70 und dadurch erscheint eine relativ geringe Spannung (dargestellt bei 73) über dem unteren Kondensator 72. Diese geringe Spannung 73 ist eine genaue Reproduktion der sammelschienenseitigen Spannung Phase zu Erde und weist eine vorbestimmte faste Phasenbeziehung in bezug auf diese Spannung Phase zu Erde auf. In einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Widerstandsschaltung (nicht dargestellt) über den unteren Kondensator 72 geschaltet, wodurch eine Phasenverzögerung von 23 Grad'in der Niederspannung 73 in bezug auf die Hochspannung zwischen der Sammelschiene und der Erde auftritt.

Das Niederspannungssignal 73 wird einer herkömmlichen Impulsformerschaltung 75 zugeführt, die als Null-Durchgangsdetektor ausgebildet ist. Diese Impulsformersehaltung 75 entwickelt einen Impuls jedesmal dann, wenn ein Zeitspannungssignal 73 durch Null geht, wobei die Polarität des Impulses abhängig ist von der Richtung, in der die Spannung durch Null durchgeht. Z. B. erzeugt ein positiv verlaufender Null-Durchgang einen positiven Impuls und ein negativer Null-Durchgang einen negativen Impuls. Diese periodisch erscheinenden Impulse sind bei 76 in Fig. 1 dargestellt. Man kann sie sich als Signal vorstellen, welches eine feste Zeitbeziehung zu dem Null-Durehgangjäer sammelschienenseitigen Spannung Phase zu Erde aufweist.

Die Steuereinheit 60 enthält ferner Mittel zur Messung der Größe und Polarität der Spannung, die auf der Netzleitung eingefangen ist, in dem Zeitpunkt, in dem der Schalter 20 geöffnet ist, um einen wechselnden Stromfluß hierdurch zu unter-

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brechen. Diese Meßfühler enthalten einen Spannungsteiler, der von einem Kondensatorpaar 80 und 82 gebildet wird, welche in Reihe geschaltet zwischen der Netzleitungsseite des Schalters und Erde liegen. Der untere Kondensator 82 weist eine sehr hohe Kapazität auf im Vergleich zu derjenigen des oberen Kondensators 80 und dadurch erscheint nur eine relativ geringe Spannung über dem Kondensator 82 an der Schaltung 81. Diese geringe Spannung bei 81 ist proportional und von gleicher Polarität wie die Spannung Netzleitung zu Erde in dem Moment der Unterbrechung des Wechselstroms in der Leitung. Die Spannung bei 81 wird einem bistabilen Flip-Flop 83 zugeführt, welcher einen Detektor für die eingefangene Ladung bildet. (Eine mehr ins einzelne gehende Beschreibung dieses Detektors für die eingefangene Ladung folgt später).

Solange die Spannung bei 81 unterhalb eines vorherbestimmten Wertes bleibt, entwickelt der eingefangene Ladungsdetektor 83 keine Ausgangsimpulse bei 85. Wenn jedoch diese Spannung bei 81 den vorherbestimmten Wert übersteigt, wird der Detektor für die eingefangene Ladung 83 eine Ausgangsspannung an der Schaltung 85 erzeugen» die von gleicher Polarität ist wie die Eingangsspannung bei 81. Eine Ausgangsspannung negativer Polarität an der Schaltung 85 ist hei 87 in Fig. 1 dargestellt. Diese Ausgangsspannung bei 85 wird aufrechterhalten bis die Eingangsspannung bei 81 ihre Polarität umkehrt und einen Vorherbestimmten einer umkehrpolaritätsspannung übersteigt. Eine solche Umkehrung der Eingangsspannungspolarität hat zur Folge, daß der Detektor für die eingefangene Ladung eine Ausgangsspannung erzeugt, von einer umgekehrten Polarität als sie vorher entwickelt wurde. Geeignete Filtermittel in dem Detektor für die eingefangene Ladung verhüten eine solche Umkehr in der Ausgangsspannung bei 85 als Folge einer flüchtigen Umkehr der Spannung bei 81. Die Ausgangsspannung bei 85 wird ungeachtet von Verlusten der eingefangenen Ladung an der Netzleitung aufrechterhalten.

