DE2647346B2 - Verfahren zur Überwachung des Isolationszustandes der Phasen eines ein- oder mehrphasigen Geräts und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Überwachung des Isolationszustandes der Phasen eines ein- oder mehrphasigen Geräts und Anordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Überwachung eines Isolationszustandes der Phasen
eines ein- oder mehrphasigen Geräts und auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
In den vergangenen Jahren wurde die Messung der
Isolationseigenschaften und des dielektrischen Verhaltens in starkem Maße weiterentwickelt, nicht nur
hinsichtlich der dielektrischen Messung jeglicher Art, sondern es wurden auch Vorgehensweisen zur Messung
der dielektrischen Eigenschaften von Isolationen angegeben, die in verschiedenen Teilen eines Geräts
t,5 verwendet werden.
So wurde eine Vielzahl von Techniken entwickelt, die die Prüfung der dielektrischen Eigenschaften der
Isolation eines Geräts während seiner Herstellung
ermöglichen und gewährleisten, daß das Gerät Spannungsbeanspruchungen
und anderen Bedingungen bei der gewünschten Art der Benutzung widersteht Jedoch kann sich die Isolation während des Gehrauchs eines
Geräts verschlechtern, und es gibt bisher keine Möglichkeiten, eine etwa eingetretene Verschlechterung
der dielektrischen Eigenschaften festzustellen, ohne das Gerät außer Betrieb zu setzen. Da sich die
Isolationseigenschaften in nicht vorhersehbarer Weise ändern, sondern in vielerlei Art von der Art der
Benutzung und der Umgebung abhängig sind, sowie auch von den besonderen Eigenschaften und Mangeln
des Materials, besteht jederzeit in jedem Teil des Geräts die Möglichkeit des Ausfalls. Selbst wenn man das
Isoliermaterial allein betrachtet können die physikalischen und chemischen Eigenschaften betroffen sein, und
es können von Charge zu Charge der Isolation Unterschiede in diesen Eigenschaften sowie geringe
Änderungen nach der Art und Weise des Einbaus bestehen.
Die beste Art der Überprüfung der Isolationseigenschaften
ist bekanntermaßen die Entfernung des Geräts vom Netz zur Durchführung von Prüfungen und Tests.
Nun ist es schwierig genug, ein einmal vom Netz getrenntes einphasiges Gerät zu prüfen und bei
mehrphasigen, insbesondere dreiphasigen Geräten ist es, mit Ausnahme der einphasigen Methode, praktisch
unmöglich, eine Prüfung vorzunehmen. Es ist auch häufig nicht zweckmäßig, das Gerät zur Untersuchung
seiner Isolationseigenschaften vom Netz zu trennen.
Aus der DE-AS 15 41 742 ist es zur Überwachung des
Gesamtisolationswiderstandes eines elektrischen Netzes gegen Erde oder Masse bekannt, eine Hilfswechselspannung
mit von der Frequenz der Netzspannung abweichender Frequenz über eine Kopplungseinheit auf
das zu überwachende Netz zu koppeln, die je Phase einen Kondensator enthält. Hierbei wird der ins Netz
fließende Prüfstrom mit einem nach Phasenwinkel und Amplitude einstellbaren Bezugsstrom verglichen. Die
Ströme sind einander entgegengeschaltet, so daß, wenn der Prüfstrom den Bezugsstrom überschreitet, eine
Warneinrichtung anspricht.
Hierbei muß nicht nur eine besondere Wechselstromquelle zur Bereitstellung der Hilfswechselspannung mit
von der Frequenz der Netzspannung abweichender Frequenz bereitgestellt werden, sondern es sind auch
besondere Maßnahmen notwendig, um ein Einfließen der Netzfrequenz in die Überwachungseinrichtung zu
verhindern.
Weiter ist es aus den DE-OS 21 07 731 und 23 57 081
bekannt, zur Überwachung des Isolationszustandes von Gleich- oder Wechselstromnetzen den Isolationswiderstand
heranzuziehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung zur Überwachung des
Isolationszustandes eines elektrischen Geräts anzugeben, bei deren Anwendung das Gerät unter Vermeidung
einer Hilfswechselspannung nicht vom Netz getrennt zu werden braucht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in der Erkenntnis, daß die Kapazität und der Verlustfaktor der
einzelnen Phasen des Geräts ein Maß für den Isolationszustand darstellen, durch die im Patentanspruch
1 bzw. 2 beschriebenen Maßnahmen gelöst.
Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung sind Gegenstand
der Patentansprüche 3 bis 6.
