DE2738422A1 - High-power AC switch consisting of passive components - acts as series LC circuit in conducting state and parallel LC circuit in non-conducting state - Google Patents
High-power AC switch consisting of passive components - acts as series LC circuit in conducting state and parallel LC circuit in non-conducting stateInfo
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Abstract
Description
Wechselstrorschalter aus r>assiven BauelementenAC switch made of aggressive components
Die Erfindung betrifft Wechselstromschalter aus passiven Bauelementen, insbesondere zum Schalten großer elektrischer Leistungen.The invention relates to AC switches made of passive components, especially for switching large electrical powers.
Zum Schalten auch großer elektrischer Leistungen im Wechselstromnetz verwendet man sowohl Schalter mit beweglichen Kontakten als auch kontaktlos arbeitende Schalteinrichtungen mit Halbleitern.For switching also large electrical outputs in the alternating current network both switches with moving contacts and non-contact switches are used Switching devices with semiconductors.
Die mit beweglichen Kontakten arbeitenden mechanischen Schalter unterliegen einem verhältnismäßig hohen Verschleiß, weil insbesonderte bein Abschalten der Leistung an den Fußpunkten des dabei entstehenden Schaltlichtbogens Teile der voneinander getrennten Kontakte schmelzen oder verdampfen. Daraus ergibt sich für die Kontakte dieser Schalter eine verhältnismäßig kurze Lebensdauer die wiederum die Wartung der Schalter in verhältnismäßig kurzen Zeitabständen erforderlich macht. Da Wartungsarbeiten an Schaltern häufig mit der Stillegung von von dem Schaltmittel abhängingen Einrichtungen verbunden sind, ist man bestrebt den Abstand der Vartungon so groß wie möglich zu machen.The mechanical switches working with moving contacts are subject to a relatively high level of wear and tear, especially when the power is switched off parts of each other at the base of the switching arc that arises separate contacts melt or vaporize. This results for the contacts this switch has a relatively short lifespan which in turn requires maintenance the switch makes it necessary at relatively short time intervals. Because maintenance work at switches often with the shutdown of devices that are dependent on the switching means one strives to keep the distance between the Vartungon as large as possible do.
Aus diesem Grund sind auch schon Schalteinrichtungen mit kontaktlos arbeitenden Halbleitern, wie beispielsweise Leistungsthyristoren bekannt und eingesetzt. Diese Schalteinrichtungen erfordern Jedoch einen verhältnismäßig großen Aufwand hinsichtlich der ihro Zündung steuernden Geräte. Dies trifft besonders dann zu, wenn mit Phasenverschiebungen zwischen dem Strom und der Spannung zu rechnen ist. Abgesehen davon sind Halbleiter zum Einsatz in Schaltern für sehr große Leistnngen, wie sie bei spielsweise an den Verknüpfungspunkten der Hochspannungshochleitungsnetze auftreten, nur bedingt einsatzfähig.For this reason, switching devices with are also contactless working semiconductors, such as power thyristors, are known and used. However, these switching devices require a relatively large effort with regard to the devices controlling your ignition. This is especially true if phase shifts between the current and the voltage are to be expected. Apart from that, semiconductors are used in switches for very large capacities, like them at for example at the connection points of the high-voltage overhead line networks occur, can only be used to a limited extent.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde einen Wechselstromschalter zu schaffen, der einerseits mit einem sehr geringen Kontaktabbrand an seinen mechanischen Kontaktstellen arbeitet und andererseits auch zum Einsatz bei extrem großen zu schaltenden elektrischen Wechselstromleistungen geeignet ist.The invention is therefore based on the object of an AC switch to create, on the one hand, with a very low contact erosion on its mechanical Contact points works and on the other hand also for use with extremely large to be switched AC electrical power is suitable.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Wechselstromschalter filr einen Strom mit der Kreisfrequenz # -2#f dadurch gelöst, daß im leitenden Schaltzustand eine Reihenschaltung aus einer Induktivität X und einer Kapazität C mit dem Größenverhältnis # x-1/#C in einer Reihenresonanz zur Stromführung dient und daß in sperrenden Schaltzustand mindestens eines dieser beiden Schaltglieder zusammen mit einem elektrisch parallel zugeschalteten Schaltglied einen Parallelresonanzkreis bildet.According to the invention, this object is achieved in an alternating current switch for a current with the angular frequency # -2 # f solved in that in the conductive switching state a series circuit of an inductance X and a capacitance C with the size ratio # x-1 / # C is used in a series resonance to conduct current and that in the blocking switching state at least one of these two switching elements together with one electrically parallel connected switching element forms a parallel resonance circuit.