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Die Spannung bei 8l, welche erforderlich ist, um den Detektor 83 für eine eingefangene Ladung zu veranlassen, ein Ausgangssignal bei 85 zu erzeugen, ist groß genug, um anzuzeigen, daß ein vorherbestimmter Prozentsatz, d. h. 10 % der normalen Spannung Phase zu Erde an der Netzleitung eingefangen wurde und sofort eine Unterbrechung des Wechselstroms durch die Netzleitung erfolgt. Die Ausgangsimpulse des Detektors 83 für die eingefangene Ladung werden über eine Ausgangsschaltung 85 in eine Sehließlogik 78 eingespeist.

Die Schließlogik 78 wird zuerst in allgemeinen Ausdrücken beschrieben, während eine mehr spezielle Beschreibung später erfolgt. Die Schließl'ogik 78 hat zwei Eingangsschaltungen 84 und 85 und eine Ausgangsschaltung 88 sowie einen Abschaltstromkreis 86, welcher verhütet, daß Ausgangsimpulse von der Ausgangsimpulsschaltung 88 erzeugt werden, bis ein normalerweise geschlossener Schalter 89 in dem Abschaltstromkreis geöffnet ist. Der normalerweise geschlossene Schalter 89 kann als Schließbetätigungsschalter gedacht sein. Er kann entweder manuell oder durch geeignete automatisch wieder schließende Relais (nicht dargestellt) betätigt werden.

Angenommen, daß der Schließbetätigungsschalter 89 in die Offenstellung gebracht wurde, so erzeugt die Schließlogik 78 ein Ausgangssignal bei 88 nur: 1.) wenn ein Eingangsimpuls einer gegebenen Polarität an der Schaltung 85 auftritt und 2.) wenn an der Schaltung 84 ein Eingangsimpuls von gleicher Polarität wie an der Eingangsimpulsschaltung 85 auftritt. Diese Bedingung tritt z. B. ein, wenn ein Impuls positiver Polarität an der Schaltung 84 erscheint,während das Signal an der Schaltung 85 positiv ist. Das Auftreten eines solchen Impulses von positiver Polarität bei 84 veranlaßt die Schließlogik, einen Ausgangsimpuls an der Schaltung 88 zu erzeugen, welcher in einem Moment beginnt, der eine vorherbestimmte feste Zeitbeziehung in bezug auf den Null-Durchgang der sammelschienenseitigen Spannung Phase zu Erde in einer Richtung zur Polarität der eingefangenen Ladung auf der Netzleitungsseite des Schalters aufweist, wodurch der Null-Durchgang dieser Spannung

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- 12 als Bezugspunkt festgelegt wird»

Wenn dieser Null~Spannungs-Durchgangsmoment für eine Phase 12, die als Bezugspunkt dient und die Schließseit für den Schalter in Phase 12 bekannt ist₈ nämlich innerhalb weniger Millisekunden, kann man leicht eine Zeitverzögerung einführen , welche der Einleitung der Schließbewegung des Sehalters vorausgehen muß, damit sieh die Kontakte des Widerstandssehalters der Phase 12 an einem vorherbestimmten Punkt- der Spannungswelle batihren, welcher in diesem spesiellen Fall den Moment der . Spitäenspannung darstellt» Zur Erzeugung dieser Zeitverzögerung ist ein leitwerk 100 für di© Phase 12 des Sehalters vorgesehen. Zeitwerke 101 und 102 sind jeweils tür die anderen Phasen 1*4 und 16 vorgesehen. Naeh Ablauf einer vorherbestimmten Dauer₉ die dem" Empfang der oben erwähnten Aus gangs signale aus der Schließlogik 78'folgt, liefert das Zeitwerk -100 für " die Phase 12 ein Sehließsignal über den Kanal 10*5 an den Magneten *43 des die Schließung auslösenden Riegels 42. Dadurch wird sofort der Riegel H2 freigegeben, um die Sehließbewegung des Schalters 20 in der Phase 12 einzuleiten.

