DE2355603A1

DE2355603A1 - Schutzschaltung

Info

Publication number: DE2355603A1
Application number: DE19732355603
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Trench Electric Ltd
Current assignee: Trench Electric Ltd
Priority date: 1972-11-09
Filing date: 1973-11-07
Publication date: 1974-05-16
Also published as: FR2206611A1; CH558981A; FR2206611B1; US3947725A; CA1014615A; JPS5083731A

Description

HEINZ LINSER · PATENTANWALT . PHYSIKER

6072 DREIEfCHENHAIN BERLINER RJNG 170 RU F (061 03) ai8 13

Jo

Trench Electric Ltd,
Scarborough, Ontario,
Kanada

Schutzschaltung

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung, insbesondere in einem Kapazitiven Spannungswandler.

Die Verwendung eines kapazitiven Spannungswandlers zur Spannungsmessung für Meß- und Schutzzwecke bei Leistungsübertragungssystemen hoher Spannung ist allgemein bekannt und es wurden bereits Normen für die Leistung und zur Prüfung derselben entwickelt. Bei derartigen Einrichtungen liegt ein Hochspannungskondensator (der vorzugsweise herkömmlich ausgebildet ist und ein hohes Isolationsvermögen aufweist) zwischen der zu messenden Hochspannungsleitung und der Erde. Der Kondensator ist mit einem Anzapfpunkt bei einer mittleren Spannung versehen, der beispielsweise bei etwa 1/2o der Ge-

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samtspannung liegt. Zwischen dem Anzapfpunkt und der Erde liegt ein kleiner entsprechend ausgebildeter elektromagnetischer Transformator. Die niedrige Spannung oder die Ausgangsleistung der Sekundärwicklung des Transformators wird dazu verwendet die Meßgeräte, Relais oder andere Einrichtungen, die vom Verbraucher gewünscht werden» zu versorgen.

Bei den bekannten Einrichtungen besteht der Hochspannungskreis aus einem in Reihe liegenden Kondensatorpaar. Mit dem Hochspannungskreis ist am Anzapfpunkt zwischen den Kondensatoren ein Zwischenwandler verbunden. Eine Induktivität liegt entweder an der Hochspannungsseite des Transformators oder an seiner geerdeten Seite. Die Induktivität wird so gewählt, daß der gesamte induktive Widerstand (einschließlich des Transformators) des Zwischenwandlerkreises sich mit der gesamten Kapazität der Kondensatoren im oder in der Nähe eines Resonanzzustandes befindet (bei der Betriebsfrequenz der Einrichtung). Diese Maßnahme ist notwendig, damit die Ausgangs spannung des Transformators so nahe wie möglich in Phase mit der Eingangshochspannung liegen kann.

In der Praxis wird die meiste Induktivität durch einen Eisenkern mit einem festgelegten Luftspalt aufgebracht. Die Induktivität wird mit Hilfe von Abgriffen in den Wicklungen auf den gewünschten Wert eingestellt und um sich dem Kondensator anzupassen, mit dem sie verwendet wird. Der Wandler ist ebenfalls mit Acaapfpunkten an seinen Wicklungen versehen, so daß der Niederspannungsausgang mit dem gewünschten Verhältnis zum Hochspannungseingang eingestellt werden kann. Man hat es bisher als notwendig angesehen, Schutzspalte entweder an den Konden- ' satoren oder der Induktivität oder auch an beiden vorzusehen, um gefährliche Überhochspannungen zu verringern, die andererseits innerhalb der Einrichtung aufgrund einer Überspannung im System, eines Blitzeinschlages, einer plötzlichen Schaltung, oder eines unmeidlichen Kurzschlusses der Sekundärwicklungen auftreten könnten. Es ist bekannt, daß derartige Span-

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nungsstöße einen Zustand erzeugen können, der als Eisenresonanz innerhalb der Einrichtungen "bekannt ist und es wurden bereits viele Vorschläge entwickelt, um den Schaltkreis weniger anfällig für Eisenresonansschwingungen zu machen oder um diese zu unterdrücken, wenn sie auftreten.