Die Erfindung schafft eine Technik zur Prüfung des Geräts an seiner Betriebsstelle und während seiner
Benutzung, ohne es vom Netz und Masse bzw. Erde trennen zu müssen, wobei nur sehr geringfügige
Abwandlungen seiner Anschlüsse notwendig sind. Erfindungsgemäß wird angezeigt ob der Isolationszustand
im wesentlichen unverändert bleibt oder sich ändert Im Fall der Änderung wird festgestellt, was die
ungefähre relative Richtung und Größe der Änderung ist Nur wenn die Änderung so grob wird, daß sie
ίο Beachtung verdient, muß das Gerät für eine sorgfältigere
Prüfung oder Überholung außer Betrieb gesetzt werden.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 das schematische Blockschaltbild einer angeschlossenen erfindungsgemäßen dreiphasigen Anordnung
zur Messung der Isolationseigenschaften jeder Phase;
F i g. 2 ein die Anordnung der F i g. 1 darstellendes theoretisches Schaltbild, das eine mathematische Analyse
gestattet;
F i g. 2A eine teilweise Abwandlung der Schaltung der Fig. 2;
F i g. 3 das Schaltbild einer praktischen Ausführungsform der Schaltungsanordnung der Fig. 1;
Fig.4A das Spannungs-Vektordiagramm des zu prüfenden Geräts;
Fig.4B das Strom-Vektordiagramm des Geräts einschließlich der in den drei Phasen fließenden Ströme
JO und des Erdstroms;
F i g. 5A, 5B und 5C die Vektordiagramme der Ströme in den einzelnen Phasen;
Fig. 6A ein dreiphasiges Spannungs-Vektordiagramm mit der Darstellung der Spannungen in den drei
Verbindungs-Kondensatoreinheiten der F i g. 3;
F i g. 6B ein Vektordiagramm mit der Darstellung der durch die drei Koppelkondensatoren fließenden Ströme;
F i g. 7 ein Ersatzschaltbild zur Erläuterung der Funktionen der beiden Einstellungen einer Phasenschieber-Einrichtung
gemäß der Erfindung;
F i g. 8A, 8B und 8C Vektordiagramme der Ströme in der erfindungsgemäßen Phasenschieber-Einrichtung
gemäß Fig. /;
Fig.9 ein Vektordiagramm mit der Darstellung der
Amperewindungen-Vektoren r>\ ■ /Ί, /I2 · /'2 und 03 ■ /3
zur Ermittlung von i'm gemäß der Definition der F i g. 3,
8A,8Bund8C;und
Fig. 10 die Zusammenstellung eines Testdiagramms, so das unter Anwenudng der erfindungsgemäßen Anordnung
entstanden ist, mit der Darstellung der relativen Phasenänderungen der verschiedenen Phasenströme
bei gemeinsamen Beobachtungsintervallen sowie ein besonderes Diagramm der Temperatur über die
gleichen Intervalle.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung und ein Verfahren zur Überwachung der Verschlechterung
der Isolationseigenschaften mittels eines Programms periodischer Prüfungen, die verhältnismäßig einfach
bo und billig durchzuführen sind und als deren Ergebnis eine Warnung am Aufstellungsort des unter Spannung
stehenden Geräts möglich ist, wenn die Isolation Anlaß zu »inern Fehler geben könnte.
Beispiele für Geräte, die erfindungsgemäß untersucht werden können, sind dreiphasige Transformatoren,
dreiphasige Schaltungsunterbrecher, dreiphasige Kondensatoranordnungen und andere dreiphasige Geräte.
Auch sind einphasige Messungen möglich. Zweck der
Messung ist die Vermeidung der Außerbetriebsetzung des Geräts für eine Routineprüfung. Durch die
Erfindung werden auch Ausfallzeiten vermieden, die dadurch bedingt sind, daß Geräte ersetzt werden
müßten, für die Ersatzgeräte nicht leicht zur Verfügung stehen.
Um zu der vorliegenden Erfindung zu kommen, war es notwendig, eine große Anzahl von Möglichkeiten in
Betracht zu ziehen und zu eliminieren. Eine zu untersuchende Frage war, was zur Bestimmung der
Isolationsqualität gemessen werden sollte. Teil des Problems in einem Teilbereich eines dreiphasigen
Geräts ist, daß, verglichen mit der Benutzung des Geräts in einem Gebäude, bei Verwendung desselben im Freien
nur wenige Möglichkeiten bestehen. Die Außerbetriebsetzung ermöglicht die getrennte Prüfung einzelner
Phasen. Es mußten daher ausgedehnte Untersuchungen und Experimente hinsichtlich des Leck- oder Kriechstroms
nach Erde durchgeführt werden, um die drei Phasen des Isolationsstroms aufzulösen. Dabei bestehen
meist gemeinsame Verbindungen von den drei Phasen nach Erde, die im allgemeinen eine Erdungseinrichtung
umfassen, beispielsweise eine Gittermatte aus leitfähigem Metalldraht, die i.i die Erde eingegraben ist.
Oftmals bestehen mehrfache Verbindungen nach Erde; um jedoch ein Maß für sämtliche fließenden Isolationsströme zu erhalten, erwies es sich als notwendig,
zunächst bis auf eine sämtliche Erdverbindungen aufzutrennen und die Messung in der verbleibenden
Erdverbindung durchzuführen. Die Ausschaltung aller anderen Erdverbindungen vermeidet die Möglichkeit
der Entstehung von vagabundierenden Strömen, die durch die eine Erdverbindung ein- und durch die andere
ausfließen. Die tatsächliche Messung des Stroms kann durch Unterbrechung einer Leitung geschehen, während
die anderen aus Sicherheitsgründen angeschlossen bleiben, um die Primärwicklung eines Stromwandlers
oder einer anderen geeigneten Einrichtung mit niedriger Impedanz zur Erleichterung der Messung in die
Schaltung einzufügen. Eine niedrige Impedanz wird benötigt, damit die Funktion der Erdverbindung
während der Messung nicht beeinträchtigt wird. Die Messung der Isolations-Erdströme ist wegen ihrer
geringen Größe schwierig. Sie liegen, wenn sich ein Gerät in gutem Zustand befindet, zwischen 0 und
100 μΑ, wobei bedeutende Änderungen die Messung sehr kleiner Änderungen gegenüber der Anfangsmessung
erfordern.
Abgesehen von der Erdverbindung muß das Gerät zur Durchführung der Messungen und Bildung eines
Vergleichs einfach, leicht zu benutzen und preisw.rt sein. Zusätzlich zu Problemen des Anschlusses an
verhältnisrriäöig hochgespannte Netzleitungen bestanden
Probleme mit Bauteilen des Testgeräts, die durch Felder in der Nachbarschaft von Übertragungsleitungen
beeinflußt werden. Erfindungsgemäß werden Verbindungs- bzw. Kopplungseinheiten verwendet, um meßbare
Phasenströme abzuleiten oder zu erhalten, die parallel zum Erdstrom des Geräts an den gleichen
dreiphasigen Netzleitungen fließen. Zwar enthält die erfindungsgemäß gewählte Verbindungseinheit Koppelkondensatoren;
es können jedoch verschiedenerlei Arten von Verbindungseinheiten verwendet werden.