Wie nachstehend klarer ersichtlich^ ist es erwünscht, die Schließung des Widerstandsschalters in der Phase 3U um ungefähr 60 elektrische Grade von derjenigen der Phase 12 abzustufen oder zu verzögern* und die Schließung des Widerstands-Schalters in Phase 16 um ungefähr 60 elektrisch© Grade von derjenigen der Phase tk abzustufen. Diese Phasenscnließfolge entspricht der Folge der Phasendrehung« Die Zeitwerke 101 und 102 sind entsprechend ausgebildet, um dieses stufenweise Schließen zu erzeugen. In dieser Beziehung ist unterstellt, daß jeder der Schalter im wesentlichen die gleiche Schließzeit aufweist und die Laufzeit des Zeitwerkes 101 um βθ elektrische Grade länger als diejenige d@^Zeitw©2»kes 100 eingestellt ist und die Laufzeit des Zsitwerkes 102_s da® si© um 120 elektrische Grade länger ist als €i©j©nig@ üqb Zgitwerkes iOO eingestellt ist« Da alle Zeitwerte© gleichseitig ihr Startsignal erhalten, liefert das Zeitwerk 101 ein die Schließung auslösendes Signal

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an eeinen Impulsausgangskanal 105 um δθ elektrische Grade später als das erste Zeitwerk 100 sein die Schließung auslösendes Signal liefert. Das verbleibende Zeitwerk 102 liefert ein die Schließung auslösendes Signal an seinen Impulsausgangskanal 107 um weitere 60 elektrische Grade später. Wenn einer der Schalter eine Schließzeit aufweist, die nennenswert von den anderen abweicht, so kann dessen Zeitwerk eingestellt werden, um entweder für eine kürzere oder eine längere Laufdauer zu sorgen, wodurch die längere oder kürzere Schließzeit des Schalters ausgeglichen wird. Obwohl ein Kanal für die Direktverbindung des Ausgangs jedes Zeitwerks zu seinem Riegel 42 gezeigt ist, ist' es selbstverständlich, daß ein geeigneter Verstärker (nicht dargestellt) zur Erzeugung der notwendigen Auslösekraft infolge der Entwicklung eines Ausgangssignales in dem Zeitwerk in jedem Kanal angeordnet werden kann. Geeignete Blockierungsdioden, wie z. B. 108, isolieren die Ausgangskanäle 104, 105, 107 von einander und stellen sicher, daß jedes der Zeitwerke 100, 101 und 102 nur seinen eigenen Kanal und keinen der beiden anderen Kanäle erregt.

Im Falle, daß die eingefangene Ladung auf der. Netzleitung geringer als 10 % der normalen Spitzenspannung Phase zu Erde ist, dann besteht keine Notwendigkeit, die Schließung des Schalters mit der Spannungswelle zu synchronisieren, insoweit, als keine zu beanstandenden Überspannungen sich beim Schließen unter dieser Bedingung entwickeln. Um ein Schließen des Schalters ohne Spannungssynchronisation unter dieser Bedingung zu bewirken, wird ein Reversierzeitwerk 110 vorgesehen, welches einen EinsehaltStromkreis 112 aufweist. Der Einschaltstromkreis 112 enthält einen normalerweise offenen Schalter 114, welcher unter Schließung den Einschaltstromkreis schließt, um den Ablauf des Reversierzeitwerks 110 zu starten. Nach Ablauf einer vorherbestimmten Zeitdauer wird das Reversierzeitwerk 110 einen Ausgangsimpuls entwickeln, welcher den Auslösemagneten 43 aller drei Schalter über die Kanäle 104, 105, 107 zugeführt wird. Die Zeitdauer des Reversierzeitwerks 110

