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Verfahren und Schaltungsanordnung zur Blindstromkompensation und
SDannungshaltung von Wechselstromtetzen und -anlagen Die Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Blindstromkompensation und Spannungshaltung von ein- und mehrphasigen
Nieder- und Hochspannungs-Wechselstromnetzen und -anlagen verschiedener Frequenzen
durch stufenweises Zu- und Abschalten einzelner Stufen mindestens einer aus Kondensatorstufen
gebildeten Kondensatorbatterie, sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung
des Verfahrens
Seit längerer Zeit gehören automatisch geregelte
Kompensationsanlagen, welche mit einem in Abhängigkeit von der gemessenen Blindleistung
arbeitendem Regelgerät die entsprechenden Kondensatorstufen selbsttätig in bestimmten
Grenzen zu- oder abschalten, zum Stand der Technik. Es kommen sowohl Kompensationsanlagen
mit geringer, als auch mit größerer Stufenzahl zur Anwendung, wobei für das Zu-
und Abschalten einzelner Stufen überwiegend zwei Arten von Schaltprogrammen in Betracht
kommen. Bei einer sogenannten Sukzessivschaltung werden gleich große Kondensator
stufen nach einer arithmetischen Reihe mit einer Stufung 1:1:1:1 usw., beispielsweise
25:25:25:25 ... kVar je Schaltschritt zu- oder abgeschaltet. Bei richtiger Dimensionierung
der Kondensatorbatterien erfolgt die Feinregelung bei einer nach der arithmetischen
Reihe arbeitenden Blindstromkompensationsanlage im letzten Drittel der Anlage. Die
zweite übliche Schaltungsart, eine sogenannte Potentialschaltung, arbeitet mit einer
Reihe von Kondensatoren, deren Leistung nach einer geometrischen Reihe mit einer
Stufung 1:2:4:8' usw., beispielsweise 5:10:20:40:80 ... kVar je Schaltschritt ansteigt
so daß jede folgende Stufe einen doppelt so hohen Wert aufweist, als die vorhergehende.
Es ergeben sich jedoch bei solchen Anlagen mit Potential schaltung unruhige Regelverhältnisse,
denn die Schaltung muß sich zwangsläufig über mehrere Kondensatorstufen erstrecken,
wobei beim Übergang von einer kleineren auf eine größere Leistung oder umgekehrt,
meistens mehr als nur eine Stufe geschaltet wird.
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Bei konventionellen Blindstromkompensationsanlagen, welche auch Anlagen
mit allen übrigen Schaltungsarten betreffen, wie die sogenannten Pilgerschrittschaltung,auch
Sparschaltung genannt, mit einer Stufung 1:2:2:2 usw., Sonderschaltungen und Schaltungsarten
mit Universalprogramm, werden die einzelnen Kondensatorstufen sehr ungleichmäßig
belastet. Insbesondere im Bereich der jeweiligen Feinregelung der Blindleistungsschwankungen
werden immer nur einige wenige Kondensatorstufen betätigt. Dies hat eine ungleichmäßige
Belastung der einzelnen Kondensatorstufen zur Folge, wodurch auch die einzelnen.
Schaltelemente, wie Schütze, Leistungsschalter, sowie Schutzgeräte u. ä. ungleichmäßig
belastet und einem größeren Verschleiß unterzogen werden. Die Belastung einzelner
öfters eingeschalteter Elemente beträgt oft das Mehrfache gegenüber den seltener
eingeschalteten Elementen, wodurch eine wesentlich stärkere Abnützung und damit
kürzere Lebensdauer dieser Elemente und somit eine größere Störanfälligkeit der
ganzen Anlage eintritt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung zu schaffen,
welche die Mängel des Bekannten behebt, und welche mit einer einfachen Schaltungsart,
durch welche eine gleichmäßige Belastung aller Elemente gewährleistet wird, arbeitet
und eine leichte Bedienung und Wartung ermöglicht.
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Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte
gelöst:
a) die Blindleistung wird in einer Meßeinrichtung gemessen,
b) bei Ansteigen der Blindleistung wird über einen "EIN"-Programmumsetzer, beginnend
bei der am längsten abgeschalteten Kondensatorstufe, das Einschalten derselben begonnen
und entsprechend dem Blindleistungsbedarf die darauffolgenden Kondensatorstufen
weiter zugeschaltet, c) bei Abnahme der Blindleistung werden über einen "AUS"-Programmumsetzer,
von der am längsten zugeschalteten Kondensatorstufe beginnend, die einzelnen darauffolgenden,
noch eingeschalteten Kondensatorstufen entsprechend dem Blindleistungsbedarf abgeschaltet,
d) bei Wiederansteigen der Blindleistung wird mit dem Zuschalten jener Kondensatorstufe
begonnen, welche der zuletzt zugeschalteten Kondensatorstufe folgt.