Dabei dient nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als zusätzliches Schaltglied eine der Induktivität X parallelgeschaltet zweite Kapazität C und ist nach einer weiteren Ausgespaltung als zusätzliches Schaltglied der Kapazität C eine zweite Induktivität X parallelgeschaltet.According to an advantageous embodiment of the invention, it serves as a additional switching element a second capacitance connected in parallel to the inductance X. C and is after a further split as an additional switching element of the capacitance C a second inductance X connected in parallel.
Nach anderen vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung ist vorgesehen, daß der Kapazität C als zusitzliches Schaltglied eine Hälfte einer Transformatorwicklung parallelgeschaltet ist, deren andere Hälfte parallel zur Induktivität X liegt. Nach weiteren Ausgestaltungsmerkmalen der Erfindung ist die Reihenschaltung aus der Induktivität X und der Kapazität C zur Entlastung im Dauerbetrieb kurzschließbar und unterbricht ein der Reihenschaltung aus der Induktivität X und der Kapazität C vorgeschalteter Zusatzkontakt jeweils nach Erreichen des sperrenden Schaltzustands durch öffnen einen Reststrom durch den Wechselstromschalter.According to other advantageous embodiments of the invention, it is provided that the capacitance C as an additional switching element is one half of a transformer winding is connected in parallel, the other half of which is parallel to the inductance X. To Another design feature of the invention is the series connection of the inductance X and the capacitance C can be short-circuited and interrupted to relieve the load in continuous operation one upstream of the series circuit consisting of the inductance X and the capacitance C. Open additional contact after reaching the blocking switching state a leakage current through the AC switch.
In Anwendung auf eine Stufenschalteinrichtung zur unterbrechungs- losen Lastumschaltung bei Transformatoren und Drosseln für große Leistungen mit zwei mit Anzapfungen einer Stufenwicklung verbindbarren von einer gemeinsamen Lastleitung ausgehenden Wählerarmen ist die erfindungsgemäße Aufgabe dadurch gelöst, daß in Jedem der beiden Wählerarme ein durch Zuschalten eines Schaltgliedes einer Parallelresonanz abschaltbarer Wechselstromschalter vorgesehen ist und daß beim Stufenschalter ein kurzzeitiger Stufenkurzschluß in Kauf genommen ist, ehe in dem abzuschaltenden Wählerarm durch Zuschalten eines Schaltgliedes und Bildung der Parallelresonanz der Kurzschlußstrom unterbrochen ist. Dabei fehlt vorteilhafterweise ein besonderer den Stufenkurzschlußstrom begrenzender Überschaltwiderstand, da sich der Kurzschlußstrom erst linear mit der Zeit zunehmend ausbildet ( z. B. nach i-#t sin #t) Der erfindungsgemäße Wechselstromschalter ist besonders vorteilhaft, weil zum Abschalten einer Last ein Parallelstromkreis geschlossen werden muß, so daß kein Abschaltlichtbogen auftreten kann. Die den Parallelstromkreis schließenden Kontakt arbeiten mit einem sehr geringen Verschleiß und haben demzufolge eine sehr hohe Lebensdauer mit sehr großen Kontrollintervallen. Der erfindungsgemäße Wechselstromschalter ist insbesondere in Stufenschalteinrichtungen für Leistungstransformatoren für sehr große Leistungen sehr vorteilhaft einsetzbar, weil in diesen Anlagen einerseits sehr große Leistungen geschaltet werden müssen und andererseits das Spannungstreimachen der Einrichtung zu Wartungszwecken auf das geringstmögliche Maß beschrinkt werden kann.In application to a step switching device for interruption to solve Load switching for transformers and chokes for large capacities with two with Taps on a step winding connect bars from a common load line outgoing voter arms, the object of the invention is achieved in that in Each of the two selector arms one by switching on a switching element of a parallel resonance Disconnectable alternating current switch is provided and that a step switch short-term step short-circuit is accepted before in the voter arm to be switched off by connecting a switching element and creating the parallel resonance, the short-circuit current is interrupted. A special step short-circuit current is advantageously missing limiting transition resistance, since the short-circuit current only increases linearly with the Increasing time trains (z. B. after i- # t sin #t) The alternating current switch according to the invention is particularly advantageous because a parallel circuit is used to switch off a load must be closed so that no cut-off arc can occur. The the parallel circuit closing contact work with very little wear and consequently have a very long service life with very long control intervals. The inventive AC switch is especially used in tap changers for power transformers Can be used very advantageously for very high outputs, because on the one hand in these systems very large powers have to be switched and, on the other hand, the voltage stripping the facility for maintenance purposes can be restricted to the lowest possible level can.