Statt Stromwandlem, die eine sehr einfache Erfassung des Erdstroms des Geräts und der Phasenströme durch
die Kondensatoren ermöglichen, können auch andere Einrichtungen verwendet werden. Die Phasen- und
AmDlituden-Einstelleinrichtungen enthalten getrennt einstellbare Bestandteile, die in zur Interpretation der
Testergebnisse geeigneter Weise kalibriert sind. Die Schaltung und andere Einstelleinrichtungen hierzu
können in weitem Maße variieren. Zwar können auch andere Techniker angewandt werden, diese einfache
Art des Phasen- und Amplituden-Einstellers in Verbindung mit Koppelkondensatoren wird zur Erzeugung
von Strömen der gegenseitigen Beziehung bevorzugt, die in den entsprechenden Phasen des im Test
befindlichen Geräts vorherrschen. Beim Beginn einer Testreihe werden die Amplituden- und die Phasen-Einstelleinrichtung
je auf einen geeichten Wert eingestellt, und zwar entsprechend den Parametern in der
entsprechenden Phase des zu testenden Geräts bei seiner Installation. Diese Werte können entweder in
einer einphasigen Messung des Geräts tatsächlich gemessen oder aus Daten ähnlicher Geräte abgeleitet
werden. Auch ist es möglich, sie in anderer Weise willkürlich so zu schätzen, daß sie repräsentativ sind.
Somit wird durch sechs Einstellungen bei drei Phasen eine Annäherung des Isolationsstroms des an das Netz
angeschlossenen Geräts gebildet. Da diese Annäherung für das Gerät bei seiner erstmaligen Installation oder,
zuvor, nach seiner Herstellung, repräsentativ ist, bilden
Änderungen gegenüber diesen Einstellwerten eine gute Annäherung der Änderungen im Gerät zum Vergleich
mit dem tatsächlich getesteten Gerät. Die Änderungen werden erfaßt, indem in einer Phase zu einer Zeit eine
Einstellung durchgeführt und der Nulldetektor zum Vergleich des Modells und des getesteten Geräts
beobachtet wird, bis der Abgleich bzw. der Zustand Null eintritt. Der Abgleich von Phasenwinkel und Amplitude
kann beispielsweise an einem Oszillographen beobachtet werden. Da bei einem solchen Vergleich die geeichte
Änderung der Amplitude und des Phasenwinkels in einer einzelnen Phase herangezogen wird, während die
anderen Phasen konstantgehalten werden. Wenn sich die Isolation in nur einer Phase des Geräts geändert hat,
zeigt der Vergleich einen Trend der Änderungen statt absolute Meßwerte des Isolationsstroms und des
Phasenwinkels für eine gegebene Phase. Eine solche Änderungsneigung oder -richtung und, insbesondere
eine große Änderung des Isolationsstroms, kann einen gefährdenden Zustand der Isolation anzeigen.
Es ist zweckmäßig, vor der Erläuterung der
Einzelheiten des Geräts die Art der angewendeten Technik zu betrachten. Hierzu wird auf die F i g. 1 und 2
verwiesen.
Die in F i g. 1 gezeigte elementare Schaltung bildet
so eine Einrichtung zur Erfassung der Größe und des Phasenwinkels des Erdstroms infolge der Kapazität und
der Verschlechterung des Isolationszustandes. Es sei ein geerdetes Schaltungssystem angenommen. Der Strom
wird durch einen Stromwandfer erfaßt, der in der Erdleitung des Geräts angeordnet ist. Der Strom wird
einer Brückenanordnung zugeführt, die ihm mit der Summe ähnlicher Ströme vergleicht, die durch an diese
Leitung angeschlossene Bezugskondensatoren fließen.
Bei Anwendung bei einem einphasigen Gerät arbeitel diese Anordnung ähnlich wie eine Verlustfaktorbrücke
(z.B. die Verlustfaktorbrücke der James G. Biddle Company), mit der Ausnahme, daß das Gerät währenc
des Tests von der Netzspannung versorgt wird. Es se erwähnt, daß die vorliegende Erfindung bei einphasiger
Geräten angewendet werden kann, mit dem Vorteil, daC die Untersuchungen während des Betriebs des Gerät!
durchgeführt werden können. Werden dann weiter« Tests benötigt, so können genauere Messungen nacr
Abschaltung des Geräts vom Netz durchgeführt werden.
Bei Anwendung auf dreiphasige Geräte ist die erhaltene Ablesung nicht bloß eine Funktion des
Verlustfaktors der Isolation, sondern ein kompliziertes Ergebnis vieler Bedingungen. Die in diesem Fall
gemessene Größe kann als dreiphasiger Isolationsstrom bezeichnet werden.
Fig. 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes dreiphasiges Gerät, beispielsweise einen dreiphasigen
Schaltunterbrecher. Der Leck- oder Isolationsstromweg nach Erde über die Isolation des Geräts, das an die drei
Phasen 12/4, 12ß und 12C eines Netzes angeschlossen ist, besteht aus dem Isolalionsstromweg, der durch eine
Ersatzschaltung aus einzelnen Widerständen 14Λ, 14S
und 14C und hierzu parallelgeschalteten einzelnen Kondensatoren 16/4, 16ß bzw. 16C dargestellt werden
kann, die über eine gemeinsame Erdverbindung 18 in Sternschaltung an Erde angeschlossen sind. Diese
Erdverbindung ist die einzig verbleibende, die, wie oben erläutert, während des Tests des Geräts verwendet wird.
Das Testgerät besteht aus drei Verbindungs- oder Koppeleinheiten 2OA, 20ß und 2OC, die zwischen die
Netzleitungen 12A, 12ß und 12C sowie über eine gemeinsame Leitung 22 an Erde angeschlossen sind. Die
Erdleitung 18 ist mit einer Aufnahmeeinrichtung 24 versehen. Jede Verbindungseinheit enthält Prüfeinrichtungen
zur Erfassung des durch die jeweilige Verbindungseinheit fließenden Stroms. Die erfaßten Phasenströme
werden durch zugehörige Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen
21A, 21B und 21C getrennt
hinsichtlich Amplitude und Phase des erfaßten Stroms abgewandelt und einer Summiereinheit 26 zugeführt, die
die Phasenströme summiert und sie dem durch die Aufnahmeeinnchtung 24 erfaßten Erdstrom gegenüberstellt.