Die meisten der Vorschläge zur. Beseitigung des Problems der Ferroresonanz oder der sich selbst aufrechterhaltenden Schwingungen (möglicherweise Überspannungen) innerhalb der Einrichtung betreffen einige Verfahren zum mechanischen oder elektrischen Einsetzen (z.B. mit Hilfe eines Hilfstransformators) einer Art Lastwiderstandes in die Schaltung, so daß die Energie in den Schwingungen schnell zerteilt werden kann und der Schaltkreis schnell in seine normalen Betriebsbedingungen zurückkehrt. In einigen Fällen ist dieser Eisenresonanz-Dämpfungswiderstand mit den Niederspannungsausgangswicklungen des Wandlers verbunden.

Die folgenden Patente sind Beispiel des Standes der Technik für derartige Einrichtungen und Systeme:

ι
Das kanadische Patent 873 5o9i ausgegeben am 15· Juni 1971 für

MICAi¹IL

das kanadische Patent Hr. 832 597» ausgegeben am 2o. Januar I97o für MICAFIL AG;

das kanadische Patent Nr. 855 827, ausgegeben am 1o. November 197o für GENEEAL ELECTRIC COMPANY;

das kanadische Patent Nr. 744- 818, ausgegeben am 18. Oktober 1966 an MISSIN ELECTRIC;

das kanadische Patent Nr. 793 972, ausgegeben am 3. September 1968 für.MICAEIL AG und

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das kanadische' Patent Nr. 669 678, ausgegeben am 3» September 1963 für MICAFIL AG.

Anhand von Versuchen wurde herausgearbeitet die Wirksamkeit der Schaltung hinsichtlich der Unterdrückung der Eisenresonanz abzuschätzen, wobei die Einrichtung üblicherweise mit 12o % der Nennspannung erregt wird und sodann momentan ein Kurzschluß an die Ausgangsklemmen der Niederspannung gelegt wird. Die Wirksamkeit der Schaltung wird durch die Kürze der Zeit gemessen, die für die Ausgangsspannung erforderlich ist, um auf ihren richtigen Wert zurückzukehren, nachdem der Kurzschluß entfernt wurde. Die normale Forderung besagt, daß die Rückkehr der Ausgangsspannung zum Normalwert innerhalb von 1o Schwingungen erfolgen soll. Es wurde jedoch festgestellt, daß die bisher bekannten Einrichtungen jenseits dieser Forderung liegen.

Der Erfindung li^gt daher unter anderem die Aufgabe zugrunde, Verbesserungen für die unterdrückung von Überspannungsschwingungen innerhalb des Zwischenwandlerschaltkreises der Einrichtung vorzuschlagen, welche von den oben erwähnten nicht normalen Zusimden bewirkt werden.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein System zur Unterdrückung kurzzeitiger Schwingungen und zur stetigen Rückkehr der Ausgangsspannung auf ihren richtigen Wert und in einer minimalen Anzahl von Schwingungen vorzuschlagen.

Eine noch andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, die früher verwendeten Schutz- Funkenstrecken zu vermeiden, die als ein notwendiges Übel betrachtet wurden, da die Geschwindigkeit mit der die Spannung an der Funkenstrecke zusammenbricht so groß ist, daß weitere gefährliche Beanspruchungen durch ihre Funken innerhalb der Wicklungen des Wandlers und der Induktivität erzeugt werden.

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Die Lösung dieser Aufgaben besteht darin, daß bei einem Schutzsystem eines Schaltkreises in einem kapazitiven Spannungswandler, gemäß der Erfindung, in dem Schaltkreis eine Induktivität vorgesehen ist, die gefährliche Überspannungen beim Auftreten einer ungewöhnlichen Überspannung auf ein Minimum bringt und es der Spannung bei Beseitigung der Störung gestattet, sofort und glitt in den Normalzustand zurückzukehren, wobei zur Modifizierung des Wertes der Induktivität Einrichtungen und Mittel zur Ansteuerung dieser Einrichtungen vorgesehen sind, so daß diese nur oberhalb eines vorbestimmten Zustandes und bei Yorliegen der ungewöhnlichen Überspannung arbeiten.