Einige Ausführungsbeispiele und ein Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wechselstromschalteinrichtung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.Some embodiments and an application example of an inventive AC switching devices are explained in more detail with reference to a drawing.
Figur 1, 2 und 3 zeigen Je ein einpoliger Ausführungsbeispiel für einen Wechselstromschalter. Figures 1, 2 and 3 each show a single-pole embodiment for an AC switch.
Figur 4a bis e zeigt zwei symmetrisch zu einer gemeinsamen Lastleitung angeoronete Wechselstromschalter in einer Stufenschalteinrichtung für Transformatoren in fünf zu einer Stufenschalter erforderlichen aufeinanderfolgenden Schaltstellungen. Figure 4a to e shows two symmetrical to a common load line Anoronete alternating current switch in a step switching device for transformers in five successive switching positions required for a step switch.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit gleichen B.zugszeichen versehen.Corresponding parts are given the same prefix in all figures Mistake.
Zwischen zwei durch einen Schalter zu verbindenden bzw. zu trennenden Klemmen 1 und 2 sind in einer Reihenschaltung eine Kapazität C und eine Induktivität X angeordnet. Bei der Anordnung gemäß Figur 1 ist parallel zur Induktivität X eine in Reihe mit einem Schalter 8 liegende zweite Kapazität C vorgesehen. Die In-Induktivität X und die Kapazitäten C sind so ausgelegt, daß c X- 1/taC ist. Demzufolge bilden die Induktivität X und eine Kapazität C in Reihe eine Reihenresonanz mit dem resultierenden Widerstand nahe Null. Dagegen ist der resultierende Widerstand bei einer Parallelschaltung der Induktivität X mit einer Kapazität C nahezu unendlich groß.Between two to be connected or disconnected by a switch Terminals 1 and 2 are connected in series with a capacitance C and an inductance X arranged. In the arrangement according to FIG. 1, there is a parallel to the inductance X in series with a switch 8 second capacitance C is provided. The in inductance X and the capacitances C are designed so that c is X- 1 / taC. Form accordingly the inductance X and a capacitance C in series have a series resonance with the resulting Resistance close to zero. On the other hand, the resulting resistance is in the case of a parallel connection the inductance X with a capacitance C is almost infinitely large.
Zur Herstellung einer leitenden Verbindung zwischen den Klemmen 1 und 2 wird der Schalter 5 geöffnet, so daß die Reihenschaltung aus der Kapazität C und der Induktivität X wirksam ist. Da hierbei der resultierende Widerstand aus der Reihenschaltung praktisch gleich Null ist, tritt zwischen den Klemmen 1 und 2 auch kein nennenswerter resultierender Spannungsabfall auf, so daß die Schaltungsanordnung wie ein geschlossener mechanischer Schalter wirkt. Zur thiterbrechung eines zwischen den Klemmen 1 und 2 fließenden Stromes wird der Schalter S geschlossen, so daß die Induktivität X zusammen mit der zweiten Kapazität einen Parallelresonanzkreis bildet, dessen resultierender Widerstand nahezu unendlich ist. Demzufolge fließt praktisch kein Stron mehr zwischen den Klemmen 1 und 2 und ein evtl. ueber die Schaltanordnung an Spannung angeschlossener Verbraucher wird nicht mehr mit elektrischer Leistung versorgt.To create a conductive connection between terminals 1 and 2 the switch 5 is opened, so that the series circuit from the capacitance C and the inductance X is effective. Since this is the resulting resistance the series connection is practically zero, occurs between terminals 1 and 2 also no significant resulting voltage drop, so that the circuit arrangement acts like a closed mechanical switch. To break a thiter between the terminals 1 and 2 flowing current, the switch S is closed, so that the Inductance X forms a parallel resonance circuit together with the second capacitance, the resulting resistance is almost infinite. As a result, practically flows no more power between terminals 1 and 2 and possibly via the switching arrangement Consumers connected to voltage are no longer supplied with electrical power provided.
