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Vorrichtunq zur Fernmessunq von über
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tragunqsdaten einer Hochspannungsleitung Die Erfindung bezieht sich
auf eine Vorrichtung zur Fernmessung von Übertragungsdaten einer Hochspannungsleitung,
mit mehreren Fühlern zur Abnahme der Daten, von denen zumindest einige Analogsignale
sind, mindestens einem A/D-Wandler zur Umwandlung der Analogsignale in ein digitales
Ausgangssignal, einem Hochfrequenzsendeteil zur Aussendung der digitalen Ausgangssignale,
einem zwischen Fühler und A/D-Wandler geschalteten Multiplexor und einem über die
Hochspannungsleitung betriebenen Stromversorgungsteil für die Vorrichtung.
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Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE-OS 25 46
694 des Anmelders bekannt.
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Die bekannte Fernmeßvorrichtung gestattet die Überwachung einer Hochspannungsleitung
im normalen Betriebszustand, jedoch können bei der Ermittlung der einzelnen Daten
der Hochspannungsleitung Schwierigkeiten auftreten, wenn extreme Meßwerte abgefühlt
und übertragen werden müssen, beispielsweise während Einschaltvorgängsnoder bei
Überlastung der Leitung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fernmeßvorrichtung
der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß für alle Betriebszustände der
Leitung einschließlich Einschaltvorgängen oder Überlast alle interessierenden Daten
übertragen werden können und damit eine lückenlose Erfassung aller interessierenden
Werte möglich wird.
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Diese Aufgabe wird bei der in Frage stehenden Fernmeßvorrichtung dadurch
gelöst, daß der A/D-Wandler und der mit ihm verbundene Multiplexor die Steuersignale
von einer Steuervorrichtung erhalten, die je ein Steuerprogramm für unterschiedliche
Betriebsarten der Hochspannungsleitung, wie Einschaltvorgang, Normalbetrieb oder
Uberlast, enthält, durch das jeweils nur bestimmte Daten der Leitung für die Übertragung
ausgewählt werden und daß ein Datenspeicher die vom A/D Wandler erzeugten Daten
aufnimmt und eine digitale, mit dem Datenspeicher verbundene Einrichtung vorgesehen
ist, die die digitalen Ausgangssignale erzeugt.
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Durch die erfindungsgemäße Fernmeßvorrichtung wird es möglich, auch
bei plötzlicher Überlastung oder bei Ein- und Abschaltvorgängen alle interessierenden
Größen zu erfassen, ohne daß die Genauigkeit der Meßwerterfassung im Normalbetrieb
beeinträchtigt wird.
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Die Erfindung wird anschließend anhand eines in Verbindung mit den
Zeichnungen beschriebenen Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Blockschaltbild der Fernmeßvorrichtung, Fig.
2 eine ausführlichere Schaltung der Meßvorrichtung in der Anordnung nach Fig. 1,
Fig. 3 Einzelheiten der Steuerschaltung für die Meßvorrichtung nach Fig. 2,
Fig.
4 ein Einzelschaltbild eines digitalen Ausgangsspeichers, der einen Teil der Meßvorrichtung
nach Fig. 2 bildet und Fig. 5 einen Spannungsfühler.
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Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung können Stromfluß und Spannung
der Hochspannungsleitung, die Leitertemperatur, die Umgebungs- Ionisierung, die
Umgebungstemperatur, sowie die Windgeschwindigkeit neben weiteren Größen ermittelt
werden, die auf eine Hochspannungsleitung Einfluß nehmen können.
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Insbesondere ermöglicht dabei eine Echtzeiterfassung der interessierenden
Parameter in Verbindung mit einer digitalen Verarbeitung der Meßwerte, beispielsweise
mittels eines Mikroprozessors, der entsprechende Speichereinrichtungen in Verbindung
mit einer Steuerschaltung aufweist, um eine drahtlose Übermittlung von Daten an
einen entfernten Empfangsort zu ermöglichen. Die übermittelten Daten stellen in
ihrer Gesamtheit ein Bild des Betriebszustandes der Hochspannungsleitung dar, und
enthalten unter anderem Daten und/oder Datenkombinationen, die das Ergebnis von
in der Schaltung durchgeführten Berechnungen sind. Die Vorrichtung enthält dabei
alle erforderlichen Anordnungen für die Datenerfassung, die Datenverarbeitung, die
Datenübertragung und die Stromversorgung und ermöglicht eine neuartige Echtzeiterfassung
der in Frage stehenden Daten.