Jede Differenz wird mittels eines Verstärkers 27 verstärkt und an einem Nulldetektor 28 r ^gezeigt. Der
Detektor 28 kann aus einem komplexen Gerät bestehen, das sequentiell oder gleichzeitig die Nullstellungen
hinsichtlich Phasenwinkel und Amplitude in jeder Phase gegenüber den voreingeslellten festen Werten in
anderen Phasen analysiert. In einem solchen Fall kann eine automatische Rückkopplungsschaltung 30 vorgesehen
sein, um jeden Wert auf Abgleich zu korrigieren, so daß die Phasen A, ßoder Ceinzeln über Phasenschieber
21A, 21ßoder 21Csequentiell korrigiert werden, bis für
jede Phase der Wert Null auftritt. An dem schematisch gestrichelt gezeigten Außenbehälter des zu prüfenden
Geräts ist ein Temperaturfühler angebracht, der über einen Kompensator an einen Eingang der Summationseinheit
26 angeschlossen ist. und
F i g. 2 zeigt schematisch die Schaltung der F i g. 1,
jedoch ohne Rückkopplungseinrichtung oder getrennte Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen. Im einzelnen
ist in F i g. 2 die Schaltung einer Anordnung zur Messung eines insgesamt mit 10' bezeichneten dreiphasigen
Geräts gezeigt Der Strompfad nach Masse durch die Isolierung des an das dreiphasige Netz 12A', \2B',
\2C angeschlossenen Geräts besteht aus dem Isolationsstrompfad,
der durch ein Ersatzschaltbild aus einzelnen Widerständen 14A', 14S'und 14C'dargesteIlt
werden kann, denen je ein Kondensator 16A', 16ß'bzw. 16C parallelgeschaltet ist und die gemeinsam in
Sternschaltung über eine gemeinsame Erdverbindung 18' an Erde angeschlossen sind. Diese Erdverbindung ist
die einzig verbleibende Erdverbindung des zu untersuchenden Geräts 10' während des Tests. Die Verbindungseinheiten
bestehen aus drei Kondensatoren 2OA', 20ß' und 2OC, deren eine Platte an die Netzleitungen
12,4' 12ß'bzw. 12C und deren andere Platte an Masse
angeschlossen ist. Die Kondensatoren können je abgeschirmt und die Abschirmung an Erde angeschlossen
sein, um auftretende Störungen auf ein Minimum herabzudrücken. Die Erdleitung 18' ist mit einem
Stromwandler 24' als Aufnahmeeinrichtung und die Erdleitung 22' mit einem Stromwandler 23 versehen, die
über einen Nulldetektor 28' in einer Brücken- oder Ausgleichsschaltung einander entgegengeschaltet sind.
Es kann ein einphasiges Phasenschiebernetzwerk 31 mit einstellbarer Impedanz verwendet werden, so daß die
Gesamtwirkung der Verbindungseinheit bezüglich des in der Untersuchung befindlichen Geräts einstellbar ist.
Ein Shunt-Widerstand 32, der entsprechend dem erwarteten Bereich des Erdstroms gewählt werden
kann, ist an die Sekundärwicklung des Wandlers 24' angeschlossen.
In F i g. 2 sind verschiedene Spannungen, Impedanzen, Kapazitäten und dergleichen bezeichnet, die in der
folgenden mathematischen Ableitung verwendet werden.
Bei einer unendlichen Anzahl unterschiedlicher Kombinationen von Bezugselementen Q, C2, Q und Zr
kann nur ein Abgleich herbeigeführt werden, wenn die bekannten Elemente C und die unbekannten Z im
gleichen Verhältnis zueinander stehen. Dann ist der Abgleich unabhängig von der Netzspannung.
Bei der in Fig.2 gezeigten Schaltung gilt bei Abgleich:
fYl,Yl,Yl\ ^m
Vz, Z2 + Z3) 11.
Vl Vl
Xc,
Xc2
V3\. Zr
Xc J η
Setzt man die Elemente C und Z ins gleiche Verhältnis, so gilt:
Xc, = Z2_ ▲
Xc, Z2
c. _ Z3 a
Es ergibt sich:
Yl + Xl +Xl
ßZj η
= (XL
\XC,
X1X1
βX1
3_\ ZR
woraus folgt:
Z1 X1.,
Weiter sind
7 - Y KM
Z1= X*
Die obigen Gleichungen zeigen, daß, wenn die Werte X'c ins richtige Verhältnis gesetzt werden, durch
Einstellung von Zr ein Abgleich erzielt werden kann. Weiler ist ersichtlich, daß Änderungen der Nelzspannung
den Abgleich nicht beeinflussen.
Beispielsweise werden Änderungen von Z\ infolge Verschlechterung der Isolationseigenschaften dadurch
erfaßt, daß entweder eine Änderung der Nulleinstellung eintritt oder es nicht möglich ist, den Abgleich zu
erreichen.
F i g. 2A zeigt einen abgewandelten Teil der Schaltung der Fig.2 mit einer Änderung der Verbindung
oder Kopplung. Statt in der gemeinsamen Erdleitung 22' wird der Strom in jeder Phasenleitung 34A34B und 34C
gemessen oder erfaßt. Statt eines werden drei Stromwandler 36 A 365 und 36C, je einer für jede Phase,
verwendet. An jede Sekundärwicklung des entsprechenden Wandlers ist ein getrenntes Phasen- und Amplitu- jo
Die in Fig. 2A gezeigte Weiterbildung erlaubt eine
größere Flexibilität insofern, als für jede beliebige Einstellung der Werte für Z ein Abgleich gefunden
werden kann. Bei Abgleich gilt:
(Yl + Yl + YA\. ^k
\ Z1 Z2 Z3 / /1
/Kl ZR
Zr2
V3
40
Unter dieser Bedingung kann durch Einstellung der drei Zr ein Abgleich erzielt werden; es existiert eine
unendliche Anzahl von Abgleichzuständen.
Wählt man
üä_ = - a
= t. 2
«c/Z«,' * Z1
XcJZr, A Z3
worin λ und ^ Vektorgrößen sind, so gilt bei Abgleich
η Z1
η Xc,
50
55
60
Auch hier hat die Netzspannung keinerlei Auswirkung auf den Abgleich.