Da insbesondere die Bauelemente auch einen ohmschen Widerstand haben und demzufolge bei Resonanz Reatwiderstände verbleiben, ist es zweckmäßig, sowohl in Reihe mit der Reihenschaltung aus der Kapazität C und der Induktivität X als auch parallel zu dieser Reihenschaltung einen nicht dargestellten mechanischen Kontakt vorzusehen. Dabei dient der in Reihe mit der Reihenschaltung liegende Kontakt durch Öffnen zur Unterbrechung eines Restatromes bei durch Parallelresonanz sperrendem Wechselstromschalter. Der zur Reihenschaltung parallele Schaltkontakt dient dagegen zu deren Entlastung im Dauerbetrieb indem er durch Schliessen den anmeldungsgemäßen Wechzelstromschalter kurzschließt. Auch Oberschwingungsströme müssen von diesen Schaltkontakten geschaltet werden.Since the components in particular also have an ohmic resistance and consequently remaining at resonance resistances, it is advisable to use both in series with the series connection of the capacitance C and the inductance X as also a mechanical contact, not shown, in parallel with this series connection to be provided. The contact lying in series with the series connection serves through Open to interrupt a Restatromes at due to parallel resonance locking AC switch. The switching contact parallel to the series connection on the other hand, serves to relieve them in continuous operation by closing the according to the application AC switch short-circuits. Even harmonic currents must be switched by these switching contacts.
Auch bei der Anordnung gemäß Figur 2 sind eine Kapazität C und eine Induktivität X zwischen Klemmen 1 und 2 in Reihe geschaltot und dienen zur Stromführung bei "geschlossenem" Wechselstromschalter. Parallel hierzu liegen Jedoch in lediglich vertauschter Reihenfolge noch einmal eine Induktivität X und einz Kapazitrat C die ebenfalls eine Reihenresonanz bilden und einen Teil des über die Anordnung fließenden Laststromes führen. Die Jeweiligen Verbindungsleitungen zwischen der Kapazität C und der Induktivität X dieser beiden Parallelzweige sind durch einen Schalter 8 v.rbindbar, der zum Sperren des Schalters geschlossen wird und dadurch die zwei parallelen Reihenresonanzen in zwei Parallelresonanzen in Reihenschaltung wandelt. Auch hierbei kann wieder in nicht dargestellter Weise ein mechanischer Schaltkofr tak Reihe zur Unterbrechung eines Reststromes bzw. Oberschwingungsstromes bei sperrendes Schaltzustand und ein Schaltkontakt parallel zur Anordnung zur Entlastung der Anordnung in Dauerbetrieb vorgesehen sein.Also in the arrangement according to FIG. 2, a capacitance C and a Inductance X connected in series between terminals 1 and 2 and are used to conduct current when the AC switch is "closed". However, in parallel there are only reversed order again an inductance X and a capacitance C die also form a series resonance and a part of the flowing over the arrangement Lead load current. The respective connecting lines between the capacitance C and the inductance X of these two parallel branches are controlled by a switch 8 v.rbindbar, which is closed to lock the switch and thereby the two converts parallel series resonances into two parallel resonances in series. Here, too, a mechanical switch box can again be used in a manner not shown tak series to interrupt a residual current or harmonic current in the event of a blocking Switching status and a switching contact parallel to the arrangement to relieve the arrangement be provided in continuous operation.