Gemäß der Erfindung ist in einem Resonanzschaltkreis mit einem kapazitiven Spannungswandler, in dessen Schaltung eine Induktivität liegt, ein Spannungsbegrenzer vorhanden, der mit der Induktivität magnetisch gekoppelt ist, wobei ferner Einrichtungen zur Begrenzung der in dem magnetisch gekoppelten Kreis auftretenden Spannung vorgesehen sind, welche oberhalb eines vorbestimmten Zustandes arbeiten und auf die Zustände des Schaltkreises ansprechen. Die Induktivität des Resonanzkreises weist dabei Einrichtungen zum KurzschlMen eines bestimmten Teiles des Kreises der Induktivität oberhalb bestimmter normaler Betriebszustände des Kreises auf. Um oberhalb einer vorbestimmten Größe Strom führen zu können, weisen die Mittel zur Ansteuerung Halbleiterelemente auf und ein Widerstand liegt in Reihe zu den Halbleiterelementen.

Die Erfindung wird anhand einiger in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei fceigen:

Figur 1 einen Schaltkreis eines Ausführungsbeispieles in schematischer Darstellung;

Figur 2 einen Schaltkreis eines zweiten Ausführungsbeispieles in schematischer Darstellung und

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Figur 3 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform, ebenfalls in schematischer Darstellung.

Wie aus der Zeichnung hervorgeht, weist der Hochspannungskreis die hintereinandergeechalteten Kondensatoren C_x. und Cp auf. Ein Zwischenwandler T ist mit einem Anzapfpunkt A, der zwischen den Kondensatoren liegt, verbunden. Erdseitig zum Wandler T ißt eine mit einem Eisenkern versehene Induktivität L. Eine solche Induktivität kann jedoch auch zwischen dem Anzapfpunkt A und dem Wandler T liegen, ohne die Leistung der Einrichtung materiell zu ändern.

Die Induktivität L besitzt nicht näher dargestellte Anzapfpunkte um ihren Induktivitätswert einstellen zu können. Eine Schutzeinrichtung PD ist an einem Teil der Wicklung der Induktivität L, wie aus Figur 1 ersichtlich ist, oder an einer geeigneten zusätzlichen Wicklung am gleichen Kern, wie aus Figur 2 zu entnehmen ist. Im ersten Fall kann der betreffende Teil der Wicklung hinsichtlich seiner Stabilität geeignet verstärkt werden, um die Ströme auszuhalten, die dann fließen, wenn die Schutzeinrichtung leitend· wird. In dem zweiten Fall ist der getrennte Teil der Wicklung von dem Rest isoliert und ist möglicherweise an einem Punkt geerdet oder er kann, auch in Reihe mit der Hauptinduktivitätswicklung oder mit irgendeinem Punkt von ihr verbunden sein. Die Schutzeinrichtung PD besteht aus einer geeigneten Spannungsbegrenzung wie beispielsweise einer Funkenstrecke G (Figur 2) oder einer Halbleiterdiode D (Figur 1), die zu einem Widerstand R in Reihe liegt. Der Widerstand R kann zum Teil oder vollständig aus dem Wicklungswiderstand des Teiles der Induktivität L bestehen mit der die Schutzeinrichtung verbunden ist.

Die einzige Forderung für die Schutzeinrichtung besteht darin, daß sie leitend wird, wenn der Strom in der Induktivität L (oder die Spannung an ihr) auf einen vorbestimmten Wert angestiegen ist. Wenn dies der Fall ist, kann der Strom in dem Teil der Wicklung, der mit der Schutzeinrichtung verbunden ist, plötzlich ansteigen, so daß dieser Teil der Wicklung daher effektiv kurzgeschlossen ist. Die Spannung an der Abstimm-

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spüle L wird daher durch die Transformatorwirkung zwischen dem kurzgeschlossenen Teil und der Hauptwicklung scharf reduziert und es werden in dem Zwischenschaltkreis des kapazitiven Spannungswandlers gefährliche Überspannungen verhindert.