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Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist dadurch
gekennzeichnet, daß eine Meßeinrichtung mit je zwei Umschaltern und je ein Programmumsetzer
für Zu- und Abschalten einzelner Kondensatorstufen einer Kondensatorbatterie, sowie
mindestens zwei Schaltelemente vorgesehen sind.
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Der Vorteil der Erfindung ist gegenüber funktionsmäßig gleichwertigen
Anordnungen darin zu sehen, daß die Schalthäufigkeit
auf alle Kondensatorstufen
gleichmäßig verteilt wird. Durch die dabei vorkommende gleichmäßige Beanspruchung
der einzelnen Kondensatorstufen, Schalt- und Schutzgeräte, wird eine längere Lebensdauer
der ganzen Anlage gewährleistet. Die dabei erzielten tieferen mittleren Temperaturen
des Dielektrikums setzen die thermische Beanspruchung der Kondensatoren gegenüber
konventionellen Kompensationsanlagen günstig herab. Eine gleichmäßige Belastung
aller Elemente gewährleistet außerdem eine höhere Betriebssicherheit, wodurch die
Revisionsintervalle verlängert werden können Es ist zweckmäßig, daß nach Abschalten
aller Kondensatorstufen infolge eines Spannungsunterbruchs die "EIN"- und 11AUS"-Programmumsetzer
die einzelnen Programmstufen in die Ausgangsstellung durchschalten.
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Ferner ist es zweckmäßig, daß nach Abschalten aller Kondensatorstufen
infolge eines Spannungsunterbruchs die Programmstufe des "AUS" Programmumsetzersder
am längsten eingeschalteten Kondensatorstufe in die Stellung der zuletzt zugeschalteten
Programmstufe des "EIN"-Progransumsetzers durchschaltet und somit die Nullstellung
gebildet wird.
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Diese beiden Schaltungsmöglichkeiten nach einer- Spannungsunterbrechung
kommen insbesondere bei einem Spannungszusammenbruch nach einem Netzausfall in vorteilhafter
Weise zur Anwendung.
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Weiterhin weisen die Programmumsetzer eine einstellbare Vielzahl von
Programmstufen auf.
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Dadurch kann eine beliebig große Anzahl von gleich großer Kondensatorstufen
eingestellt und event. im späteren Zeitpunkt je nach Bedarf durch einfache Programmumstellung
erweitert oder eingeschränkt werden. Ein koordinierter Ablauf der durch len "ElN"-Programmumsetzer
zugeschalteten und den "AUS rogrammumsetzer abgeschalteten Kondensatorstufen ist
durch die Schaltungsanordnung gewährleistet.
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Pur die Schaltvorgänge kann eine Handsteuerung vorgesehen werden Ferner
können die einzelnen Programmstufen der Programmumsetzer zwischen den einzelnen
Kondensatorstufen eine fest eingestellte, einstellbare oder variable Laufzeit aufweisen.
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Durch ein elektromechanischesoder elektronischesZeitglied bzw.
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Verzögerungsglied kann ein beschleunigtes bzw. verzögertes Zu- und
Abschalten einzelner Kondensatorstufen herbeigeführt werden Nach einer bevorzugten
Ausführungsform sind die Programmstufen der Programmumsetzer mit einer einstellbaren
Schaltfolge der einzelnen Kondensatorstufen vorgesehen.
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Durch die Schaltung beispielsweise jeder Stufe 1, 3, 5 usw und nachfolgend
jeder Stufe 2, 4, 6 usw. kann in vorteilhafter Weise
die Umgebungstemperatur
der Kondensatoren herabgesetzt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung werden jeweils mehrere Kondensatorstufen
zu einer größeren Kondensatorstufe zusammengefaßt.
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Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes,
sowie graphische Darstellungen des Schaltungsablaufs.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltschema einer Schaltungsanordnung; Fig.
2 eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 für den Niederspannungsbereich; Fig. 3 eine
Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 vorzugsweise für den Hochspannungsbereich; Fig.
4 ein Schaltprogramm; Fig. 5 eine graphische Darstellung über die Schalthäufigkeit
einzelner Kondensatorstufen.