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Die Datenübertragungseinrichtung kann dabei derart mit einem Sende-
und Empfangsteil ausgebildet sein, daß eine selektive Datenübermittlung, Steuerung
und Überprüfung von der Fernmeßvorrichtung zu einem entfernten Empfangsort und in
umgekehrter Richtung ermöglicht wird.
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Die Messung von Strom und Spannungswerten in einer Hochspannungsleitung
ist aus der US-PS 3 488 591 bereits bekannt, jedoch erfolgt in der bekannten Anordnung
die Messung in Verbindung mit einer Halterung für die Hochspannungsleitung, da die
Spannungsmessung proportional dem vorhandenen Feld erfolgt und infolgedessen kann
in der bekannten Anordnung im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Fernmeßvorrichtung
die Erfassung der Hochspannung nicht an einem beliebigen freiwählbaren Punkt der
Hochspannungsleitung vorgenommen werden.
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Die Messung der Daten in üblichen Meßvorrichtungen zur Überwachung
einer Hochspannungsleitung ist gewöhnlich auf Strom und Spannung begrenzt und bezieht
sich üblicherweise auf die Effektivwerte, obwohl es in hohen Maße wünschenswert
ist, auch andere, mit dem betreffenden Parameter zusammenhängende Werte zu ermitteln.
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Beispielsweise ist es bei der Erfassung des Stromflusses in einer
Hochspannungs-Freileitung erwünscht, nicht nur genaue Daten bezüglich des Strom-Effektivwerts
oder des Scheitelwerts zu erhalten, sondern auch bezüglich des Zeitpunkts des Stromnulldurchgangs
und bezüglich der Zusammensetzung der Oberwellen, sowie Daten bezüglich von Einschwing-
oder Uberlastvorgängen.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Fernmeßvorrichtung ist es möglich,
eine Echtzeiterfassung der Leitungsdaten nicht nur während des normalen Betriebs,
sondern auch während Einschaltvorgängen, Überlastungen oder Ausschaltvorgängen zu
gewinnen, wobei die jeweils erfassten Daten bei den einzelnen Zuständen sich voneinander
unterscheiden und selbsttätig durch ein Steuerprogramm vorgegeben werden.
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Die erfindungsgemäße Fernmeßvorrichtung ist unmittelbar auf einen
Leiter der Hochspannungsleitung angeordnet und wird auf dem Potential dieses Leiters
betrieben. Die Fernmeßvorrichtung enthält eine Echtzeit- Meßvorrichtung, die aus
einer Abtasteinrichtung
und einer Wandlereinrichtung besteht, digitalen
Ausgangsvorrichtung und einem Steuerkreis, sowie einem Meßfühler oder mehreren Meßfühlern,
die neben dem Leiter der Hochspannungsleitung angeordnet sind, um die gewünschten
Parameter elektrischer und/oder anderer Natur zu überwachen, sowie schließlich einem
Datensender und einer Stromquelle zur Zuführung der erforderlichen Betriebsenergie.
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Gemäß einem besonderen Merkmal der erfindungsgemäßen Fernmeßvorrichtung
enthält die Meßeinrichtung mindestens einen A/D-Wandler, der gegebenenfalls eine
Sample-hold-Schaltung aufweist, die mit einem Multiplexor verbunden ist, der die
Signale der Meßfühlervorrichtung enthält.
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Der Multiplexor wählt unter seinen Eingangssignalen, während eineS
Zeitintervalls ein Signal in der durch den Steuerkreis vorgegebenen Reihenfolge
aus, wobei der Multiplexor wie auch der A/D-Wandler gleichzeitig durch den Steuerkreis
gesteuert werden. Der A/D-Wandler formt anschließend die Signale in Digitalwerte
um, die in ein innerhalb des A/D-Wandlers vorhandenes Register eingegeben werden,
welches innerhalb der Meßvorrichtung als Pufferregister arbeitet.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung ist es möglich, die den Eingängen
des Multiplexors zugeführten unterschiedlichen Parameter mit unterschiedlicher Dichte
zu ermitteln, abhängig beispielsweise von der Stromdichte oder der Temperatur. Die
Meßeinrichtung enthält zweckmäßig verschiedene Meßfühler, von denen einige Analogsignale
abgeben und andere numerische oder digitale Werte. Die Meßfühlervorrichtung enthält
einen Analogmultiplexor, einen Kanalmultiplexor, einen A/D-Wandler, ein Pufferregister
und einen Steuerkreis, wobei der Steuerkreis gleichzeitig alle Einrichtungen steuert,
deren Betrieb eine Steuerung erfordert.