Für die Schutzeinrichtung stehen einige Elemente mit "befriedigenden Eigenschaften zur Verfügung. Der Sehutzteil der Wicklung kann derartig abgewandelt werden, daß Elemente mit relativ geringen Stromführungseigenschaften verwendet werden können, welche höhere Spannungen aushalten oder Elemente, die höhere Stromführungseigenschaften aufweisen, welche geringere Spannungen aushalten. Es können dabei SiIiciumdiöden, Zenerdioden, Triacs oder andere ansteuerbare leitende oder halbleitende Einrichtungen verwendet werden, wobei die Schutzwicklung entsprechend anzupassen ist.

In einer Versuchseinrichtung wurden unter Verwendung der folgenden Komponenten und einem Hochspannungseingang von 115 KV befriedigende Ergebnisse erzielt. Hierbei betrug die Kapazität des Kondensators CL o,oo6 uF und die Kapazität des Kondensators Cp o,o87 uP. Die Induktivität L, welche genau mit C. + Q^ genau abgestimmt werden konnte, wies einen Wert von etwa 81 henry auf, wobei für die Schutzeinrichtung D eine gasgefüllte Schutzstrecke mit einem momentanen Nennstrom von 5 -A- und einer Überschlagsspannung von etwa 2oo Volt verwendet wurde. Der Widerstand R in einer derartigen Anordnung betrug 7 Ohm. Der Wandler hatte vorzugsweise minimale Verluste, d.h. praktiech geringste Kupfer- und Eisenverluste und geringe Flußdichten, so daß sein Kern nicht leicht an die Sättigungs- und Ieolationsgrenze gebracht werden konnte. Der durch geeignete Anzapfpunkte erzielte niedrige Spannungsausgang sorgte für einen Betrieb bei gewünschten Spannungen, wie z. B. 115 V oder 66,4 V bzw. anderen Vielfachen der hohen Eingange spannung ',welche eine entsprechende Umwandlung zuläßt.

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Aus Figur 3 geht eine weitere Abwandlung der Erfindung hervor, bei der eine mit einem Eisenkern versehene Induktivität Lp verwendet wird, zu der ein Kondensator C, paralM. geschaltet ist, wobei diese Schaltung bei B einen Abgriff aufweist, der über einen Widerstand Rp mit einem Abgriff E des Wandlers T verbunden ist. Mit einer derartigen Anordnung sind gute Ergebnisse erzielt worden, wobei am Abgriffteil E des Wandlers T 14o V und am Abgriffteil B des Eisenkerns der Induktivität L₂ ebenfalls Ήο Volt vorhanden waren. Die mit einem Eisenkern versehene Induktivität Lp wurde so ausgewählt, daß sie bei einem bestimmten Kondensator C₃. eine 6o Periodenresonanz ergab. Bei Versuchen ließen sich gute Ergebnisse mit einem Widerstand E₂ von 1o Ohm und einem Kondensator C, von 1o uF erzielen. Weniger gute Ergebnisse wurden bei einer Spannung von 22o V am Wandleranzapfpunkt und bei 14ο V am Anzapfpunkt B gewonnen. Es konnte so gezeigt werden, daß die Nennspannung an der Spule L₂ dem Teil der Wandlerwicklung entsprechen sollte, mit der sie verbunden ist. Selbstverstäniich kann dieses weitere stromführende Teil irgendwo mit dem Wandler T verbunden werden und zwar in ähnlicher Weise wie die Verbindung der Schutzeinrichtung mit der Induktivität L, wie oben beschrieben wurde.

