DE3126069A1 - Turbinen-regel- und schutzsystem - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Turbinen-Regel- und Schutz-System nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bisher war es üblich, die Regelung von Turbinen, einschließlich der Notsteuerung, über mechanisch-hydraulische Systeme vorzunehmen. Hiebei war für den Normalbetrieb ein Drehzahlregler vorgesehen, welcher über einen mechanisch-hydraulischen Weg die Betätigung der Steuerventile besorgte. Zum Schütze von überdrehzahTen war eine Überdrehzahl-Schnellschlußauslösung vorgesehen, welc'he im wesentlichen aus einem in der Turbinenwelle eingelassenen Bolzen bestand, welcher wenn eine bestimmte Drehzahl überschritten wurde, vorwiegend durch die Wirkung der Fliehkraft eine Klinke betätigte, die über einen Umschaltantrieb die Freigabe des Kraftöls für die Betätigung der Schnellschlußventile bewirkte. Zur elektrischen Notauslösung Von dritter Seite, z.B. durch übergeordnete Systeme, wie Generatorschutz, elektrische Not - Aus - Tasten usw., war zusätzlich ein Magnetventil im Kraftölzulauf vorhanden.

Diese Anordnungsart hatte aber eine Reihe von Nachteilen. Zum einen waren die mechanischen Teile sehr empfindlich und die Gefahr einer Beeinträchtigung durch Verschmutzung, ölverharzung, Langzeit-Alterung oder Materialermüdung war gro-ß.

Gleichzeitig war aber eine Überprüfung der Einrichtungen schwierig. Sie wurde entweder durch künstlich herbeigeführte Überdrehzahl bei Unterbrechung des laufenden Turbinenbetriebes oder - ohne Unterbrechung - durch Simulation einer Überdreh-zahl und gleichzeitiger Unterdrückung der Überdrehzahlauslösung durchgeführt. Die Simulation beinhaltete entweder die Ist·^ werterfassung oder die mechanische ÜberdrdTKahlauslösung durch eingepumptes öl unter die Schnellschlußbolzen.

Die Betriebssteuerung und die Sicherheitssteuerung waren in Aufbau und Wirkungsweise verschieden, sodaß eine Einrichtung nicht die Punktion der andern übernehmen konnte, wenn eine dieser Einrichtungen einmal ausfiel.

Zum anderen war der Aufwand sehr hoch. Wollte man nämlich eine Reserve haben, so mußte die gesamte Einrichtung mit entsprechenden Mehrkosten doppelt vorgesehen werden.

Es ist außerdem bekannt, eine Überdrehzahl - Schnellschlu-ßauslösung elektronisch - hydraulisch herbeizuführen. Hiebe! wird die Turbinendrehzahl induktiv erfaßt und in einer Auswerte lektronik überwacht, wobei die Schnellschlußauslösung in der Regel durch ein Magnetventil erfolgt. Zur Prüfung während des normalen Betriebes ist es erforderlich, zum Turbinenschutz auf ein paralleles Überwachungssystem umzuschalten, wobei gleichzeitig eine entsprechende Prüfschaltung in Betrieb gesetzt wird. Diese Prüfschaltung hat den Nachteil, daß der Auslösekreis unterbrochen wird und eine ordnungsgemä-ße Auslösung im Betrieb nur dann gewährleistet ist, wenn die Prüfschaltung in den Normalzustand zurückversetzt wird, was nicht immer in letzter Konsequenz prüfbar ist.

Es sind auch elektronisch-hydraulische Regelsysteme bekannt; solche Systeme sind jedoch von den Schutzsystemen getrennt und wirken nur auf die Regelventile allein.