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Das Pufferregister ist dem Ausgang des Kanalmultiplexors zugeordnet,
wobei die Kanäle dieses Multiplexors gleichzeitig mit dem Register verbunden sind,
das im A/D-Wandler und/oder in den
digitalen Meßfühlern angeordnet
ist. Der A/D-Wandler ist mit dem Analog-Multiplexor verbunden, während analoge Meßfühler
mit den analogen Multiplexoreingängen verbunden sind.
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Der Kanalmultiplexor dient zur Überführung der Daten von ihrem Ausgangspunkt
zum Pufferregister.
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Die ausgangsseitige Pufferschaltung enthält eine digitale Vorrichtung
zur Parallel-Serien-Umwandlung, der im Pufferregister befindlichen Daten, wobei
gemäß einer Ausbildungsform die Schaltung eine digitale Vorrichtung zur zeitweiligen
Speicherung Verarbeitung, Handhabung und Codierung von Daten enthält, um eine Datenfolge
zu erhalten, die den komplexen Zustand der Hochspannungsfreileitung entspricht.
Die Daten werden anschließend durch den Kanal für serielle Ausgabe seriell abgegeben.
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Die Sendevorrichtung für die Daten enthält einen Hochfrequenz-Signalgenerator,
eine diskrete Signalmodulationsvorrichtung und eine Hochfrequenz-Sendevorrichtung.
Die Modulationsvorrichtung, die mit dem Ausgang der Meßeinrichtung verbunden ist,
führt die Modulation des Hochfrequenzsignal mit den digitalen,von der Datenübertragungsvorrichtung
übertragenen Daten vor.
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Der Steuerkreis enthält einen Taktgenerator, einen Zähler oder mehrere
Zähler, Speichervorrichtungen sowie eine Logik-Schaltung.
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Diese Bauteile sind derart aufgebaut, daß die Erzeugung vorgegebener
Signale ermöglicht wird, die für die einmal festgelegten Betriebsvorgänge der Meßeinrichtung
benötigt werden.
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Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Fernmeßvorrichtung für
eine Hochspannungs-Freileitung, die auf dem Leiter 1 der Hochspannungs-Freileitung
angeordnet ist und auf dessen Potential betrieben wird. Die Fernmeßvorrichtung enthält
eine Meßfühlervorrichtung 40, die neben dem Leiter 1 angeordnet ist, und
mindestens
einen bei Betrieb der Hochspannungs-Freileitung auftretenden Parameter überwacht.
Die Meßfühlervorrichtung 40 gibt die gemessenen Signale an eine Meßeinrichtung 20
ab, welche die Messung durchführt und die Daten bezüglich des Betriebszustands der
Hochspannungs-Freileitung erstellt. Diese Daten sind unterschiedlicher Natur abhängig
vom Betriebszustand der Hochspannungs-Freileitung, wie beispielsweise Normalbetrieb,
Einschwingvorgang oder Überlastung etc.
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Die Daten werden als serielle digitale Signale codiert und einer Übertragungsvorrichtung
50 zugeführt, welche die digitalen Signale zur Modulation verwendet. Der Signalausgang
51 enthält das modulierte Hochfrequenzsignal. Die bevorzugt Modulationsart ist eine
Phasen- oder Frequenzmodulation, jedoch sind auch andere Modulationsarten verwendbar.
Das Hochfrequenzsignal wird von einem an einem entfernten Ort befindlichen Empfänger
aufgenommen, der die Modulation des empfangenen Signals durchführt und die übertragenen
Daten wiedergewinnt, Die Energieversorgung für die Fernmeßvorrichtung erfolgt durch
eine Stromquelle 70, die ausgehend vom Leiter 1 der Hochspannungs-Freileitung mit
Strom versorgt wird. Die Meßeinrichtung 20, die Datenübertragungsvorrichtung 50
und jene Meßfühler, die eine Energiezufuhr benötigen, sind mit der Stromquelle über
eine Speiseschaltung 80 verbunden.