Die Arbeitsweise der Schutzeinrichtung wird wie folgt beschrieben:

Wenn eine Störung wie beispielsweise ein auf der Niederspannungsausgangsseite des Wandlers auftretender momentaner Kurzschluß vorliegt, wird die Inpedanz des Wandlers T stark verringert und die Induktivität L liegt elektrisch parallel zum Kondensator C₂ mit dem sie in Resonanz abgestimmt worden ist. Die Spannung der Parallelkombination von L und C₂ steigt sehr scheell an und es kreisen innerhalb der zwei Elemente hohe Ströme. Die schnell wirkende Spannungsbegrenzungseinrichtung (Γ oder G) wird bei einer geeigneten ßpanriungshöhe leitend und schließt den Teil der Wicklung kurz, an dem sie liegt. Dadurch bricht die Spannung an der Induktivität L zusammen

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und bringt diese außer Resonanz zum Kondensator 02» Dadurch, wird verhindert, daß sich die Spannung bei A auf eine gefährliche Größe aufbaut. .

Wenn die Störung, welche bewirkt hat, daß die Impedanz des Wandlers T verringert wird, verschwunden oder entfernt worden ist, so kehrt der Kreis glatt und mit minimaler Verzögerung in seinen normalen Betrieb zurück. Die Erfordernisse für die Isolierung im Wandler T und in der Induktivität L können beträchtlich verringert werden, da die Hochspannungsstörungen beseitigt sind, welche durch die Überschlagsspannung der Schutzfunkenstrecken am Kondensator Cp oder an der Induktivität L, gemäß dem Stande der Technik, erzeugt worden wären.

Das oben beschriebene System kann zum Einbau als eine vollständige Einheit hergestellt werden, oder es lassen sich auch bestehende Anlagen umwandeln, indem die Induktivität. L so angepasst wird, daß die Ausführungsformen nach den Figuren 1 oder 2 eingebaut werden können. Es können auch vorhandene Anlagen abgewandelt werden, indem eine Induktivität L, gemäß der vorliegenden Erfindung, anstelle der in den Anlagen vorhandenen eingebaut wird.

Bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist der Wandler T mit zwei Sekundärwicklungen versehen, und an einer der Sekundärwicklungen kann eine entsprechende Last in Reihe geschaltet werden. Die andere Sekundärwicklung kann in Reihe einen Anpassungskreis oder einen harmonischen Sperrkreis aufweisen, der aus einem Paralel-L C-Kreis besteht und in Reihe zu einem Widerstand liegt.

Es ist schon bekannt gewesen, einen ParäHelkondensator der Resonanzdrosselspule oder einem Teil von ihr beim Ansteigen der an ihr bzw. an dem betreffenden Teil von ihr auftretenden

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Spannung über einen bestimmten Wert über Schaltmittel zuzuschalten, wobei dieser so bemessen ist, daß dessen kapazitiver Blindwiderstand den bei Sättigung der Drosselspule verbleibenden induktiven Blindwiderstand kompensiert und die Phasenlage des Stromes in dem die Drosselspule enthaltenden Stromkreis in die kapazitive Richtung dreht. (Siehe DAS 1 541 8oo) Mit dieser bekannten Maßnahme wird jedoch lediglich ein sogenannter Phasensprung der Spannung am niederspannungsseitigen Teilerkondensator verhindert.

Mit Hilfe der Maßnahme nach der Erfindung können dagegen sowohl Überspannungen an der ßesonanzdrossel als Folge von sekundären Kurzschlüssen als auch Phasensprünge der Spannung verhindert werden.