Ziel der Erfindung ist es daher, ein Regel- und Schutzsystem für Turbinen zu schaffen, welches mit identen, jedoch voneinander unabhängigen Baugruppen von der Istwerterfassung bis zu den Stellorganen aufgebaut ist und die Möglichkeit einer voll' kommenen Prüfung aller Punktionen sowohl im Stillstand als auch während des Betriebes, ohne diesen in irgend einer Weise zu stören, bietet. Durch den baugleichen Aufbau soll erreicht

werden, daß bei Ausfall eines Kreises (bzw. einer Baugruppe) die Sicherheitsfunktion ohne Einschränkung vom anderen Kreis übernommen und unter gewissen Voraussetzungen auch ein Notbetrieb aufrecht erhalten werden kann, bei gleichzeitiger Minimierung des Bauteilaufwandes. Damit ist eine hohe Verfügbarkeit (geringe Ausfallswahrscheinlichkeit) gegeben: selbstverständlich sind dabei auch eine hohe Regelgüte und höchste Maschinensicherheit sowie der Aufbau von Redundanzsystemen und eine weitestgehende Anpassungsfähigkeit an andere (übergeordnete) Regelsysteme weitere Forderungen.

Dieses Ziel der Erfindung wird durch die Maßnahme nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 erreicht.

Der Vorteil dieser Bauweise, erfindungsgemäß gleiche Systeme für die Regeleinrichtung und die Schutzeinrichtung vorzusehen, ist dadurch gegeben, daß der eine Regler zeitweise die Funktion des anderen übernehmen kann, z.B. wenn ein Regler aus^ fällt. Es ist somit auch bei höchsten Sicherheitsanforderungen nicht mehr notwendig, sämtliche Einrichtungen doppelt vorzusehen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Maßnahmen der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert, Hiebei zeigen Fig. 1 ein Übersichtsschema eines einzelnen Turbinenregelkreises,

Fig. 2 das Schema eines im Betrieb prüfbaren Schnellschluß^ ventils und

Fig. 3 das Blockschema eines mit einem Drehzahlregler und einem Schnellschluß- und Anfahrregler ausgestatteten Systems

gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist die Turbine mit 1 bezeichnet. In der zu ihr führenden Arbeitsmittelleitung (z.B. Dampfleitung) 2 liegt das/die Regelventil(e) 3₃ welche über einen an die Regelölleitung 4 und die Kraftölleitung 5 angeschlossenen Stellantrieb 6 betätigt werden.

Auf der Turbinenwelle 7 sitzt eine Scheibe 8, welche an ihrem Umfang Nuten oder Zähne trägt.

Dieser Scheibe 8 sind zwei Induktionssonden 9, 9^Λ zugeordnet, welche bei jedem Vorbeigang eines Zahnes je einen elektrischen Impuls über die Leitungen 10, 10' an den Regler 11 abgeben. Dem Regler 11 kann extern eine FührungsgröJ3e, beispielsweise ein Gleichstrom im Bereich von Null bis etwa 20 mA, von einem übergeordneten Regler (Kaskadenregelung od.dgl.) zugeführt werden.

Durch die Leitung 13 kann dem Regler 11 ein externes Signal zur Schnellschlußauslösung zugeführt werden, d.h. der Schnellschluß kann auch von außen her - z.B. von Hand oder vom Generatorschutz aus - ausgelöst werden.

Die Sollwerteinstellung am Regler 11 ist mit lh bezeichnet; die Taster 16, 17 mit den zum Regler 11 führenden Leitungen 18, 19 dienen zur Drehzahl-Sollwert-Fernverstellung. Die drei mit 20, 21, 22 bezeichneten aus dem Regler kommenden Leitungen führen zu Anzeigegeräten 23 ₃ 24, 25, welche die augenblickliche Drehzahl der Turbine, den eingestellten Sollwert und die Größe des Regler-Ausgangssignals erkennbar machen. Die Ausgänge 26 bis 29 führen zu Verriegelung und Signalisierung und übertragen Signale für Stillstand η = 0, Mindestdrehzahl η · , Höchstdrehzahl η bzw. melden einen SchnellschluJ3 η .

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Die das Regl:erausgangssignal führende Leitung ist mit 30 bezeichnet und verbindet ein Druckstellglied 31 mit dem Regler 11 von diesem Druckstellglied 3I₃ welches als elektronischhydraulischer Wandler wirkt, geht die schon zuvor erwähnte Regelölleitung k aus.