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Im Schaltschema gemäß Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung zur Blindstromkompensation
und Spannungshaltung von Wechselstromnetzen und -anlagen mit der Schaltungssteuerung
1 dargestellt, welche aus einer Meßeinrichtung 2 für die Messung 2a und Auswertung
2b der Blindleistung, zwei Programmumsetzer 3, 3' jeweils für das "EIN"- und "AUS"-Schalten
der Programmumsetzer, einer
Steuerung 4 der Schaltelemente S1...Sn
für das Zu- und Abschalten der Kondensatorstufen K-S1...K-Sn, wobei gleichzeitig
die Programmumsetzer 3, 3' koordiniert werden, besteht.
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Eine Anpassung 5 für die Nieder- bzw. Hochspannung ist möglich.
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Die im Schema der Schaltungsanordnung aufgeführten einzelne Elemente
2 bis 5 können ein- oder mehrteilig hergestellt und montiert werden. Entsprechend
der Anwendung können die Steuervorgänge elektromechanisch, elektronisch oder in
kombinierter Weise ausgeführt werden.
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Fig. 2 zeigt eine beispielsweise Ausführung einer Schaltungsanordnung
gemäß Fig. 1 für den Niederspannungsbereich. Ähnlich wie in Schaltschema nach Fig.
1 bestaht die Schaltungssteuerung 1 für die Blindstromkompensation aus einer Meßeinrichtung
2 mit einer Messung 2a und Ausertung 2b, zwei Programmumsetzern 3, 3', einer Steuerung
C1...Cn der Schaltelemente für das Zu- bzw.Abschalten der Kondensatorstufen, vorzugsweise
aus Stufenschützen mit entsprechenden Haltekontakten c1...cn.
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Zur Ansteuerung der Schaltungsanordnung, der sogenannten Kreisschaltung",
benötigt man eine Auswertung 2b, beispielsweise einen Regler herkömmlicher Bauart,
bei welchem für den "EIN"-bzw. "AUS"-Befehl ein Umschalter, beispielsweise ein potentialfreier
Umschaltkontakt UE bzw. UA vorgesehen ist. Bei einer Blindleistungskompensation
sollen meistens bei Netzausfall die eingeschalteten Kondensatorstufen abgeschaltet
werden. Dies wird üblicherweise mit Nullspannungsrelais sichergestellt und kommt
bei der erfindungsgrmäßen Schaltungsanordnung alternativ-auch zur Anwendung. Zwei
getrennte
Programmumsetzer 3, 3', welche elektromechanisch, elektronisch oder kombiniert elektronisch-elektromechanisch
ausgebildet sein können, steuern in koordinierter Weise das "EIN"-bzw. "AUS"-Schalten
der Programmstufen E1...En, A1...An.
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Die Programmumsetzer 3, 3' haben beispielsweise eine fest eingestellte
Laufzeit zwischen den einzelnen Stufen einer oder mehrerer Kondensatorbatterien.
Während dieser Laufzeit wird ein definierter Impuls, beispielsweise von 100 ms,
abgegeben, und zwar zur Anregung des Stufenschützes für das Einschalten einer Kondensatorstufe.
Über einen Haltekontakt c1...cn des Stufenschützes C1. Cn bleibt dieses nun in der
Einschaltstellung.
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Im Haltekreis A1-c1-C1...An-cn-Cn befindet sich ein Öffnungsglied
A1...An das beim Ausschalten durch den "AUS"-Pvogrammumsetzer mittels eines Impulses
unterbrochen wird, so daß das Stufenschütz abfällt. Da alle Stufen impulsgesteuert
sind, werden bei einem Netzausfall alle eingeschalteten Stufenschütze zwangsläufig
abgeschaltet. Bei Wiederkehr der Spannung müssen in beschriebener Weise die Stufen
wieder einzeln zugeschaltet werden. Aufgrund dieses Programmdispositivs ist es möglich,
ohne weitere Hilfsmittel, insbesondere Hilfsschütze,zu arbeiten, wodurch ein größerer
Aufwand vermieden wird.
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Fig. 3 zeigt eine ähnliche Schaltungsanordnung, vorzugsweise für den
Hochspannungsbereich, bei welcher anstelle der Stufenschütze Schaltelemente S1...Sn
, beispielsweise mit zwei Steuerrelais CE1,CA1.. .CEn,CAn, verwendet werden. Zusätzlich
ist eine Handsteuerung für das Zu- und Abschalten der Kondensatorstufen K-S1...K-Sn;
beispielsweise durch entsprechende Druckknopfschalter
HE und HA
vorgesehen, die ebenfalls in der Schaltungssteuerung gemäß Fig. 2 realisierbar ist.