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Fig. 2 stellt einen Spannungsfühler 40a, einen Stromfühler 40b einen
Temperaturfühler 40c und einen Ionisationsfühler 40d dar.
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Mit diesen Fühlern sind Elemente für die erfaßten Daten verbunden,
beispielsweise Element 41 zur Ermittlung des Spannungseffektivwerts, Element 42
zur Erfassung eines Signals,
welches dem Leistungsfaktor (cos #
) entspricht, um die Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom nachGröße und
Richtung anzugeben, und Element 43 zur Erfassung des Stromeffektivwerts. Die von
den Meßfühlern und ihren zusätzlichen Elementen kommenden Signale werden einem Multiplexor
21 zugeführt, der die Signale in entsprechenden Zeitintervallen an einen A/D-Wandler
22 abgibt.
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Die Länge dieser Zeitintervalle und ihre Beziehung gegenüber den Eingangssignalen
wird durch eine Steuervorrichtung 23 über die Verbindung 23a bestimmt. Auf diese
Weise ist es möglich, jene Signale auszuwählen, die entsprechend dem jeweils vorhandenen
Betriebszustand dem A/D-Wandler 22 zugeführt werden. Beispielsweise wird während
eines Einschaltvorgangs nur das Spannungssingal zur Überwachung ausgewählt. Der
A/D-Wandler 22,der gegebenenfalls mit einer Sample-hold-Schaltung ausgestattet ist,
frägt die Signale ab und wandelt sie in digitale Werte um, die am Ende der Umwandlung
in ein innerhalbe des A/D-Wandlers befindliches Register eingegeben werden, wobei
dieses Register als Pufferregister innerhalb der Meßeinrichtung arbeitet. Der gesamte
Vorgang wird durch die Steuervorrichtung über die Verbindung 23b gesteuert.
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Die bei der A/D-Umwandlung erhaltenen digitalen Werte werden dem digitalen
Ausgangsspeicher 24 zugeführt. Im einfachsten Falle nimmt der Ausgangsspeicher 24
nur eine serielle Umwandlung und Codierung der Daten vor. Bei der in Fig. 4 dargestellten
Ausführungsform enthält der Ausgangsspeicher 24 einen digitalen Speicher und eine
digitale Verarbeitungsschaltung 241, die zur vorübergehenden Speicherung, zur Verarbeitung,
zur Manipulation und Codierung der Daten dient, entsprechend den jeweiligen Erfordernissen
zur Lieferung der Daten über den zujeweiligen Zustand der Hochspannungsübertragungsleitung.
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Die Daten liegen in digitaler Form vor und werden über den seriellen
Ausgangskanal 242 an die Datenübertragungsvorrichtung 50 über die Verbindung 24b
abgegeben.
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Die Steuervorrichtung 23 liefert ferner Steuersignale, für den digitalen
Ausgangsspeicher, was über die Verbindung 23c erfolgt. Die Steuerung der gesamten
Verarbeitung bis zur Herstellung der Daten hängt von der in den Daten gespeicherten
Nachricht ab, die wiederum vom Betriebszustand der Hochspannungsfreileitung abhängig
ist. Eine der Funktionen des digitalen Speicher- und Verarbeitungskreises 241 der
Fig. 4 liegt darin, Uber die Verbindung 24a dem Steuerkreis 23 Steuerbefehle zu
übermitteln. Diese Steuerbefehle basieren auf den im digitalen Speicher gesammelten
Daten.
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Fig. 3 zeigt die Steuervorrichtung 23 für die Steuerung des Betriebs
aller Bauelemente 21,22,24 der Fig.2, die eine Taktvorrichtung 231 umfassen, einen
Zähler oder mehrere Zähler 232, Speichervorrichtungen 233 und eine Logikschaltung
234. Abhängig vom Betriebs zustand der Hochspannungs-Freileitung wird der über die
Verbindung 24a eintreffende und in den Speichervorrichtungen gespeicherte Steuerbefehl
zur Erzeugung aller für die Datenerstellung erforderlichen Steuersignale verwendet,
einschließlich des Kennungsteilsder Daten. Durch die Taktvorrichtung, die Zähler
und die Logikschaltung ist es möglich, beliebige Impulsmuster zu erhalten. Die gesamte
Meßvorrichtung einschließlich der Meßeinrichtung 20 kann unter Verwendung eines
am Markt erhältlichen Mikroprozessors aufgebaut werden.