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ist gegenüber der !©itdausr des as lotsten sas³ Itfirkung kommenden SynehFosis©itweFks 102 leicht verlang©^ und swar um die ?erzögepttngsg©it des Null-Disjpehgangg-Detektor.a 75» Der Eins ehalten 114 für das R©^©Fsi©i?s©itt?©s?k· ist mit dem

gleichen Zeit wie der Sehließschalter öffnet» Dadsireh ist das Reversierzeitw@s°k suf gleichen 2©it eingeschaltet wie der Schalter 89 sira@E syneh^onen Schlie&vorgang betätigt. Wenn die Eingangaimpttls© in die Sehlieilogik solcher Art sind,, daß angezeigt wird, dafi» ein synchrones Schließers angemessen ist, so schalte.t die Sehließlogik sofort die Synchron sei t° werke 100, 101 und 102 ein und setst ©ine» spannungssynchronisierten S@lili©ßvQPgang in ßang_fl b©¥©F das Reversiersseitwerk 110 die Möglichkeit hat₂ di© Schalters eisließung einzuleiten. Wenn jedoeh di© Eingangsimpuls© in die Sshließlogik 78 anzeigen, daß das synchrorae Schließen nicht angemessen ist, dann werden keine Aus gangs impulse von d©2° SchlieBlogik her-' kommen und das R©v©i?gie3pzeitwerk 110 wird am End© seines Zeitablaufes ein Sehließsignal &n di© drei tosgasragskanäl© 104, 105 und 107 liefest _a um das Schließen der drei Schalter im wesentlichen gleichseitig und ohne Besag auf irgend einen bestimmten Punkt der Spannungsxfelle einzuleiten,, In dieser besonderen Situation, bei der die eingefangene Ladung geringer als 10 % der normalen Spitsenspannung Mefcaleitueg zu Erde ist, wird der Detektor 83 für die eingefangene Ladung keine Ausgangsspannung bei 85 entwickeln» Di© Schließlogife ?B wird daher unwirksam bleiben, und die Schalterschließiang wird von dem Reversierzeitwerlc 110 gesteuert«, Sollte keine Samuelschienenspannung vorhanden §ein_s wenn die Steuerschalter 89 und 11*! b^atigt werdenj, wirkt das Reversiergsitwspte im wesentlichen in der gleichen Apt_s wie in dem vorhergehenden Absats beschrieben. In diesem Falle wird die Schließlogik kein Eingangssignal über den Eingangskanal 81 erhalten₈ ad wird deshalb auf das Schließen des. Schließbetätigimg^sehalters nicht ansprechen» Entsprechend bleiben di© S^nehsOnzeitwerke 100, 101 und 102 unwirksam und die Schließung ra.s?d von dem Reversierzeitwerk 110 eingeleitet_o

Es gibt drei wesentliche Merkmale de» erfindungsgemäßen Schalters, welche zusammenwirken, um die Überspannungen, die bei dem Schließen erzeugt werden, auf ein extrem niedriges Niveau abzusenken, d. h. auf ungefähr das 1,7-fache der normalen Spitzenspannung, auch wenn ein Anschluß an eine Leitung mit einer eingefangenen Ladung erfolgt. Diese drei Merkmale sind;

1.) Berührung der zuerst zu schließenden Widerstandeschalterkontakte ungefähr in dem Moment, in dem die schienenseitige Spannung Phase zu Erde in der zuerst zu schließenden Phase eine Spitze erreicht von gleicher Polarität wie die eingefangene Ladung auf der Leitungsseite des Schalters in dieser bestimmten Phase,

2.) die Vorschaltung von Widerständen Über die Hauptkontakte jeder Phase in zwei Stufen vor dem Schließen der Hauptkontakte und

3.) stufenweises Schließen der Hauptwidarsfeandssehalter in den drei Phasen von. 30 auf 120 elektrische Q5P&£s_e inshQßon^mwe die Schließung des Widerstandsschalfcers in der zweiten Phase in bezug auf denjenigen in der ersten Phase.