Bei der Anordnung gemäß Figur 3 ist parallel zu der Reihenschaltung aus der Kapazität C und der Induktivität X ein Transformator TR mit Wicklungen WI und W2 vorgesehen, wobei W1 gleich W2 ist. Die Verbindungsleitung der Wicklungen W1 und W2 ist über einen Schalter 8 mit der Verbindungsleitung der Kapazität C und der Induktivität X verbindbar. Die Wicklung WI des Tranformators TR hat die gleiche Induktivität wie die Induktivität X, so daß auch für diese die Beziehung #X=1/#C gilt. In leitenden Schaltzustand fließt der Laststrom wieder über die Reihenresonanz aus der Kapazität C und der Induktivität X, wobei die Wicklungen W1 und W2 des Transformators TR kurzgeschlossen sind. Dagegen bilden im sperrenden Schaltzustand die Wicklungen W1 und W2 zusammen mit der Kapazität C und der Induktivitit X eine Parallel resonanz, da diesen beiden Schaltelelementen durch den Transformator die gleichen Spannungen vorgegeben werden. Auch bei dieser Schaltanordnung kann es Je nach Anwendungsfall zweckmäßig sein zur Unterbindung eines Reststromes bzw. zur Entlastung der Wecheelstroischalteinrichtung im leitenden Zustand Je einen zusätzlichen mechanischen Kontakt vorzusehen.In the arrangement according to FIG. 3, there is parallel to the series circuit from the capacitance C and the inductance X a transformer TR with windings WI and W2, where W1 is equal to W2. The connection line of the windings W1 and W2 is via a switch 8 with the connecting line of the capacitance C and the inductance X can be connected. The winding WI of the transformer TR has the same Inductance like inductance X, so that the relationship # X = 1 / # C for this too is applicable. In the conductive switching state, the load current flows again via the series resonance from the capacitance C and the inductance X, the windings W1 and W2 of the transformer TR are short-circuited. In contrast, the windings form in the blocking switching state W1 and W2 together with the capacitance C and the inductance X are in parallel resonance, because these two switching elements have the same voltages due to the transformer can be specified. With this switching arrangement, too, depending on the application be expedient to prevent a residual current or to relieve the Wecheelstroischalteinrichtung Provide an additional mechanical contact each in the conductive state.
In Figur 4 sind zwei symetrisch zu einer gemeinsamen Lastleitung L angeordnet. Wechselstromschalter nach dem Prinzip der Schaltung gemäß Figur 1 vorgesehen. jeder der Wechaelstromschalter ist aus iner Reihenresonanz bestehend aus einer Induktivität X und einer Kapazität C und einem zusätzlich hierzu in Reihe vorgesehenen Kontakt K1 bzw. K2 und Je einem zur Induktivität X über einen Schalter 81 bzw. 52 parallelschaltbaren Kapazität C aufgebaut.In Figure 4, two are symmetrical to a common load line L. arranged. AC switch according to the principle of the circuit according to FIG. 1 is provided. each of the AC switches is made of a series resonance consisting of an inductance X and a capacitance C and an additional contact provided in series K1 or K2 and one each that can be connected in parallel to the inductance X via a switch 81 or 52 Capacity C built up.
In den Figuren 4a bis 4e sind fünf iiir eine Stufenschaltung typische Schaltzustände der Anordnung aus den zwei Wechselstromschaltern dargestellt. In der Schaltstollung gemäß Figur 4a fließt der Laststrom über einen nicht näher dargestellten Wählerkontakt und den Kontakt Kl zur Serienresonanz aus der Kapazität C und der Induktivität X zur Lastleitung L, nachdem ein nicht näher dargestellter evtl. zur Entlastung der Schalteinrichtung im Dauerbetrieb vorgesehener Schalter geöffnet ist. In dem nun iolgenden Schaltsohritt gemaß Figur 4b ist der Kontakt K2 ebenfalls geschlossen, so daß aueh über die mit diesem in Reihe liegende Reihenresonanz ein Laststrom zur Lastleitung L fließt. Da die beiden Reihenresonanzen Uber die Kontakte K1 und K2 an verschiedene Anzapfungen einer Transformatorwicklung angeschlossen sind, tritt in dieser Schaltstellung ein Stufenkurzschluß auf, in dessen zeitlich Verlauf der Stufenkurzchlußstrom gedrosselt lediglich durch die vorhandenen Leitungsimpedanzen und die in den Schaltungsgliedern der Wechselstromschalter vorhandenen Anteile an shmschen Widerständen. Durch den zeitlich linearen Anstieg des Stromes z. B. entsprechend der Funktion i-t sin ast dauert es einige Halbwellen, bis der Stufenkurzschlußstrom unzulässig hohe Werte erreicht.In FIGS. 4a to 4e, five are typical for a step circuit Switching states of the arrangement of the two AC switches are shown. In the Schaltstollung according to Figure 4a, the load current flows through a not shown Selector contact and the contact Kl for series resonance from the capacitance C and the Inductance X to the load line L, after a not shown possibly for Relief of the switching device in continuous operation provided switch open is. The contact K2 is also in the following switching step according to FIG. 4b closed, so that there is also a series resonance in series with this Load current flows to load line L. Since the two series resonances across the contacts K1 and K2 connected to different taps on a transformer winding are, a step short circuit occurs in this switching position, in which time Course of the step short-circuit current throttled only by the existing line impedances and the proportions present in the circuit elements of the AC switches shmschen resistances. Due to the linear increase in current z. B. accordingly the function i-t sin ast it takes a few half-waves until the step short-circuit current Inadmissibly high values reached.