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Fig. 4 zeigt ein Schaltprogramm einer 1,Kreisschaltung" mit einer
Stufung 1:1:1:1 usw. bei einer -Kondensatorbatterie mit sechs Stufen, wobei in zwölf
Schaltschritten das aufeinanderfolgende Zuschalten der sechs Stufen aus der Ausgangsstellung
mit nachfolgendem Abschalten derselben in die Ausgangsstellung abläuft. Die mit
t bezeichneten Schaltschritte bedeuten Zuschalten und die mit O bezeichneten Schaltschritte
Abschalten der entsprechenden Kondensatostufe.
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Anhand eines Beispieles wird das Prinzip der "Kreisschaltung" näher
erläutert. Für eine Kondensatorbetterie von 300 kVar, unterteilt in 6 Kondensatorstufen
zu je 50 kVar kommt ein Schaltprogramm gemäß Fig. 4 zur Anwendung. Wie aus-der nachfolgenden
Tabelle und in Fig. 5 unter a ersichtlich ist, gewährleistet die Anwendung der "Kreisschaltung"
nach den Phasenschaltungen A bis S eine gleichmäßige Belastung von drei Zuschaltungen
pro Stufe; demgegenüber liegt die Schalthäufigkeit S-H, beispielsweise bei einer
üblichen Sukzessivschaltung mit einer Stufung 1:1:1:1 usw., im gleichen Beispiel
nach den Phasenschaltungen A bis S bei zwei bis sechs Zuschaltungen pro Stufe, so
daß die 6. Kondensatorstufe mit ihren sechs Zuschaltungen gegenüber den Kondensatorstufen
1 bis 3 dreimal häufiger zugeschaltet wird. (siehe Fig. 5 unter b)
Tabelle:
| Ansahl KondensatorstufenKoventionlle Suk- "Kreisschaltung" |
| Phasen Schalt a 50 kVar insge- zessivschaltung mit Stufung
1:1:1:1 |
| schrittesamt in Betrieb: 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 |
| A +4 4 (200 kVar) +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 |
| B -1 3 (150 " ) 1 1 1 - 1 1 1 |
| C +2 5 (250 " ) 1 1 1 +1 +1 1 1 1 +1 +1 |
| D -1 4 (200 " ) 1 1 1 1 - - 1 1 1 1 |
| E +2 6 (300 " ) 1 1 1 1 +t +1 +1 +1 1 1 1 1 |
| F -1 5 (250 " ) 1 1 1 1 1 - 1 1 - 1 1 1 |
| G +1 6 (300 " ) 1 1 1 1 1 +1 1 1 +1 1 1 1 |
| H -1 5 (250 " ) 1 1 1 1 1 - 1 1 1 - 1 1 |
| I +1 6 (300 " ) 1 1 1 1 1 +1 1 1 1 +1 1 1 |
| K -1 5 (250 " ) 1 1 1 1 1 - 1 1 1 1 - 1 |
| 4:1 6 (300 " ) 1 1 1 1 1 +1 1 1 1 1 +1 1 |
| M -1 5 (250 " ) 1 1 1 1 1 - 1 1 1 1 1 - |
| N -1 4 (200 " ) 1 1 1 1 - - 1 1 1 1 |
| O -4 NULLSTELLUNG - - - - - - - - |
| P +5 5 (250 kVar) +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 |
| Q +1 6 (300 " ) 1 1 1 1 1 +1 1 1 1 1 +1 1 |
| R -1 5 (250 " ) 1 1 1 1 1 - 1 1 1 1 1 - |
| S +1 6 (300 " ) 1 1 1 1 1 +1 1 1 1 1 1 +1 |
| Zuschaltungen pro |
| Ph.A-S 30 Kondensatorstufe: 2 2 2 3 3 6 3 3 3 3 3 3 |
| =Schalthäufigkeit: |
Das Prinzip der "Kreisschaltung" bei einer Blindstromkompensationsanlage besteht
demnach immer aus zwei in gleicher Richtung hintereinander zeitverschoben fortlaufenden
endlosen Regelvorgängen, jeweils für das Zu-bzw. Abschalten von einzelnen Kondensatorstufen.