Sicherlich hat Maury in seiner vorher erwähnten Veröffentlichung erwähnt, daß der Eingangsmoment, bei dem der Widerstand vorgeschaltet wird, ohne Bedeutung ist, aber dies ist mit großer Bestimmtheit nicht der Fall in dem vorliegenden Schalter, wo der Widerstand Über den Hauptkontakten in jeder Phase in Stufen vorgeschaltet ist und der Widerstand, welcher gerade vor der Berührung der Hauptkontakte verbleibt, sehr gering ist, und wobei keine Synchronisierung der Schließung jeder Phase mit der Null-Spannung über den SchalterZuleitungen erfolgt. Durch Vorschalten des Widerstandes in zwei Stufen derart, daß der Endwiderstand einen sehr geringen Wert aufweist und durch stufenweises Schließen der zweiten Phase um 30 bis 120 elektrische ürade verschoben, in bezug auf die

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erste Phase, wird die Notwendigkeit 2ur Synchronisierung des Widerstandsschalters jeder Phase mit der Nullspannung Über den Kontakten eliminiert, und es kann weiterhin die Notwendigkeit, die von Maury erwähnt wurde, entfallen, das Schließen der Haupt; kontakte in bezug auf die Spannungswelle zu synchronisieren. Im erfindungsgemäßen Schalter mit seinem relativ niedrigen Wert des endgültigen Schließwiderstandes, ist der Moment, an dem die Hauptkontakte relativ zur Spannungswelle schließen, von verhältnismäßig geringer Bedeutung, wobei angenommen wird, daß die Kontakte des zuerst zu schließenden Widerstandsschalters ungefähr im idealen Zeitpunkt, wie vorher erwähnt, geschlossen wurden.

Die Abstufung der Schließung der Widerstandsschalter in den einzelnen Phasen hat eine verringerte Überspannung zur Folge, weil mittels solcher Abstufung die Möglichkeit von simultanen Überspannungen an drei verschiedenen Phasen verringert wurde. Diese Überspannungen können aufeinander einwirken, um die Gesamt spannungen, welche sich entwickeln, zu erhöhen. Im wesentlichen erlaubt die Abstufung Zeit zu gewinnen, um einige der Spannungsspitzen auszuschalten, und dadurch den Effekt solcher Einwirkung zu verringern. Es könnten mindestens 30 elektrische Grade zwischen dem Schließen des Widerstandeschalters in der ersten Phase und dem Schließen des Widerstands- * schalters in der zweiten Phase erlaubt werden. Die Abstufung zwischen der dritten Phase und der zweiten Phase hat einen geringeren Effekt in der Reduzierung von Überspannungen als ' das Abstufen zwischen der zweiten und ersteh Phase, In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird abgestuft durch Schließen des Widerstandsschalters in der zweiten Phase um 60 • elektrische Grade in bezug auf die erste Phase verschoben und in der dritten Phase durch Schließung des Widerstandsschalters um 60 elektrische Grade in bezug auf die zweite'Phase verschoben.

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In jeder einzelnen Phase sollte die Zeit, die zwischen den aufeinanderfolgenden Stufen Einschalten und Ausschalten des Eingangswiderstandes in den Nebenschluß mit den Hauptkontakten ausreichend lang sein, um ein abzulehnendes Aufeinander^jeinwirken zwischen den Oberspannungen, die durch diese Stufen erzeugt wurden, zu verhüten. Mindestens 120 elektrische Grade sollten ebenfalls verstreichen dürfen zwischen jeder dieser Stufen. In einer bevorzugten Aueführungsform der Erfindung sind 150 elektrische Grade zwischen jeder Stufe erlaubt.