Die Drehzahl wird mit zwei magnetinduktiven Sonden S₃ 9' gemessen. Der Regler 11 wählt jeweils das größere der beiden Sondensignale aus. Dadurch ist sichergestellt, daß auch bei Ausfall eines Meßkanals (Leitungen 1O₃ 10', z.B. durch Kabelbruch) die Maschine störungsfrei weiterbetrieben werden kann. Zu diesem Zweck wurden generatorisch wirkende Sonden ausgewählt, die systembedingt bei Störung oder Ausfall Signale nur in Richtung kleinerer Frequenz abgeben können.

Das Regler-Ausgangssignal wird als eingeprägter Strom (0..2OmA) auf das Druckstellglied 33 geschaltet. Es formt das elektrische Signal in einem Impulsöldruck um, der direkt auf die Steuerwerke - hier den Stellantrieb 6 - des/der Regelventils(e) 3 geschaltet wird.

Als Druckstellglied kann vorzugsweise der in der AT-PS 306 beschriebene Tauchanker-Elektromagnet als elektro-hydraulischer Wandler verwendet werden.

Der vom Druckstellglied (Teil 31) ausgesteuerte Öldruck wird als Stellgröße direkt den Stellorganen (Stellantrieb 6) zuge^ führt.

In das Regelsystem ist eine Schnellschlußeinrichtung eingebaut. Diese löst über das Druckstellglied (Teil 31) durch Abschalten der Hilfsenergie den Turbinenschnellschluß aus, sobald einer der beiden Istwertmeßkanäle (Leitungen 10_s 10V Überdrehzahl signalisiert oder wenn beide Istwerte einer unzulässigen, zeitlichen Änderung unterliegen oder ein Istwert-

kanal ausgefallen ist und der zweite Istwert einer unzulässigen, zeitlichen Änderung unterliegt. Ein externer Schnellschlußbefehl (über die Leitung 13) kann ebenfalls verarbeitet werden.

Durch die Verwendung eines kraftgeregelten Elektromagneten im Druckstellglied 31 lassen sich die erfaderlichen Stellkräfte ohne Servosysteme erreichen. Dadurch wird die Ansprechzeit wesentlich verkürzt und es entfallen die zumeist engen Querschnitte der VorSteuersysterne und die damit zusammenhängende Verschmutzungsgefahr.

Das Regelsystem enthält ein im Betrieb prüfbares Schnellschlußsystem. Das Blockschema eines solchen Systems ist in Fig. 2 gezeigt.

An die von den beiden Sonden 9, 9' kommenden Leitungen 10, 10' ist je eine Prüfleitung 32, 32' unmittelbar angeschlossen. In jeder dieser Prüfleitungen liegt ein Impulsgenerator 33, 33¹J der eine Impulsfolge liefern kann.

Die Frequenz der von den Generatoren 33, 33' abgegebenen Impulsfolgen hängt ab von der Größe der Gleichspannung, die ihnen über die Leitungen 3^j 3^' von einem Spannungswähler 35 mit Wählschalter 36 zugeführt wird. Bei maximaler Gleichspannung wird die maximale Frequenz abgegeben. Diese entspricht der maximal verarbeitbaren Drehzahl, die oberhalb der Schnellschlußdrehzahl liegt.

Durch den Wählschalter 36 kann immer nur eine der beiden Leitungen 3^, 3²J' an Gleichspannung gelegt werden. Des weiteren kann der Integrator (Spannungswähler ~5y nur dann bzw. solange Gleichspannung abgeben, wenn das Sperrglied 37 (eine Art UND-Gatter mit einem negierenden Eingang), an dessen beiden Eingängen eine Auslöseleitung 38 und ein Schalter (Prüfschalter 39) liegen, ein entsprechendes Signal an den Integrator- (Spannungswähler 35) abgibt.

Das von jeweils von der Gleichspannung angesteuerten Impulsgenerator 33 bzw. 33' geliegerte Signal wird dem von den Sonden 9 bzw. 9' erzeugten Signal überlagert; eine Umschaltung der Meßumformer auf "Sonde" bzw. 'Generator" wird nicht vorgenommen.