Es fragt sich nun, wie ein Abgleich gefunden werden kann, wenn sich eines der Z ändert Geht man von den
ursprünglichen Einstellungen Zr aus, so gibt es verschiedene Wege, den Abweichungsvektor zu lösen.
Einer ist die Verwendung der Einstellungen von Zr.
ίο
Kann z. B. ihre Amplitude bei festem Phasenwinkel geändert werden, so kann das eine fest bleiben, und die
beiden anderen können auf einen eindeutigen neuen Abgleich abgestellt werden. Der Abweichungsstrom
kann hinsichtlich Amplitude und Phase aus der Differenz zwischen der alten und der neuen Abgleichstellung
bestimmt werden. Größe und Phase der Abweichung sind nicht frei von Einflüssen der
Netzspannung, da es unwahrscheinlich ist, daß der neue, aus einer unendlichen Anzahl möglicher Abgleiche
gewählte Abgleich die einzige spannungsunempfindliche Nullstellung ist. Dies ist jedoch ein Effekt zweiter
Ordnung und beeinflußt den Wert der Ergebnisse nicht merklich.
In der Praxis ähnelt eine erfindungsgemäße Anordnung der in F i g. 3 gezeigten Schaltung, in F i g. 3 ist die
Testanordnung im einzelnen gezeigt. Entsprechende Teile haben die gleichen Bezugszeichen wie in den
Fig. 1,2 und 2A mit dem Zusatz ". Insbesondere ist die doppelte Einstellmöglichkeit der Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen
in der praktischen Ausführungsform schematisch genauer gezeigt. Primär- und Sekundärwicklungen der Stromwandler sind schematisch
als Wicklung dargestellt. Die Phasenschieber für die jeweiligen Phasen 2\A", 21B"und 21C"sind an die
Sekundärwicklungen angeschlossen, die in diesem Fall an einen Transformator 26" angeschlossen sind. Die
Wicklungen 40/4, 4OS und 4OC der Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen sind so geschaltet,
daß ihre Eingangssignale summiert werden. Diesen Wicklungen ist die an die Sekundärwicklung des
Stromwandlers der Erdstrom-Aufnahmeeinheit 24" angeschlossene Erdstromwicklung 44 entgegengeschaltet.
Die Primärwicklung des Stromwandlers der Aufnahmeeinheit 24" ist in Reihe mit der einzig
verbleibenden Erdverbindung 18" geschaltet. Die Anzapfungen 42A 42B und 42C der Wicklungen 4OA
4OS und 4OC bilden die Amplituden-Einstelleinrichtungen 21.A ", 21B" und 21C", und durch diese Anzapfungen
kann die Windungszahl der Wicklungen 4QA, 4OS und 4OC verändert werden. Variable Widerstände 43Λ, 43S
und 43C dienen zur Phaseneinstellung. Jedes dieser einstellbaren Elemente ist mit einer geeichten Skala
versehen, mittels der beim Einstellen eine Ablesung sowie eine Rückstellung auf vorherbestimmte Werte
möglich ist. Die Eichung im im Test befindlichen Gerät kann zweckmäßigerweise als Kapazität für die Anzapfungen
42Λ, 42Bund 42C ausgedrückt werden. Für die
variablen Widerstände 43Λ, 43S und 43Ckann auf der
Skala zweckmäßigerweise der Verlustfaktor (tan <5) aufgetragen werden. Der Abgleich oder Nichtabgleich
der durch die Ampere-Windungen in der Summiereinheit 26" erzeugten magnetomotorischen Kraft (MMK)
wird mittels einer Meßwicklung 46 erfaßt. Diese ist ihrerseits an einen amplituden- und phasenempfindlichen
Nulldetektor 28", vorzugsweise einen Oszillographen, angeschlossen, der einen getrennten Abgleich
hinsichtlich der Amplitude in Form der Einstellung der Ampere-Windungen und der Phase in Form der
Widerstandseinstellung der beiden Komponenten der Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen in jeweils
nur einer Phase gestattet.
Die Verwendung der Schaltungsanordnung der F i g. 3 ist von besonderem Interesse in Verbindung mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren. In der Praxis wird die in Fig.3 gezeigte Schaltungsanordnung zunächst
unter Verwendung der Amplituden-(Kapazitäts) und Phasenwinkel-(Verlustfaktor)-Variablen der Phasen-
und Amplituden-Einstelleinrichtung in geeigneter Weise auf die Anfangswerte eingestellt werden. Dies ist, bei
neuem Gerät, dadurch möglich, daß die Einstellungen für die Kapazität und den Verlustfaktor in jeder Phase
bestimmt werden. Die Einstellungen von Kapazität und Verlustfaktor sind für jedes bestimmte neue Gerät
bestimmbar. Das bevorzugte Verfahren hierzu besteht in der Benutzung der Anordnung selbst als Einphasengerät,
mit dem die einzelnen Phasen des zu testenden Geräts aufeinanderfolgend ausgemessen und jede Phase
der Anordnung der entsprechenden Phase des Geräts angepaßt wird. Üblicherweise ist es wünschenswert, das
Gerät vom Netz zu trennen und es an eine getrennte Spannungsquelle anzuschließen. Alternativ kann zur
Messung der Kapazität und des Verlustfaktors ein weiteres getrenntes Teil eines Einphasen-lsolationsmeßgeräts
für jede Phase getrennt verwendet werden. Eignet sich keine dieser Techniken, so können im
allgemeinen die Angaben für ein bestimmtes Gerät oder einen Gerätetyp oder eine andere beliebige Datenquelle
hierfür verwendet werden. Nachdem die Werte und Einstellungen gewählt sind, müssen sie während der
gesamten nachfolgenden Tests stets als Norm für das jeweilige Gerät verwendet werden. Die Einstellungen
sollten möglichst sorgfältig und genau gewählt werden, um eine maximale Unterdrückung des Spannungseinflusses
auf die Testergebnisse zu erzielen.