Eine mehr ins einzelne gehende Darstellung des Detektors 83 für die eingefangene Ladung erscheint in.Fig. 3, wo der Spannungsteiler 80, 82 zwischen der Netzleitung und der Erde verbunden dargestellt ist und über dem unteren Kondensator 82 sind in Reihenschaltung ein Widerstand ISO und zwei Dioden 152 und 153 umgekehrt parallel verbunden. Die Spannung über den Dioden ist proportional der netzseitigen Spannung Phase zu Erde bis ein vorbestimmter Wert (größer als 10 % der Spitzenspannung) erreicht ist, wonach die.Spannung über den Dioden im wesentlichen konstant bleibt, solange, wie die Spannung Phase zu Erde über diesem Niveau bleibt. Die Polarität dieser Spannung über den Dioden entspricht der Polarität der Spannung Netzleitung zu Erde. Diese Spannung über den Diodenjwird als Eingangssignal an einen ersten Arbeit3verstärker 156 geliefert, dessen Ausgangsimpulse wiederum einem zweiten Arbeitsverstärker 157 zugeführt werden, welcher Ausgangsimpulse an den Stromkreis 85 liefert. Beide Verstärker sind Gegentaktverstärker, wie durch die Polaritätsmarkierungen an ihren Eingängen und Ausgängen angezeigt ist. Ein Rückkupp lungs signal, welches von dem Ausgang bei 85 des zweiten Verstärkers 157 abhängig ist, wird rückgekoppelt an den Eingang des ersten Verstärkers durch eine· Rückkopplungsschaltung 158, welche einen Widerstand 159 enthält.

Wenn die Eingangsspannung über den Dioden 152, 153 einen vorher bestimmten Wert übersteigt (Anzeige der Spannung Phase zu Erde,

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daß sie 10 % des Spitzenwertes erreicht), wird ein Ausgangssignal von der gleichen Polarität als die Eingangsspannung von dem zweiten Verstärker 157 erzeugt, und das Rückkopplungssignal, welches von dort stammt, hält die zwei Verstärker eingeschaltet, wodurch diese in die Lage versetzt sind, ungeachtet eines vollständigen Spannungsverlustes an der Leitung 12, die Entwicklung von gleichen Ausgangsimpulsen fortzusetzen. Wenn die Eingangsspannung ihre Polarität umkehrt₈ wird auch die Polarität der Ausgangssignale von den zwei Verstärkern umgekehrt, und die Verstärker sind erneut eingefangen, um Ausgangsimpulse bei 85 von einer Polarität zu erzeugen, welche der umgekehrten Polarität des Eingangssignales entsprechen. Die zwei Verstärker 156 und 157 sind durch eine RC-Schaltung 160, I6I zusammengekoppelt, welche als Teil eines Filternetzwerkes dazu dient, die Hochfrequenzsignale daran zu hindern, wirksam durch die Verstärker übertragen zu werden und an dem Ausgangsstromkreis 85 zu erscheinen.

Die Schließlogik 78, welche bereits vorher erwähnt wurde, ist mehr im einzelnen in Fig. 4 dargestellt. Diese Logik enthält ein Paar Flip-Flops ISO und I8l₉ welche in einem praktisch ausgeführten Beispiel der Erfindung integrierte Schaltkreise waren, wie sie von der Firma Motorola erhältlieh sind unter der Typenbezeichnung MDTL-MC 930/830.

In der schematischen Darstellung der Fig. 4 hat jedes Flip-Flop zwei Steuerleitungen, die mit A und B bezeichnet sind, eine Eingangsschaltung 84 und eine Ausgangsschaltung 88. Das Flip-Flop 180 kann nur durch einen negativen Impuls bei 84 eingeschaltet werden, wenn sein Anschluß A plus ist und sein Anschluß B minus. Das Flip-Flop I8I kann nur von einem positiven Impuls bei 84 eingeschaltet werden, wenn sein Anschluß A plus ist und sein Anschluß B minus.