Die beiden Leitungen 10, 10' liegen an Meßumformern 40, 40', die eine von der Impulsfolgefrequenz abhängige Gleichspannung an die Grenzwertstufen 4l, 4l', liefern. Die Ausgänge der beiden Grenzwertstufen 4l, 4l' lösen über die ODER-Glieder 42 und 43 den Schnellschluß durch Entregen des Relais 48 aus. Der Schnellschluß wird ebenfalls von einem externen Schnellschlußsignal (Leitung 13) oder von der Systemüberwachung 45 ausgelöst. Die Systemüberwachung ist über den Prüftaster 47 und das Sperr-UND-Glied 46 ebenfalls in seiner Punktion prüfbar.

Der Test erfo]gt derart, daß mit dem Ansprechen des Auslösesicjnals (Ausgang der GW-Stufen 4l und 4l' bzw. Ausgang der Systemüberwachung 45 das SS-Relais 48 entregt wird. Dadurch wird die Hilfsenergie zum Druckstellglied 31 abgeschaltet und die Sperrleitung 38 wird an 24 V gelegt. Dadurch sperren die Sperr-UND-Glieder 46 und 37 und der Test wird beendet. Damit nimmt das SS-Relais 48 seine ursprüngliche Lage wieder ein.

Der Ausgang der Vergleichsschaltung 43 ist an ein Schnell·*· schlußrelais 48 und an ein Melderelais 49 gelegt; das zuletzt genannte Relais 49 dient nur zu Zwecken der externen Meldung, etwa zur Anzeige- oder Rückmeldung.

über das Schnellschlußrelais 48 wird dem Druckstellglied 31 eine Hilfsenergie, z.B. 24 Volt Gleichspannung, zugeführt.

Schaltet das Schnellschlußrelais 48 in die in Fig. 2 gezeigte Stellung um, dann fehlt die Gleichspannung und die Ventile 3

schließen sofort (Schnellschluß).

Entsprechend Pig. 2 enthält somit jeder der beiden Drehzahlmeßkanäle eine Schnellschlußdrehzahlüberwachung ₃ die bei Erreichen des eingestellten Grenzwertes über ein Relais dem Druckstellglied die Hilfsenergie wegschaltet. Dadurch kann der Magnet nicht mehr anziehen und der Impulsöldruck wird abgebaut. Die Dampfregelventile schließen und die Turbine ist abgeschaltet. Das parallel liegende Relais 49 steht zur Verarbeitung in einer externen Steuerung zur Verfügung.

Das Schnellschlußsystem ist das wichtigste Schutzsystem einer Turboanlage. Deshalb sollten die Komponenten in regelmäßigen Zeitabständen überprüft werden. Dieses Regelsystem gestattet es j alle beteiligten Komponenten in jeder Betriebsphase ohne jeden Einfluß auf die Turbinendrehzahl aktiv zu überprüfen. Dazu kann jeder der beiden Drehzahlmeßsonden eine stetig ansteigende "Prüfdrehzahl" aufgezwungen werden. Der zweite Meßkanal übernimmt hiebei während dieser Überprüfung allein die Regelaufgabe. Beim Erreichen der Schnellschlußdrehzahl spricht das Schutzsystem an. Das Schnellschlußrelais wird umgeschaltet, d.h. entregt, und trennt das Druckstellglied von der Hilfsenergie ,

Der Schließkontakt des Schnellschlußrelais 48 meldet "Schnellschluß ausgelöst". Damit wird die Prüfdrehzahl auf Null gesetzt, das Schnellschlußrelais zieht wieder an und das Druckstellglied kann wieder weiterarbeiten.

Das Schnellschlußrelais 48 wird nur für höchstens 20 Millisekunden entregt. Das entspricht etwa einem Regelzyklus des Magnetkraftregelkreises im Druckstellglied 31. Damit ist sichergestellt, daß die Stellung der Dampfregelventile nicht verändert wird.

Die Punktion der Regelventile läßt sich durch eine geringfügige Änderung des Drehzahlsollwertes leicht überprüfen.

Ein Höchstmaß an Sicherheit und Zuverlässigkeit wird durch den Umstand erreicht, daß auch das Schnellschlußventil mit einem Drehzahlregler ausgerüstet ist.