Genauer, beim Beginn jedes Tests sind die Einsiellungen
von Kapazität und Verlustfaktor in den Phasen- und Amplituden-Einstellrichtungen 2\A", 2\B" und 21C"
bei diesen ursprünglichen Werten für das im Test befindliche Gerät fest. Danach werden diese Faktoren
einzeln verändert, und zwar jeweils nur eine Variable. Beispielsweise wird die Anzapfung 424 verstellt, bis die
Größe abgeglichen ist. Darauf kann der Widerstand 43/4 der Phasen-Einstelleinrichtung 21A" verändert
werden, bis der Phasenwinkel des Stroms abgeglichen ist. Die Einstellungen des Widerstandes 43A und der
Anzapfung 42A werden notiert, und Widerstand 43A und Anzapfung 42A werden auf ihre ursprünglichen
Werte rückgestellt. Die gleiche Einstellung wird bei den anderen Phasen durchgeführt. Verwendet man die drei
Phasen hintereinander und unabhängig voneinander, so wird eine Wahl der Einstellungen für jede Phase
erhalten, die bezüglich eingetretenen Veränderungen der Isolation eine Bedeutung haben. Abweichungen von
den ursprünglichen Einstellungen und früheren Testeinstellungen zeigen eingetretene Isolationsänderungen an.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand des Schaltbildes der F i g. 3 und der Spannungs- und
Strom-Vektordiagramme der F i g. 4A und 4B näher erläutert, die die dreiphasigen Spannungen und
Isolationsströme des zu untersuchenden Geräts darstellen. Gemäß F ι g. 3 werden die Versorgungsspannungen
von den Leitungen \2A", 12ß"und 12C"zugeführt Wie ersichtlich, sind die Isolationsphasenströme gegenüber
ihren Spannungsvektoren nicht um 90° phasenverschoben. Dies liegt an der Art des Dreiphasennetzes, bei dem
Amplitude und Frequenz um 120° gegeneinander phasenverschoben sind.
Da die Isolation im wesentlichen kapazitiver Art ist, eilen die Ströme den Spannungen voraus. Die Größe
der Vorauseilung ist in gewissem Maße abhängig von den Isolationseigenschaften. Der gesamte Erdstrom In,
liegt in Phase mit dem Strom der ersten Phase /*,, so
daß der Gesamtstrom um In, größer ist als die anderen
Ströme /*, und Ιφ:. . Sind die Phasenströme gleich groß
und um 120° gegeneinander phasenverschoben und damit symmetrisch, so besteht Phasengleichgewicht,
und es kann kein Erdstrom fließen.
Im Laufe der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird jede der beiden Einstellungen in jeder
> Phasen- und Einstelleinrichtung, wie beschrieben, sequentiell in den verschiedenen Phasen durchgeführt,
und zwar derart, daß bei In, Abgleich erzielt wird. In dem
dargestellten einfachen Fall wird durch Einstellung der Anzapfung 42/4 unter Anzeige durch den Nulldetektor
ίο 28" die Auswirkung des Stroms In, gelöscht oder
unterdrückt. Das Einstellverfahren wird im folgenden noch näher erläutert.
F i g. 5A, 5B und 5C zeigen die Beziehungen zwischen
den Spannungs- und Stromvektoren in jeder einzelnen Phase des zu testenden Geräts, und zwar unter
Beachtung der Phasenstellung in den Vektordiagrammen der F i g. 4A und 4B. In den F i g. 5A, 5B und 5C sind
die Phasenströme in ihren kapazitiven und ohmschen Anteil zerlegt.
Fig.6A und 6B zeigen die jeweiligen Spannungen
und Ströme in den Kopplungseinheiten, insbesondere an den Kondensatoren 2OA", 20ß" und 2OC". Die
Spannungen entsprechen den Netzspannungen und sind ähnlich bezeichnet und liegen in der gleichen Phasenlage
wie in F i g. 4A, so daß sie hiermit direkt vergleichbar sind. Die Ströme /Ίη /2C und /)C, die in Fig. 3
eingezeichnet sind, eilen wegen der fast reinen kapazitiven Art der Kopplungseinheit den Spannungen
um 90° voraus. Die Stromwandler seien miteinander identisch; ihr Windungsverhältnis sei nc. Der Strom /V
jeder Kopplungseinheit ist dann gleich dem Produkt nc ■ ic in jeder Phase.
Die Arbeitsweise jeder Phasen- und Amplituden-Einsieüeinrichlurig
ist die gleiche. Sie ist aus dem
J5 Ersatzschaltbild der F i g. 7 ersichtlich. F i g. 8A, 8B und
8C zeigen die in jeder Phase des Phasenschiebers gemäß F i g. 7 fließenden Ströme mit den Gesamtströmen Z11. /2,
und Zj1. gemäß Fig.3. In jedem Fall fließt die
Komponente ic durch den Kondensator und die Komponente i'r durch den Widerstand. Die Komponente
ir (Fig.8A) ist gleich dem Strom /',, der durch die
Wicklungen 4OA, 405 und 4OC fließt und die durch die Summiereinheit 26" abzugleichende wirksame magnetomotorische
Kraft erzeugt. Die Einstellung der Phase geschieht durch Einstellung von R in F i g. 7, wodurch
sich der Phasenwinkel von /« gegenüber der Phase des
Vektors A ändert. Diese Änderung des Widerstandes R bewirkt nur eine unbedeutend kleine Änderung der
Größe von /r, wenn R gegenüber der Reaktanz von C
klein ist. Die Größe der Auswirkung von /« wird durch
Einstellung der Windungszahl an der Anzapfung 42A (F i g. 3) eingestellt. Somit stellt das Ampere-Windungsprodukt n\ ■ i'\ den Phasenstrom /u% abgewandelt durch
/7„ und die geeichte Phaseneinstellung 43A und die Wahl
der Windungszahl 42A dar.
In gleicher Weise werden die beiden anderen Phasenströme i2c und i3c durch n2 · /'2 und n3 - /3
wiedergegeben.
Fig.9 zeigt die Abhängigkeit der Ampere-Windungsvektoren
von den Kopplungseinheiten und der Aufnahmeeinheit nach der Nulleinstellung. Die zugehörige
Gleichung zeigt, daß die zugehörigen magnetomotorischen Kräfte jeder Kopplungseinheit kombiniert
gerade die vom Erdstrom bei Abgleich erzeugte
magnetomotorische Kraft aufhebt, d.h.,
/Vm = πι - i\ + /J2 · /'2 + Π3 · /3 , wenn die gesamte
magnetomotorische Kraft in der Summationseinheit gleich Null oder Abgleich erreicht ist.