Wenn ein Signal negativer Polarität an der Steuerschaltung 85 vorhanden ist, sind die zwei Leitungen A und B der beiden Flip-Flops von einer Polarität wie sie in Fig. 4 angezeigt ist. Das

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Teil iBH ist ein Gegentaktverstärker, welcher die entsprechend gekennzeichneten Anschlüsse der beiden Flip-Flops 180 und 1Ö1 veranlaßt, die entgegengesetzte Polarität zu wählen, wenn ein gegebenes Signal an der Schaltung 85 erscheint.

Wenn die Anschlüsse A und B der beiden Flip-Flops erregt sind, wie dargestellt, wird ein positiver Impuls an der Eingangsschaltung 81 kein Flip-Flop aktivieren, aber ein negativer Impuls an der Eingangsschaltung 81 aktiviert das Flip-Flop 18O. Wenn dadurch die Anschlüsse A und B erregt sind,wie dargestellt, erscheint kein Ausgangsimpuls an der Schaltung 88 infolge eines positiven Eingangsimpulses bei 8*1, aber ein Aus gangs impuls wird infolge eines negativen Impulses bei 8Ί erzeugt.

Wenn ein Signal von positiver Polarität an jeder Schaltung 85 vorhanden ist, so weist jeder der Anschlüsse A und B der beiden Flip-Flops eine entgegengesetzte Polarität auf zu derjenigen, die dargestellt ist. Dies bedeutet, daß das Flip-Flop 181, nicht jedoch das Flip-Flop l80 von einem positiven Impuls bei 84 eingeschaltet werden kann. Demant sprechend wis*d_s wenn ein positiver Impuls bei Bk erscheint, sofort das Flip-Flop 181 eingeschaltet, um einen Auegangsimpuls an der Schaltung 88 zu erzeugen. Ein negativer Impuls an der Schaltung 84 aktiviert unter diesen Bedingungen keines der Flip-Flops.

Es ist dadurch ersichtlich, daß die Schließlogik 78 einen Ausgangsimpuls bei 88 nur entwickelt, wenn ein Impuls in der Eingangsschaltung 8Ί von gleicher Polarität erscheint, wie das Signal an der Steuerschaltung 85. Die Abschalteinrichtung 86 verhütet, daß dieser Impuls zu den Zeitwerken 100 bis 102 übertragen wird, solange der die Schließung betätigende Schalter geschlossen ist. Wenn jedoch der Schalter 89 geöffnet ist, ist der Abschalteffekt der Schaltung 86 nicht mehr vorhanden und die Zeitwerke können erneut Ausgangssignale, die von der Schließlogik 78 entwickelt werden, empfangen.

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Claims

- 20 '-Patentansprüche

Hochspannungsschalteranordnung zur Verbindung von Sammelschienenteil und Netzleitungsteil jeder Phase einer mehrphasigen Wechselstromschaltung, gekennzeichr net durch eine Schaltereinheit (20) für jede Phase mit nacheinanderfolgend schließbaren Vorrichtungen (45, 46) zur Vorschaltung von Widerständen (27, 3D in Reihe mit ihren jeweiligen Phasen (104, 105* 107) während des Schließvorganges des Schalters, wobei ein Nulldurchgangsdetektor (75) mit dem Sammelschienenteil einer Phase (104) verbunden ist, um ein Signal zu erzeugen, wenn der Schalter offen ist, mit einer festen Phasenverschiebung gegen den Nulldurchgang der Spannung Phase zu Erde und von einer Polarität, die die Änderungsrichtung der Spannung Phase zu Erde anzeigt, wobei der Detektor (83) für die eingefangene Ladung mit dem Netzleitungsteil einer Phase (104) verbunden ist, wenn der Schalter offen ist, und ein zweites Signal als Folge der Spannung Phase zu Erde der eingefangenen Ladung erzeugt, welches einen vorherbestimmten Wert übersteigt und von einer Polarität ist, welche die Polarität der eingefangenen Ladung anzeigt, wobei ein logischer Schaltkreis (78) erste und zweite Signale empfängt, welche ein Ausgangssignal in dem Moment entwickeln, in dem die Sammeischienenspannung Phase zu Erde durch Null geht in der Richtung der Polarität der eingefangenen Ladung der Netzleitung und wobei eine Zeitsteuervorrichtung (100, 101, 102) in jeder Phase angeordnet ist und von dem Signal des logischen Schaltkreises betätigbar ist und das aufeinanderfolgende Schließen der Schaltereinheiten einleitet, beginnend mit dem Schalter in der ersten Phase.
2. Schalteranordnung gemäß Anspruch !,dadurch gekennzeichnet ■ , daß jede Schaltereinheit (20) einen Unterbrecherschalter (22) zur Verbindung der