Alle Punktionseinheiten (Regler.,· Druckstellglied, Stellantriebe) sind so konzipiert, daß bei Ausfall der Hilfsenergie (elektrisch, hydraulisch) die Anlage abgestellt wird (fail safe - Verhalten).

Das Blockschaltbild einer solchen erfindungsgemäßen Anlage ist in Pig. 3 veranschaulicht.

Wie in Fig. 1 sind die Turbine 1, deren Welle 7 und die Geberscheibe 8 gezeigt. Mit 50 ist eine Arbeitsmaschine (insbesondere Generator oder Verdichter) bezeichnet, die von der Turbine angetrieben wird. In der zur Turbine 1 führenden Arbeitsmittelleitung 2 liegen hintereinander ein Schnell schlu-ß*- ventil 51 und ein oder mehrere Regelventile 52. Diese beiden Ventile werden von Stellwerken 53, 5^ betätigt, die einerseits über Leitungen 55,_ ein Koppelventil 56, eine Leitung 57 und ein handbetätigbares Notausschaltventil 58 gemeinsam oder zueinander parallel mit einer Kraftölquelle in Verbindung stehen. Anderseits führt zu jedem der Arbeitszylinder 53> 5^ eine Steuerölleitung 60, 61 von einem Druckstellglied 31 bzw. 31'·

Das Koppelventil 56 steuert im Schnellschlu-ßfall das Kraftöl zu den Ventilsteuerwerken 53 und 5^ ab.

Bei dem in Pig. 3 gezeigten System sind zwei einander völlig gleiche Regler vorgesehen, u.zw. der Schnellschlußregler 62 und der Drehzahlregler 63. Jeder dieser beiden Regler ist über je zwei Leitungen 10, 10' mit je zwei Sonden 9, 9¹ ver-

bunden. Beide Regler 62, 63 stehen über einen Zwischenkreis (Verknüpfungskreis) Sk mit dem Not-Ausschalter 65> einer Verriegelung 66 und der externen Staierung 67 in Verbindung. Weiters hängen am Zwischenkreis 6k noch eine externe Anzeige 68 und Einrichtungen für externe Meldungen, mit 69 bezeichnet. Jedes Druckstellglied 31, 31' kann mit einer Handverstellung 31" zu seiner Verstellung in eine Endlage (Offenstellung) versehen sein.

Von jedem Regler 62, 63 geht eine dessen Ausgangssignal führende Leitung 30, 30' zu dem dem jeweiligen Regler zugeordneten Druckstellglied 31 bzw. 31'· Zwischen den beiden Reglern besteht eine Signalverknüpfung 59, die auch beim Ansprechen von nur einem Schutzsystem das zweite System mit abschaltet.

Außerdem wird in einem solchen Fall der Sollwertgeber an beiden Reglern in die Nullage gesteuert.

Zur Zufuhr elektrischer Hilfsenergie (gegebenenfalls hydraulischer Hilfsenergie) sind die Leitungen 70, 71, 71' vorgesehen, die von einer nicht gezeigten Stromquelle (Druckölquelle) zum Verknüpfungskreis 64 bzw. von diesem zu den Druckstellgliedern 31, 31' führen.

Das Schnellschlußventil 51 wird genauso angesteuert wie das Regelventil bzw. die Regelventile 52.

Das erfindungsgmäße System bietet die folgenden Vorteile:

drehzahlgeregeltes Fernanfahren über den Anfahr-Schnellschlu-ßregler;

Notregelbetrieb bei Ausfall des Drehzahlreglers durch den Schnellschlußregler;

durch Verknüpfung der Schnellschlußsignale beider Regler wird vierfache Redundanz auf der Signalseite und doppelte Redundanz auf der Stellgliedseite areicht. Hiedurch kann die bisher erforderliche mechanische Schnellschlußauslösung entfallen; übergeordnete Schnellschlußauslösesysteme, z.B. Generatorschutz Not -Austaster u.dgl. sind in das System voll integriert .