Die Einstellungen von Amplitude und Phasenwinkel können als Kapazität und Verlustfaktor der entsprechenden
Phasen des untersuchten Geräts interpretiert werden, und zwar mittels herkömmlicher Wechselstrombrücken-Messungen.
Die Instrumentenskala oder -anzeige kann entsprechend geeicht werden.
Fig. 10 zeigt eine Reihe einander zugeordneter Diagramme, die die Änderung der Nulleinstellungen des
Verlustfaktors gegenüber einer Zeitachse darstellen. Die Zeit wird durch gemeinsame Beobachtungspunkte
dargestellt, die in gleichen oder unterschiedlichen Intervallen zueinander liegen können. In den unteren
Diagrammen ist die relative Änderung des Verlustfaktors der jeweiligen Phase dargestellt Entsprechende
Diagramme können für die Kapazitätsänderung in jeder Phase angefertigt werden; in der Praxis erscheinen
jedoch die Änderungen als Änderungen des Verlustfaktors, so daß durch entsprechende Diagramme unter
diesen Umständen nur wenig gewonnen würde. Der Verlustfaktor (tan <5) ist für kleine Winkel ö im
wesentlichen äquivalent dem Kosinus θ (Leistungsfaktor), wobei ό und θ komplementäre Winkel sind und θ
der Phasenwinkel zwischen Strom- und Spannungsvektor ist. Diese Diagramme zeigen somit die Phasenänderungen
über eine Zeitperiode. Im vorliegenden Fall wurde die Aufzeichnung unter Simulation eines
Isolationsfehlers in einer Phase eines Schaltunterbrechers angefertigt, in dessen drei Phasen die Änderungen
durch zusätzliche Widerstände parallel zu einer Phase des Schaltunterbrechers simuliert wurden. Die Beobachtungen
1 bis 16 zeigen das hinsichtlich seines Verlustfaktors bis auf temperaturbedingte Änderungen
unveränderte oder im wesentlichen unveränderte Gerät. Die Temperatur lag hierbei zwischen etwa 20
und etwa 26°C. Bei den Beobachtungen 17 bis 22 wurde
der Verlustfaktor der Phase A willkürlich durch sequentielle Einfügung von Widerständen mit den
Werten 1500, 1250, 1000, 750, 500 bzw. 250 ΜΩ geändert. Bei diesen Beobachtungen lag die Temperatur
zwischen etwa 26 und etwa 35° C. Bei den Beobachtungen 23 bis 26 war der ursprüngliche Zustand ohne
Widerstände wiederhergestellt. Die Temperaturen lagen zwischen etwa 27 und etwa 300C.
Wenn diese Ergebnisse im Betrieb auftreten, kann die Bedienungsperson bei der Beobachtung 22 beispielsweise
drei verschiedene Schlüsse ziehen. Es kann sich nämlich der Verlustfaktor der Phase A um etwa 2%
erhöht oder der der Phase B um '/2% oder der der Phase Cum I1/2% verringert haben. Zu vermuten ist
daß sich der Zustand an der Phase A geändert hat, weil die beiden anderen Änderungen eine Verbesserung des
Verlustfaktors darstellen, was bei tatsächlich ausgeführten Geräten physikalisch unwahrscheinlich ist Ein
solcher merklicher Anstieg des Verlustfaktors rechtfertigt es, das Gerät zur Wartung bei nächster Gelegenheil
außer Betrieb zu setzen. Die beobachtete Änderung kann auch durch eine plötzliche Kombination von
Änderungen von C und/oder DF in zwei Phasen hervorgerufen werden. Die Wahrscheinlichkeit solcher
kombinierter Änderungen sowie der Tatsache, daß sie eine gefährliche Verschlechterung der Isolationseigenschaften
anzeigen, ist abhängig vom einzelnen Teil des Geräts und seiner Geschichte.
Fig. 10 zeigt, daß bei verhältnismäßig engen
Temperaturbereichen sehr geringe Änderungen der Einstellungen von Kapazität und Verlustfaktor auftreten,
vorausgesetzt, daß sich der Isolationszustand nicht
ändert.
Treten nur geringe oder keine Änderungen der Einstellwerte ein, so ist die Wahrscheinlichkeit einer
bedeutenderen Verschlechterung des Isolationszustandes unwahrscheinlich. Treten Änderungen ein, so ist
davon auszugehen, daß sich der Isolationszustand verschlechtert hat. Ist die Änderung verhältnismäßig
groß, so bestehen offenbar ernste Mängel, die eine Außerbetriebsetzung des Geräts für weitere Untersuchungen
angezeigt erscheinen lassen.
Durch die Erfindung wird eine bestehende Schwierigkeit gelöst. Die Schwierigkeiten können sich je nach Art
des Geräts, der Isolierung, der Spannungen oder anderer Parameter, Betriebsart und weiterer Faktoren
ändern.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die Benutzung der erfindungsgemäßen Anordnung ermöglichen die
Sammlung von Daten in Form verschiedener Skaleneinstellungen für ihren Beobachtungszeitraum. Die Deutung
der erhaltenen Daten hängt von der individuellen Erfahrung des Benutzers der Anordnung und des
Verfahrens für jeden einzelnen Anwendungsfall ab. Die Erfindung ist in verschiedenerlei Weise und für die
verschiedensten Zwecke anwendbar. Welche Technik auch immer unter Benutzung der Erfindung angewendet
wird, die erfindungsgemäß erhaltenen Daten ermöglichen es dem Fachmann, die Verschlechterung des
Isolierzustandes festzustellen und abzuschätzen.