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Im Ausgangs speicher 24 werden die Daten einer Halbperiode des Stroms
oder der Spannung der überwachten Hochspannungsleitung gespeichert. Die Abtastung
von Strom und Spannung erfolgt aufgeteilt in Harmonische derselben, bis beispielsweise
etwa zur 13. Harmonischen, wobei nur die über einen Mindestwert einer Harmonischen
liegenden Größen an die zur Zentrale führenden Verbindung 24b abgegeben werden.
Die Abtastung erfolgt dabei so schnell, d.h. mit so hoher Abtastimpulsfrequenz,
daß auch noch die höchste interessierende Harmonische erfaßt werden kann.
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Im Normalbetrieb der Leitung werden neben dem Effektivwert des Stroms
bzw. der Spannung die Harmonischen sowie der cos erfaßt und übertragen. Bei Überlast
erfolgt zusätzlich eine Erfassung der Temperatur der Leitung sowie gegebenenfalls
von im Überlastbetrieb auftretenden Spitzenwerten von Strom und Spannung. Aufeinanderfolgende
Größen von Strom und/oder Spannung werden gemessen und im Ausgangs speicher 24 gespeichert.
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Durch Abruf einiger aufeinanderfolgender Werte und Vergleich derselben
läßt sich ermitteln, ob Normalbetrieb oder ein Schaltvorgang vorliegt, falls sich
diese Werte um mehr als einen vorgegebenen Betrag unterscheiden. Bei diesem Vergleich
erfolat eine Gradientenbildung, - wobei, falls der Gradient außerhalb einer bestimmten
Toleranz liegt, ein anderes Programm durch die Steuervorrichtung 23 ausgewählt wird,
gemäß welchem alle werte gespeichert werden, bis entweder wieder ein normaler Betriebszustand
einschließlich Überlast eintritt oder bis ein Rückgang der Spannung oder des Stroms
auf null erfolgt.
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Anschließend werden die gespeicherten Daten weitergegeben, was unter
Umständen mit höherer Abgabefrequenz vorgenommen wird.
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Bei Stromausfall sind keine Nulldurchgänge des Stroms mehr vorhanden,
womit eine Sparschaltung wirksam wird, deren Speisung über eine Batterie erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet mit zwei Programmebenen,
wobei die erste Programmebene die Überwachung und Steuerung bei Schaltvorgängen
bzw. Stromausfall betrifft, während die zweite Programmebene die eigentlichen Programme
für den jeweiligen Betriebsfall enthält.
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Die Steuervorrichtung 23 enthält Speicher mit wahlfreiem Zugriff (
RAM ) und vorzugsweise einen Mikroprozessor (MP) sowie einen Taktgeber, während
der Ausgangsspeicher (24) Festwertspeicher (ROM) sowie einen universellen asynchronen
Sendeübertrager (UART!, aufweist.
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Die Nulldurchgangserfassung des Stroms oder der Spannung wirkt auf
Kippstufen, um eine halbperiodenabhängige Sychronabtastung nur innerhalb vorgegebener
Zeitfächer sicherzustellen.
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Fig. 5 zeigt den Aufbau eines Spannungsfühlers 40a. Innerhalb der
Isolatoren der Isolatorkette, die den Hochspannung führenden Leiter 1 trägt, sind
Widerstände 401,402 etc. angeordnet.
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Diese Widerstände bilden einen Spannungsteiler. Der letzte Isolator,
der mit dem Leiter 1 verbunden ist, enthält den Spannungsteiler 410. Die abgegriffene
Spannung ist an einer besonderen Klemme 411 an der Basis des Isolators verfügbar.
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Die Klemme 411 stellt den Ausgang des Spannungsfühlers 40a gemäß Fig.
2 dar. An Stelle eines aus Widerständen aufgebauten Spannungsteilers ist es möglich,
auch einen kapazitiven Spannungsteiler zu verwenden, bei dem die Widerstände 401,402
etc. durch geeignete Kapazitäten ersetzt sind.
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