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Komectar zur vorhergehenden Tabelle mit den Phasen A bis S: Alle Kondensatorstufen
sind abgeschaltet und die Schaltungsanordnung befindet sich in der Nullstellung,
wobei die zuletzt zu- bzw. abgeschalteW Kondensatorstufe eine beliebige der im Beispiel
aufgeführten 6 Kondensatorstufen sein kann. Es wird angenommen, daß die Nullstellung
mit der Ausgangsstellung übereinstimmt, so daß mit der Zuschaltung mit der 1. Stufe
begonnen wird.
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Phasenablauf der "Kreisschaltung" Phase A(Nullstellung = Ausgangsstellung):
entsprechend dem Blindleistungsbedarf werden fortlaufend vier Kondensatorstufen
und zwar die Stufen 1 bis 4 zugeschaltet; Phase B: bei Abnahme der Blindleistung
wird eine Stufe und zwar die Stufe 1 vom Netz abgeschaltet, so daß nun drei Stufen
in Betrieb bleiben; Phase C: wegen Erhöhung der Blindleistung werden zwei weitere
Stufen erforderlich und daher die Stufen 5 und 6 zugeschaltet, so daß insgesamt
fünf Stufen in Betrieb sind; Phase D: bei Abfall der Blindleistung wird eine Stufe
und zwar die 2. Stufe abgeschaltet, so daß vier Kondensatorstufen in Betrieb übrig
bleiben; Phase E: es werden insgesamt sechs Stufen benötigt, so daß zwei weitere
Stufen in der Reihenfolge 1, 2 zugeschaltet werden; Phase F: bei Abnahme der Blindleistung
wird wieder eine Stufe und zwar die 3. Stufe abgeschaltet, so daß fünf Stufen in
Betrieb bleiben;
Phasen G. H bis L, M: in diesen Phasen wird jeweils
eine Kondensatorstufe zu- und nachfolgend abgeschaltet, so daß die Stufen 3 (Phase
G), 4 (Phase I), 5 (Phase L) nach und nach zugeschaltet, und dazwischen die Stufen
4 (Phase H), 5 (Phase K), 6 (Phase M) abgeschaltet werden. In den Phasen G, I, L
sind jeweils sechs Stufen und in den Phasen H, K, M fünf Stufen gleichzeitig in
Betrieb; Phase N: nach Abnahme der Blindleistung wird eine weitere Stufe und zwar
die 1. Stufe abgeschaltet, womit in Betrieb vier Stufen übrigbleiben; Phase 0: alle
vier eingeschalteten Kondensatorstufen werden in der Reihenfolge 2 bis 5 abgeschaltet
und somit die Nullstellung, die sich jetzt von der Ausgangsstellung unterscheidet,
erreicht; Phase P: es werden wieder fünf Stufen zugeschaltet und zwar beginnend
bei der am längsten abgeschalteten Kondensatorstufe 6 und folgend mit den Stufen
1 bis 4; Phase Q: wegen weiterer Erhöhung der Blindleistung wird eine Stufe zugeschaltet
und zwar die Stufe 5, so daß alle sechs Stufen eingeschaltet sind; Phase R: bei
Abnahme der Blindleistung wird eine Stufe und zwar die 6. Stufe abgeschaltet, womit
fünf Stufen in Betrieb bleiben; Phase S: wegen Erhöhung der Blindleistung wird eine
Stufe und zwar die 6. Stufe wieder zugeschaltet, so daß alle sechs Stufen in Betrieb
sind.
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Der weitere event. Phasenablauf würde in diesem Beispiel zufälligerweise
aus der Ausgangsstellung erfolgen, denn bei der Abschaltung und der nachfolgenden
Zuschaltung würde jeweils mit der 1. Stufe begonnen.
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Die-Schaltungsart der "Kreisschaltung" mit der Stufung 1:1:1:1 usw.
ermöglicht eine große Anzahl von Kondensatorstufen, so daß eine Vergrößerung der
Anlage jederzeit möglich ist. Die Wartung der mit einer"Kreisschaltung" versehenen
Anlage kann verbessert werden, indem man die Anzahl der Umdrehungen der "Kreisschaltung"
entweder der zu- oder abschaltenden Kondensatorstufen für eine rechtzeitige Revision
auf eine einfache Weise registriert, was insbesondere im Hochspannungsbereich von
Bedeutung ist. Die Kreisschaltung kann sowohl als integriertes Bestandteil von kompletten
Blindstronkompensationsanlagen, als auch in Form eines Zusatzgerätes für bereits
bestehende Kompensationsanlagen verwendet werden.