Hierzu 7 Blatt Zeichnungen
Claims (6)
1. Verfahren zur Überwachung des Isolationszustandes
der Phasen eines ein- oder mehrphasigen Geräts, dadurch gekennzeichnet, daß
sämtliche Erdverbindungen des Geräts bis auf eine aufgetrennt und in die verbliebene eine Erdstrom-Meßeinrichtung
geschaltet wird, mit der ein dem Erdstrom proportionales Prüfsignal erzeugt werden
kann, daß zwischen jede Phase des ein- oder mehrphasigen Netzes, an das das Gerät angeschlossen
ist, und Erde getrennte Kopplungseinheiten geschaltet werden, daß ein dem durch jede
Kopplungscinheit fließenden Strom proportionaler Prüfstrom für diese Phase gebildet wird, daß für jede
Phase zur Änderung des Phasenwinkels ur<d der Amplitude des den Phasenstrom darstellenden
Prüfstroms getrennte geeichte Phasenwinkel- und Amplituden-Einstelleinrichtungen vorgesehen werden,
daß die so aus den Phasenströmen gebildeten Prüfsignale in einer Summiereinheit mi): einem
Nulldetektor addiert und dem Erdstrom-Prüfsignal entgegengeschaltet werden, daß bis auf eine
sämtliche Phasenwinkel- und Amplituden-Einstelleinrichtungen auf vorherbestimmte feste Einstellwerte
eingestellt werden, die den Zustand der entsprechenden Phase des Geräts zu einem zeitlichen
Bezugspunkt simulieren, daß die Einstellungen des Phasenwinkels und der Amplitude dieser einen
Phase verstellt werden, bis der Nulldetektor für beide Einstellungen einen Abgleich zeigt, daß die
Einstellungen abgelesen werden, wobei die Ablesungen in dieser Phase des zu überwachenden Geräts
Kapazität und Verlustfaktor darstellen, und daß der Vorgang gegebenenfalls für jede andere Phase des
Geräts wiederholt wird.
2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine
Kopplungseinheit (20/4, 20B, 2OC), die zwischen das
Netz, an das das zu testende Gerät angeschlossen ist, und Masse geschaltet und mit Einrichtungen (19A",
19ß", \9C")zur Erfassung des durch die Kopplungseinheit fließenden Stroms versehen ist, durch an die
Kopplungseinheit angeschlossene Phasenwinkel- und Amplituden-Einstelleinrichtungen (21/1, 21S,
21 C), mit deren Hilfe Amplitude und Phasenwinkel des Prüfstroms zur Erzeugung von Prüfsignalen
einstellbar sind, durch eine Erdstrom-Meßeinrichtung (24) zur Erfassung des in der Erdverbindung des
Geräts fließenden Erdstromes zur Erzeugung eines dem Erdstrom proportionalen Erdstrom-Prüfsignals,
durch eine Summiereinheit (26), in der die Prüfsignale und das Erdstrom-Prüfsignal einander entgegengerichtet
werden, so daß, wenn Phasenwinkel- und Amplituden-Einstelleinrichtungen so eingestellt sind,
daß sie einen geänderten Zustand des Geräts simulieren, die Prüfsignale und das Erdstrom-Prüfsignal
einander aufheben, und durch einen Nulldetektor (28) der an die Summiereinheit angeschlossen
ist und bei einem Abgleich anspricht.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Kopplungseinheit (2OA 20ß, 2OQ
einen Kondensator enthält.
4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungseinrichtung jeder
Koppeleinrichtung aus einem Stromwandler (36A 36ß.36Obesteht.
5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summationseinheit (26) aus einem
Magnetkern mit Wicklungen (36A 36ß, 3SC) für jeden Prüfstrom und den Erdstrom, und daß die
Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen jeder Phase aus einer Einrichtung (42A 42ß, 43Q zur
Veränderung der Amplitude und einer Einrichtung (43A, 43ß, 43C) mit variablem Widerstand zur
Änderung der Phase des Stroms zur Summationseinheit (26) zur Änderung der wirksamen Windungszahl
dieser Wicklung besteht
6. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei Koppelkondensatoren vorgesehen
sind, von denen jeweils eine Platte an eine Phase des dreiphasigen Netzes anschließbar ist, an das das
zu untersuchende Gerät angeschlossen ist, daß vier Stromwandler mit je einer ersten und einer hiermit
magnetisch gekoppelten zweiten Wicklung vorgesehen sind, wobei die erste Wicklung von drei
Stromwandlern (t9A", \9B", i9C") zwischen die
jeweils zweiten Platten der Koppelkondensatoren geschaltet und die erste Wicklung des vierten
Stromwandler (24") in eine einzige Erdleitung (18") des zu testenden Geräts schaltbar ist, so daß sie im
Erdstrompfad liegt, daß ein Transformator (26") je Stromwandler eine Wicklung enthält, die über eine
Koppeleinrichtung mit den jeweils zweiten Wicklungen der Stromwandler derart gekoppelt ist, daß die
von den Strömen von den drei an die Koppelkondensatoren angeschlossenen Wandler erzeugte
magnetomotorische Kraft der vom Erd-Prüfstrom vom zu testenden Gerät erzeugten magnetomotorischen
Kraft entgegenwirkt, so daß sie einander aufheben, daß drei Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen
(42A 43A 42ß, 43ß, 42C, 43C;
zwischen die Sekundärwicklung der an die Koppelkondensatoren angeschlossenen Stromwandler und
ihre Wicklungen am Transformator geschaltet und so einstellbar sind, daß Amplitude und Phase derart
modifiziert werden, daß modifizierte Prüfphasenströme für jeden Phasenzustand in der entsprechenden
Phase des zu testenden Geräts simuliert werden, und daß ein Nulldetektor (28") an eine Meßwicklung
(46) des Transformators angeschlossen ist, so daß festgestellt werden kann, wenn der Prüf-Erdstrom
im Transformator die Prüf-Phasenströme aufhebt, wobei die Phasen- und Amplituden-Einstelleinrichtungen
derart einstellbar sind, daß der kumulative Effekt der drei Phasen des Geräts simuliert wird.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US05/624,421 US4054832A (en) | 1975-10-21 | 1975-10-21 | System and method of measurement of insulation qualities of three-phase power equipment |
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DE2647346C3 DE2647346C3 (de) | 1982-02-25 |
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CA (1) | CA1056456A (de) |
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DE (1) | DE2647346C3 (de) |
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8328 | Change in the person/name/address of the agent |
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