Gemäß der Erfindung handelt es sieh demnach um ein elektronisches Turbinendrehzahlregel- und Schnellschlußauslösesystem, welches aus Istwertgebern, Sollwert-Istwert-Vergleichern, Stellgliedern für Turbinenregelventile mit mehrfacher Drehzahlgrenzwerterfassung besteht.

Besondere Merkmale sind darin gelegen, daß ein zweites, völlig identisches Turbinendrehzahlregel- und Scnellschlußauslösesystem über ein gleiches zugeordnetes Stellglied auf das Turbinenanfahrventil (Schnellschlußventil) einwirkt, daß dabei dieses zweite Turbinendrehzahlregel- und Schnellschlußauslösesystem ebenso wie das erste ohne jede Betriebsunterbrechung oder Betriebsstörung während des Betriebes komplett in seiner Funktion überprüfbar ist, die Stellglieder beim Ausbleiben der Hilfsenergie den Turbinenenergiefluß sperren und/oder daß die eigentlichen Regelungsfunktionen auch vom Anfahrregelsystem übernommen werden können.

Übergeordnete Schutzsysteme können auf dieses System einwirken und ebenfalls den Schnellschluß auslösen.

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Claims (6)

1. DlpMng.E.GünterOtten$*"^:·"· -^: -^: ·^: ·^:- - i3 592 -

   ©-München 4O

   Josef-Rape-Str· a

   Simmering-Graz-Pauker Aktiengesellschaft, Wien ₉ Österreich) Voith Getriebe KG₃ Heidenheim (Bundesrep.Deutschland), M.A.N. Maschinenfabrik Augsburg.Nürnberg Aktiengesellschaft Oberhausen (Bundesrep.Deutschland)

   Turbinen-Regel- und Schutzsystem

   Patentansprüche:

   Fl/ Turbinen-Regel- und Schutzsystem, mit mindestens einem Regelventil und einem Schnellschlußventil in der Arbeitsmittelleitung zur Turbine, mit Drehzahlfühlern und einer an diese angeschlossenen und die Ventile betätigenden Regel- und Schutzeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß für das Regelsystem einerseits und für das Schutzsystem anderseits zwei im wesentlichen gleiche, voneinander unabhängige Drehzahlregler vorgesehen sind, deren einer mit dem Regelventil (den Regelventilen) und deren anderer mit dem Schnellschlußventil in Wirkverbindung steht, und daß jedem Regler zwei unabhängige Drehzahlistwerterfassungen zugeordnet sind.
2. 2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckstellglieder (31, 31') mit einer Handverstellung versehen sind, durch welche jeweils ein Steuerventil in die Endlage (Offenstellung) verbringbar ist.
3. 3. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Koppelventil (56) zum Abschalten der Hilfsenergie (Kraftöl) für das Schnellschlußventil und die Regelventile bei Schnellschluß vorgesehen ist.
4. 4. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckstellglied (31, 31') gleichzeitig sowohl als Regelorgan als auch als Auslöseglied für den Schnellschluß dient, wobei die Schnellschlußauslösung durch Abschalten der Hilfsenergie erfolgt.
5. 5. System nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Schnellschlußprüfung dem Drehzahlsignal ein Prüfsignal ohne Umschaltung auf der Auslöseseite überlagert wird, wobei während der Prüfung lediglich das Istwertsignal durch das überlagerte Prüfsignal unterdrückt wird und der übrige Schutz voll funktionsfähig bleibt, die Hilfsenergiezufuhr zu dem Druckstellglied (31 bzw. 31') unterbrochen, nach dieser Unterbrechung der Test aufgehoben und die Hilfsenergieversorgung wieder aktiv wird.
6. 6. System nach mindestens: einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in eine übergeordnete Regelung eingebunden ist (Kaskaden-, Gleichwertregelung od.dgl.), wobei die übergeordneten Regelkreise sowohl auf den Regler des Schnellschlußventils als auch auf den Regler des Regelventils aufschaltbar sind, wobei z.B. dem Drehzahlregler ein Betriebsführungsregler und dem Anfahrregler ein Regler zum Schutz anderer Anlagenteile (Pumpgrenzregler, Kessel-Überlastregler) vorgeschaltet ist.