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Claims

Patentansprüche

ι 1. Schutzschaltung in einem kapazitiven Spannungswandler,

V S g ekennz-e-i--ch.net durch eine in dem Wand-

lerkreis vorgesehene Induktivität (L), die gefährliche Überspannungen beim Auf treten einer ungewöhnlichen Überspannung auf ein Minimum bringt und es der Spannung bei Beseitigung der Störung gestattet, sofort und glatt in den Normalzustand zurückzukehren, wobei zur Modifizierung des Wertes der Induktivität Einrichtungen und Mittel zur Ansteuerung dieser Einrichtungen vorgesehen sind, so daß diese nur oberhalb eines vorbestimmten Zustandes und bei Vorliegen der ungewöhnlichen Überspannung arbeiten.
2. Schutzschaltung nach Anspruch 1 ,dadurch g e k e η nz e i c η η e t, daß in einem Resonanzkreis mit einem kapazitiven Spannungswandler und einer Induktivität (L) ein Spannungsbegrenzer vorhanden ist, der mit der Induktivität (L) magnetisch gekoppelt ist, und Einrichtungen (P.D. ;G) zur Begrenzung der in dem magnetisch gekoppelten Kreis auftretenden Spannung, welche oberhalb eines vorbestimmten Zustandes arbeiten und auf die Zustände des Schaltkreises ansprechen.
3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität (L) des Resonanzkreises Einrichtungen (P) zum Kurzschließen eines bestimmten Teiles des Kreises der Induktivität (L) oberhalb bestimmter

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normaler Betriebszustände des Kreises aufweist.
4. Schutzschaltung nach Anspruch 1,2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Ansteuerung Halbleiterelemente (D) aufweisen, um oberhalb eines vorbestimmten Pegels Strom führen zu können.
5. Schutzschaltung nach Anspruch "4, dadurch gekennzeichnet., daß zu den Halbleiterelementen (D) ein Widerstand (E) in Reihe liegt.
6. Schutzschaltung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (R) in der Wicklung der Induktivität (L) vorgesehen ist.
7. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden, gekennzeichnet durch die folgende Kombination:

a) einen kapazitiven Spannungsteiler (C^; C₂), der zwischen einer Hochspannungs-Wechselstromleitung und Erde liegt;

b) einen Spannungswandler(T) mit einer Primärwicklung, die (bei A) an einem der Kondensatoren (G. bzw. C^ ) des Spannungsteilers liegt, und mindestens einer Sekundärwicklung;

c) eine Induktivität (L), die zur Primärwicklung des Wandlers (T) in Reihe liegt;.und

d) eine Schaltung (P.D.) für diesen Kreis zur Erzielung eines überspannungsschutzes »it einer Einrichtung zur Änderung des Induktivitätswertes und Mittel (G bfcw. D)zur

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Ansteuerung dieser Schaltung aufgrund einer in dem Kreis auftretenden Überspannung.
8. Schutzschaltung nach Anspruch 7» dadurch gekenn ζ e i chne t, daß die Einrichtung zur Änderung des Induktivitätswertes eine Vorrichtung zum Kurzschließen eines Teiles der Wicklung der Induktivität (L) aufweist.
Schutzschaltung nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e η η zeichnet, daß die Vorrichtung zum Kurzschließen eines Teiles der Wicklung der Induktivität (L) eine Triggervorrichtung (G "bzw. D) aufweist, die beim Auftreten einer Überspannung in dem Kreis anspricht.
1o. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder einem der voranstehenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungswandler zwei Sekundärwicklungen aufweist, wobei eine der Sekundärwicklungen mit einer Last und die andere mit einem in Seihe liegenden Dämpfungskreis verbunden ist.
.11. Schutzschaltung nach Anspruch 1o, dadurch g e k e η η ze i c h η e t, daß der Dämpfungskreis einen LC-Parallelkreis aufweist, der zu einem Widerstand in Reihe liegt.
12. Schutzschaltung nach Anspruch 1 oder einem der voranstellenden, gekennzeichnet, durch einen weiteren, an den Resonanzkreis angekoppelten Schutzkreis.

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13· Schutzschaltung nach Anspruch 12, dadurch g e kennz ei chne t, daß der Schutzkreis einen LC-Parallelkreis (L₀, C_) aufweist, der über einen Widerstand (Ro) an den Resonanzkreis gekoppelt ist.
14. Schutzschaltung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der LC-Parallelkreis an einem Teil der Induktivität des Resonanzkreises liegt.

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