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Netzleitung mit der Sammelschiene enthält und mindestens einen,Widerstandsschalter (28) parallel hierzu, wobei diese Schalter zeitlich aufeinanderfolgend durch die Schließvorrichtungen (45, 46) schließbar sind, und ferner mindestens ein Widerstandselement (27s 3D zur Vorschaltung in Reihe in der Phase durch den Widerstandsschalter, und darauffolgendem Schließen des Unterbrecherschalters und Kurzschließen des Widerstandselementes.
3. Schalteranordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß j ede Schaltereinheit (20) einen Unterbrecherschalter (22)' zur Verbindung der Netzleitung mit der Schiene, einen Hauptwiderstandsschalter (28) und einen Nebenwiderstandsschalter (32) enthält, alle drei Schalter parallel miteinander verbunden und aufeinanderfolgend durch Schließvorrichtungen (45,46) schließbar sind, ein Widerstandselement (27, 3D für jeden Widerstandsschalter (28, 32) zeitlich aufeinanderfolgend untereinander parallel und in Reihe in der jeweiligen Phase vorgeschaltet ist, wobei nachfolgend der Unterbrecherschalter (22) geschlossen ist und die parallel verbundenen Widerstandselemente (27» 3D kurzgeschlossen sind.
4. Schalteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand der Widerstandselemente (27» 31) geringer ist als der doppelte Wellenwiderstand des erregten Wechselstromkreises zur Steuerung der Anstiegsgeschwindigkeit der Erholungsspannung (recovery voltage) während der öffnung des Schalters.
5. Schalteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Abschaltstromkreis (86) der Schließlogik (78) zugeordnet ist und wobei ein normalerweise geschlossener Betätigungsschalter (89) in dem Abschaltstromkreis ange-

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ordnet ist, dessen Öffnung in der Logik (78) ein Steuersignal für die Zeitwerke (100 bis 102) erzeugt.
6. Schalteranordnung gemäß Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein Reversierzeitwerk (110) mit einer Schaltung (112), welche einen normalerweise offenen Startschalter (114) aufweist, der mit dem Betätigungsschalter (89) zur Einleitung des Schließvorganges aller Schalter (20) nach Ablauf eines vorher bestimmten ZeitIntervalls nach dem Schließen des Start-Schalters (114) verbunden ist, wobei das Schließen des Startsehalters (114) den Betätigungsschalter (89) öffnet und wobei das vorher bestimmte Zeitintervall länger ist als die Zeit, die für die zeitlich aufeinanderfolgenden Schließvorgänge der Schalter durch die Zeitwerke (100 bis 102), welche auf das Signal der Logik ansprechen, erforderlich ist.
7. Schalteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Zeitwerk für eine Phase des Wechselstromkreises voreingestellt ist, so daß der Widerstand in einer Phase in dem Moment vorschaltbar ist, in dem die Sammelschienenspannung Phase zu Erde ihren Spitzenwert erreicht.
8. Schalteranordnung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Zeitwerke (100 bis 102) für die restlichen Phasen des Wechselstromkreises voreingestellt sind, so daß die Widerstände (27, 31) in ihren jeweiligen Phasen in zeitlich aufeinanderfolgenden Intervallen von 60 elektrischen Graden von der Vorschaltung des Widerstandes in der einen Phase vorschaltbar sind.

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