Bereits vor dem Erreichen von unzulässig hohen Werten des Stufenkurzschlußstromes wird der Schaltzustand gemäß Figur 4c eingestellt, bei dem der Schalter S1 geschlossen ist und dadurch im oberen Wechselstromschalter eine Parallelresonanz aufgebaut hat, die sowohl den bis dahin Uber den Kontakt K1 geflossenen Stufenkurzschlußstrom als auch den Uber diesen Kontakt K1 geflossenen Laststrom unterbricht, weil der Widerstand in der Parallelresonanz nahezu unendlich groß ist. Der eigentliche Laststrom wird in dieser Schaltstufe bereits vom Kontakt K2 und der mit diesem in Reihe liegenden Serienresonanz geführt. Nacheinander werden nunmehr die Schaltzustände gemäß den Figuren 4d und 4e erreicht, in denen zunächst der obere Wechselstromschalter durch Öffnen des Kontaktes K1 spannungsmäßig entlastet ist und danach die Parallelresonanz durch Öffnen des Schalters S1 aufgehoben ist.Even before inadmissibly high values of the step short-circuit current are reached the switching state according to FIG. 4c is set, in which the switch S1 is closed and has thus built up a parallel resonance in the upper AC switch, both the step short-circuit current which has flowed through the contact K1 up to that point as also interrupts the load current flowing through this contact K1 because the resistance in the parallel resonance is almost infinitely large. The actual load current will in this switching stage already from contact K2 and the one in series with it Series resonance led. The switching states are now one after the other according to Figures 4d and 4e reached, in which first the upper AC switch through Opening of the contact K1 is voltage-relieved and then the parallel resonance is canceled by opening switch S1.
Die in Figur 4a bis 4e dargelegten Schaltzustände werden auch mit den Schaltprinzipien nach Figur 2 und 3 in ähnlicher Weise erreicht Die Verwendung der Wechselstromschalter in einer Stufenschalteinrichtung von Transformatoren führt im Ergebnis zu einer Anordnung mit sehr verschleißarmen mechanischen Schaltern, weil die Abschaltung des größten auftretenden Stromes durch das Schliessen eines Schalters und die dadurch zur Sperrung des Last- und Stufenkurzschlußstromes geschaffene Parallelresonanz und nicht durch das mechanische Auftrennen eines Stromkreises eriolgt.The switching states shown in FIGS. 4a to 4e are also shown with The use achieved in a similar manner to the switching principles according to FIGS. 2 and 3 the AC switch leads in a tap changer of transformers the result is an arrangement with very low-wear mechanical switches, because the shutdown of the largest occurring current by closing one Switch and the one created thereby to block the load and step short-circuit current Parallel resonance and not by mechanically breaking a circuit.
Auf diese Weise ist das Auftreten eines Abschaltlichtbogens und damit eine der Hauptursachen für den Verschleiß in bisher bekannten Stufenschalteinrichtungen vermieden.In this way, the occurrence of a cut-off arc and thus one of the main causes of wear in previously known tap changers avoided.
8 PatentansprUche 4 Figuren L e e r s e i t e8 claims 4 figures L e r s e i t e
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |